某城市軌道交通車載視頻無線回傳系統設計

劉振

（中鐵上海設計院集團有限公司 上海市 200070）

1 引言

目前國家對重要公共場所視頻監控存儲時間要求較高（90 天存儲），而軌道交通車輛受限于空間的局限性，車載視頻監控存儲時間一般為15 天左右。為滿足視頻90 天存儲要求，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（如：人工操作讀寫、License 維護、U 盤管理等）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。鑒于以上問題，基于長株潭城際軌道交通西環線一期工程的實際需求，在車輛基地設置車載視頻無線回傳系統，在車輛回庫后通過車地無線方式將車載視頻數據自動轉儲至地面保存。

2 功能需求

2.1 無線視頻回傳

（1）當探測到車輛進入網絡覆蓋區域（車輛基地停車庫），與車輛建立連接并啟動車載視頻數據的傳輸。

（2）檢查有無未完成傳輸的數據，如有則啟動傳輸；如無則進入休眠狀態。

（3）視頻備份完成后每隔一段時間（可配置）檢查一次連接狀態，如檢查到有數據未完成上傳，則立即啟動數據回傳直到完成。

（4）能顯示回傳狀態，包括未連接、正在上傳、已完成上傳。

2.2 斷點續傳

當列車進行視頻回傳尚未完成時，如果列車離開網絡覆蓋區域，地面視頻管理系統應記錄視頻傳輸中斷的位置，列車再次進入網絡覆蓋區域時，應從上次中斷的位置開始繼續傳輸視頻直到傳輸完畢。

2.3 視頻檢索

針對回傳至地面的視頻數據支持按車組號、車廂號、攝像頭編號、日期、時間進行檢索。

2.4 視頻回放

針對回傳至地面的視頻數據支持視頻回放。

2.5 接口功能

車載視頻回傳系統與車輛基地地面專用視頻監視系統進行連接，可在控制中心視頻監控平臺調看轉儲至地面的車載視頻。

3 相關技術與資源分析

3.1 基本情況

（1）長株潭城際軌道交通西環線一期工程近期與既有3 號線貫通運營，接入既有3 號線控制中心，技術制式沿用既有3 號線技術方案。乘客信息系統車地無線采用LTE 技術方案工作頻段為1.8G頻段，專用無線通信系統采用TETRA 技術方案工作頻段為800M頻段，信號系統車地無線采用Wi-Fi5 技術方案工作頻段為2.4G 頻段。

（2）乘客信息系統、專用無線通信系統、信號系統的車地無線車載天線設置在車頭，基本占滿車頭可利用空間，同時本工程車輛選型為6B 編組，車輛車頭車尾設備安裝空間存在一定局限性。

（3）運營車輛回到車輛基地停車庫至始發第一班列車的時間區段內，車輛帶電時間受限，車載視頻回傳系統運行時間受該情況限制，在目前無線技術條件下進行最優考慮，需盡量減少視頻回傳時間。

3.2 Wi-Fi6技術分析

結合功能需求和上述基本情況，從投資費用和傳輸速度兩個方面考慮，本次采用Wi-Fi6 技術方案。

（1）本工程Wi-Fi6 工作頻段設置為5G 頻段，與乘客信息系統、專用無線通信系統、信號系統車地無線工作頻段進行區分。

（2）Wi-Fi6 最高理論傳輸速率達9.6Gbps，Wi-Fi6 能良好提供實際高達6Gbps 的吞吐性能；本工程應用場景為無線局域網靜態傳輸，為Wi-Fi6 傳輸達到峰值創造一定條件。

（3）目前主流且商用的高速無線通信技術方案中，Wi-Fi 的系統建設成本對比5G 具有一定優勢，成本低于后者。

（4）Wi-Fi6 在5G 頻段可使用的信道主要有36、40、44、48、52、56、60、64、149、153、157、161、165 這13 個互不重疊的信道，合理進行頻點的捆綁和分布設置，可極大減少無線干擾問題。

4 系統構成及設計

車載視頻回傳系統主要由車載系統和地面系統兩部分組成。車載系統對2-3 天的車載視頻數據進行緩存，車輛回到車輛基地停車庫后建立與地面系統的連接并進行車載視頻的回傳，將存儲的車載視頻數據傳至地面進行存儲；地面系統將車載的視頻存儲至地面，并實現視頻的檢索和回看的功能。

4.1 車載系統設計

車載系統主要由高速緩存設備、車載交換機、車載AP 設備及無線天線組成，構成如圖1所示。

圖1：車載系統構成

（1）考慮車載局域網的帶寬（千兆）、減小對車載其他網絡設備的影響和受限于車載視頻存儲的讀取速度，需設置車載高速緩存設備在列車運行過程中將視頻圖像臨時存儲，待車輛回庫后通過Wi-Fi6 網絡設備將存儲的數據高速傳輸至地面進行存儲。

（2）車載視頻回傳系統在停車庫進行工作，在車輛設置一套車載設備即可滿足通信要求，為減小安裝難度和避免對車載其他無線設備安裝產生影響，本系統車載高速緩存、車載交換機、車載AP 設備安裝在車輛居中位置，無線天線安裝在車輛頂部車體外居中位置。

（3）車載無線天線采用定向天線，無線信號方向為垂直于車輛往正上方。

（4）車載緩存設備與車載交換機、車載交換機至車載AP 采用雙網口鏈路聚合，提升有線網絡的數據傳輸帶寬上限。

4.2 地面系統設計

地面系統主要由地面AP 設備、接入交換機、核心交換機、地面高速緩存、存儲設備和操作終端組成，構成圖2。

圖2：地面系統構成

（1）本工程車輛基地停車庫為10 股道共計20 列位，在每列車停車位中間位置正上方設置無線天線，無線信號方向為垂直于車輛往正下方，與車載無線天線進行通信。目標喚醒時間（TWT，Target Wakeup Time）技術允許設備之間協商喚醒時間，在不進行數據傳輸的時候進入休眠狀態，減少不必要的數據傳輸和信號搜索，在減少功耗的同時減小AP 設備之間的無線干擾。

（2）為增加無線傳輸速率，采用40MHz 頻率組網并使用8×8 MIMO 的模式，將2 對頻點進行捆綁并進行復用，可從頻率、空間及功率控制三個個方面進行AP 布置和網絡優化。

（3）設置2 套萬兆接入交換機和2 套核心交換機組網，提高數據處理性能。

（4）存儲設備按照90 天存儲進行配置。

（5）車載緩存設備、地面緩存設備配置視頻監控數據回傳軟件；視頻操作終端配置視頻管理軟件供車輛基地運營維管部門使用。

（6）通過網絡安全設備連接正線視頻監控系統平臺，正線控制中心可調看回傳至地面的車載視頻文件。

4.3 回傳時間計算

（1）本次采用地面AP 設備與車載AP 設備按照1:1 通信進行配置，每列車獨享40M 頻寬、8×8 MIMO 模式下的帶寬，根據實驗室實測數據該模式下數據通信速率約為1.3Gbps；根據一般情況下列車每天出車運營時間約為18 小時；本工程車輛視頻監控系統采用1080P 高清制式和H.265 編碼模式，視頻碼流按2Mbps 配置，單列車輛車載攝像機數量為28 臺。

列車全天視頻存儲大小（GB）= 28（攝像機數量）× 2（碼流）×（18×60×60）（列車運行時間）÷1024（換算單位G）÷8（換算單位GB）= 443（GB）。

（2）列車全天視頻回傳時間（分鐘）= 28（攝像機數量）× 2（碼流）×（18×60×60）（列車運行時間）÷1300（傳輸速率）÷60（換算單位分鐘）= 46.5（分鐘）。

（3）考慮客觀環境、無線干擾及車輛回庫時間等因素，理論上回傳時間約為1 小時左右，車輛在庫時間約為6 小時；實際傳輸時間需待工程實施完成后進行測試。

5 總結及建議

根據上文研究及分析，針對本工程采用Wi-Fi6 技術方案組建車載視頻無線回傳系統能夠較好滿足實際需求。因本工程的特殊性，該方案是在考慮各方面綜合因素后確定的較為合適的設計方案，但針對軌道交通新線建設有如下建議：

（1）車載視頻無線回傳可結合乘客信息系統車地無線方案綜合考慮，Wi-Fi6 相比Wi-Fi5 具有更高的傳輸帶寬，主流廠商設備可滿足車輛120km/h 運行狀態下提供不小于300Mbps 的帶寬，乘客信息系統車地無線可采用Wi-Fi6 方案，在滿足車輛視頻上傳控制中心功能的前提下，可同時滿足車載視頻實時上傳至地面進行存儲，無需另外單獨建設車載視頻無線回傳系統，從工程投資和資源共享方面能取得較好效果。

（2）軌道交通車輛的空間資源有限，多個系統與車輛均有車地無線的接口，需在車輛安裝相應的車載無線設備，各系統在實施進度上應與車輛專業實施進度匹配，避免因對接不及時導致車輛設計完成后無法進行后續的設備安裝和調試。

（3）針對軌道交通視頻存儲90 天的要求，應從軌道交通線網的角度單獨考慮車載視頻回傳，通過線路傳輸及線網骨干網傳輸等通道進行線網級視頻數據傳輸并進行集中地面存儲和管理，統一線網級車載視頻回傳的技術標準和維管制度，避免各個線路的獨立考慮車載視頻回傳方案造成的標準不統一、存儲位置分散、增加維護管理單位工作量等問題。