5G通信技術在城市軌道交通視頻監控系統中的應用

董宇杰

（中鐵三局集團，山西 太原 030000）

0 引 言

在當前的城市軌道交通運輸中，視頻監控系統已經得到了良好的普及。通過此類系統的應用，可以實時監控城市軌道交通的運行情況，以便實現各種異常情況的緊急調度與及時處理。而在視頻監控系統中應用5G技術，可以使其網絡通信功能上升到一個全新的高度，實現系統整體應用質量的顯著提升。

1 5G通信技術與城市軌道交通視頻監控系統

1.1 5G通信技術

相較于4G通信技術而言，5G通信技術增加了端到端、設備到設備的通信功能，其傳感器的質量和通信便攜性也實現了顯著提高。就理論而言，5G的傳輸速度可以達到10 Gb/s，是4G傳輸速度的數百倍[1]。同時，5G通信技術的網絡傳輸穩定性也更好。5G承載網總體架構如圖1所示。

圖1 5G承載網總體架構

1.2 城市軌道交通視頻監控系統

城市軌道交通視頻監控系統通過監控設備對城市軌道交通中的車輛運行情況進行監控，并將實時監控畫面顯示在系統終端。通過合理應用網絡、編碼器以及列車攝像機等設備，可以將準確的監控信息實時提供給安保工作人員，使其及時獲取到相應的監控信息并針對異常情況做出有效處理[2]。除此之外，借助視頻監控系統還可以實現軌道交通車輛司機與安保人員之間的實時溝通，以便合理調度城市軌道交通車輛。

2 城市軌道交通視頻監控系統中的5G相關技術

2.1 網絡切片技術

對于城市軌道交通的具體運營管理而言，視頻監控系統至關重要。為了確保該系統的安全性，具體設置中需要對其內部和外部進行嚴格隔離。在此過程中，借助5G通信技術中的端到端網絡切片技術便可有效實現這一目標。具體應用中，通過該技術建立一個自主形式的虛擬化移動網絡，外部設備只有在通過授權的情況下才可以與該切片相連接，并在其中實現通信。如果外部的用戶設備沒有經過授權，便無法對該網絡切片進行應用[3-5]。與此同時，還可以借助端到端形式的網絡功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）和軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）等技術來實現網絡資源的靈活化動態分配，有效應對突發事件所導致的網絡資源需求增加等情況，例如在節假日時適當提高一些特殊區域的視頻監控密度等。相較于自建形式的專用光纖網絡而言，5G通信網絡具備更好的敏捷性和網絡彈性，結合網絡切片技術的應用，可以快速實現相應的業務部署。

2.2 邊緣計算技術

對于視頻監控系統而言，要想滿足其高清化需求并解決高清視頻儲存和轉發等問題，就需要進一步提升相應的計算能力。通過智能化方式進行控制，從而實現流媒體數據的快速轉發等處理。將5G通信技術應用到承載網絡的邊緣部署及其邊緣計算中，可以使視頻處理方面的業務下沉到用戶側，將基站攝像頭獲取到的信息儲存到本地，有效降低視頻數據處理與分析過程中的時延。與此同時，也可以將邊緣計算平臺作為基礎，通過個性化的策略來進行監控攝像頭管理，根據獲取到的參數來進行視頻質量動態優化調整。將5G通信技術和邊緣計算平臺相結合，可以直接通過邊緣計算平臺將視頻監控業務流分流至本地網絡，使其實現私有化，這對于業務流的安全管理更加有利[6,7]。此外，通過5G通信技術與邊緣計算平臺的有機結合，可以根據實際的業務需求將時延比較敏感的視頻處理業務也下沉至邊緣計算平臺，在用戶側提供強大的信息計算能力，以此來滿足當前城市軌道交通運輸中智能化運維、高清視頻客流疏導、跟蹤定位、人臉識別以及無人駕駛等創新應用需求。

3 以5G通信技術為基礎的城市軌道交通視頻監控系統

在城市軌道交通工程的視頻監控系統中，5G技術的應用會使其原有的網絡結構和控制方式等實現智能化改變。

3.1 總體結構

以5G通信技術為基礎的城市軌道交通視頻監控系統的主要組成部分包括3C集控中心、軌道交通總隊、軌道交通分控中心、高速數據網、5G承載網、5G核心網、移動邊緣計算（Mobile Edge Computing，MEC）平臺、集中單元（Centralized Unit，CU）、分布單元（Distribute Unit，DU）、有源天線單元（(Active Antenna Unit，AAU）以及攝像頭等，總體結構如圖2所示。

圖2 城市軌道交通視頻監控系統總體結構

3.2 視頻監控系統應用

在城市軌道交通系統中，對于地下車站的站廳和站臺，可以通過分布式皮基站建設的方式來實現5G信號全面覆蓋；對于地面上的停車場和車站，可以通過宏基站的方式來實現5G信號全面覆蓋。對于視頻監控系統高清攝像頭的接入一側，需要以CU/DU形式的兩級框架作為基礎，在CU位置建立5G區域處理中心，并將核心網中的一部分應用功能下沉至部署在CU位置的邊緣計算服務器中。具體應用中，邊緣計算服務器不僅能在視頻監控系統中應用，同時也可以用來進行車輛連接平臺控制，充分滿足其低時延需求，為城市軌道交通線路及其車輛的運維聯動提供支持。

借助網絡切片技術可以實現城市軌道交通視頻監控和5G公網中相關業務的有效隔離，如果用戶需要獲取監控視頻，需要先通過上層的視頻控制系統下達相應的指令，在接收到指令之后再抓取用戶所需的視頻，并借助5G通信網絡將其高速回傳給用戶[8]。本地處理中心不僅可以在本地對回傳的高清監控視頻進行儲存與處理，同時也可以將上一層的監控系統具體要求作為依據來執行相應的視頻監控策略。通過這樣的方式，實現城市軌道交通視頻監控系統的智能化管理與控制。

3.3 視頻監控系統改造

利用5G通信技術對城市軌道交通中的視頻監控系統進行改造時，可以按照三級框架的形式對整體網絡進行簡化，兩邊分別是城市軌道交通的集中監控點及其車站中的視頻監控點，中間是業務承載層，主要進行5G通信網絡的設置。通過這樣的方法對其進行扁平化處理，有效減少中間級轉發處理節點，為整體系統的日常運維提供更多便利，同時也提高視頻監控系統的可控制性和可管理性。除此之外，5G網絡技術的應用也讓城市軌道交通中的視頻監控系統實現了高效的網絡連接[9]。對于視頻監控系統中臨時加設的視頻監控點和視頻監控點物理位置的改變，利用5G技術均能有效應對。同時，通過5G網絡技術的應用，還可以充分滿足普通視頻到超高清視頻發展過程中成倍增長的網絡帶寬業務需求，為整體視頻監控系統的升級擴容和相應業務的快速部署提供強大的技術支撐，這對于城市軌道交通的智能化發展具有良好的推動作用。在以5G技術為基礎進行城市軌道交通視頻監控系統改造時，將成本投入最優化作為原則，對其進行分層建設，讓視頻監控系統實現智能化[10]。例如，在對3C集控中心進行智能化改造時，可以通過核心云的方式為整個線路網中的大數據分析及應用提供支撐。

4 結 論

綜上所述，5G通信技術憑借著高效、穩定、低時延等諸多優勢，目前在城市軌道交通工程視頻監控系統中已經得到了良好應用。尤其是其中的網絡切片技術和邊緣計算技術，更是在此類視頻監控系統中發揮出強大的作用。在對5G網絡通信技術和城市軌道交通工程視頻監控系統進行研究的過程中，需要對網絡切片、邊緣計算等5G相關技術進行深入研究，并將其合理應用到視頻監控系統中，從而推動城市軌道交通工程視頻監控系統實現智能化發展。