云技術在鐵路視頻監(jiān)控系統應用探討

張景雯，許輝，侯日根，任啟軍，于東旭，湯蓓蓓

（1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2.京滬高速鐵路股份有限公司，北京 100038；3.中國鐵路上海局集團有限公司，上海 200071；4.中國鐵路北京局集團有限公司，北京 100038）

當前視頻監(jiān)控系統已從安防理念逐漸向互聯網思維轉變，鐵路視頻監(jiān)控系統的建設也應適時調整思路，進一步結合用戶需求并利用新技術升級完善，使系統向著更開放、更智能，擴容更靈活、更彈性，維護更便利、更高效的方向發(fā)展。近年來風起“云”涌，隨著云時代的到來，鐵路視頻監(jiān)控系統建設必將面臨新的機遇與挑戰(zhàn)。

1 云的由來

技術的發(fā)展從來都是以需求為導向的，隨著信息時代的到來，互聯網及接入終端（個人電腦、手機等）廣泛普及，使大眾的交流渠道發(fā)生質的改變，大量的交流需求集中爆發(fā)。需求爆發(fā)的直接效應就是信息爆炸，導致系統的底層支撐設施或快速飽和或能力不足，造成資源分配不均。

由于業(yè)務發(fā)展不均導致資源利用不均，進而產生資源浪費。例如，某運營商的網頁游戲子系統利用率接近100%，需要對既有系統擴容，包括增加服務器、存儲等，采購設備和部署周期長，而部署速度慢于市場需求變化速度，可能市場需求就會慢慢消失，且技術層面還會存在停機風險。該運營商的在線聊天子系統利用率不足50%，50%余量沒有充分利用，若能將這50%的余量用于支撐網頁游戲業(yè)務的擴充需求則是最佳解決方案，但融合底層設備資源在技術上有三大問題：

（1）軟件融合問題。2套業(yè)務軟件部署在同一軟件系統中，增加了2種軟件業(yè)務的粘合度，不利于后期的運維管理；業(yè)務部署周期太長（涉及軟件開發(fā)等），有停機風險。

（2）硬件融合問題。同一業(yè)務分部在2個資源孤島上，更加不利于維護；資源不能充分回收利用，資源孤島林立。

（3）軟、硬件融合問題。軟件、硬件都融合等于全部重新部署2種業(yè)務；由于服務器與存儲設備種類多、不同廠商架構不同、互聯協議多，單靠手動部署、管理和回收各種資源非常具有挑戰(zhàn)性。一方面效率低且容易出錯，另一方面，速度慢到可能影響業(yè)務，尤其是在承載多業(yè)務的數據中心平臺上，各種業(yè)務對底層設備的要求是不同的。所以，手動部署根本不現實。

因此，云的起源就是為了保證系統穩(wěn)定的彈性擴展，使得資源利用最大化。云是基于同一商業(yè)模式下誕生的不同產品，但從廣義上講，云的共性如下：

（1）第一共性：都擁有硬件及軟件基礎架構，包括網絡、服務器、存儲、軟件系統。

（2）第二共性：都提供特定的用戶接口，包括通過網頁方式或客戶端連接到云供應商處獲取資源服務等。

2 云的基本概念

2.1 云的本質

互聯網技術的基本模型為“硬盤+服務器+操作系統和應用軟件+顯示器”，云從本質而言也是這種模式：存儲資源+計算資源+軟件資源，最后虛擬為服務資源（見圖1），對用戶來說，云就是一臺虛擬計算機。

圖1 云的本質

2.2 云計算體系架構

云計算體系架構分為4層：物理資源層、資源池層、管理中間件層、面向服務架構層（SOA層）（見圖2）。

圖2 云計算體系架構

云計算體系架構的組成與功能見表1。

表1 云計算體系架構的組成與功能

2.3 云計算的服務模式

目前，云計算的服務模式分3種：硬件即服務（Infrastructure as a Service，IaaS）、 平 臺 即 服 務（Platform as a Service，PaaS）、軟件即服務（Software as a Service，SaaS）（見圖3），并將3種服務模式用吃披薩的例子進行對比分析。

（1）硬件即服務：其硬件設施包括服務器、網絡、存儲設備等。服務方式包括賣存儲空間、賣虛擬機。IaaS只給用戶提供硬件平臺，具體計算由用戶自行部署。

（2）平臺即服務：平臺是一種運行于硬件集群上的軟件，用戶租用了該平臺其實就等于租用了計算業(yè)務，如臉書（Facebook）。

（3）軟件即服務：云提供商直接向用戶出售業(yè)務級別的內容，而與業(yè)務相關的數據計算都在云內部完成。SaaS是目前互聯網上非常普遍的服務，如Web網頁服務、微信等實時聊天服務。

圖3 云計算的服務模式

通過分析與比較，對用戶提供服務租賃或出售服務，而管理、維護由云提供商完成的公有云建設方式與鐵路略有不同，鐵路系統需要建立管理、維護以及提供服務于一體的私有云，因此對于視頻監(jiān)控系統單獨組建云的模式，可以考慮PaaS或SaaS的方式。

3 鐵路視頻監(jiān)控云建設的必要性

從2005年至今，鐵路視頻監(jiān)控系統的建設從硬盤錄像機（DVR）時代逐漸過渡到“服務器+存儲局域網絡（SAN）”時代。最初，鐵路視頻監(jiān)控系統主要建立在站段、編組站、車務等部門，目的是為了輔助安全生產，建設規(guī)模小，一般為幾十路，采用DVR本地存儲，視頻監(jiān)控系統如獨立煙囪，相互之間無信息交互。隨著客專、高鐵建設的發(fā)展，車站及線路均設置了視頻監(jiān)控系統，DVR系統已不能滿足幾百路甚至上千路視頻的接入，鐵路視頻監(jiān)控系統走向“服務器+SAN”的建設模式。面對中國鐵路總公司、各鐵路局集團公司及維護部門需統一調看視頻的業(yè)務需求，視頻監(jiān)控系統逐漸走向互聯互通，原鐵道部和中國鐵路總公司發(fā)布一系列相關規(guī)范，鐵路逐漸完善視頻監(jiān)控系統互聯接口，實現資源的統一管理、視頻資源調用、告警資源訂閱查看等功能，以滿足鐵路用戶的生產需求。

雖然“服務器+SAN”視頻監(jiān)控系統已解決大容量接入的問題，互聯互通已不再是系統難點，但隨著高清攝像機的發(fā)展及《中華人民共和國反恐怖主義法》對重點區(qū)域視頻存儲90 d的要求，視頻存儲海量增長及存儲擴容又衍生出新問題。

問題1：各系統各自占用服務器、存儲和網絡資源，造成硬件資源的條塊分割，無法彈性調度和靈活配置，傳統模式下系統架構垂直擴展（Scale-up）能力受限，不具備橫向擴展（Scale-out）能力，每次擴容均需重做RAID組，對既有業(yè)務影響較大。此外，RAID控制機頭隨存儲容量與處理能力的上升還會帶來指數級增長的矛盾，系統成本會逐漸上升，且性價比下降。

問題2：當視頻監(jiān)控系統接入路數越來越多，SAN集中式機頭是大量視頻流并行讀寫的瓶頸，當碼流過大時可能造成視頻流無法寫入存儲設備中。SAN集中式機頭對接入路數有極限值，計算能力、網絡能力都會受機頭限制，超過機頭的性能就需新增機頭以管理更多的存儲設備。

問題3：視頻監(jiān)控系統配置仍需人工為每路攝像機分配存儲空間，通過碼流平均值為每路攝像機分配固定存儲空間。由于視頻流是變量，造成場景變化不大的情況下，碼流較平均值小，而場景變化大的情況下，碼流較平均值大，固定的存儲空間可能會由于視頻流量低，導致存儲空間富余，造成資源浪費，也可能由于視頻流量過大，導致存儲空間不足，視頻丟失。

上述問題不僅存在于鐵路視頻監(jiān)控系統中，在其他行業(yè)也會出現，且隨著系統越來越龐大，問題也越來越突出，云的出現恰好解決了以上痛點。具體分析如下：

（1）視頻云系統在擴容存儲資源時支持在線實時擴容存儲，支持在線熱插拔，不需要停機，不需要提前倒換既有視頻到備用空間（一般廠商很難提供大容量的備用空間），不需要格式化存儲系統重做RAID組，不需要再對每一路視頻重新做視頻空間的分配。因此，云的擴容在運營維護過程中極大地提高了便利性，降低了維護的難度和風險。

（2）云的接入能力要遠大于SAN的接入能力，云平臺至少可支持同時并發(fā)輸入/輸出8GE，而1個SAN集中式機頭最多支持4GE。因此，在滿足相同性能的條件下，云在多路視頻同時并發(fā)輸入/輸出的能力要遠大于SAN系統。

（3）云對實時視頻的帶寬、碼流等狀態(tài)進行實時計算分析，不再需要人工配置存儲空間，只需對單路視頻設置存儲天數即可實現動態(tài)調整并保存，防止由于人工計算的存儲空間不足導致視頻丟失等情況。

因此，鐵路視頻監(jiān)控系統建設需要云技術繼續(xù)完善系統功能，提高系統性能，更便于用戶維護管理，向更加智能化的視頻監(jiān)控系統邁進一步[1-2]。

4 鐵路視頻監(jiān)控云建設方案

4.1 新建視頻監(jiān)控系統

既有鐵路視頻監(jiān)控系統結構是“視頻核心節(jié)點—視頻區(qū)域節(jié)點—Ⅰ類視頻接入節(jié)點—Ⅱ類視頻接入節(jié)點—視頻匯集點—視頻采集點”[3]。隨著管理越來越集中、承載網絡能力變強變廣，在承載網絡帶寬具備條件的情況下，視頻監(jiān)控系統結構可調整為“視頻核心節(jié)點—視頻區(qū)域節(jié)點—視頻接入節(jié)點—視頻匯集點—視頻采集點”，即Ⅰ類、Ⅱ類視頻接入節(jié)點合并，將多處節(jié)點的視頻資源統一到視頻接入節(jié)點，實現統一存儲、管理、分轉發(fā)等功能。該視頻監(jiān)控系統結構見圖4。

對于視頻節(jié)點的建設可采用視頻云平臺方式。視頻核心節(jié)點設置在中國鐵路總公司，既有節(jié)點設備到大修期后可考慮更換為視頻云平臺，通過視頻云平臺的云計算技術，對用戶資源、攝像機資源、告警資源、存儲資源等統一進行計算，實現全系統的彈性計算、彈性存儲分配，保證全系統動態(tài)資源調度管理和動態(tài)能耗管理。

視頻區(qū)域節(jié)點設置在各鐵路局集團公司，既有節(jié)點設備的更換方案與核心節(jié)點相同，對于未建設視頻區(qū)域節(jié)點的鐵路局集團公司，可直接新設視頻云平臺。

對于新設視頻接入節(jié)點，應考慮在各大型車站、編組站等網絡資源豐富的節(jié)點設置。

4.2 既有視頻監(jiān)控系統改造

對于采用DVR方式的既有視頻監(jiān)控系統，云平臺不具備接入條件，既有物理設備也不能利舊，因此，待到系統使用年限到期后再統一更換。

對于采用SAN存儲方式的既有視頻監(jiān)控系統，可評估既有硬盤是否具有接入云平臺系統的能力，如硬盤接口、硬盤讀寫能力能否滿足云平臺的最低性能要求等。如果硬盤可用，可將硬盤利舊接入到新設云平臺系統中，如果不可利舊，也是待到系統使用年限到期后統一更換。

5 視頻云互聯

目前，鐵路視頻監(jiān)控系統之間的互聯互通依據Q/CR 575—2018《鐵路綜合視頻監(jiān)控系統技術規(guī)范》中的A、C接口進行系統互聯，實現視頻資源、告警資源、攝像機資源的共享[4]。除鐵路系統相關規(guī)范外，國家對視頻監(jiān)控系統的互聯互通也發(fā)布了GB/T 28181—2016《安全防范視頻監(jiān)控聯網系統信息傳輸、交換、控制技術要求》，對系統之間的互聯作出接口協議要求。

未來，當視頻核心節(jié)點、視頻區(qū)域節(jié)點、視頻接入節(jié)點都建設為視頻云平臺后，不同廠家之間云的互聯互通是采用GB/T 28181—2016《安全防范視頻監(jiān)控聯網系統信息傳輸、交換、控制技術要求》，還是繼續(xù)采用或完善Q/CR 575—2017《鐵路綜合視頻監(jiān)控系統技術規(guī)范》，是值得深入探討的問題。

從原鐵道部《關于發(fā)布鐵路綜合視頻監(jiān)控系統技術規(guī)范（試行）》（運基通信〔2008〕630號），到中國鐵路總公司《關于印發(fā)〈鐵路綜合視頻監(jiān)控系統技術規(guī)范（V1.0）〉的通知》（鐵總運〔2013〕71號），再到Q/CR 575—2017《鐵路綜合視頻監(jiān)控系統技術規(guī)范》，鐵路系統已對視頻監(jiān)控系統的互聯互通進行了不斷完善和改進，比國標接口更豐富、更完善，更適用于鐵路用戶。隨著多年使用經驗的積累，鐵路用戶需求已越來越清晰、明確，逐漸豐富的接口協議越來越符合鐵路用戶的需求，鐵路行業(yè)已形成獨具特色的視頻體系，可滿足鐵路用戶的功能要求，并能實現鐵路用戶對視頻資源的共享和控制。因此，鐵路視頻監(jiān)控系統無論是采用何種云技術，視頻節(jié)點間仍可按Q/CR 575—2017《鐵路綜合視頻監(jiān)控系統技術規(guī)范》中的A、C接口進行互聯互通。對于日后由于新需求變化引起的接口協議調整可繼續(xù)豐富完善。

6 結束語

對云的由來、云的本質進行闡述，并結合鐵路視頻監(jiān)控系統的業(yè)務需求提出鐵路視頻監(jiān)控云建設的思路，包括如何新建視頻云系統、既有視頻系統如何過渡，以及視頻云與其他系統如何互聯等。視頻云系統與其他異構系統之間仍存在一些互聯接口問題，目前國標對云互聯接口還不完善，因此，相關部門或行業(yè)聯盟應盡早制定互聯接口，為系統互聯互通掃清障礙。視頻云大幅提升視頻監(jiān)控系統存儲及管理能力，為視頻智能化奠定了基礎，使管理維護更便利，將為鐵路智能化提供更強壯、更安全、更高效的支撐。