內蒙古呼和浩特至包頭全路段監控系統改造

孫殉

[摘要]全程監控系統圖像傳輸質量和安全性，路段設備取電的綠色節能方面，對高速公路運維管理、安全督導起著至關重要的作用。本文從圖像采集、編碼、傳輸、查看、回放、存儲等幾方面介紹了高速公路全程監控改造工程設計內容.實現了圖像高質量傳輸、造價經濟合理、圖像傳輸安全可靠、促進交通安全督導等目的。

[關鍵詞]編碼器；攝像機；通信環網；風光互補

呼和浩特至包頭段高速公路（以下簡稱“呼包高速”）是國高網京藏高速公路（G6）以及京新高速公路在內蒙古境內的其中一段，也是內蒙古自治區“8988”公路網規劃中的重要組成部分，呼包高速改擴建工程途徑呼和浩特市和包頭市，路線全長217396公里。

呼包高速監控系統改造，設計為全路段實時監控模式，平均每隔700米設置一處路側立桿式監控攝像機，將原有模擬圖像攝像機全部更換為數字傳輸、存儲模式，要求對每個攝像機進行IP地址分配、本地存儲、全網段劃權限模式實時查看、回放等。

一、初期方案比選

（一）改造前模擬攝像機

在改造前模擬監控時期，前端攝像機的輸出接口是BNC，單一的接口使組網受到極大限制，無法實現對每個攝像機進行IP地址分配、全網段實時查看、回放的要求，且用金屬等線纜作為模擬圖像傳輸介質，其造價高、圖像質量無法保證，因此不符合本次監控改造需求。

（二）網絡IP攝像機

本次改造初期，探討過前端使用網絡IP攝像機，其輸出接口為Rj45。該產品雖然能滿足對每個攝像機進行IP地址分配、全網段實時查看、回放的要求，但沒有本地臨時存儲功能，對臨時發生的網絡中斷，圖像無法實時傳輸到監控存儲服務器中，易造成圖像丟失，對高速公路運行的事故處理、查看等帶來極大不便，因此不符合本次監控改造需求。

（三）前端模擬攝像機加視頻編碼器組合

前端攝像機將采集到的圖像通過短距離視頻電纜（不超過15米），將模擬信號傳輸到前端視頻編碼器中，編碼器接收到模擬信號后，將其轉換為數字信號，通過對編碼器進行IP地址設置，實現在全網域范圍內的自由傳輸，同時前端視頻編碼器具有本地臨時存儲功能，根據需求可以設置不低于7天的本地存儲時間，極大的滿足了高速公路運營管理要求，因此該方案符合本次監控改造需求。

二、傳輸技術介紹

（一）E PON光網絡接入

光纖接入從技術上可分為兩大陣營：有源光網絡（AON，Active Optical Network）和無源光網絡（PON，Passive Optical Nework）。1983年，BT實驗室首先發明了PON技術；PON是一種純介質網絡，由于消除了局端與用戶端之間的有源設備，它能避免外部設備的電磁干擾和雷電影響，減少線路和外部設備的故障率，提高系統可靠性還能節省運維成本，是運維部門期盼已久的技術。PON的業務透明性較好，理論上可承載任何制式和速率的信號。目前基于PON的實用技術主要有APON/BPON、GPON、EPON/GEPON等幾種。在各種PON技術之爭的過程中，EPON脫穎而出，率先進入大規模商用階段，這得益于EPON融合了多種最佳技術和網絡結構。把EPON技術引入到前端攝像機和編碼器中，利用EPON技術可以衍生出星型或總線型等諸多千變萬化的組網，如下所示：

EPON星型組網圖

EPON系統的優勢：

1.TCO成本低，維護簡單，容易擴展，易于升級。EPON結構在傳輸途中不需電源，沒有電子部件，因此容易鋪設，基本不用維護，長期運營成本和管理成本低；

2.EPON系統對局端資源占用很少，多個終端設備接入時只需占用一個局端設備端口：

3.能提供高帶寬。EPON目前可以提供上下行對稱的1Gbps的帶寬，并且隨著以太技術的發展可以平滑升級到106bps；

4.提供高安全性的前端接入。

在常見的以太網中，對物理層和數據鏈路層安全性考慮甚少。以太網自身沒有認證或安全機制，理論上一個以太網端口可以接入任何一臺終端設備。而EPON則不然，不是所有的終端設備都能隨意的接入到EPON網絡，需要對終端設備的身份進行認證，只有合法的終端設備才能接入到EPON網絡中去。即使是經過合法認證接入后的設備，其通信過程啟用了128位的AES加密或者48位的三重攪動加密，形成端到端的加密通道，而且各個終端設備的密鑰都不同，每10秒更新一次，其時間周期遠遠小于密鑰破譯所需時間，具有很高的安全性。

EPON的適用場景

在高速公路中的高安全性接入

在高速公路監控的部署中，由于其安全性因素，都要求IP不到路面，采用EPON方式接入是最合適的。在高速公路的設計模型中，EPON的總線型和扇形覆蓋都比較常見。總線型覆蓋主要應用在高速公路中的道路監控，而扇形覆蓋則主要適用于一個園區的監控。

在高速公路中的高可靠性接入

在高速公路的應用場景下，業界通用的方案是選用光端機，采取手拉手的組網方案，此方案需要對光端機供電，而高速公路上供電穩定性無法保障，如果出現一臺光端機設備掉電，則會導致后面所有節點的視頻監控數據都無法回傳，可靠性很差，如下圖所示：

把總線型分光模式引入到高速公路監控解決方案中，利用EPON長距離傳輸技術，突破EPON技術標準中20公里限制，延伸一倍達到40公里。如果采取3公里的密度進行部署，可以進行11級分光，覆蓋范圍能達到36公里。而分光器是無源設備，根本無需考慮掉電風險。

（二）RRPP（Rapid Ring Protection Protocol，快速環網保護協議）接入

環網技術簡單而言，就是將設備連接到一起構成環狀，實現相互通信的一種技術。為避免環網中產生廣播風暴，最初業界普遍采用STP協議環路保護機制。但實際應用中STP協議的收斂時間受網絡拓撲影響較大，在網絡直徑大時收斂時間較長，無法滿足視頻流傳輸的要求，迫切需要一種故障時收斂時間短的環網技術，故障切換時對視頻圖像基本無影響，RRPP技術應運而生。RRPP能為二層以太網絡提供高可靠性的服務質量保證，可以防止環路上的廣播風暴，鏈路故障時可以提供小于50ms的快速收斂，基本不影響視頻圖像的連續性。

1.每個節點都有雙鏈路上行，并具環網保護機制

環網拓撲下，編碼器為雙端口接入，在一個端口down的情況下，依然可以保證數據的有效傳輸，對端口的光電屬性無要求，可以是光電接口混合組網。

2.環網拓撲避免了SRG（Shared Risk Group共享風險組）問題

環網拓撲下的網絡由于節點間的光纖分別走不同的管道，不會存在SRG的問題。

3.RRPP環網提供了50ms的快速保護倒換能力

RRPP是一個專門應用于以太網環的鏈路層協議，它在以太網環中能夠防止數據環路引起的廣播風暴；當以太網環上一條鏈路斷開時，能迅速啟用備份鏈路以恢復環網上各個節點之間的通信通路。和STP協議相比，RRPP協議具有拓撲收斂速度快和收斂時間與環網上節點數無關的特點。

4.低成本的高可靠性接入方案

RRPP環網接入只需要2芯光纖即可完成環網的搭建，適用于光纖資源緊缺，核心設備端口資源緊張，要求成本控制，要求高可靠性的場景。

（三）雙鏈路上行組網

安裝在重要點位的編碼器，對可靠性要求很高，除了選取高質量元器件設備以及高穩定IMOS軟件的基礎，還需考慮到鏈路級的冗余備份機制。如下圖所示，當一條鏈路故障或者一臺上行交換機故障或異常斷電，視頻流量能自動的遷移到另外一個網口或者鏈路上，視頻監控流量不受影響。

改造后路段監控攝像機選用市電供電和風光互補兩種供電方式：

（一）市電供電

1.除距離供電點較遠的外場設備采用風光互補供電系統供電，各收費站、服務區附近的監控外場設備供電均引自就近變電所低壓配電柜，監控系統預留回路。

2.監控外場選用YJV₂₂型電力電纜，線纜壓降按小于額定電壓的5%。

3.根據外場設備實際負荷、電力電纜敷設路由，選用電纜線徑、敷設長度以及斷路器的型號。

（二）風光互補供電

距離就近供電點較遠的外場監控攝像機，采用低壓電力電纜方式配電，電能損耗較大，且經濟性較差，因此采用風光互補發電系統供電。

風光互補發電系統，由太陽能光伏組件、風機、風光互補控制器（含泄荷器）、蓄電池組、設備機箱、蓄電池箱、安裝支架等組成。

風光互補發電系統的額定輸出電壓DC 24V，若攝像機輸入電壓與之不一致，需選用逆變器或變換器轉換后供電。

風光互補發電系統的容量需根據當地太陽能、風能自然條件來進行配置，并進行適當優化，需保證整個系統在連續陰天、無風情況下正常工作4天，本改造項目風光互補的最低配置不低于：太陽能光伏電池組件800Wp、風力發電機額定功率不小于300W、蓄電池450Ah（單塊12V150Ah，2串3并）。

路段監控需為路段運營解決全路網監控無死角、圖像清晰、不丟失，并根據設置權限實時、方便的調取、回看圖像。本文根據呼包高速路段實際情況，切入運營的現實需求，對呼包高速路段監控改造工程從圖像質量、傳輸、安全、存儲、調用、供電等多方面進行了討論，并在其后的項目實施中得到了印證，運行效果良好、系統穩定，滿足了呼包高速運維對監控系統改造的目標需求。