内蒙古呼和浩特至包头全路段监控系统改造

孙殉

[摘要]全程監控系统图像传输质量和安全性，路段设备取电的绿色节能方面，对高速公路运维管理、安全督导起着至关重要的作用。本文从图像采集、编码、传输、查看、回放、存储等几方面介绍了高速公路全程监控改造工程设计内容.实现了图像高质量传输、造价经济合理、图像传输安全可靠、促进交通安全督导等目的。

[关键词]编码器；摄像机；通信环网；风光互补

呼和浩特至包头段高速公路（以下简称“呼包高速”）是国高网京藏高速公路（G6）以及京新高速公路在内蒙古境内的其中一段，也是内蒙古自治区“8988”公路网规划中的重要组成部分，呼包高速改扩建工程途径呼和浩特市和包头市，路线全长217396公里。

呼包高速监控系统改造，设计为全路段实时监控模式，平均每隔700米设置一处路侧立杆式监控摄像机，将原有模拟图像摄像机全部更换为数字传输、存储模式，要求对每个摄像机进行IP地址分配、本地存储、全网段划权限模式实时查看、回放等。

一、初期方案比选

（一）改造前模拟摄像机

在改造前模拟监控时期，前端摄像机的输出接口是BNC，单一的接口使组网受到极大限制，无法实现对每个摄像机进行IP地址分配、全网段实时查看、回放的要求，且用金属等线缆作为模拟图像传输介质，其造价高、图像质量无法保证，因此不符合本次监控改造需求。

（二）网络IP摄像机

本次改造初期，探讨过前端使用网络IP摄像机，其输出接口为Rj45。该产品虽然能满足对每个摄像机进行IP地址分配、全网段实时查看、回放的要求，但没有本地临时存储功能，对临时发生的网络中断，图像无法实时传输到监控存储服务器中，易造成图像丢失，对高速公路运行的事故处理、查看等带来极大不便，因此不符合本次监控改造需求。

（三）前端模拟摄像机加视频编码器组合

前端摄像机将采集到的图像通过短距离视频电缆（不超过15米），将模拟信号传输到前端视频编码器中，编码器接收到模拟信号后，将其转换为数字信号，通过对编码器进行IP地址设置，实现在全网域范围内的自由传输，同时前端视频编码器具有本地临时存储功能，根据需求可以设置不低于7天的本地存储时间，极大的满足了高速公路运营管理要求，因此该方案符合本次监控改造需求。

二、传输技术介绍

（一）E PON光网络接入

光纤接入从技术上可分为两大阵营：有源光网络（AON，Active Optical Network）和无源光网络（PON，Passive Optical Nework）。1983年，BT实验室首先发明了PON技术；PON是一种纯介质网络，由于消除了局端与用户端之间的有源设备，它能避免外部设备的电磁干扰和雷电影响，减少线路和外部设备的故障率，提高系统可靠性还能节省运维成本，是运维部门期盼已久的技术。PON的业务透明性较好，理论上可承载任何制式和速率的信号。目前基于PON的实用技术主要有APON/BPON、GPON、EPON/GEPON等几种。在各种PON技术之争的过程中，EPON脱颖而出，率先进入大规模商用阶段，这得益于EPON融合了多种最佳技术和网络结构。把EPON技术引入到前端摄像机和编码器中，利用EPON技术可以衍生出星型或总线型等诸多千变万化的组网，如下所示：

EPON星型组网图

EPON系统的优势：

1.TCO成本低，维护简单，容易扩展，易于升级。EPON结构在传输途中不需电源，没有电子部件，因此容易铺设，基本不用维护，长期运营成本和管理成本低；

2.EPON系统对局端资源占用很少，多个终端设备接入时只需占用一个局端设备端口：

3.能提供高带宽。EPON目前可以提供上下行对称的1Gbps的带宽，并且随着以太技术的发展可以平滑升级到106bps；

4.提供高安全性的前端接入。

在常见的以太网中，对物理层和数据链路层安全性考虑甚少。以太网自身没有认证或安全机制，理论上一个以太网端口可以接入任何一台终端设备。而EPON则不然，不是所有的终端设备都能随意的接入到EPON网络，需要对终端设备的身份进行认证，只有合法的终端设备才能接入到EPON网络中去。即使是经过合法认证接入后的设备，其通信过程启用了128位的AES加密或者48位的三重搅动加密，形成端到端的加密通道，而且各个终端设备的密钥都不同，每10秒更新一次，其时间周期远远小于密钥破译所需时间，具有很高的安全性。

EPON的适用场景

在高速公路中的高安全性接入

在高速公路监控的部署中，由于其安全性因素，都要求IP不到路面，采用EPON方式接入是最合适的。在高速公路的设计模型中，EPON的总线型和扇形覆盖都比较常见。总线型覆盖主要应用在高速公路中的道路监控，而扇形覆盖则主要适用于一个园区的监控。

在高速公路中的高可靠性接入

在高速公路的应用场景下，业界通用的方案是选用光端机，采取手拉手的组网方案，此方案需要对光端机供电，而高速公路上供电稳定性无法保障，如果出现一台光端机设备掉电，则会导致后面所有节点的视频监控数据都无法回传，可靠性很差，如下图所示：

把总线型分光模式引入到高速公路监控解决方案中，利用EPON长距离传输技术，突破EPON技术标准中20公里限制，延伸一倍达到40公里。如果采取3公里的密度进行部署，可以进行11级分光，覆盖范围能达到36公里。而分光器是无源设备，根本无需考虑掉电风险。

（二）RRPP（Rapid Ring Protection Protocol，快速环网保护协议）接入

环网技术简单而言，就是将设备连接到一起构成环状，实现相互通信的一种技术。为避免环网中产生广播风暴，最初业界普遍采用STP协议环路保护机制。但实际应用中STP协议的收敛时间受网络拓扑影响较大，在网络直径大时收敛时间较长，无法满足视频流传输的要求，迫切需要一种故障时收敛时间短的环网技术，故障切换时对视频图像基本无影响，RRPP技术应运而生。RRPP能为二层以太网络提供高可靠性的服务质量保证，可以防止环路上的广播风暴，链路故障时可以提供小于50ms的快速收敛，基本不影响视频图像的连续性。

1.每個节点都有双链路上行，并具环网保护机制

环网拓扑下，编码器为双端口接入，在一个端口down的情况下，依然可以保证数据的有效传输，对端口的光电属性无要求，可以是光电接口混合组网。

2.环网拓扑避免了SRG（Shared Risk Group共享风险组）问题

环网拓扑下的网络由于节点间的光纤分别走不同的管道，不会存在SRG的问题。

3.RRPP环网提供了50ms的快速保护倒换能力

RRPP是一个专门应用于以太网环的链路层协议，它在以太网环中能够防止数据环路引起的广播风暴；当以太网环上一条链路断开时，能迅速启用备份链路以恢复环网上各个节点之间的通信通路。和STP协议相比，RRPP协议具有拓扑收敛速度快和收敛时间与环网上节点数无关的特点。

4.低成本的高可靠性接入方案

RRPP环网接入只需要2芯光纤即可完成环网的搭建，适用于光纤资源紧缺，核心设备端口资源紧张，要求成本控制，要求高可靠性的场景。

（三）双链路上行组网

安装在重要点位的编码器，对可靠性要求很高，除了选取高质量元器件设备以及高稳定IMOS软件的基础，还需考虑到链路级的冗余备份机制。如下图所示，当一条链路故障或者一台上行交换机故障或异常断电，视频流量能自动的迁移到另外一个网口或者链路上，视频监控流量不受影响。

改造后路段监控摄像机选用市电供电和风光互补两种供电方式：

（一）市电供电

1.除距离供电点较远的外场设备采用风光互补供电系统供电，各收费站、服务区附近的监控外场设备供电均引自就近变电所低压配电柜，监控系统预留回路。

2.监控外场选用YJV₂₂型电力电缆，线缆压降按小于额定电压的5%。

3.根据外场设备实际负荷、电力电缆敷设路由，选用电缆线径、敷设长度以及断路器的型号。

（二）风光互补供电

距离就近供电点较远的外场监控摄像机，采用低压电力电缆方式配电，电能损耗较大，且经济性较差，因此采用风光互补发电系统供电。

风光互补发电系统，由太阳能光伏组件、风机、风光互补控制器（含泄荷器）、蓄电池组、设备机箱、蓄电池箱、安装支架等组成。

风光互补发电系统的额定输出电压DC 24V，若摄像机输入电压与之不一致，需选用逆变器或变换器转换后供电。

风光互补发电系统的容量需根据当地太阳能、风能自然条件来进行配置，并进行适当优化，需保证整个系统在连续阴天、无风情况下正常工作4天，本改造项目风光互补的最低配置不低于：太阳能光伏电池组件800Wp、风力发电机额定功率不小于300W、蓄电池450Ah（单块12V150Ah，2串3并）。

路段监控需为路段运营解决全路网监控无死角、图像清晰、不丢失，并根据设置权限实时、方便的调取、回看图像。本文根据呼包高速路段实际情况，切入运营的现实需求，对呼包高速路段监控改造工程从图像质量、传输、安全、存储、调用、供电等多方面进行了讨论，并在其后的项目实施中得到了印证，运行效果良好、系统稳定，满足了呼包高速运维对监控系统改造的目标需求。