云技術在鐵路視頻監控系統應用探討

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）

當前視頻監控系統已從安防理念逐漸向互聯網思維轉變，鐵路視頻監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、更高效的方向發展。近年來風起“云”涌，隨著云時代的到來，鐵路視頻監控系統建設必將面臨新的機遇與挑戰。

1 云的由來

技術的發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生質的改變，大量的交流需求集中爆發。需求爆發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。

由于業務發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套業務軟件部署在同一軟件系統中，增加了2種軟件業務的粘合度，不利于后期的運維管理；業務部署周期太長（涉及軟件開發等），有停機風險。

（2）硬件融合問題。同一業務分部在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務，尤其是在承載多業務的數據中心平臺上，各種業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定的彈性擴展，使得資源利用最大化。云是基于同一商業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務，如臉書（Facebook）。

（3）軟件即服務：云提供商直接向用戶出售業務級別的內容，而與業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 鐵路視頻監控云建設的必要性

從2005年至今，鐵路視頻監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，建設規模小，一般為幾十路，采用DVR本地存儲，視頻監控系統如獨立煙囪，相互之間無信息交互。隨著客專、高鐵建設的發展，車站及線路均設置了視頻監控系統，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務需求，視頻監控系統逐漸走向互聯互通，原鐵道部和中國鐵路總公司發布一系列相關規范，鐵路逐漸完善視頻監控系統互聯接口，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展及《中華人民共和國反恐怖主義法》對重點區域視頻存儲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控系統中，在其他行業也會出現，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，鐵路視頻監控系統建設需要云技術繼續完善系統功能，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控系統邁進一步[1-2]。

4 鐵路視頻監控云建設方案

4.1 新建視頻監控系統

既有鐵路視頻監控系統結構是“視頻核心節點—視頻區域節點—Ⅰ類視頻接入節點—Ⅱ類視頻接入節點—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，視頻監控系統結構可調整為“視頻核心節點—視頻區域節點—視頻接入節點—視頻匯集點—視頻采集點”，即Ⅰ類、Ⅱ類視頻接入節點合并，將多處節點的視頻資源統一到視頻接入節點，實現統一存儲、管理、分轉發等功能。該視頻監控系統結構見圖4。

對于視頻節點的建設可采用視頻云平臺方式。視頻核心節點設置在中國鐵路總公司，既有節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，保證全系統動態資源調度管理和動態能耗管理。

視頻區域節點設置在各鐵路局集團公司，既有節點設備的更換方案與核心節點相同，對于未建設視頻區域節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點，應考慮在各大型車站、編組站等網絡資源豐富的節點設置。

4.2 既有視頻監控系統改造

對于采用DVR方式的既有視頻監控系統，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，鐵路視頻監控系統之間的互聯互通依據Q/CR 575—2018《鐵路綜合視頻監控系統技術規范》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]。除鐵路系統相關規范外，國家對視頻監控系統的互聯互通也發布了GB/T 28181—2016《安全防范視頻監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，當視頻核心節點、視頻區域節點、視頻接入節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《安全防范視頻監控聯網系統信息傳輸、交換、控制技術要求》，還是繼續采用或完善Q/CR 575—2017《鐵路綜合視頻監控系統技術規范》，是值得深入探討的問題。

從原鐵道部《關于發布鐵路綜合視頻監控系統技術規范（試行）》（運基通信〔2008〕630號），到中國鐵路總公司《關于印發〈鐵路綜合視頻監控系統技術規范（V1.0）〉的通知》（鐵總運〔2013〕71號），再到Q/CR 575—2017《鐵路綜合視頻監控系統技術規范》，鐵路系統已對視頻監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，鐵路視頻監控系統無論是采用何種云技術，視頻節點間仍可按Q/CR 575—2017《鐵路綜合視頻監控系統技術規范》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，并結合鐵路視頻監控系統的業務需求提出鐵路視頻監控云建設的思路，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。