視頻監控系統是保證城市軌道交通行車組織和安全的重要手段。視頻監控系統給地鐵運營管理者、調度員和值班員提供一個直觀、實時、真實的現場圖像畫面。利用視頻監控系統可監視列車運行、客流情況、變電所設備室設備運行情況，是提高行車指揮透明度的輔助通信工具。
視頻監控系統承載了軌道交通系統中關鍵的視頻信息記錄、緊急情況的處理，替代了大量的人力。其故障將引起系統的混亂或關鍵信息的丟失，給軌道交通運輸造成巨大的風險。在實際運行中就有發生過因視頻監控系統穩定性問題，影響到軌道交通故障的處理，影響到地鐵公安的辦案。因此，軌道交通系統對于視頻監控系統的可靠性提出了極為嚴格的要求。傳輸系統作為視頻網絡高清傳輸中的關鍵部分，傳輸方式和傳輸技術嚴重影響了整個系統的可靠性。本文對軌道交通高清視頻方案的傳輸技術進行列舉和總結。
1.雙絞線網絡傳輸
雙絞線網絡傳輸是目前最常見的一種網絡高清視頻傳輸方式，在各行各業都有應用。雙絞線網絡傳輸的優劣勢都很明顯，優勢在于布線方便、總體造價低、可同時為攝像機提供電源。劣勢也有很多，如傳輸距離過短、傳輸抗干擾能力弱、可靠性低、需要考慮防雷等。
在軌道交通最常見場景——車站中，車站的攝像機到機房的距離90%左右是超過100米的。如采用雙絞線網絡傳輸，必須使用接入交換機或前置交換機。
因車站的環境相對機房環境惡劣很多，在車站內建議使用工業級交換機進行設備接入。但采用了接入交換機的方案中，會造成網絡管理的難度提高，工業交換機的造價過高、網絡防雷防浪涌導致的成本增加，雙絞線會因為氧化而導致可靠性的降低。
目前部分建設較早的軌道交通項目使用雙絞線傳輸。
2.光纖直連傳輸
光纖傳輸漸漸在軌道交通行業中開始普及開來。光纖傳輸能夠解決傳輸距離只有100米的問題，傳輸距離完全足夠站點、車輛段使用，能夠解決可靠性較低的問題。光纖使用二氧化硅材料避免了因氧化造成的可靠性的降低，同樣避免了雷擊、浪涌等電磁干擾。
光纖傳輸目前也存在有多種方式，通常RG45網口的攝像機使用光纖傳輸，需要多個設備進行光電轉換。具體如下圖。攝像機到后端交換機需要2臺光電轉換設備。
普通攝像機光傳輸鏈路
大華股份為了簡化傳輸鏈路，減少傳輸中的中間節點，推出了光纖高清攝像機，攝像機可直接插入SFP模塊。具體如下圖，光纖可使用SFP模塊直接連接到后端的光口交換機。減少了中間的光電轉換設備，較少了故障節點，提高了系統穩定性。
光纖攝像機光傳輸鏈路
使用光纖高清攝像機還具有抗電磁干擾的優點，對于地鐵項目，由于機車的動力電源遠高于市電。電磁干擾強很多，極易對網絡信號產生干擾，通過光纖傳輸，傳輸的是光信號，能夠有效避免電磁干擾，使得系統更加穩定可靠。
SFP模塊（Small Form-factor Pluggables：小封裝可插拔收發器），是將千兆/百兆位電信號轉換為光信號的接口器件。SFP設計上可以為熱插拔使用。SFP是一種符合國際標準的可互換產品。在軌道交通行業中的攝像機通常使用的單模單纖SFP模塊。
交換機接口密度也是影響光纖直接接入的一個因素。每個攝像機直接連接到交換機，相應的交換機需要有足夠的SFP接口和攝像機連接。這就要去交換機需要有較高的接口密度。目前的交換機可以達到整體最大400個SFP或1U上48個SFP接口的密度。能夠支持單個車站所以攝像機的點對點接入。
目前大多軌道交通項目采用光纖傳輸，如杭州地鐵、南京地鐵、武漢地鐵等。
3.PON光纖傳輸
PON（Passive Optical Network：無源光纖網絡）以組網靈活、網絡覆蓋范圍大、簡化網絡層次等優越性，為多個項目的建設提供的先進的動力和技術支撐。但由于其節點多、覆蓋面廣等諸多因素，如果我們在使用中不能合理運用，會給整個網絡帶來很大的危害。目前FTTH（Fiber To The Home：光纖入戶）等接入技術大多使用PON技術。但PON是否適合使用在軌道交通行業。還需要具體分析。
PON系統由多個光網絡單元（ONU），一個光線路終端（OLT）和一個或多個分光器組成（見下圖）。在下行方向，OLT所發送的信號廣播到所有的ONU上。在上行方向，采用TDMA多址接入技術，多個ONU的上行信息組成一個TDM信息流傳送到OLT。
PON技術組網和數據傳輸示意圖
數據從OLT到多個ONU以廣播式下行（時分復用技術TDM），當數據信號到達ONU時，ONU在物理層上做判斷，接收給它自己的數據幀，摒棄那些給其它ONU的數據幀。
對于安全性的考慮。上行方向，ONU不能直接接收到其它ONU上行的信號，所以ONU之間的通信，都必須通過OLT。
成本上，PON技術在大范圍的接入有很大的優勢，因分光的原理，能夠節約大量的光纖資源。但對于軌道交通中站點的視頻監控應用，大多數的視頻接入點都在400米以內，對于光纖的節約量非常有限。而對于軌道交通中站點的視頻監控應用，由于區間距離較長，光纖的節約量較大，目前常用PON技術或環網交換技術。PON技術采用PON組網減少了OLT線卡的使用數量，但是OLT線卡價格高于交換線卡，所以交換機星型組網與PON組網在成本上是差別不大的。因攝像機采用PON技術增加的成本和光纖的節約量也基本持平。
可靠性上，PON采用總線型結構，如果OLT端的總線出現了發生了鏈路中斷，則該PON口下，所有IPC的連接會發生中斷，可靠性較低。如采用全交換的星型網絡如光纖直連傳輸，光纖中斷僅有一路IPC會受到影響，對整個系統影響很小。
安全上，PON技術也存在較多問題，目前的正在通過技術手段進行規避但交換組網會有更好的解決方案。
a)PON可對于接入設備進行認證。如不符合要求的設備進行接入，會被拒絕接入。在交換組網上也有類似的技術，如用戶安全準入系統，可支持對網絡設備的接入認證。
b)PON的上行采用時分復用。在安全性存在較嚴重問題，分光器對各個鏈路沒有限制，如果分光器上接一個外來發光設備，持續發光，整條PON鏈路上的數據都會受到干擾，該PON口下都無法正常通信，影響大批攝像機。
c)PON的下行采用廣播方式。每個ONU通過區分LLID來判斷是否為自己的數據幀，如果不是則丟棄。但下行數據包為廣播方式分發，意味著每個ONU都可以收到下行的報文，通過修改ONU芯片信息可以做到接受所有數據幀，實現下行數據的竊取
d)PON組網較交換組網在協議支持上有缺陷。目前還沒有廠家在PON設備上支持所有的交換組網協議。如在802.1x上PON網絡支持的比較簡單，僅為CHAP/EAP認證，但交換機廠商通常會做得更多（如：與以下相關協議聯動 port based、mac based、動態vlan下發、動態acl下發、guest vlan，旁路MAC認證，認證失敗端口跳轉指定vlan）等。
綜上所述，PON技術目前在發展的高峰時期。雖然少數項目在軌道交通使用了PON技術，但就各方面分析后，在軌道交通的站點視頻監控并不是PON應用的最好場景。PON技術在軌道交通的區間監控上會有較大的發展。
4.同軸電纜傳輸
同軸電纜傳輸是模擬視頻信號最常使用的傳輸方式�，F在隨著高清技術的發展，多數廠家也提出了通過同軸電纜傳輸高清信號的技術。同軸電纜傳輸高清技術在原軌道交通站點進行標清改造高清有重要的意義，能夠避免線路的更換，只進行設備的替換就能達到高清的效果。
大華股份推出的HDCVI技術能夠將1080P信號在75-5同軸電纜上傳輸400米的距離，能夠滿足站點視頻監控的需求。
目前大華的HDCVI技術有延時低、傳輸距離長、可同時傳輸控制信號等優點。
車站的HDCVI攝像機使用同軸電纜傳輸到后端的HDCVI編碼器。使用HDCVI編碼器將高清信號編碼然后通過IP網絡進行存儲或供調用。
通過同軸電纜傳輸是目前軌道交通站點標清視頻監控進行高清改造的優秀方案。能夠降低成本、減少工期、便于實施。
總結
本文對軌道交通網絡高清視頻監控領域用到的雙絞線傳輸、光纖直連傳輸、PON光纖傳輸、同軸電纜傳輸四種傳輸方式進行了詳細的闡述。分析了四種傳輸方式在軌道交通中使用的優勢和劣勢。指導了軌道交通網絡高清視頻監控傳輸技術的選擇。
|
