巴准铁路重点作业区域综合监控方案探讨

赵元初

（中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京市 102600）

1 引言

视频监控系统作为铁路行车调度、救援指挥、防灾安全和客运服务调度的辅助决策手段，为铁路安全行车及现代化运营管理提供了可靠的技术保障。随着视频技术、网络技术飞速发展以及通信网的不断完善，综合视频监控系统已成为保障铁路安全的重要组成部分。为满足本线运营和治安防范的需要，有必要对重要部位和高风险作业区域进行监控。

巴准铁路车站、铁路隧道两端、桥梁两端、公跨铁立交桥、防洪重点地段、铁路两侧网未封闭地段、铁路两侧临近村庄、水源地、牵引所、变配电所、分区所等区域均需设置视频视频采集点。本文通过对不同方案的探讨分析给出了针对于巴准铁路最合适的综合监控方案。

2 设计方案探讨

2.1 视频监控点的覆盖方式比选

视频采集点的覆盖方式可以采用交织重叠覆盖和单向重叠覆盖两种不同的实现方式。

2.1.1 交织重叠覆盖方式

交织重叠覆盖方式在线路两侧分别以 2n 的间距交错设置摄像机设备，每处监控点设置两台摄像机设备，分别覆盖上、下行监控区域，与对侧相邻的摄像机一同实现监控区域的无缝覆盖。交织重叠覆盖方式的设备布置示意如图 1 所示，监控视场覆盖示意如图 2 所示。

图1：交织重叠覆盖方式设备布置示意图

图2：交织重叠覆盖方式监控视场覆盖示意图

交织重叠覆盖方式的优点在于对线路监控覆盖效果良好，通过在线路两侧设置摄像机，消除了列车运行通过时的盲区，并且由于每两处监控点之间的线路由两个摄像机设备进行共同覆盖，因此监控点之间的间距可以较大。而缺点在于需要频繁过轨，同时较大间距也不可避免的会受到线路条件的影响。

结合相关工程经验，在昼夜监控条件下，摄像机对线路监控的视场范围（FOV，Field Of View）可以达到200 ～300m 并具有较好的工程建设性价比， 因此根据不等式关系FOV

2.1.2 单向重叠覆盖方式

与交织重叠覆盖方式不同，单向重叠覆盖方式仅在线路一侧以 m 的间距设置摄像机设备，每个监控点仅设置一台摄像机设备，完成对上行或下行区域的监控，与相邻的摄像机一起实现监控区域的无缝覆盖。单向重叠覆盖方式的设备布置示意如图 3 所示，监控视场覆盖示意如图 4 所示。

图3：单向覆盖方式设备布置示意图

图4：单向覆盖方式监控视场覆盖示意图

单向重叠覆盖方式的优点在于工程实施简单，无需频繁过轨，受线路影响较小，同时由于两个相邻监控点之间的线路主要由单向设置的单台摄像机进行监控，因此需满足m

与交织重叠覆盖方式类似，m 的选定要统筹考虑线路状况以及采集设备性能的影响，根据相关工程经验，当m 取值为200 ～250m 时，监控覆盖效果较好，工程配套以及设备的工程费用相对较小。

2.1.3 方案探讨

上述两种方案均能满足连续视频监控的需求，由于本线区间线路较为平直，区间正线车速较快，列车通过时对另一侧线路产生盲区的影响很小；从既有线施工难度、线路工程投资及监控画面方向一致性角度，单向重叠覆盖也要优于交织重叠覆盖。因此，在需要进行连续监控的重点路段优先采用单向重叠覆盖方式连续设置摄像机。

2.2 视频采集点至视频接入节点传输通道建设方案

视频采集点至视频接入节点传输通道建设方案可采用利用传输系统组网方式、GPON 方式、工业以太网网方式。

综合视频监控系统各视频采集点采用1080P 高清网络摄像机，按照视频采集点传输带宽为4Mb/s/路计算，沿线各区间综合视频监控系统带宽测算详见表1。

表1：新朔综合视频监控系统带宽测算表

根据带宽测算既有传输系统已无法满足新增摄像机的通道需求，本次研究在海勒丝壕南、纳林川、薛家湾站各新增1 套PTN（100G）传输设备1 套，并考虑对GPON 方式和工业以太网方式进行方案比选。

2.2.1 GPON 方式

GPON 技术是基于ITU-TG.984.x 标准的最新一代宽带无源光综合接入标准，是一点对多点的分布式网络，可提供上行1.25G、下行2.5G 的高带宽。GPON 由OLT、ONU、ODN 等组成，针对本工程特点采用总线型组网，OLT 设置于视频接入节点，ONU 设置于沿线视频采集点，每个PON 口最多级联5 级，允许6 个ONU 接入。GPON 组网方式见图5。

图5：GPON 组网方式示意图

2.2.2 工业以太网方式

工业以太网是在以太网技术和TCP/IP 技术基础上开发出来的一种工业网络，在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、互可操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场的需要。

结合本工程特点，工业以太网方案在车站视频机房设置三层交换机、其余视频汇集点设置二层交换机，视频接入节点与视频汇集点采用两条不同的光纤通道连接，组成具备自愈功能的千兆工业以太网环。视频采集点通过光纤点对点直连至视频汇集点处的二层交换机，组成星形网络，见图6。

图6：工业以太网组网方式示意图

2.2.3 方案探讨

2.2.3.1 可靠性

GPON 技术可提供Type C 保护（采用OLT 双PON 口、ONU 双PON 口、主干光纤、分光器和配线光纤均双路冗余的保护），可靠性高，抗多点失效。

工业以太网技术采用环网保护，抗单点失效，若发生单点链路故障或设备失效数据自动从反方向传输实现自愈，不抗多点失效，一旦两点失效，会形成孤岛。

2.2.3.2 光纤资源

新准铁路GPON 方式以最大区间举例说明，此区间有217 路视频，因此本线单方向对多接入110 路视频，GPON技术每个PON 口最多允许6 个ONU 接入，由此可得出最大需要19 个PON 口，采用主备模式则需要38 个PON 口，GPON 方式最大占用38 芯光纤，由于采用主备保护模式，需设置2 条48 芯光缆。

工业以太网方式占用最大光纤资源为视频采集点至视频汇集点、视频汇集点与视频接入节点之间光纤需求之和。本次设计单方向最多接入了10 路视频，视频采集点至视频汇集点最多需要20 芯光纤，视频汇集点与视频接入节点之间考虑一个环内交换机数量不超过6 台，最大需要6 芯光纤，因此需要设置1 条48 芯光缆，1 条用于视频汇集点、视频接入节点间组网，另1 条用于视频采集点至视频汇集点。

工业以太网方式占用最大光纤资源为视频汇集点与视频接入节点光纤需求。视频汇集点与视频接入节点之间考虑一个环内交换机数量不超过6 台，最大需要6 芯光纤，因此需占用既有传输光缆中至少6 芯用于视频汇集点、视频接入节点间组网。

2.2.3.3 工程投资

GPON 方式设备单价偏高，工业以太网方式设备价格较低。

综上所述，工业以太网方案光缆资源占用少、设备单价较低，工程投资较低，虽然可靠性不及GPON 方式，但可保证单点失效的信息传输，因此，本次研究推荐采用方案Ⅱ：工业以太网方式。

2.3 存储方案比选

铁路综合视频监控系统存储方式可采用传统方式及云存储方式。

2.3.1 传统方式

传统方式指的是采用服务器+磁盘阵列的存储方式，在各视频接入节点设置存储服务器、磁盘阵列，对其接入的所有视频信息和告警信息进行存储。磁盘阵列采用RAID5+热备盘的方式对数据进行保护。

第一步：首先计算视频监控裸存储容量

视频监控存储容量计算公式为：

T=(N×S)/8×24×3600×D/(1024)（TB）

其中：T 为存储容量，N 为摄像机个数，S 为速率（Mb/s），D 为存储天数。

视频存储原则：摄像机采集图像存储不小于15 天，每路H.265 编码格式的1080p 高清视频存储码流按4Mb/s 存储计算。

考虑40%存储容量冗余具体视频监控裸存储容量见表2。

表2：传统方式设备配置

第二步：计算存储需要的实际硬盘数量

存储需要的有效硬盘数=Roundup[视频监控裸存储容量÷硬盘单盘容量（硬盘标称值，以TB 为单位）]。单盘容量按6TB 考虑。

推荐RAID5 模式组网情况：

录像存储所需要的总硬盘数=满盘位（设备数量*单设备38 盘位）+余量的实际盘数量=Rounddown（录像存储需要的有效硬盘数÷33）×38+Y（余量的实际盘数量）；

余量的实际盘数量参考见表3。

表3：RAID5 硬盘余量参考

根据已上公式，各站所需硬盘数量见表4 所示。

表4：硬盘数量计算

2.3.2 云存储方式

云存储方式在各视频接入节点部署云存储设备，对其接入的所有视频信息和告警信息进行存储。2 台及以上云存储节点可组成集群化节点，主要有以下优势：

（1）多台云存储设备集群部署，采用N+0热备云化集群，不需要购置额外设备，实现N 台设备互备。

（2）故障迁移：集群具备自动故障检测，自动业务迁移和恢复能力，某节点故障时能自动调动集群内其他节点自动接管业务，保证系统正常运转。

（3）负载均衡：根据各设备承担的业务压力，动态调整各设备业务负担，使系统处于均衡稳定状态中，避免单设备过载。

（4）弹性伸缩：系统扩张时可随时向集群中增加云存储设备，新的云存储设备自动分担业务。业务量较少时也可随时缩减节点数量，原云存储设备上承担的业务可以自动切换到其他集群设备上。

云存储方式设备配置见表5。

表5：云存储方式设备配置

方案比选：

技术可行性：方案Ⅰ、Ⅱ设备配置架构基本一致，均可满足《铁路综合视频监控系统技术规范》（Q/CR 575-2017）标准要求。

数据保护方面：方案Ⅰ磁盘阵列如果同时损坏2 块及以上硬盘，磁盘阵列失效，以往录像无法恢复。方案Ⅱ的云存储设备同时损坏多块硬盘，设备仍然正常工作，硬盘更换后数据即可恢复。同时，方案Ⅱ还具备负载均衡，整机故障保护等功能。

部署时间方面：方案Ⅰ需为每个摄像机定义存储空间、存储位置等信息，工作较为繁琐；方案Ⅱ云存储技术为摄像机自动分配存储空间，部署快捷简便。

工程投资方面：云存储设备（含分发转发能力）造价约1000 元/T，按照新增1008T，投资约100.8 万；方案Ⅰ存储设备造价约1000 元/T，按照新增780T，总投资约78 万；方案Ⅱ略高于方案I。

通过上述方案的分析比较，方案1、2 在技术方面均能满足本工程需要，方案2 采用的云技术增强了视频数据的安全性，因此，大准线、准池线采取方案1 传统方式，新准线推荐采用方案2 云存储方式。

3 小结

铁路各业务部门对视频监控系统的要求越来越高，可以极大的解放生产力，对突发事件有直观的判断并能在第一时间进行响应，对线路区间的各种不法行为进行有效的监督，保护铁路运输安全。监控方案应该与现场结合，实时调整，做出最合适的方案选择。