新標(biāo)準(zhǔn)下高速鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)平臺研究

李可佳，馮敬然

（鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251）

新標(biāo)準(zhǔn)下高速鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)平臺研究

李可佳，馮敬然

（鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251）

分析鐵總建設(shè)［2016］18號文發(fā)布后對高速鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)平臺造成的壓力，提出關(guān)于系統(tǒng)架構(gòu)、存儲和服務(wù)器配置等方面的幾種解決方案，并對其技術(shù)可行性和應(yīng)用適應(yīng)性進(jìn)行深入分析研究。

綜合視頻監(jiān)控；H.265；流媒體；直存；IP全交換

2016年初，中國鐵路總公司（簡稱總公司）發(fā)布了鐵總建設(shè)［2016］18號文件[1]（簡稱18號文），明確了200 km及以上設(shè)計(jì)時(shí)速鐵路綜合視頻監(jiān)控前端采集設(shè)備的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。文件發(fā)布后，路內(nèi)開展了一系列研究，截至2016年底，攝像機(jī)安裝方式、視頻采集點(diǎn)至視頻匯集點(diǎn)的接入方式、匯集節(jié)點(diǎn)至Ⅰ/Ⅱ類接入節(jié)點(diǎn)的接入方式等技術(shù)方案已基本明確。然而，18號文對綜合視頻監(jiān)控后臺系統(tǒng)設(shè)備帶來的壓力問題及其解決方案還有待進(jìn)一步開展系統(tǒng)深化研究。

1 新標(biāo)準(zhǔn)對視頻平臺的壓力

18號文發(fā)布后，高速鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)攝像機(jī)數(shù)量在原有標(biāo)準(zhǔn)上有所增加，分辨率也由模擬4CIF提高到1080P?？紤]站間距45 km、GSM-R為單網(wǎng)交織覆蓋、站房面積10 000 m2的典型應(yīng)用場景，接入車站的視頻采集點(diǎn)數(shù)量在300個(gè)左右（見表1），且單路碼流增加到原標(biāo)準(zhǔn)的4倍。根據(jù)總公司2013年發(fā)布的《鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范（V1.0）》[2]對系統(tǒng)平臺設(shè)備的技術(shù)要求，視頻存儲分轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器的數(shù)量及磁盤陣列容量將增加到原來的4~5倍?？紤]到當(dāng)前壓縮編碼效率的提高，單路1080P碼流按照6 Mb/s傳輸帶寬、4 Mb/s存儲帶寬計(jì)算，同時(shí)考慮不同廠家服務(wù)器配置的能力及工程中表1規(guī)模的場景，配置分轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器數(shù)量為9~12臺，磁盤陣列容量約為310 TB（15 d存儲）。可見，新標(biāo)準(zhǔn)對服務(wù)器、存儲等設(shè)備能力造成了一定壓力，同時(shí)也造成了機(jī)房面積增加、機(jī)房外供電容量提高、機(jī)房UPS容量增加以及散熱量增加等一系列問題。

表1 典型站視頻接入節(jié)點(diǎn)規(guī)模

需要指出的是，攝像機(jī)數(shù)量隨區(qū)間長度、區(qū)間橋隧數(shù)量、站房規(guī)模等調(diào)整而變化，其中站房規(guī)模影響較大。另外，若考慮《中華人民共和國反恐怖主義法》（簡稱反恐法）對視頻存儲90 d的時(shí)間要求，需將以上磁盤陣列容量成倍提高，部分車站視頻存儲容量將超過1 000 TB。

2 存儲容量壓力的應(yīng)對方案

存儲容量壓力問題現(xiàn)階段需從以下幾個(gè)方面著手解決：

第一，進(jìn)一步明確各類視頻監(jiān)控點(diǎn)的存儲天數(shù)。反恐法規(guī)定“重點(diǎn)目標(biāo)”應(yīng)采集視頻圖像信息，視頻圖像信息存儲期限不得小于90 d。鐵總辦［2016］174號[3]文件也規(guī)定了“涉及公共安全”的視頻保存期限不應(yīng)少于90 d。關(guān)于“重點(diǎn)目標(biāo)”和“涉及公共安全”的采集點(diǎn)的界定需要鐵路公安等部門予以明確，不應(yīng)將所有采集點(diǎn)存儲時(shí)間統(tǒng)一提高到90 d。

第二，選用H.265等更高壓縮比的編碼方式，以控制碼流。H.265編碼方式相對于H.264方式，碼流降低了至少50%，1路1080P@25 fps視頻碼率可降到2 Mb/s以下。該方案從技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)到產(chǎn)品都已基本成熟，但尚未在路內(nèi)廣泛應(yīng)用。總公司、鐵路局、站段等各級監(jiān)控終端及電視墻目前采用的硬件或軟件解碼方式大多是基于H.264、MPEG-4等編碼格式，這就需要其進(jìn)行改造。改造包括對軟解碼/硬解碼的模塊進(jìn)行軟件升級，也包括對處理能力較低的監(jiān)控終端和電視墻解碼器進(jìn)行硬件的升級或更換。若要實(shí)現(xiàn)編解碼方式向H.265的平滑演進(jìn)，必須處理好不同設(shè)備廠商之間軟件的互聯(lián)互通和H.265解碼軟件的向下兼容性兩個(gè)問題。

3 視頻服務(wù)器壓力的應(yīng)對方案

高速鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)目前采用流媒體架構(gòu)，在服務(wù)器性能相同的條件下，存儲分轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器的數(shù)量與接入該節(jié)點(diǎn)的視頻總碼流成正比。若要緩解視頻服務(wù)器的壓力，有兩種方案：一是降低接入的碼流，如前述采用H.265的編碼格式；二是采用直存或IP全交換的視頻架構(gòu)[4-5]。采用H.265編碼格式，在目前鐵路行業(yè)采用的流媒體架構(gòu)下，存儲分轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器數(shù)量將核減到原來的1/3左右。

4 不同視頻架構(gòu)的技術(shù)可行性分析

4.1 流媒體架構(gòu)

流媒體架構(gòu)是目前高速鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用的方案（見圖1）。攝像機(jī)單碼流輸出，經(jīng)過存儲分轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器（即流媒體服務(wù)器）實(shí)現(xiàn)存儲及不同層級部門的調(diào)看，實(shí)時(shí)、存儲和回看碼流都需經(jīng)過流媒體服務(wù)器的轉(zhuǎn)發(fā)。Ⅰ類視頻接入節(jié)點(diǎn)設(shè)置的管理服務(wù)器對前端設(shè)備進(jìn)行控制。

圖1 流媒體架構(gòu)示意圖

4.2 直存架構(gòu)

直存架構(gòu)見圖2，每臺攝像機(jī)輸出2路碼流，一路通過流媒體服務(wù)器分發(fā)轉(zhuǎn)發(fā)至各層級部門的視頻監(jiān)控終端或經(jīng)解碼器上電視墻，另一路通過存儲管理服務(wù)器（而非存儲服務(wù)器）控制直接寫入磁盤陣列。

相比流媒體架構(gòu)，存儲碼流不必經(jīng)存儲服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)而直接存入磁盤陣列，流媒體服務(wù)器的數(shù)量將減少一半以上。例如，考慮表1的工程案例中343臺攝像機(jī)接入，按照流媒體架構(gòu)，需要9臺存儲服務(wù)器和3臺分轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器。按照直存架構(gòu)，只需3臺分轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器和2臺（含1臺熱備）視頻存儲管理服務(wù)器（見表2）。

直存方案對系統(tǒng)及設(shè)備有以下幾點(diǎn)要求：（1）IPC需支持雙碼流輸出，這一點(diǎn)絕大多數(shù)廠家IPC是支持的，且在工程設(shè)計(jì)中一般對IPC有此要求。（2）IPC及存儲設(shè)備需配置相同協(xié)議，如GB/T 28181、ONVIF等。鐵路設(shè)備招標(biāo)過程中，這些協(xié)議為設(shè)備通用技術(shù)要求，工程上已基本滿足該條件。（3）因采集點(diǎn)到后臺為雙碼流，需要比流媒體架構(gòu)高一倍的傳輸帶寬。在18號文發(fā)布之后，區(qū)間攝像機(jī)大部分已采用交換機(jī)裸光纖組網(wǎng)接入視頻節(jié)點(diǎn)，不再受限于SDH等傳輸設(shè)備帶寬[6]。可見，高速鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用直存架構(gòu)從技術(shù)角度是可行的。

對于很多小學(xué)生來講，數(shù)學(xué)課程的學(xué)習(xí)是一門較為乏味沉悶的學(xué)科，首先數(shù)學(xué)內(nèi)容本身無趣枯燥，其次很多數(shù)學(xué)老師課堂上的講述方式也是如白開水般的索然無味。要改變這一現(xiàn)狀，可以充分利用生活情境進(jìn)行數(shù)學(xué)教學(xué)。教師將與學(xué)生密切相關(guān)的生活實(shí)際運(yùn)用到課堂，以他們熟知的生活案例列舉到數(shù)學(xué)課堂，加以結(jié)合數(shù)學(xué)思維邏輯分析說明，探討研究其中的奧秘與理論道理，營造出輕松且極具現(xiàn)實(shí)意義的課堂環(huán)境，激發(fā)起學(xué)生大膽參與學(xué)習(xí)的熱情和興趣，使學(xué)生愉快的學(xué)習(xí)，深入簡出的理解數(shù)學(xué)知識，提高數(shù)學(xué)課堂質(zhì)量。

圖2 直存架構(gòu)示意圖

表2 車站接入節(jié)點(diǎn)不同架構(gòu)的服務(wù)器配置 臺

4.3 IP全交換架構(gòu)

相比直存方案，IP全交換架構(gòu)省去了分轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器，視頻的分轉(zhuǎn)發(fā)功能由具備組播功能的視頻核心層交換機(jī)實(shí)現(xiàn)（見圖3）。IPC采用雙碼流輸出，一路碼流通過視頻存儲管理服務(wù)器控制直接寫入磁盤陣列，另一路碼流經(jīng)車站核心層視頻交換機(jī)組播協(xié)議，分轉(zhuǎn)發(fā)至各需要調(diào)看的監(jiān)視終端或經(jīng)解碼器上墻?；乜创a流由存儲管理服務(wù)器控制將磁盤陣列內(nèi)存儲的視頻經(jīng)車站核心層視頻交換機(jī)分轉(zhuǎn)發(fā)至需要的用戶。

相比于直存方案，該架構(gòu)所需服務(wù)器進(jìn)一步核減，只需在各車站配置2臺（含熱備1臺）存儲管理服務(wù)器即可（見表2）。對視頻系統(tǒng)和設(shè)備的要求，除直存方案所需的IPC雙碼流、IPC與存儲的協(xié)議要求、接入帶寬要求外，還需要視頻核心交換機(jī)具備組播功能。目前工程中配置的視頻核心交換機(jī)一般都支持此協(xié)議，因此在鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)中采用IP全交換的架構(gòu)在技術(shù)上也是可行的。

圖3 IP全交換架構(gòu)示意圖

從以上技術(shù)層面分析表明，3種主流視頻架構(gòu)在鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)中均為可行方案。

5 不同視頻架構(gòu)的應(yīng)用適應(yīng)性分析

以上3種視頻架構(gòu)在地鐵視頻監(jiān)視系統(tǒng)中均有采用，已建成的項(xiàng)目中，直存和IP全交換架構(gòu)在地鐵視頻監(jiān)視系統(tǒng)中的比例已超過50%。而目前鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)基本均采用流媒體架構(gòu)，直存和IP全交換只在普速車站旅服視頻等不納入綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的場景有所應(yīng)用。

通過分析地鐵視頻監(jiān)視系統(tǒng)和鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的異同點(diǎn)，可為鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)能否采用直存和IP全交換系統(tǒng)架構(gòu)提供應(yīng)用借鑒。

第一，平臺系統(tǒng)層級結(jié)構(gòu)。地鐵視頻監(jiān)視系統(tǒng)分車站/車輛段和控制中心（OCC）兩級建設(shè)，部分城市設(shè)置線網(wǎng)中心（TCC/COCC）。視頻的存儲、分轉(zhuǎn)發(fā)、分析等主要在車站完成，OCC和TCC/COCC只設(shè)置少量服務(wù)器及存儲設(shè)備，并完成對本線或本市多條線路的視頻管理功能。這一點(diǎn)與鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)層級及各級功能類似，所不同在于地鐵為全線一個(gè)系統(tǒng)，至多全市各條地鐵線組成一張視頻網(wǎng)，而鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)為全國一張大網(wǎng)，各層級的節(jié)點(diǎn)數(shù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于地鐵。

第二，視頻采集點(diǎn)數(shù)量。地鐵視頻的采集點(diǎn)主要集中在車站，接入車站的視頻路數(shù)近幾年已從100路左右逐漸增長到200路以上，換乘站數(shù)量更多。這一點(diǎn)和鐵路車站的視頻數(shù)量基本相當(dāng)，差別在于鐵路因存在較多區(qū)間視頻，接入單個(gè)車站的采集點(diǎn)數(shù)量一般多于地鐵。

第三，采集點(diǎn)接入方式。地鐵采用網(wǎng)線或光纖接入視頻接入交換機(jī)，再通過網(wǎng)線或光纖接入視頻核心交換機(jī)。這一點(diǎn)與18號文發(fā)布后的鐵路視頻接入方式相同。

第四，調(diào)看用戶。地鐵視頻用戶分為運(yùn)營和公安，早期項(xiàng)目不帶云臺的攝像機(jī)為運(yùn)營和公安共用，帶云臺的攝像機(jī)需分設(shè)并接入運(yùn)營和公安各自的視頻平臺。近年來建設(shè)的項(xiàng)目多采用攝像機(jī)和平臺完全共用方式，公安用戶只從視頻平臺調(diào)看，優(yōu)先級由系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)。這與鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的平臺合建、資源共享方式是一致的。地鐵的視頻用戶集中在車站層的運(yùn)營和公安值班、OCC層的調(diào)度和派出所、TCC/ COCC層的調(diào)度和公安分局。而鐵路用戶分散在車站、工區(qū)、車間、段所、鐵路局等各處所、各層級，用戶數(shù)量也較地鐵多，視頻分轉(zhuǎn)發(fā)的壓力要大于地鐵。

從以上對比可知，鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)和地鐵視頻監(jiān)視系統(tǒng)在應(yīng)用層面上有諸多共同之處，借鑒地鐵視頻監(jiān)視系統(tǒng)應(yīng)用情況，直存和IP全交換系統(tǒng)架構(gòu)完全可以應(yīng)用于鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可以有效解決目前流媒體架構(gòu)服務(wù)器數(shù)量過多所帶來的一系列問題。其中直存架構(gòu)更能適應(yīng)18號文的建設(shè)需求，主要體現(xiàn)在以下兩方面：

（1）存儲管理服務(wù)器只處理控制信令不處理碼流，工程上一般按照單臺服務(wù)器處理5 000路視頻的存儲考慮。在鐵路相比地鐵車站級節(jié)點(diǎn)接入視頻數(shù)量較多的情況下，直存方案仍然適用，不會造成存儲碼流處理的壓力。

（2）考慮到鐵路視頻分轉(zhuǎn)發(fā)需求的壓力，在各級節(jié)點(diǎn)仍保留了分轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器。這一點(diǎn)和目前的綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的總體架構(gòu)一致。新建線路采用直存方案，無需對車站以上層級的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行任何調(diào)整?？勺畲笙薅燃嫒菽壳暗木C合視頻架構(gòu)，無需對既有線綜合視頻架構(gòu)進(jìn)行任何調(diào)整，具備技術(shù)平滑演進(jìn)的能力。

6 結(jié)束語

針對18號文對綜合視頻監(jiān)控平臺造成的壓力，提出幾種緩解存儲設(shè)備和服務(wù)器壓力的可實(shí)施方案。無論從技術(shù)還是應(yīng)用層面上，流媒體、直存和IP全交換系統(tǒng)架構(gòu)均可應(yīng)用于鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)。工程建設(shè)中，應(yīng)結(jié)合技術(shù)發(fā)展、應(yīng)用需求，選擇適宜的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，合理搭建高速鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

[1] 鐵總建設(shè)［2016］18號 關(guān)于發(fā)布設(shè)計(jì)時(shí)速200公里及以上鐵路區(qū)間線路視頻監(jiān)控設(shè)置有關(guān)補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)的通知[S].

[2] TJ/DW 022—2013 鐵路綜合視頻系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范

（V1.0）[S].

[3] 鐵總辦［2016］174號 關(guān)于印發(fā)《高速鐵路反恐怖和治安防范標(biāo)準(zhǔn)（試行）》的通知[S].

[4] 李可佳，馮敬然．視頻監(jiān)控新技術(shù)在鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用探討[J]．中國鐵路，2015(4)：99-102.

[5] 師研，侯宗友，吳平．高清趨勢下鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)[J]．中國鐵路，2012(4)：89-91.

[6] 譚超. 高速鐵路區(qū)間高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)承載方式研究[J]．鐵道通信信號，2016，52(10)：81-85.

責(zé)任編輯 盧敏

Research on HSR Comprehensive Video Surveillance System Using New Standard

LI Kejia，F(xiàn)ENG Jingran
（The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300251，China）

The new requirements of [2016] No.18 document of CHINA RAILWAY on the comprehensive video surveillance system platform are analyzed. Solutions for system structure, storage and server conf guration are proposed and their feasibility and adaptability are analyzed.

comprehensive video surveillance；H.265；stream media；direct storage；IP complete exchange

U298

A

1001-683X（2017）03-0092-04

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.03.092

2017-02-20

李可佳（1984—），男，高級工程師。E-mail：13920253595@163.com