一體化綜合視頻監控技術在南崇高速鐵路的應用

謝慶楚

（廣西鐵路投資集團有限公司，南寧 530025）

新建南寧至崇左高速鐵路（簡稱南崇高速鐵路）東起南寧樞紐既有南寧站，經吳圩機場、扶綏南、渠舊南（預留），至崇左南站，遠期延伸至憑祥市。南崇高速鐵路是廣西壯族自治區全額投資建設的第一條高速鐵路，正線全長119.3 km，設計速度250 km/h，全線于2018 年10 月全面開工，計劃于2022 年建成通車。為提高南崇高速鐵路綜合視頻監控監控系統的集成度，便于集中管理維護，為集中智能分析提供基礎條件，根據中國國家鐵路集團有限公司（以下簡稱“國鐵集團”）的部署和要求，以“先進、可靠、成熟、開放、經濟”為總體建設原則，對南崇高速鐵路綜合視頻監控系統原有的設計方案進行變更，實施一體化綜合視頻監控方案。目前該系統已通過靜態驗收和聯調聯試，運行狀態正常。

1 綜合視頻監控系統原設計方案

與其他近期已開通的高速鐵路類似，南崇高速鐵路綜合視頻監控系統原設計方案是根據《鐵路綜合視頻監控系統技術規范》（Q/CR 575-2017）的要求，采用傳統的設計方案，系統由視頻區域節點、視頻接入節點、視頻匯集點和視頻采集點等設備構成，如圖1 所示。

圖1 南崇高速鐵路綜合視頻監控系統原設計方案示意Fig.1 Schematic diagram of original design scheme for integrated video monitoring system of Nanning-Chongzuo high-speed railway

1.1 視頻區域節點

視頻區域節點主要實現視頻的分發/轉發、系統管理、用戶管理和與其他系統的互聯等，并可對節點內的告警信息和重要視頻信息進行存儲。南崇高速鐵路綜合視頻監控系統接入南寧局既有視頻中心平臺，并對既有視頻區域節點的存儲設備及智能視頻分析系統進行擴容，其余設備及電源均利舊。視頻區域節點通過鐵路數據通信網等傳輸方式接入到國鐵集團視頻核心節點。

1.2 視頻接入節點

南崇高速鐵路在崇左南站設置綜合視頻監控Ⅰ類節點設備，實現本線視頻信息的接入、存儲、分發及轉發、調用、控制、配置管理、告警處理以及與其他業務系統互聯和聯動等功能。Ⅰ類視頻接入節點實現本線路的視頻圖像診斷功能，設置云存儲服務器（含存儲）、視頻分/轉發服務器、視頻管理服務器、視頻管理終端及網絡安全相關設備等。在吳圩機場、扶綏南站設置綜合視頻監控Ⅱ類接入節點，實現車站管轄范圍內視頻信息的接入、存儲、分發及轉發、調用、控制、告警處理以及與其他業務系統互聯和聯動等功能。

1.3 視頻匯集點

視頻匯集點設置于沿線各站房、信號中繼站、維修工區、通信基站、牽引變電所、分區所和電力變配電所等處所。視頻匯集點設置三層交換機，實現對相對分散的采集點的視頻接入、匯聚上傳。每不超過6 個匯集點組成一個光纖環，接入所屬Ⅰ、Ⅱ類視頻接入節點交換機。

1.4 視頻采集點

本工程在車站、站房、維修車間/工區、區間基站、信號中繼站、電力電氣化等節點通信、信號機房，以及通信及信號區間機房院落、牽引供電及電力供電機房院落、隧道口、隧道緊急出口/避難所/救援站、車站咽喉區、接觸網電分相（電氣化6C）等處設置高清視頻采集點，利用GSM-R 基站和部分直放站鐵塔設置線路監控高清視頻采集點，實現對線路路基、路基與橋梁結合部及長度6 km以上橋梁等區段的視頻監控。涉及旅客車站內的綜合視頻監控系統前端監控設備均接入綜合視頻監控系統，旅服信息系統設置于售票室視頻、安檢區域視頻納入綜合視頻監控系統。

1.5 原承載網設計方案

根據本線數據業務的分布特點及帶寬需求，數據通信網由核心層、匯聚層、接入層組成。核心層負責南寧局區域節點與南寧站、崇左南站之間的視頻圖像及數據傳輸，匯聚層負責崇左南站視頻節點與各車站視頻匯集點之間的視頻圖像及數據傳輸，接入層負責各車站視頻匯集點與現場視頻采集點之間的視頻圖像及數據傳輸。

1.5.1 核心層

本工程不新設核心節點設備，利用南寧調度所及南寧東通信站的核心路由器，實現區域網絡與骨干網絡間數據的快速轉發。

1.5.2 匯聚層

南寧東通信站、崇左南站設匯聚節點，南寧東通信站既有匯聚路由器利舊并根據需要擴容，崇左南新設2 臺匯聚路由器。2 臺匯聚路由器之間通過10GE（O）接口進行直聯，匯聚路由器通過骨干層傳輸系統提供的10GE（O）接口上聯至核心路由器并擴容既有核心路由器接口板，本工程負責與上級核心路由器互聯。

1.5.3 接入層

接入節點設置在沿線各個車站（吳圩機場站、扶綏南站、崇左南站），分別設置2 臺接入路由器，接入路由器之間利用沿線路一側干線光纜中的2 芯光纖通過GE（O）接口直連。本工程在南寧站、南寧調度所遠動機房各增設1 臺接入路由器，負責本地數據的接入、交換，同址設置的兩臺接入路由器間通過GE（O）接口互聯，如圖2 所示。

圖2 原承載網設計方案示意Fig.2 Schematic diagram of original bearer network design scheme

2 一體化綜合視頻監控的設計方案

與原設計方案類似，南崇高速鐵路的一體化綜合視頻監控系統也是由視頻區域節點、視頻接入節點、視頻匯集點和視頻采集點組成，但是需對視頻區域節點和視頻接入節點設備進行改造，使其滿足系統運用的要求。視頻匯集點和視頻采集點與原設計方案一致，不做任何修改，如圖3 所示。

圖3 南崇高速鐵路一體化綜合視頻監控設計方案示意Fig.3 Schematic diagram of integrated video monitoring design scheme for Nanning-Chongzuo high-speed railway

2.1 視頻區域節點的設計方案

一體化綜合視頻監控系統接入南寧局集團既有視頻區域節點。對南寧局既有視頻區域節點進行升級改造，包括區域節點視頻終端升級和服務器等相關軟硬件升級，由其他工程統籌考慮。以滿足H.265 編碼視頻的調用，在滿足本工程一體化綜合視頻監控系統接入的同時，需支持其他既有線既有綜合視頻監控系統接入。并考慮本線視頻前端設備滿足國鐵集團核心節點通過南寧局區域節點調用視頻圖像的能力。

2.2 視頻接入節點的設計方案

接入節點采用云架構設計，通過網絡將可伸縮、彈性、共享的物理和虛擬資源池，以按需自服務的方式進行供應和管理。視頻接入節點的計算資源設備采用云存儲，云存儲是具有分布式架構，存儲虛擬化，提供統一命名空間、故障檢測、自動恢復、糾刪碼冗余功能的存儲系統。本次一體化綜合視頻監控采用單接入節點設置于崇左南站，將吳圩機場和扶綏南站接入節點調整為車站視頻匯集點。結合現有設備的能力，管理服務器不支持作為云平臺管理設備使用，分/轉發服務器設備不支持作為云計算設備使用，接入節點根據需要設置不同數量的云平臺管理設備、云計算設備（含分/轉發功能）和云存儲設備，滿足沿線綜合視頻監控高清攝像機的接入需求。此設計方案利用原施工圖設計的云存儲設備，新設云平臺管理設備、云計算設備。

2.2.1 云平臺管理設備

本次變更設計在崇左南站視頻接入節點增設云平臺管理設備，設備采用主/備冗余設置，實現業務管理、設備管理、云化管理和運用質量管理。

2.2.2 云計算設備

本線視頻攝像機采用單碼流，攝像機碼流通過承載網經匯集點后接入云節點，通過接入云計算設備轉發至云存儲設備進行存儲。此外，云計算設備還需要向各業務部室的視頻終端、電視墻以及各類視頻數據應用轉發視頻流。

2.2.3 云存儲設備

本次一體化綜合視頻監控設計方案在視頻接入節點崇左南站設置存儲資源池，負責存儲管轄范圍內的告警視頻信息及轄區內視頻圖像信息。

2.3 一體化視頻承載網設計方案

根據南崇高速鐵路一體化視頻的設計方案，對南崇高速鐵路全線視頻數據流向和帶寬進行測算，并對承載網設計方案進行調整。

2.3.1 南崇鐵路視頻帶寬測算

獨立設置的視頻匯集點至視頻接入節點間鏈路帶寬可按公式B＝n×b計算，其中：

B為鏈路帶寬，Mbit/s；

n為視頻匯集點內接入視頻路數，路；

b為每路視頻流的平均流量，Mbit/s，在此按2.5 取值。

各視頻匯集點至視頻接入節點間鏈路帶寬B1＝980×2.5＝2 450（Mbit/s）；視頻終端調用帶寬B2按10%視頻路數計算，B2＝B1×10%＝245（Mbit/s）；崇左南站節點上傳告警等圖像至區域節點帶寬B3按10%視頻路數計算，B3＝B1×10%＝245（Mbit/s）。承載網總帶寬B＝B1＋B2＋B3＝2 450＋245＋245＝2 900（Mbit/s），數據流向及帶寬如圖4 所示。

圖4 數據流向及帶寬示意Fig.4 Schematic diagram of data flow and bandwidth

2.3.2 承載網設計方案

根據視頻數據流向帶寬分析，采用一體化視頻方案以后，接入節點之間帶寬需求最高為吳圩機場至崇左南的0.96 Gbit/s。為滿足峰值鏈路帶寬不高于70%的要求，本次變更將各數據通信網接入節點之間互聯帶寬由GE 升級為10GE，每臺接入路由器（共8 臺，含南寧站1 臺既有接入路由器）更換既有接入路由器GE（O）接口板為10GE（O）接口板。

視頻接入節點崇左南站信號樓視頻三層交換機與本站數據通信網接入節點維持施工圖設計，采用10GE 光口互連，同站視頻三層交換機之間采用GE光口互連；視頻匯集點車站信號樓視頻三層交換機與本站數據通信網接入節點采用GE 光口互連，同站視頻三層交換機之間采用GE 光口互連；區間視頻三層交換機組網維持施工圖設計，采用光纖直連組網，利用干線光纜光纖采用GE 光口串接后，接入車站信號樓三層交換機；車站客服攝像機經信息專業交換機，利用站內光纜采用GE 光口上連至站房通信機械室三層交換機，如圖5 所示。

圖5 一體化綜合視頻監控承載網設計方案示意Fig.5 Schematic diagram of integrated video monitoring bearer network design scheme

3 一體化綜合視頻監控技術的利弊分析

一體化綜合視頻監控技術在南崇高速鐵路的應用，實現了鐵路綜合視頻監控系統在維護管理方面的創新與突破，也有其自身的利弊。

3.1 有利方面

3.1.1 實現設備集中維護管理

一體化綜合視頻監控方案實施之后，對原設計方案中的吳圩機場站、扶綏南站和崇左南站3 處接入節點設備進行整合，僅保留崇左南站接入節點設備。該方案減少了視頻接入節點的數量，采用集約化管理，降低維護工作量，實現了綜合視頻監控系統資源統一管理和高效應用，便于設備的集中維護管理。

3.1.2 節省視頻的存儲空間

南崇高速鐵路綜合視頻監控系統納入施工圖設計的攝像機路數共計980 路（含30 路預留），分辨率為1 080P，原設計方案采用H.264 視頻編解碼協議，存儲容量計算除符合存儲的保護機制外，還應按有效存儲時間和有效視頻信息內容進行設計。存儲容量包含實時視頻存儲容量和告警圖像存儲容量兩部分。

存儲設備容量應滿足：普通視頻信息按不小于3 天進行存儲，圖像分辨率不低于CIF，圖像幀率1～25 f/s 可調；重點目標及重點治安防范區域的視頻信息按不小于15 天進行存儲，告警圖像及告警信息按不小于30 天進行存儲。I、II 類視頻接入節點考慮客服視頻信息的接入條件，其中對站房重點監控區域視頻圖像信息按不小于90 天進行存儲。吳圩機場站42 路，扶綏南站40 路，崇左南站46路，經計算，崇左南站需要存儲容量480 TB，扶綏南站需要存儲容量400 TB，吳圩機場需要存儲容量400 TB，共計需要存儲容量1 280 TB。

在攝像機路數不變的情況下，一體化綜合視頻監控設計方案在視頻接入節點崇左南站設置存儲資源池，負責存儲管轄范圍內的告警視頻信息及轄區內視頻圖像信息，所有攝像機圖像分辨率均為1 080P。通過計算，采用云架構設計和H.265 視頻編解碼協議，共計需要720 TB 的視頻存儲空間，可節約存儲空間560 TB，節省了相應的投資。且一體化視頻方案較實現資源的統一管理、按需分配，提高資源利用效率。

3.1.3 預留后續發展需要

一體化綜合視頻方案實施之后，由于接入節點采用云架構設計方案，具有結構靈活、系統整體彈性好的特點。而視頻接入節點采用云存儲的技術，具有分布式、虛擬化的特點，進而使視頻存儲具備統一命名空間、故障檢測、自動恢復、糾刪碼冗余的功能。這種設計方案將為南崇鐵路綜合視頻系統的智能化發展打下良好基礎。

3.2 不利方面

3.2.1 增加了承載網的投資

根據視頻數據流向帶寬分析，采用一體化視頻方案以后，接入節點之間帶寬需求最高為吳圩機場至崇左南的0.96 Gbit/s。為滿足峰值鏈路帶寬不高于70%的要求，本次變更將各數據通信網接入節點之間互聯帶寬由GE 升級為10GE，需將南崇高速鐵路兩個端頭站南寧站和崇左南站的每臺接入路由器既有接入路由器的GE（O）接口板升級為10GE（O）接口板。從而對綜合視頻監控承載網提出更高的要求，也增加了該部分設備的投資。

3.2.2 系統單節點集中設置降低了容災能力

一體化綜合視頻監控方案實施后，將原設計方案的吳圩機場和扶綏南站接入節點調整為車站視頻匯集點，將南崇高速鐵路全線的視頻管理和存儲等功能全部集中于崇左南站的單接入節點，崇左南站接入節點的安全可靠性，直接決定了南崇高速鐵路全線的綜合視頻監控運用質量。因此，對崇左南站接入節點的可靠性提出更高要求。

4 結束語

一體化綜合視頻監控技術采用云架構和集中管理的方式，有效提高了高速鐵路綜合視頻監控系統的集成度，實現了集中管理維護，節約視頻存儲空間，為集中智能分析提供基礎條件，但也對視頻承載網和系統的可靠性提出更高的要求。一體化綜合視頻監控技術在南崇高速鐵路得到了有效運用，并通過現場檢驗和測試。結果表明:一體化綜合視頻監控技術的各項技術指標均滿足設計和維護的要求，為南崇高速鐵路的順利開通運營打下良好的基礎，也為今后高速鐵路綜合視頻監控系統的建設提供參考。隨著國內高速鐵路事業的不斷發展，一體化綜合視頻監控技術也必將發揮越來越重要的作用。