基于车地无线的车载监控视频中心存储实现

来源:用户上传      作者:贾志华

　　摘  要： 城市轨道交通车载视频监控系统由于受到车地无线传输带宽的瓶颈限制，难以实现在控制中心集中存储视频数据的需求，而随着近年来无线传输技术的发展，为解决这一问题提供了技术基础，本文介绍了目前在轨道交通行业中已使用的几种车地无线传输技术，就实现车载视频在控制中心存储提出可能的方案，并计算所需要的通信资源。
　　关键词： 城市轨道交通;车地无线;车载视频监控;视频数据上传;中心存储
　　中图分类号： TP3   文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.10.047
　　本文著录格式：贾志华. 基于车地无线的车载监控视频中心存储实现[J]. 软件，2019，40（10）：202204+208
　　Storage Implementation of Vehicle Monitoring Video Center
　　Based on Vehicle-to-Ground Wireless
　　JIA Zhi-hua
　　（Hebei Far-east Communication System Engineering Co.， Ltd.， Shijiazhuang Hebei 050020）
　　【Abstract】： With bottleneck limits of wireless transmission bandwidth between vehicle and ground， it is difficult for vehicle-borne video surveillance system of urban rail transit to realize centralized storage of video data in control center. Development of wireless transmission technology in recent years provides technical basis to solve this problem. The paper introduces several vehicle-to-ground wireless transmission technologies applied in rail transit industry， and proposes possible solutions to realize storage of vehicle-borne video in control center， and calculates required communication resources.
　　【Key words】： Urban rail transit; Vehicle-to-ground wireless; On-board video surveillance; Video data upload; Central storage
　　0  引言
　　近年來，城市轨道交通系统已经成为人们生活的重要组成部分。随着轨道交通系统的快速发展，客运量不断增加，相关安全问题受到社会各界越来越广泛关注，保障轨道运输安全运行，就需要一套可靠、稳定、高效的监控系统支持。而城市轨道运输多处于地下空间且相对较窄，列车运行线路却很长，沿途站点又多，需要轨道列车和地面指挥中心进行很好的配合。因此，相互通信显得尤为重要[1]。伴随着车地无线传输技术的快速发展，为城市轨道交通高质量、高速率的安全运行提供了良好的契机。
　　1  轨道交通车载视频监控业务
　　列车车载视频监控业务是城市轨道交通系统的重要组成部分，它的主要功能是实现对车厢内情况的实时视频监控，以供司机、控制中心调度等工作人员的调用。近年来，随着对轨道交通安全管理需求的提升，对列车车载视频监控系统的要求也在逐步提高。目前多个城市的轨道交通新建项目中均明确要求能实时上传部分或全部的车辆CCTV监控图像，并能在控制中心对车载视频监控数据进行集中存储。
　　1.1  车载视频监控系统的组成
　　列车高清车载视频监控的基本结构主要由车载监控子系统、传输网络子系统、监控中心子系统三大部分组成[2]。
　　车载监控子系统：主要包括高清网络摄像机、视频管理和存储设备、司机室调度终端等。车载子系统主要完成对车厢视频数据的采集、编码和存储，提供视频流数据，司机可通过司机室的终端实现对本车车载监控视频的调用。
　　传输网络子系统：车载视频监控的传输网络主要包括车载局域网，负责接入所有的前端车载摄像机，将数据传输至司机室的视频存储设备和司机调用终端;车地无线传输，负责将车载监控视频通过无线传输通道，上传到各车站的无线组网交换机，并通过专用传输系统将数据上传线路控制中心，供中心调度员或其他需要的部门调用观看。
　　监控中心子系统：监控中心主要配置有中心服务器和监控终端等设备，线路监控中心汇聚本线路所有车辆的监控数据，监控终端可实现对任一车辆任一路车载视频的调用——包括实时视频和历史视频。根据需要，监控中心还可部署视频存储设备，用于存储上传的视频监控数据[3]。
　　1.2  车载监控视频在控制中心存储
　　目前，多地轨道交通运营和管理部门都提出了车载监控数据在控制中心集中存储的需求，由于受限于车地无线传输带宽，多数已通车线路的车载视频监控数据只能存储在车辆上的视频存储设备中，如需要对车载监控视频数据进行备份，就要等待列车停运回库后，由维护人员通过硬盘拷贝的方式进行，这样效率低且数据的可靠性、实时性难以保证。 　　因此，通过可靠的方案和技术实现车载监控视频数据的上传控制中心和存储就是解决这一问题的关键，而主要技术瓶颈就在车地无线传输的稳定性和带宽上。
　　2  车地无线传输技术
　　要实现车载视频监控数据的上传和在监控中心的存储，传输网络子系统——尤其车地无线传输，起着至关重要的作用。
　　目前在国内轨道交通行业，能为车载监控视频上传提供无线传输通道的，主要包括如下几种技术：
　　2.1  WLAN（无线局域网）技术
　　WLAN（无线局域网）技术基于IEEE802.11系列标准，其商业产品成熟，系统安装便捷，使用灵活且易于扩展，系统工作在开放频段，使用上无需无线电管理部门批准，也不用付费，所以其建设成本也相对经济。同时，WLAN技术具有较大的通道带宽，工作在2.4 G频段的802.11 g其传输速率可达54 Mbps[4]。
　　但WLAN技术的缺陷也比较明显，由于它最早并非为高速移动下的无线通信而设计，随着国内城市轨道交通目前向远城区发展的趋势，列车运行的最高设计速度已达到或超过了100公里/小时，测试表明，在高速下实现切换时，会使传输性能明显下降。此外，使用的2.4G开放频段，还存在着易被干扰的不安全因素。
　　2.2  LTE技術
　　LTE是3GPP制定的全球通用标准，它以20MHz带宽组网，一般认为理论上的传输下行峰值速率可达100 Mbps，上行峰值速率可达50 Mbps，它采用了OFDM（正交频分复用）、MIMO（多入多出）、HARQ（混合自动重传请求）等先进技术，有效的提高了传输速率、频谱的效率和抗干扰能力。
　　此外，LTE技术在设计上就考虑了针对移动场景下的数据通信，通过AFC（Automatic Frequency Control，自动频率控制）技术进行频率纠偏，能实现支持350 km/h的终端移动速度，可为高速移动下的车辆数据通信提供有效支持。成都18号线项目（设计最高运行时速140 km/h）曾针对LTE在高速移动下的性能进行测试，其测试结果表明，LTE系统可以满足轨道交通系统在120～160 km/h的高速下对无线通信的要求。
　　2.3  EUTH（增强型超高吞吐）
　　EUTH技术是在近两年进入地铁的宽带移动无线系统，工作在5.8GHz的频带上。
　　EUTH系统的技术特点是高可靠性、低时延、高移动性，能在高速条件下提供较大的带宽，根据在已建成的广州地铁知识城支线的测试显示：EUTH系统平均吞吐可达到407 Mbps，切换成功率100%，平均切换时延26.2 ms（MAC层），网络传输平均时延4.5 ms，数据丢包率0.02%（2路3M CCTV数据），端到端传输平均时延4.2 ms[5]。
　　在列车运行中，单车可同时承载30路（6路*3Mbps+24路*1.5Mbps）CCTV业务和1路（8Mbps）PIS业务——合计上下行带宽62Mbps。
　　2.4  基于车地无线技术的车载视频监控上传应用
　　WLAN技术进入轨道交通行业较早，也可以提供较为较大的传输带宽，目前有多个项目采用了这一技术来承载视频监控业务上传，但正如上述介绍中所提到的，在高速移动下传输性能的不稳定和工作在开放频段的不安全因素，使其难以满足对数据传输质量要求越来越高的视频监控业务。
　　相比WLAN，LTE技术在设计时就考虑了高速移动下对无线通信的支持。在2015年，还获得了工信部批准的1785 MHz～1805 MHz专用频段（需向省
　　无线电管理委员会提交审批），保证系统不受干扰。LTE虽然可以提供更安全、稳定的无线传输通道，但受频段的限制，其有效的传输带宽不足，目前的应用中，一些项目中主要采用LTE来传输CBTC（基于通信的列车自动控制）业务，采用LTE技术来传输视频数据的有郑州地铁1号线，根据郑州地铁LTE综合承载业务测试显示，当传输带宽设置为10 MHz，功率20 W，上下行子帧配比2：2时，下行6 Mbps的PIS视频播放流畅，但2路2 Mbps上行车载监控视频存在卡顿和马赛克的情况。当修改上下行子帧配比为3：1时，上下行高清视频均流畅播放，无马赛克[2]。根据这一测试，即10 MHz的传输带宽仅能满足上下行合计约10 Mbps的视频传输，所以，在工信部所规定的20 MHz频段内，LTE技术难以提供满足全部车载监控视频上传的带宽[6]。
　　而近两年新进入地铁的EUTH技术，则满足了高速移动下的无线传输高带宽、高可靠性、低时延需求，根据在广州地铁知识城支线上的应用，能实现单车全部30路车载视频监控的同时上传，这也为地铁车载视频监控数据实现上传和控制中心存储提供了基础条件。
　　3  车载监控视频数据上传及中心存储方案
　　为实现车载视频监控数据的上传和中心存储，我们需要简略计算一下一辆列车所产生的监控视频数据，国内目前轨道交通一节车厢部署摄像机为2-8台，我们取一节车厢4台高清摄像机进行计算。以一列6节编组的列车为例，每节车厢4台摄像机，每个司机室2台摄像机，则该列车上共有高清摄像机4×6+2×2=28个，摄像机传输码率按2 Mbps计算，由此计算一列编组列车1小时产生的视频监控数据为：
　　2048 Kbps×28×3600 s÷8÷1024÷1024≈25 GB
　　按照地铁1天运行18小时计算，一列编组列车共产生数据25×18=450 GB。
　　根据车地无线可提供给车载视频监控系统的带宽和传输的稳定性，可采用的上传数据、中心存储方案有数据实时上传和集中上传两种。
　　3.1  车载监控视频数据中心存储方案一：数据实时上传 　　实时上传车载监控视频的方案，即运营时所有车载视频监控数据实时上传监控中心，并在监控中心进行集中存储。
　　根据车载视频监控系统拓扑结构，车载视频监控子系统不变，依然将车载监控视频存储在车载存储设备上，并提供给司机工作使用。同时，所有摄像机另外上传一路实时视频流至监控中心，并在监控中心的视频存储设备上进行集中存储[7]。
　　车载监控视频实时上传对传输子系统有较高的要求，以上述一列车28个摄像机，每个摄像机2 Mbps码率计算，当所有图像同时上传控制中心时，一列车至少需要为车载视频监控业务提供稳定的上行（列车至控制中心）带宽2 Mbps×28=56 Mbps。
　　如按照全线同时运行15列编组列车统计，需要主干网至少需为车载监控视频提供带宽：56 Mbps× 15=840 M，以供车载视频数据通过主干网上传控制中心。
　　当车地无线可提供较大的稳定传输带宽时，建议采用实时上传，其优点是数据的实时性高，即便出现紧急情况导致监控中心和列车通信中断，监控中心仍然可以调用已经存储在中心存储设备上的视频录像，从数据安全性上，做到了中心对车载监控视频数据的備份存储[8-9]。缺点在于，在高速移动下，如果车地传输网络子系统出现的任何影响数据传输的状况，都会造成控制中心接收、存储视频质量下降的问题[10]。
　　3.2  车载监控视频数据中心存储方案二：数据集中上传
　　车地无线无法为车载视频监控提供稳定带宽情况下，为保证视频存储的质量，建议采用车载视频监控数据集中上传的方案。
　　集中上传方案，即在运营期间，车载视频监控数据仍然存储在车辆上的视频存储设备中，当列车每天的结束运营工作并返回车辆段、停车场后，将当天新存储的数据上传监控中心的备份存储服务器。由于视频数据时在列车上存储后再上传，就可以有效保证存储视频的质量。
　　集中上传方案相比实时上传，主要缺陷在存储视频数据的实时性上，而优点在于监控视频的质量有保障，当列车回库后，处于静止状态下，无线传输通道可提供的带宽和传输稳定性也更好。通过集中上传的方式，需要在较短的停运时间内，将一天运营中存储的所有数据上传到指定的存储设备。
　　根据之前的计算，已知一列编组1天运营18小时，共会产生450 GB的视频数据，如果需要在3小时内完成一辆列车一天视频监控数据上传，则一列车上传速率至少需要达到：
　　450 GB×1024×8÷3÷3600≈340 Mbps
　　4  结语
　　近年来无线技术的发展和进步，除了上文中已提到的技术之外，5G车地无线通信在最近也开始了相关测试——2019年5月，在深圳地铁11号线，试行了全球首例地铁5 G超宽带车地无线通信，其传输速率超过1.5 Gbps，25 GB的数据完成传输只需要150秒，且具有高度的安全性、可靠性特点。由于目前暂没有关于这一测试的详细信息和数据，本文不更深入的就此进行探讨，但是根据报道中透露的信息，新技术所能提供的无线通信服务质量较过去无疑有了大幅的进步。
　　本文在车地无线技术发展的背景下，针对轨道交通行业对车载视频监控的调用和监控中心存储视频的需求，探讨了可能方案并初步计算了实现方案需要的资源（带宽），随着车地无线技术为车载视频监控传输提供更好的带宽和安全保障，车载视频监控系统必将在轨道交通日常运行和安全管理工作中发挥更大的作用。
　　参考文献
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　　[10]王魁生， 刘夏. 基于SIP的级联调度视频监控系统的研究与设计[J]. 软件， 2013（9）： 36-38.
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