關于青藏鐵路格拉段視頻監控系統更新改造方案的研究

劉清華, 許 輝, 王賽超

(1．中國鐵路青藏集團有限公司，西寧 810007;2．北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070)

青藏鐵路（Qinghai-Tibet Railway）是一條連接青海省西寧市至西藏自治區拉薩市的國鐵Ⅰ級鐵路，是中國21世紀四大工程之一，是通往西藏腹地的第一條鐵路，也是世界上海拔最高、線路最長的高原鐵路。

青藏鐵路分為青藏鐵路西格段和青藏鐵路格拉段，其中青藏鐵路西格段為雙線電氣化鐵路，青藏鐵路格拉段為單線非電氣化鐵路。

青藏鐵路格拉段視頻監控系統自2007年投入使用以來，為青藏集團有限公司相關業務部門和公安部門提供了有效的監控手段。格拉段視頻監控系統在保障青藏鐵路線路的安全方面也起到了至關重要的作用。

1 格拉段既有視頻監控系統現狀

1.1 視頻系統

青藏鐵路格拉段全線58個車站。格拉段視頻監控系統一期工程于2007年12月開通使用；二期擴容補強工程于 2011年12月底完成。

一期工程利用彩色變焦攝像機和紅外熱像儀分別對鐵路線路和重點區域進行監視； 二期工程在既有攝像機的基礎上，選擇性的安裝激光攝像機和快速球型攝像機（含紅外燈）。既有視頻系統視頻接入節點分別設置在海拔較低的兩個車站，對線路視頻進行存儲、管理和分發。

截止二期工程完畢，對格拉段鐵路線路的大部分范圍進行了視頻監視，但在山體遮擋、洼地、路塹處仍存在部分監視盲區。

2016年、2017年分別對格拉段區間部分線路視頻中一期設備進行了更新。將標清攝像機更換為高清攝像機，熱像儀更換為IP熱像儀。

1.2 承載網

既有格拉段視頻監控系統承載在RPR傳輸系統上，區間采用波分設備接入視頻，每個RPR環上帶寬為1.25 Gbit/s。格拉段數據網改造工程在每個車站設置雙路由器，分別采用GE（o）接口連接光纜，站間接入帶寬與其他業務共享2 Gbit/s帶寬。

1.3 區間接入網

區間基站處的視頻圖像通過10/100 Mbit/s以太網口接入粗波分設備。波分復用器設備將最多8組信號從8個以太網口輸出，接至車站處的以太網交換機，再通過傳輸系統設備最終匯聚至所屬車站，進行視頻圖像的分析存儲。視頻接入方式如圖1所示。

1.4 干線光纜

格拉段既有干線光纜為60芯光纜，承載干線傳輸系統、車站層傳輸系統、數據網系統、區間層傳輸系統等業務。

在格拉段擴能改造工程中新敷設60芯干線光纜，用于承載骨干層傳輸系統、車站層傳輸系統和數據網等業務。

1.5 現狀問題分析

格拉段視頻監控系統自2007年投入使用以來，已經在高海拔、低氣壓的惡劣自然環境下使用了10余年，大部分室外設備(攝像機、線纜等)和一部分室內控制設備已開始出現老化現象，障礙頻發，經不完全統計，全線每日平均發生故障20件左右,嚴重影響格拉段視頻監控系統運用質量。

近年來多次分階段視頻改造工程導致存儲時間不一致，全線視頻圖像清晰度不一致，為用戶的實時監視、歷史調看以及維護工作帶來不便。

由于建設時間較早，既有攝像機采用模擬視頻清晰度，已不能滿足用戶的監視需求；既有的用戶終端也不能滿足高清視頻的顯示。目前攝像機的布點位置和數量較少，導致格拉段線路監控仍存在大量盲區。

在承載接入方面，隨著近些年的業務增加，既有RPR系統除接入視頻業務外，還接入其他鐵路業務，RPR環上帶寬已達上限，不能再接入更多業務；格拉段新建數據網站間接入帶寬共2 Gbit/s，單條鏈路可供視頻系統使用帶寬僅為500～600 Mbit/s；區間接入網無法實現鏈路保護，一旦出現故障點，該點接入的視頻信息將無法上傳接入節點。

由于設備處于高海拔區域，受環境影響，電池組、LCD大屏等設備存在漏液問題。

2 用戶需求

2.1 視頻平臺需求

既有格拉段視頻監視系統更新改造后應能夠同時接入標清和高清視頻平臺，并采用先進技術，提高視頻系統的安全性、可用性和可維護性。

2.2 視頻采集點需求

隨著技術的發展，格拉段視頻監控系統改造工程中需對既有標清攝像機進行更換，更換為1080P高清攝像機；既有熱像儀更換為IP熱像儀。

工程中需對格拉段區間線路盲區（主要分布在區間山體遮擋、洼地、路塹處）、根據公安反恐需求提出的治安復雜區段、貨場和客運站增補視頻采集點。

2.3 視頻顯示需求

工程中更換高清攝像機的同時，需要將全線用戶終端和網管終端進行更換，滿足對高清視頻的調用；并為格拉段通信綜合工區、通信車間、信號車間和工務車間等用戶增加用戶終端。

2.4 視頻存儲需求

考慮青藏鐵路格拉段地理位置的重要性，結合公安反恐法要求，視頻存儲時間為90天。視頻存儲應采用先進性技術，充分考慮存儲設備的可靠性、可維護性。

2.5 系統接入及互聯需求

將既有更新改造后的視頻系統接入本工程新建視頻系統中，并考慮存儲擴容至90天的容量。

3 既有視頻監控系統更新改造方案的研究

3.1 更新改造方案的重點

根據對現狀的問題分析和用戶需求分析，本次更新改造方案有以下幾個重點需要考慮：結合線路車站和自然環境條件選擇合適地點設置視頻節點，采用先進技術保證系統運行的穩定性，提高設備的可維護性；針對格拉段高海拔、低溫、大風的環境，合理選取攝像機；視頻承載網的選用應從承載業務的未來發展和后期維護等方面考慮建設方案；應保證區間視頻的可靠接入；系統配套設備的選用應充分考慮格拉段的自然環境，保證設備的運行穩定。

3.2 視頻節點方案

青藏線格拉段地處青藏高原，線路全長1142 km，大部分屬于無人區，高山大川密布，地勢險峻多變，地形復雜，其海拔在3000～5000 m，其平均海拔4000 m以上，遠遠超過同緯度周邊地區。青藏高原的氣候特點是輻射強烈，日照多，氣溫低。

早期格拉段視頻在沿線7個有人站設置視頻節點進行視頻存儲，但由于高海拔和惡劣的氣候條件，導致磁盤陣列故障率較高；在二期工程中將區間的有人站設備分別移至線路兩端車站進行視頻處理。為保證系統運行的穩定性，采用在線路兩端既有較低海拔兩個車站節點設置視頻接入節點，并接入青藏集團有限公司既有視頻區域節點。

本次視頻全部采用1080 P高清視頻，且存儲時間為90天，在兩個節點上的視頻存儲容量均達到PB級。大量的攝像機和海量存儲資源，采用既有的磁盤陣列存儲已經出現了技術瓶頸，如圖2所示。

為保證用戶調用視頻的流暢性、設備的穩定性，本工程采用云計算技術進行視頻存儲。

云存儲不僅是信息數據存儲的新技術、新設備模型，也是一種服務的創新模型。云存儲通過采用網絡技術、分布式文件系統、服務器虛擬化、集群應用等技術，將不同類型的存儲設備通過應用軟件集合起來協同工作，把網絡中海量的異構存儲設備同構成可彈性擴展、低成本、低能耗的共享存儲資源池，共同對外提供高性能、高可靠、不間斷的數據存儲和數據訪問、處理等功能的一種技術。

視頻云存儲是海量高清視頻數據信息存儲最優解決方案，當需要存儲的視頻數據信息量達到PB級，云存儲可以避免傳統IP SAN存儲的瓶頸。同時，云存儲的分布式數據存儲也是大數據平臺技術應用的必備條件。

云存儲示意如圖3所示。

云存儲和IP-SAN存儲的對比如表1所示。

表1 云存儲和IP-SAN存儲對比Tab.1 Cloud storage and IP-SAN storage

由于視頻云平臺目前沒有相關標準，考慮到青藏線格拉段鐵路在政治上和反恐上的重要性，為保證更新改造后系統的正常開通運行，本工程仍舊采用通過CRCC測試的視頻平臺，按照Q/CR 575-2017的接口標準與既有視頻區域節點互聯。

3.3 視頻采集點方案

格拉段既有攝像機分辨率為4CIF，并且運行多年，圖像清晰度已經無法滿足用戶需求，如圖4所示。

本次工程考慮全部更換為高分辨率高清晰度攝像機，如圖5所示。

更換攝像機后，保證在無遮擋的情況下1.5 km以內線路的連續覆蓋。但由于格拉段區間基站間距均大于3 km，且有彎道、山塹等的遮擋，故既有攝像機的分布監視范圍存在盲區。考慮在兩個基站間適當位置通過新立桿/塔增設攝像機，進行盲區補強，并對公安提出的重點地段增加夜間監視。對于新立桿的采集點，應采取拉線、做基礎等相應措施保證桿體的穩固。

攝像機安裝在鐵塔上，考慮到格拉段高海拔、低溫、大風的環境，攝像機需具備有效的防抖措施，尤其是中長距攝像機，防止畫面過度抖動，影響監視效果。

攝像機應選用能夠適應高海拔、低溫環境的產品。

3.4 視頻承載網方案

本工程中單路1080P視頻流帶寬按照6 Mbit/s考慮，D1視頻流帶寬按照3 Mbit/s考慮，視頻分析上傳碼流為D1。通過計算，區間視頻至兩端視頻接入節點的傳送帶寬分別達到7 Gbit/s左右。考慮到每個視頻環上的環回保護，站間傳送帶寬需配置20 Gbit/s。

承載網的建設可以按照2個方案考慮：利用既有數據網；新建視頻交換機網。

目前數據網站間帶寬僅為千兆，遠遠不能滿足本工程需要的帶寬，需要在既有數據網設備上增加10 GE光模塊。此方案組網結構相對復雜，后期實施中視頻流建議在新增的10 Gbit/s鏈路上承載，站間網絡除承載視頻業務還可能承載其他鐵路業務，維護工作相對復雜。

因此，本工程在車站新設交換機通過光纖直連的方式新建視頻承載網，分別組成兩個環網，站間傳送帶寬為20 Gbit/s。在視頻接入節點分別通過數據網與既有視頻區域節點互聯。

網絡示意如圖6所示。

3.5 區間視頻接入方案

區間視頻采用級聯式光纖接入設備進行組網，在區間車站設置光纖接入中心設備，區間基站設置光纖匯聚設備，將沿線視頻接入車站，并通過新建視頻承載網接入視頻接入節點進行處理。

光纖接入設備采用單纖組網。組網示意如圖7所示。

此方案采用一根光纖組網，通道、設備正常情況下，區間視頻均由一個方向向同一個車站匯聚點進行匯聚；一旦基站間光纜中斷或者某個站點故障，該故障點兩側基站處的視頻可以分別向兩側車站匯聚點匯聚后，傳送至接入節點。

采用此方案，避免了由于線路光纜中斷或設備單點故障影響后續接入視頻的傳送。

3.6 配套系統方案

視頻監控系統設備采用UPS進行供電，但根據以往應用經驗，在青藏線高海拔的環境下，傳統的液體鉛酸蓄電池受到大氣壓力的影響，容易出現漏液的情況，導致蓄電池使用壽命迅速下降。因此，在蓄電池的選型上采用膠體鉛酸蓄電池。

膠體鉛酸蓄電池是對液態電解質的普通鉛酸蓄電池的改進，用膠體電解液代換硫酸電解液，在安全性、蓄電量、放電性能和使用壽命等方面較普通電池有所改善。

膠體鉛酸蓄電池的性能優于閥控密封鉛酸蓄電池，膠體鉛酸蓄電池具有使用性能穩定，可靠性高，使用壽命長，對環境溫度的適應能力（高、低溫）強，承受長時間放電能力、循環放電能力、深度放電及大電流放電能力強，有過充電及過放電自我保護等優點。

目前，青藏線西格段視頻監控系統采用膠體鉛酸蓄電池，運行情況穩定。

4 結論

根據青藏鐵路的特殊地理環境和氣候條件以及該線路在安全上的重要程度，對于格拉段的視頻改造工程采用了針對性的方案，希望能夠為今后類似工程建設提供借鑒。

視頻采集設備：采用高分辨率的攝像機，并對沿線盲區進行補強，盡量的減少盲區的范圍。同時，采用具有防抖功能的攝像機，避免鐵塔上攝像機由于抖動對圖像畫面質量的影響。

視頻存儲：采用相對集中的存儲方式，降低在高海拔地區設置存儲設備而產生的高故障率，保證了視頻的完整性。同時采用云存儲技術，提高存儲設備的安全性和可維護性。

視頻承載網：新建交換機網作為視頻系統的承載網，保證大量視頻傳送的帶寬和傳送質量，同時為日后區間視頻補強預留帶寬擴容能力。

視頻接入網：區間接入網組網考慮了鏈路冗余保護方案，保證區間任意站點故障或光纜中斷不影響鏈路上其他站點視頻的傳送和存儲。

視頻系統配套設備：由于格拉段大部分車站處于高海拔低氣壓的環境，UPS蓄電池選型時避免設備漏液的情況，選用了膠體鉛酸蓄電池。