車載視頻地面轉儲方案研究

張 娜

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043）

目前國家對重要公共場所視頻監控存儲時間要求90 d以上存儲，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據通過U盤拷貝至地面存儲，存在數據轉儲時間長、人工維護工作量大的問題，且存在感染病毒的風險，同時由于頻繁的U盤插拔導致車載設備板卡故障率較高。

結合運營生產實際需求，針對目前地鐵車載視頻存儲在造價、檢修等方面存在造價高、便捷性差等痛點問題，同時為進一步提升地鐵運營事件處理的及時性，以及后期智能業務支撐，現對車載視頻采用5G相關技術轉儲至地面的方案進行研究，達到在列車安全事件發生第一時間或根據權限管理登錄平臺隨時查看列車上的最新視頻信息，提高事件的響應速度，滿足運營的實際需求。

1 方案研究

1.1 功能需求

①車載視頻回傳功能：當探測到車輛進入無線覆蓋區域（場段運用庫），與車輛建立連接并啟動車載視頻信息的傳輸。②斷點續傳：當列車進行車載視頻數據回傳尚未完成時，如果列車離開無線覆蓋區域，地面視頻網管系統應記錄視頻傳輸中斷的位置，列車再次進入無線覆蓋區域時，應從上次中斷的位置開始繼續傳輸視頻數據直到傳輸完畢。③視頻檢索：針對回傳至地面的車載視頻數據支持按車組號、車廂號、攝像機編號、日期和時間進行檢索。④視頻回放：針對回傳至地面的車載視頻數據支持視頻回放。⑤接口功能：車載視頻系統與場段視頻監視系統進行接口，可實現在控制中心視頻監控平臺調看轉儲至地面的車載視頻圖像。

1.2 車載視頻轉存需求分析

1.2.1 無線轉儲網絡容量需求

車載攝像機的碼流按照2 Mbit/S計算，每列車按照28路攝像機，單程運行時間按照33 min計算，則單列車運營時段單程視頻容量見表1。

表1 單列車運營時段單程視頻容量

每列車1 d大約運行18×60/65=32次；

單列車運營時段1 d的視頻存儲容量為32×13.4=428.8 GB；

單列車非運營時段1 d的視頻存儲容量為28×6×3 600×2 M/1 024/8=147.6 GB；

單列車非運營時段單程平均視頻容量147.6/16=9.2 GB；

列車非運營時段的視頻圖像需在運營階段通過車地無線轉儲至地面，則單列車單程需轉儲的視頻容量為13.4+9.2=22.6 GB。

1.2.2 存儲需求

存儲需求包括車載存儲需求和地面存儲需求，按照車載存儲15 d+地面集中存儲90 d的方案考慮。其中，15 d的視頻存儲在車上，90 d的存儲CCTV視頻回傳到地面存儲設備，地面存儲可采用控制中心云平臺存儲或者集中非云存儲。存儲時間應按線路最高行車密度（每日不間斷運行18 h）計算。車載CCTV單列車視頻存儲需求見表2。

表2 車載CCTV單列車視頻存儲需求表

以17列車為例，容量按單程視頻容量和線網每日實際開行列次，并考慮未來增加30%的發車對數進行設計，存儲容量需求見表3。

表3 車載視頻存儲容量需求

1.3 5G相關無線技術分析

5G移動通信技術，基于端到端的全新體系架構，采用全新毫米波頻段、多天線和波束賦型等先進技術，具有超高寬帶、超低時延、多連接等特性。應用于車地通信可以做到車、地之間通信設備的自動對準、自動連接、自動身份識別和自動上傳，全程安全可靠，無需人工干預，最大傳輸速率超過1.5 Gbps[2]。

目前5G相關技術主要包括5G毫米波、WiFi-6等，此技術單用戶上行速率可實現高達1 Gbit/s以上的傳輸速率；移動邊緣計算（MEC）技術的引入，將應用業務“下沉”到車站接入網側，使用戶能感受到的時延縮小到1 ms以內，基本實現零時延。5G相關技術在軌道交通中的應用，將會給軌道交通領域的無線通信技術帶來一場重大的技術革命，將顯著提高城市軌道交通的運維效率和乘客的用戶體驗，也為城市軌道交通開啟萬物互聯的智慧軌道交通時代提供重要的基礎建設支撐。5G毫米波與WiFi-6技術對比見表4。

表4 5G毫米波與WiFi-6技術對比表

地鐵行車數據有高安全、高可靠要求，WiFi頻段無線環境復雜，易受民用設備干擾，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穩定；5G毫米波（Air Flash）技術在60 GHz免授權頻段組建車地專網，網絡隔離，頻點干凈，不易受攻擊，數據安全風險低，滿足車地大容量數據轉儲需求。

1.4 基于5G毫米波的轉儲方案

1.4.1 總系統方案（圖1）

圖1 系統架構圖

1.4.2 傳輸方案

車地無線網絡系統在列車低速進/離站及停站期間完成單程視頻數據回傳，根據停站時間，軌旁基站優先部署在停站時間最久的車站/區間或者車站折返段區域。

在車站的上下行軌行區各部署2臺軌旁基站，分別安裝在站臺端墻門內兩端適當位置，保證位于列車車頭的車載終端接收良好，1個車站需4套5G毫米波基站；列車單端或雙端部署車載TAU終端，車地轉儲系統5G毫米波單站回傳峰值速率按1.5 Gbit/s設計，平均速率按照1 Gbit/s設計。

按照列車單/雙端設置車載TAU終端，核算單程數據需求傳輸時間見表5。

表5 列車單/雙端設置車載TAU終端單程數據傳輸時間表

根據調研，車輛每次經過折返段會有2次上線傳輸，2次的連接時間基本可以保持在95 s和120 s左右，故一趟列車上線時間在95+120=215 s左右。列車在車站的停車時間按照60 s計算。

按照當前車輛停車折返的時間平均為210 s，車站停站時間為60 s，因為計算數據為單程數據，每單程只能計算1個折返時間。

每列車單端部署TAU時，需要1個折返站部署車地轉存設備，可滿足車載視頻轉存數據傳輸需求。當每列車雙端部署TAU時，需1個折返站即可滿足需求。

1.4.3 地面存儲系統

存儲需求包括車載NVR存儲需求和地面存儲需求。

由于采用視頻回傳系統后，車載CCTV視頻均會被回傳到地面存儲中保存，同時考慮到回傳系統故障情況下的維修時間，車載存儲滿足7 d的視頻容量。

1.4.4 車載網關轉儲數據說明

車載CCTV視頻回傳系統由地面網絡和車載網絡構成。如圖2所示。

圖2 車載系統網絡架構圖

地面網絡包括軌旁基站、交換機、存儲平臺。

車載網絡包括車載網關，車載終端TAU。

每列車設置6臺網關設備，每節車廂1臺，具備錄像存儲功能。網關設備通過百兆網線與部署在車頭的交換機相連，將每節車廂的2路高清視頻監控數據匯聚到車頭的硬盤錄像機。

車載網關通過標準協議與硬盤錄像機對接（百兆網口），以FTP取流方式獲取視頻，經5G車地轉儲系統將視頻數據轉儲至地面服務器。

1.4.5 系統安全性分析

5G轉儲技術采用5G毫米波高速轉儲的前沿技術，頻譜為2 GHz@59~64 GHz，單用戶上行理論速率為1.7 Mbps、轉儲通信速率300 m范圍內可達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，技術具有超高速率、無干擾風險、全程全自動轉儲特點。獨立的車地轉儲專網，自行布網不依賴運營商。施工部署容易，全線只需選取少量列車?？空军c進行基站部署保障數據傳輸要求，車輛設備可以匹配多種車型，施工較為簡單。

車地轉儲系統提供空口接入認證和空口加密傳輸，保證空口安全。

①空口接入認證。通過MAC地址白名單、小區ID和密鑰接入認證，避免非法接入。②空口加密傳輸，通過128 bit的AES空口加密特性對微波鏈路傳輸的客戶數據進行加密，在鏈路層進一步增強微波鏈路傳輸的客戶數據的安全性。

2 結束語

車載視頻轉儲方式是車載視頻存儲方案的發展方向，車載視頻地面存儲方案可結合乘客信息系統車地無線方案綜合考慮[3]。通過以上技術分析，5G毫米波更具有技術先進性，可靠性。在實際工程項目中，需結合當地項目需求，并緊跟最新技術發展最終確定采用方案。