工业以太网在铁路区间视频监控中的应用

摘要：本文结合铁路视频监控的业务需求，介绍了工业以太网的特点及应用情况，提出了铁路区间视频监控采用工业以太网的解决方案，供工程设计中参考。

　　【关键词】工业以太网区间视频监控组网方案

　　在铁路快速发展的今天，随着快速客运网络、煤运通道、区际干线建设的推进和既有铁路技术改造的加快，视频监控业务在铁路运输中的需求越来越迫切。高速铁路的建设及铁路管理的精细化对监控图像清晰度要求的不断提高，高清化逐渐成为铁路视频监控发展的趋势。然而高清化不仅意味着更清晰的图像和更好的效果，也带来了更高的远距离传输带宽。如何采用稳定可靠的方案满足铁路区间视频图像传输的需求是本文讨论的重点。

　　1现状与存在的问题

　　高速铁路均配套建设有综合视频监控系统，系统构成如下：在铁路沿线重要处所设置视频采集点，目前大多采用模拟摄像机；在区间通信节点（区间基站、信号中继站、电气化所亭等）设置视频汇集点，负责邻近视频采集点图像的接入、编码；在沿线车站设置视频接入节点，负责本站以及临近区间视频采集点的图像接入、处理和存储。

　　视频接入节点间的视频图像业务主要通过铁路数据网承载，视频接入节点与视频汇集点之间通过各线接入层SDH传输系统提供的FE通道承载，视频采集点至视频汇集点（或视频接入节点）主要通过光纤或视频线缆连接。铁路区间视频监控具有视频采集点分布广泛、接入距离远、视频业务带宽需求大等特点，导致视频图像传输面临以下问题：

　　1.1光缆芯数占用过多

　　传统方式下，视频采集点至视频汇集点一般采用点对点光端机组网方式组网，不仅建设成本高，还会占用大量光缆资源，也为后期运维管理带来不便。

　　1.2区间传输网带宽压力大

　　视频汇集点至视频接入节点间网络通道基本上采用逻辑点对点的传输方式，占用了大量接入层2Mb/s传输通道资源，并且无网络冗余功能。随着720p、1080p分辨率高清视频的普及将进一步加剧这种现象的发生。

　　1.3网络扩展性差

　　视频监控作为保障行车安全的重要辅助手段，时常会根据监控需要补充设置视频采集点，既有“点对点”星形组网方式不利于后期增加视频采集点。

　　为了解决上述问题，我们需要寻找能够同时提供覆盖范围广、带宽高、扩展性强的方案来解决区间视频图像传输的问题。

　　2工业以太网技术

　　工业以太网是在以太网和TCP/IP技术的基础上开发出来的一种工业用通信网络，与商用以太网交换机相比，工业以太网交换机具有以下特点：

　　（1）采用工业级设计，支持-40～85℃宽温工作、工业级的外壳设计（IP30等级防护）、抗震、防冲击、机架或导轨安装、冗余直流或交流输入，可以抵抗现场各种恶劣环境。

　　（2）支持冗余环网，网络可靠性高，100个节点的环网单点故障自愈时间小于50ms，网络局部单元出现故障，不影响整个系统的正常工作。

　　（3）支持远距离传输，单模光纤在无中继的情况下传输距离可达80km，满足铁路视频监控节点空间分布广，距离远的特点。

　　（4）强大的网络管理能力，支持SNMP网络管理协议，实现集中管理和配置、故障报警、数据流量、误码率分析等。

　　目前，工业以太网广泛应用于电力、交通、冶金、石油石化、工业控制等领域，在高速铁路列控和SCADA系统中也已得到成功应用。与基于xPON的区间光通信技术相比，其长传输距离、高可靠性、安全性等方面都具有优势，更适合用于铁路区间视频图像的传输。

　　工业以太网自愈环网采用快速冗余技术，使保护倒换时间为毫秒级，实时性和可靠性很高，在组网时应优先采用环网结构。工业以太网环网冗余拓扑结构主要有单环网和双环网。单环网物理上是闭环，逻辑为开环，工业以太网交换机不区分主从关系，正常工作时，数据在主链路进行传输，当发生故障（单点设备故障或链路故障）时，数据自动从反方向传输，从而实现自愈。双环网中，数据进行双向传输，并选择最近的路径传输，减轻了每个交换机的负担。

　　3组网方案

　　综合考虑铁路区间视频业务带宽需求和投资的性价比，本次推荐采用GE单环网方案，保证网络的轻载并预留后期的发展空间。

　　3.1视频汇集点与视频接入节点

　　在车站视频接入节点、区间视频汇集点设置工业以太网交换机，利用铁路两侧干线光缆中的各2芯光纤构成分别组建站间单环网络，网络结构如图1所示。相邻站间环网在车站单点相切，共用1台设备。与传统的链形组网方式相比，不仅大大提高了网络的自愈能力，避免单点失效导致其它节点不能正常工作，而且提高了视频监控信息存储的安全性和高效性。

　　为了实现相邻站间环网的子网隔离，车站视频接入节点应采用三层工业以太网交换机，视频汇集点采用二层工业以太网交换机。如果整个网络全部采用二层设备组网，全线均在一个大的网段内，存在不能隔离广播域的缺点，一旦其中一个节点设备出现故障，将产生大量广播报文，这些报文会很快扩散到其它相邻站间环网，产生网络风暴。此外，视频接入节点的三层设备还要为提供与铁路数据网互联的路由协议，以及基于访问控制列表的数据流量控制、网络安全防范等功能。

　　3.2区间视频采集点与视频汇集点/接入节点

　　当区间视频采集点数量较少时，可以采用工业以太网交换机链形组网方式接入临近的视频采集点或视频接入节点；也可根据视频采集点的分布情况构建多个小型分支光纤环网，最终与本文3.1中的环网形成相切环，如图2所示。

　　当区间视频采集点数量较多时，如全线或某段线路进行视频监控无缝覆盖方式，此时链形组网方式无法体现工业以太网交换机高实时性和可靠性的冗余环网优势。可以参照3.1中视频汇集点与视频接入节点的组网方式，组建站间视频采集点单环网络，网络结构如图3所示。

　　4结束语

　　目前工业以太网技术已日渐成熟并在各工业控制领域得到了广泛运用，因此适时在铁路视频监控系统建设中引入工业以太网技术，不仅较好地满足了铁路区间视频监控业务的接入需求，而且使视频网络更加安全、可靠。随着工业以太网技术的进一步发展，将为铁路数据业务通信提供更加灵活的解决方案，相信工业以太网在铁路通信建设领域将会有十分广阔的应用前景。

　　参考文献

　　[1]姜晓旭，郝炳莉.工业以太网交换机在高速公路视频监控中的应用[J].中国交通信息化，2013（7）：124-126.

　　[2]凌力.客运专线综合视频监控系统线路监控技术方案研究[J].铁道通信信号，2009（9）：47-50.

　　[3]冀云帅，刘晓军，许超.城市轨道交通综合监控组网方案[J].城市轨道交通研究，2012（10）：114-118.

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