車(chē)載視頻地面轉(zhuǎn)儲(chǔ)方案研究

張 娜

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043）

目前國(guó)家對(duì)重要公共場(chǎng)所視頻監(jiān)控存儲(chǔ)時(shí)間要求90 d以上存儲(chǔ)，而軌道交通車(chē)輛受限于空間的局限性[1]。一般利用人工將車(chē)載視頻數(shù)據(jù)通過(guò)U盤(pán)拷貝至地面存儲(chǔ)，存在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)、人工維護(hù)工作量大的問(wèn)題，且存在感染病毒的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)由于頻繁的U盤(pán)插拔導(dǎo)致車(chē)載設(shè)備板卡故障率較高。

結(jié)合運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)實(shí)際需求，針對(duì)目前地鐵車(chē)載視頻存儲(chǔ)在造價(jià)、檢修等方面存在造價(jià)高、便捷性差等痛點(diǎn)問(wèn)題，同時(shí)為進(jìn)一步提升地鐵運(yùn)營(yíng)事件處理的及時(shí)性，以及后期智能業(yè)務(wù)支撐，現(xiàn)對(duì)車(chē)載視頻采用5G相關(guān)技術(shù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)至地面的方案進(jìn)行研究，達(dá)到在列車(chē)安全事件發(fā)生第一時(shí)間或根據(jù)權(quán)限管理登錄平臺(tái)隨時(shí)查看列車(chē)上的最新視頻信息，提高事件的響應(yīng)速度，滿(mǎn)足運(yùn)營(yíng)的實(shí)際需求。

1 方案研究

1.1 功能需求

①車(chē)載視頻回傳功能：當(dāng)探測(cè)到車(chē)輛進(jìn)入無(wú)線覆蓋區(qū)域（場(chǎng)段運(yùn)用庫(kù)），與車(chē)輛建立連接并啟動(dòng)車(chē)載視頻信息的傳輸。②斷點(diǎn)續(xù)傳：當(dāng)列車(chē)進(jìn)行車(chē)載視頻數(shù)據(jù)回傳尚未完成時(shí)，如果列車(chē)離開(kāi)無(wú)線覆蓋區(qū)域，地面視頻網(wǎng)管系統(tǒng)應(yīng)記錄視頻傳輸中斷的位置，列車(chē)再次進(jìn)入無(wú)線覆蓋區(qū)域時(shí)，應(yīng)從上次中斷的位置開(kāi)始繼續(xù)傳輸視頻數(shù)據(jù)直到傳輸完畢。③視頻檢索：針對(duì)回傳至地面的車(chē)載視頻數(shù)據(jù)支持按車(chē)組號(hào)、車(chē)廂號(hào)、攝像機(jī)編號(hào)、日期和時(shí)間進(jìn)行檢索。④視頻回放：針對(duì)回傳至地面的車(chē)載視頻數(shù)據(jù)支持視頻回放。⑤接口功能：車(chē)載視頻系統(tǒng)與場(chǎng)段視頻監(jiān)視系統(tǒng)進(jìn)行接口，可實(shí)現(xiàn)在控制中心視頻監(jiān)控平臺(tái)調(diào)看轉(zhuǎn)儲(chǔ)至地面的車(chē)載視頻圖像。

1.2 車(chē)載視頻轉(zhuǎn)存需求分析

1.2.1 無(wú)線轉(zhuǎn)儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)容量需求

車(chē)載攝像機(jī)的碼流按照2 Mbit/S計(jì)算，每列車(chē)按照28路攝像機(jī)，單程運(yùn)行時(shí)間按照33 min計(jì)算，則單列車(chē)運(yùn)營(yíng)時(shí)段單程視頻容量見(jiàn)表1。

表1 單列車(chē)運(yùn)營(yíng)時(shí)段單程視頻容量

每列車(chē)1 d大約運(yùn)行18×60/65=32次；

單列車(chē)運(yùn)營(yíng)時(shí)段1 d的視頻存儲(chǔ)容量為32×13.4=428.8 GB；

單列車(chē)非運(yùn)營(yíng)時(shí)段1 d的視頻存儲(chǔ)容量為28×6×3 600×2 M/1 024/8=147.6 GB；

單列車(chē)非運(yùn)營(yíng)時(shí)段單程平均視頻容量147.6/16=9.2 GB；

列車(chē)非運(yùn)營(yíng)時(shí)段的視頻圖像需在運(yùn)營(yíng)階段通過(guò)車(chē)地?zé)o線轉(zhuǎn)儲(chǔ)至地面，則單列車(chē)單程需轉(zhuǎn)儲(chǔ)的視頻容量為13.4+9.2=22.6 GB。

1.2.2 存儲(chǔ)需求

存儲(chǔ)需求包括車(chē)載存儲(chǔ)需求和地面存儲(chǔ)需求，按照車(chē)載存儲(chǔ)15 d+地面集中存儲(chǔ)90 d的方案考慮。其中，15 d的視頻存儲(chǔ)在車(chē)上，90 d的存儲(chǔ)CCTV視頻回傳到地面存儲(chǔ)設(shè)備，地面存儲(chǔ)可采用控制中心云平臺(tái)存儲(chǔ)或者集中非云存儲(chǔ)。存儲(chǔ)時(shí)間應(yīng)按線路最高行車(chē)密度（每日不間斷運(yùn)行18 h）計(jì)算。車(chē)載CCTV單列車(chē)視頻存儲(chǔ)需求見(jiàn)表2。

表2 車(chē)載CCTV單列車(chē)視頻存儲(chǔ)需求表

以17列車(chē)為例，容量按單程視頻容量和線網(wǎng)每日實(shí)際開(kāi)行列次，并考慮未來(lái)增加30%的發(fā)車(chē)對(duì)數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，存儲(chǔ)容量需求見(jiàn)表3。

表3 車(chē)載視頻存儲(chǔ)容量需求

1.3 5G相關(guān)無(wú)線技術(shù)分析

5G移動(dòng)通信技術(shù)，基于端到端的全新體系架構(gòu)，采用全新毫米波頻段、多天線和波束賦型等先進(jìn)技術(shù)，具有超高寬帶、超低時(shí)延、多連接等特性。應(yīng)用于車(chē)地通信可以做到車(chē)、地之間通信設(shè)備的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)、自動(dòng)連接、自動(dòng)身份識(shí)別和自動(dòng)上傳，全程安全可靠，無(wú)需人工干預(yù)，最大傳輸速率超過(guò)1.5 Gbps[2]。

目前5G相關(guān)技術(shù)主要包括5G毫米波、WiFi-6等，此技術(shù)單用戶(hù)上行速率可實(shí)現(xiàn)高達(dá)1 Gbit/s以上的傳輸速率；移動(dòng)邊緣計(jì)算（MEC）技術(shù)的引入，將應(yīng)用業(yè)務(wù)“下沉”到車(chē)站接入網(wǎng)側(cè)，使用戶(hù)能感受到的時(shí)延縮小到1 ms以?xún)?nèi)，基本實(shí)現(xiàn)零時(shí)延。5G相關(guān)技術(shù)在軌道交通中的應(yīng)用，將會(huì)給軌道交通領(lǐng)域的無(wú)線通信技術(shù)帶來(lái)一場(chǎng)重大的技術(shù)革命，將顯著提高城市軌道交通的運(yùn)維效率和乘客的用戶(hù)體驗(yàn)，也為城市軌道交通開(kāi)啟萬(wàn)物互聯(lián)的智慧軌道交通時(shí)代提供重要的基礎(chǔ)建設(shè)支撐。5G毫米波與WiFi-6技術(shù)對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 5G毫米波與WiFi-6技術(shù)對(duì)比表

地鐵行車(chē)數(shù)據(jù)有高安全、高可靠要求，WiFi頻段無(wú)線環(huán)境復(fù)雜，易受民用設(shè)備干擾，易破解易受偵聽(tīng)和攻擊，且頻率資源有限，上行傳輸速率難以持續(xù)穩(wěn)定；5G毫米波（Air Flash）技術(shù)在60 GHz免授權(quán)頻段組建車(chē)地專(zhuān)網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)隔離，頻點(diǎn)干凈，不易受攻擊，數(shù)據(jù)安全風(fēng)險(xiǎn)低，滿(mǎn)足車(chē)地大容量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)需求。

1.4 基于5G毫米波的轉(zhuǎn)儲(chǔ)方案

1.4.1 總系統(tǒng)方案（圖1）

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.4.2 傳輸方案

車(chē)地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在列車(chē)低速進(jìn)/離站及停站期間完成單程視頻數(shù)據(jù)回傳，根據(jù)停站時(shí)間，軌旁基站優(yōu)先部署在停站時(shí)間最久的車(chē)站/區(qū)間或者車(chē)站折返段區(qū)域。

在車(chē)站的上下行軌行區(qū)各部署2臺(tái)軌旁基站，分別安裝在站臺(tái)端墻門(mén)內(nèi)兩端適當(dāng)位置，保證位于列車(chē)車(chē)頭的車(chē)載終端接收良好，1個(gè)車(chē)站需4套5G毫米波基站；列車(chē)單端或雙端部署車(chē)載TAU終端，車(chē)地轉(zhuǎn)儲(chǔ)系統(tǒng)5G毫米波單站回傳峰值速率按1.5 Gbit/s設(shè)計(jì)，平均速率按照1 Gbit/s設(shè)計(jì)。

按照列車(chē)單/雙端設(shè)置車(chē)載TAU終端，核算單程數(shù)據(jù)需求傳輸時(shí)間見(jiàn)表5。

表5 列車(chē)單/雙端設(shè)置車(chē)載TAU終端單程數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間表

根據(jù)調(diào)研，車(chē)輛每次經(jīng)過(guò)折返段會(huì)有2次上線傳輸，2次的連接時(shí)間基本可以保持在95 s和120 s左右，故一趟列車(chē)上線時(shí)間在95+120=215 s左右。列車(chē)在車(chē)站的停車(chē)時(shí)間按照60 s計(jì)算。

按照當(dāng)前車(chē)輛停車(chē)折返的時(shí)間平均為210 s，車(chē)站停站時(shí)間為60 s，因?yàn)橛?jì)算數(shù)據(jù)為單程數(shù)據(jù)，每單程只能計(jì)算1個(gè)折返時(shí)間。

每列車(chē)單端部署TAU時(shí)，需要1個(gè)折返站部署車(chē)地轉(zhuǎn)存設(shè)備，可滿(mǎn)足車(chē)載視頻轉(zhuǎn)存數(shù)據(jù)傳輸需求。當(dāng)每列車(chē)雙端部署TAU時(shí)，需1個(gè)折返站即可滿(mǎn)足需求。

1.4.3 地面存儲(chǔ)系統(tǒng)

存儲(chǔ)需求包括車(chē)載NVR存儲(chǔ)需求和地面存儲(chǔ)需求。

由于采用視頻回傳系統(tǒng)后，車(chē)載CCTV視頻均會(huì)被回傳到地面存儲(chǔ)中保存，同時(shí)考慮到回傳系統(tǒng)故障情況下的維修時(shí)間，車(chē)載存儲(chǔ)滿(mǎn)足7 d的視頻容量。

1.4.4 車(chē)載網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)儲(chǔ)數(shù)據(jù)說(shuō)明

車(chē)載CCTV視頻回傳系統(tǒng)由地面網(wǎng)絡(luò)和車(chē)載網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。如圖2所示。

圖2 車(chē)載系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

地面網(wǎng)絡(luò)包括軌旁基站、交換機(jī)、存儲(chǔ)平臺(tái)。

車(chē)載網(wǎng)絡(luò)包括車(chē)載網(wǎng)關(guān)，車(chē)載終端TAU。

每列車(chē)設(shè)置6臺(tái)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，每節(jié)車(chē)廂1臺(tái)，具備錄像存儲(chǔ)功能。網(wǎng)關(guān)設(shè)備通過(guò)百兆網(wǎng)線與部署在車(chē)頭的交換機(jī)相連，將每節(jié)車(chē)廂的2路高清視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)匯聚到車(chē)頭的硬盤(pán)錄像機(jī)。

車(chē)載網(wǎng)關(guān)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議與硬盤(pán)錄像機(jī)對(duì)接（百兆網(wǎng)口），以FTP取流方式獲取視頻，經(jīng)5G車(chē)地轉(zhuǎn)儲(chǔ)系統(tǒng)將視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)至地面服務(wù)器。

1.4.5 系統(tǒng)安全性分析

5G轉(zhuǎn)儲(chǔ)技術(shù)采用5G毫米波高速轉(zhuǎn)儲(chǔ)的前沿技術(shù)，頻譜為2 GHz@59~64 GHz，單用戶(hù)上行理論速率為1.7 Mbps、轉(zhuǎn)儲(chǔ)通信速率300 m范圍內(nèi)可達(dá)1.5 Gbps，目前公用超高頻段無(wú)其他軍用民用干擾源，窄波束抗干擾，技術(shù)具有超高速率、無(wú)干擾風(fēng)險(xiǎn)、全程全自動(dòng)轉(zhuǎn)儲(chǔ)特點(diǎn)。獨(dú)立的車(chē)地轉(zhuǎn)儲(chǔ)專(zhuān)網(wǎng)，自行布網(wǎng)不依賴(lài)運(yùn)營(yíng)商。施工部署容易，全線只需選取少量列車(chē)停靠站點(diǎn)進(jìn)行基站部署保障數(shù)據(jù)傳輸要求，車(chē)輛設(shè)備可以匹配多種車(chē)型，施工較為簡(jiǎn)單。

車(chē)地轉(zhuǎn)儲(chǔ)系統(tǒng)提供空口接入認(rèn)證和空口加密傳輸，保證空口安全。

①空口接入認(rèn)證。通過(guò)MAC地址白名單、小區(qū)ID和密鑰接入認(rèn)證，避免非法接入。②空口加密傳輸，通過(guò)128 bit的AES空口加密特性對(duì)微波鏈路傳輸?shù)目蛻?hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，在鏈路層進(jìn)一步增強(qiáng)微波鏈路傳輸?shù)目蛻?hù)數(shù)據(jù)的安全性。

2 結(jié)束語(yǔ)

車(chē)載視頻轉(zhuǎn)儲(chǔ)方式是車(chē)載視頻存儲(chǔ)方案的發(fā)展方向，車(chē)載視頻地面存儲(chǔ)方案可結(jié)合乘客信息系統(tǒng)車(chē)地?zé)o線方案綜合考慮[3]。通過(guò)以上技術(shù)分析，5G毫米波更具有技術(shù)先進(jìn)性，可靠性。在實(shí)際工程項(xiàng)目中，需結(jié)合當(dāng)?shù)仨?xiàng)目需求，并緊跟最新技術(shù)發(fā)展最終確定采用方案。