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)，而軌道交通車輛受限于空間的局限性[1]。一般利用人工將車載視頻數(shù)據(jù)通過U盤拷貝至地面存儲(chǔ)，存在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)、人工維護(hù)工作量大的問題，且存在感染病毒的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)由于頻繁的U盤插拔導(dǎo)致車載設(shè)備板卡故障率較高。

結(jié)合運(yùn)營生產(chǎn)實(shí)際需求，針對(duì)目前地鐵車載視頻存儲(chǔ)在造價(jià)、檢修等方面存在造價(jià)高、便捷性差等痛點(diǎn)問題，同時(shí)為進(jìn)一步提升地鐵運(yùn)營事件處理的及時(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)查看列車上的最新視頻信息，提高事件的響應(yīng)速度，滿足運(yùn)營的實(shí)際需求。

1 方案研究

1.1 功能需求

①車載視頻回傳功能：當(dāng)探測(cè)到車輛進(jìn)入無線覆蓋區(qū)域（場(chǎng)段運(yùn)用庫），與車輛建立連接并啟動(dòng)車載視頻信息的傳輸。②斷點(diǎn)續(xù)傳：當(dāng)列車進(jìn)行車載視頻數(shù)據(jù)回傳尚未完成時(shí)，如果列車離開無線覆蓋區(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，列車再次進(jìn)入無線覆蓋區(qū)域時(shí)，應(yīng)從上次中斷的位置開始繼續(xù)傳輸視頻數(shù)據(jù)直到傳輸完畢。③視頻檢索：針對(duì)回傳至地面的車載視頻數(shù)據(jù)支持按車組號(hào)、車廂號(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)回傳至地面的車載視頻數(shù)據(jù)支持視頻回放。⑤接口功能：車載視頻系統(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)至地面的車載視頻圖像。

1.2 車載視頻轉(zhuǎn)存需求分析

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

車載攝像機(jī)的碼流按照2 Mbit/S計(jì)算，每列車按照28路攝像機(jī)，單程運(yùn)行時(shí)間按照33 min計(jì)算，則單列車運(yùn)營時(shí)段單程視頻容量見表1。

表1 單列車運(yùn)營時(shí)段單程視頻容量

每列車1 d大約運(yùn)行18×60/65=32次；

單列車運(yùn)營時(shí)段1 d的視頻存儲(chǔ)容量為32×13.4=428.8 GB；

單列車非運(yùn)營時(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；

單列車非運(yùn)營時(shí)段單程平均視頻容量147.6/16=9.2 GB；

列車非運(yùn)營時(shí)段的視頻圖像需在運(yùn)營階段通過車地?zé)o線轉(zhuǎn)儲(chǔ)至地面，則單列車單程需轉(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)需求包括車載存儲(chǔ)需求和地面存儲(chǔ)需求，按照車載存儲(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)按線路最高行車密度（每日不間斷運(yùn)行18 h）計(jì)算。車載CCTV單列車視頻存儲(chǔ)需求見表2。

表2 車載CCTV單列車視頻存儲(chǔ)需求表

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

表3 車載視頻存儲(chǔ)容量需求

1.3 5G相關(guān)無線技術(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)用于車地通信可以做到車、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，無需人工干預(yù)，最大傳輸速率超過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”到車站接入網(wǎng)側(cè)，使用戶能感受到的時(shí)延縮小到1 ms以內(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)域的無線通信技術(shù)帶來一場(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體驗(yàn)，也為城市軌道交通開啟萬物互聯(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)比見表4。

表4 5G毫米波與WiFi-6技術(shù)對(duì)比表

地鐵行車數(shù)據(jù)有高安全、高可靠要求，WiFi頻段無線環(huán)境復(fù)雜，易受民用設(shè)備干擾，易破解易受偵聽和攻擊，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)頻段組建車地專網(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，滿足車地大容量數(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

車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在列車低速進(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)間最久的車站/區(qū)間或者車站折返段區(qū)域。

在車站的上下行軌行區(qū)各部署2臺(tái)軌旁基站，分別安裝在站臺(tái)端墻門內(nèi)兩端適當(dāng)位置，保證位于列車車頭的車載終端接收良好，1個(gè)車站需4套5G毫米波基站；列車單端或雙端部署車載TAU終端，車地轉(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)。

按照列車單/雙端設(shè)置車載TAU終端，核算單程數(shù)據(jù)需求傳輸時(shí)間見表5。

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

根據(jù)調(diào)研，車輛每次經(jīng)過折返段會(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，故一趟列車上線時(shí)間在95+120=215 s左右。列車在車站的停車時(shí)間按照60 s計(jì)算。

按照當(dāng)前車輛停車折返的時(shí)間平均為210 s，車站停站時(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。

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

1.4.3 地面存儲(chǔ)系統(tǒng)

存儲(chǔ)需求包括車載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，車載存儲(chǔ)滿足7 d的視頻容量。

1.4.4 車載網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)儲(chǔ)數(shù)據(jù)說明

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

圖2 車載系統(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)。

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

每列車設(shè)置6臺(tái)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，每節(jié)車廂1臺(tái)，具備錄像存儲(chǔ)功能。網(wǎng)關(guān)設(shè)備通過百兆網(wǎng)線與部署在車頭的交換機(jī)相連，將每節(jié)車廂的2路高清視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)匯聚到車頭的硬盤錄像機(jī)。

車載網(wǎng)關(guān)通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議與硬盤錄像機(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、無干擾風(fēng)險(xiǎn)、全程全自動(dòng)轉(zhuǎn)儲(chǔ)特點(diǎn)。獨(dú)立的車地轉(zhuǎn)儲(chǔ)專網(wǎng)，自行布網(wǎng)不依賴運(yùn)營商。施工部署容易，全線只需選取少量列車?？空军c(diǎn)進(jìn)行基站部署保障數(shù)據(jù)傳輸要求，車輛設(shè)備可以匹配多種車型，施工較為簡(jiǎn)單。

車地轉(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128 bit的AES空口加密特性對(duì)微波鏈路傳輸?shù)目蛻魯?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)目蛻魯?shù)據(jù)的安全性。

2 結(jié)束語

車載視頻轉(zhuǎn)儲(chǔ)方式是車載視頻存儲(chǔ)方案的發(fā)展方向，車載視頻地面存儲(chǔ)方案可結(jié)合乘客信息系統(tǒng)車地?zé)o線方案綜合考慮[3]。通過以上技術(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。