基于云的地鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張輝 謝國慶

(北京城建智控科技有限公司,北京 100028)

0 引言

地鐵專用視頻監(jiān)控是保證城市軌道交通行車組織和安全的重要手段,調(diào)度員和車站值班員利用它監(jiān)控列車運(yùn)行、客流情況、變電所設(shè)備室設(shè)備運(yùn)行情況,提高行車指揮透明度。當(dāng)車站發(fā)生災(zāi)情時(shí),視頻監(jiān)視模塊可作為防災(zāi)調(diào)度員指揮搶險(xiǎn)的指揮工具,同時(shí)也為各級公安人員發(fā)現(xiàn)治安隱患,對突發(fā)事件進(jìn)行應(yīng)急指揮提供最直接的觀測手段。

近年來,項(xiàng)目對于視頻監(jiān)控系統(tǒng)規(guī)模的要求日益提高,網(wǎng)絡(luò)中視頻的數(shù)據(jù)量爆發(fā)式增長,傳統(tǒng)平臺架構(gòu)已經(jīng)無法很好的承載海量數(shù)據(jù)的聯(lián)網(wǎng)、管理、存儲、多用戶并發(fā)等需求[1]。隨著云平臺、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)的快速發(fā)展,如何利用云計(jì)算和云存儲技術(shù),將海量視頻、視頻聯(lián)網(wǎng)、視頻監(jiān)控平臺進(jìn)一步云化[2],更好的為安防服務(wù),成為行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。

1 研究背景

隨著近些年地鐵運(yùn)營和公安部門對治安及反恐需求的不斷提高,對視頻監(jiān)控系統(tǒng)也提出了更高的要求,主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn):

(1)高性能,高可靠性;(2)錄像存儲時(shí)間要求更長,能夠快捷、方便的查看前幾秒錄像;(3)進(jìn)行容量和存儲的線性擴(kuò)展;(4)易部署、易維護(hù)、多級管理、信息共享。

傳統(tǒng)的地鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)在應(yīng)對日益提高的需求時(shí)存在許多問題,如車站機(jī)房空間有限,傳統(tǒng)的存儲設(shè)備在有限的空間下面對海量的視頻圖像數(shù)據(jù)存儲達(dá)到瓶頸,當(dāng)碼流過大時(shí)視頻流寫入存儲設(shè)備可能會出現(xiàn)丟幀,甚至出現(xiàn)寫入失敗等問題;由于傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)垂直擴(kuò)展能力不足,不具備橫向擴(kuò)展能力,導(dǎo)致擴(kuò)容困難,即使可以增加新的存儲設(shè)備,每次擴(kuò)容也都需要重做RAID組,對既有業(yè)務(wù)影響很大[3]。還有諸如海量視頻如何有效運(yùn)維,如何避免單點(diǎn)故障等挑戰(zhàn),為了應(yīng)對以上挑戰(zhàn),基于云計(jì)算、云存儲的新一代視頻監(jiān)控“應(yīng)運(yùn)而生”。云擁有集群化、虛擬化等特點(diǎn),能夠統(tǒng)一整合系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)、存儲空間等資源,從而提供高可用、易維護(hù)的平臺服務(wù)和大容量、高性能、高可靠的透明存儲服務(wù)[4]。

地鐵項(xiàng)目中的視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有站點(diǎn)多且分散、視頻數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn),傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)只能分站式部署,無法在線網(wǎng)控制中心對全線車站視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行集中式管理,從前期部署調(diào)試到后期運(yùn)營維護(hù)都有許多不便,基于云的視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以有效解決這些問題。

2 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于云計(jì)算的地鐵視頻監(jiān)視系統(tǒng)要遵循地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范,具有安全性、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性等特點(diǎn)。下面主要從設(shè)計(jì)目標(biāo)、總體架構(gòu)、數(shù)據(jù)流圖和視頻云存儲四個(gè)方面介紹本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案。

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

為了更好地滿足地鐵運(yùn)營公司和公安部門對視頻監(jiān)控的需求,系統(tǒng)應(yīng)滿足以下目標(biāo):

(1)實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控平臺和云平臺的集成,視頻監(jiān)控服務(wù)的軟硬件運(yùn)行環(huán)境由云平臺提供;(2)實(shí)現(xiàn)云存儲的集成,對外提供數(shù)據(jù)存儲和業(yè)務(wù)訪問,實(shí)現(xiàn)性能與容量的線性擴(kuò)展;(3)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理集成,將視頻網(wǎng)管集成在云環(huán)境下的智能網(wǎng)管平臺,統(tǒng)一部署。

2.2 總體架構(gòu)

本系統(tǒng)由中心遠(yuǎn)端監(jiān)控和車站本地監(jiān)控兩部分組成,采用中心集中式云存儲,車站智能控制一體機(jī)負(fù)責(zé)本地備份存儲,系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)從上往下分為:展示層、核心業(yè)務(wù)處理層和數(shù)據(jù)采集層。展示層通過客戶端形式運(yùn)行在終端,核心業(yè)務(wù)處理層部署在車輛段集群服務(wù)器構(gòu)建的中心云上,數(shù)據(jù)采集層部署在車站智能控制一體機(jī)構(gòu)建的車站云上。

展示層即人機(jī)界面,面向終端用戶提供視頻監(jiān)控的各種功能。主要包括實(shí)時(shí)預(yù)覽、云臺控制、報(bào)警、日志、網(wǎng)絡(luò)智能管理、錄像回放等。

核心業(yè)務(wù)處理層提供系統(tǒng)最核心的服務(wù),主要包括流媒體服務(wù)、視頻管理、備份管理、運(yùn)維管理、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)管理、視頻云存儲等。

數(shù)據(jù)采集層負(fù)責(zé)前端設(shè)備的數(shù)據(jù)采集,包括設(shè)備接入網(wǎng)關(guān)服務(wù)器、流媒體服務(wù)、視頻直存、視頻數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)發(fā)等。

傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要有IP流媒體架構(gòu)和直存架構(gòu)兩種模式,存在以下幾點(diǎn)問題:

(1)煙囪式建設(shè),系統(tǒng)復(fù)雜,無法避免硬件單點(diǎn)故障對整個(gè)系統(tǒng)帶來影響;(2)車站部署視頻專用服務(wù)器,占用車站寶貴空間;(3)錄像數(shù)據(jù)分散,難以統(tǒng)一管理;(4)設(shè)備分散,維護(hù)不易;(5)靈活性差,擴(kuò)容困難。

與傳統(tǒng)架構(gòu)相比,基于云計(jì)算的視頻監(jiān)控系統(tǒng)中心和車站不單獨(dú)部署專用服務(wù)器,而是設(shè)置視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)資源池和云存儲資源池,中心資源池提供視頻監(jiān)控全業(yè)務(wù)服務(wù),包括視頻監(jiān)控、云存儲、錄像管理、用戶管理、設(shè)備管理等,車站資源池只提供基本業(yè)務(wù)和錄像服務(wù),用于降級時(shí),保障本車站系統(tǒng)的正常運(yùn)行,當(dāng)資源池中的單臺設(shè)備發(fā)生故障時(shí),云平臺會自動分配其他云節(jié)點(diǎn)資源進(jìn)行管理,避免由于單點(diǎn)故障影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行,滿足了業(yè)務(wù)不中斷,硬件在線更換的需求。系統(tǒng)充分利用云計(jì)算“高彈性”的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了與地鐵其他專業(yè)硬件服務(wù)器資源共享,軟件服務(wù)隔離運(yùn)行的目標(biāo),具有可動態(tài)擴(kuò)展,按需部署,性價(jià)比高,占地小等特點(diǎn),尤其適用于地鐵這種對空間比較“敏感”的行業(yè)。

2.3 數(shù)據(jù)流圖

系統(tǒng)采用1080P高清視頻,分辨率為19201080,編碼格式采用HighProfil級別的H.265,存儲流和實(shí)時(shí)流相分離的雙碼流技術(shù),其中存儲流采用單播的方式分別進(jìn)入車站智能控制一體機(jī)的存儲資源池和中心云存儲資源池,實(shí)時(shí)流采用組播或流媒體服務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)相結(jié)合的方式供中心和車站監(jiān)控終端查看,保障圖像傳輸時(shí)延的可靠性,視頻流如圖2所示。

2.4 視頻云存儲

2.4.1 存儲構(gòu)成

本系統(tǒng)采用中心集中云存儲為主,車站本地備份存儲的方案。采用了視頻數(shù)據(jù)異地分布存儲機(jī)制,當(dāng)出現(xiàn)異常情況導(dǎo)致中心視頻數(shù)據(jù)丟失時(shí),系統(tǒng)可自動從車站補(bǔ)錄丟失部分的數(shù)據(jù)。車站存儲部分每個(gè)車站設(shè)置車站云,基于分布式文件系統(tǒng)架構(gòu),負(fù)責(zé)本車站視頻備份存儲,存儲時(shí)間為7d。

中心云存儲部分車輛段設(shè)置視頻云存儲設(shè)備,實(shí)現(xiàn)全線視頻的統(tǒng)一存儲,依據(jù)《反恐怖主義法》第三十二條規(guī)定:“重點(diǎn)目標(biāo)的管理單位采集的視頻圖像信息保存期限不得少于九十日”。其中須履行的場所包含城市軌道交通站等重點(diǎn)目標(biāo),故本系統(tǒng)設(shè)置車站視頻存儲90d,車輛段/場視頻存儲30d。車站可調(diào)用本站存儲的視頻圖像,控制中心可調(diào)看所轄任意車站的完整視頻圖像信息。

圖1 視頻系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Video system architecture

圖2 數(shù)據(jù)流圖Fig.2 Data flow diagram

圖3 視頻云存儲技術(shù)架構(gòu)圖Fig.3 Architecture of video cloud storage technology

2.4.2 云存儲架構(gòu)

視頻云存儲系統(tǒng)采用分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),整個(gè)系統(tǒng)從邏輯上分為六層,分別為設(shè)備層、虛擬層、業(yè)務(wù)層、管理層、接口層、應(yīng)用層,設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖3所示。

(1)設(shè)備層。設(shè)備層是云存儲最基礎(chǔ)、最底層的部分,該層由標(biāo)準(zhǔn)的物理設(shè)備組成,支持標(biāo)準(zhǔn)的IP-SAN、FC-SAN存儲設(shè)備。在系統(tǒng)組成中,存儲設(shè)備可以是SAN架構(gòu)下的FC光纖通道存儲設(shè)備或iSCSI協(xié)議下的IP存儲設(shè)備。(2)虛擬層。將存儲設(shè)備透明化管理,統(tǒng)一資源虛擬化管理,并設(shè)計(jì)視頻流式文件系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)存儲傳輸協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)存儲設(shè)備之間的邏輯卷或磁盤陣列的映射,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和設(shè)備層存儲設(shè)備之間的通信連接,完成數(shù)據(jù)高效寫入、讀取和調(diào)用等服務(wù)。(3)業(yè)務(wù)層。處理具體的用戶業(yè)務(wù),實(shí)現(xiàn)視頻流數(shù)據(jù)的塊級離散存儲,支持?jǐn)?shù)據(jù)的高效存儲和快速提取;實(shí)現(xiàn)附屬流數(shù)據(jù)的存儲,支持視頻流分析的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲。(4)管理層。在管理層,融合了索引管理、計(jì)劃管理、調(diào)度管理等多種核心管理功能?？梢詫?shí)現(xiàn)存儲設(shè)備的邏輯虛擬化管理、多鏈路冗余管理、錄像計(jì)劃的主動下發(fā)、以及硬件設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控和故障維護(hù)等?？蓪?shí)現(xiàn)整個(gè)存儲系統(tǒng)的虛擬化的統(tǒng)一管理,實(shí)現(xiàn)上層服務(wù)的響應(yīng)。(5)接口層。應(yīng)用接口層是云存儲最靈活多變的部分,面向用戶應(yīng)用提供完善、統(tǒng)一的訪問接口,可以根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)類型,開發(fā)不同的應(yīng)用服務(wù)接口,提供不同的應(yīng)用服務(wù)。實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用平臺、云平臺、運(yùn)維平臺的對接,實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵視頻數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程容災(zāi)、設(shè)備以及服務(wù)的監(jiān)控和運(yùn)維等。(6)應(yīng)用層。將上層視頻管理系統(tǒng)、運(yùn)維管理系統(tǒng)等通過相應(yīng)的接口與云存儲系統(tǒng)對接,實(shí)現(xiàn)與云存儲系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)以及信令的交互。

視頻管理系統(tǒng)可與云存儲系統(tǒng)進(jìn)行配置錄像計(jì)劃、配置存儲策略、重要錄像的備份存儲等指令的交互,輔助流數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、圖片數(shù)據(jù)的存取。運(yùn)維管理系統(tǒng)可通過MIBS文件接口,對云存儲系統(tǒng)和服務(wù)進(jìn)行監(jiān)控管理,及時(shí)將產(chǎn)生的告警信息傳遞給用戶。

表1 視頻監(jiān)控云存儲與文件云存儲對比Tab.1 Comparison of video monitoring cloud storage and file cloud storage

2.4.3 云存儲和文件存儲差異

依據(jù)視頻存儲的特點(diǎn),本系統(tǒng)采用云存儲方式,與傳統(tǒng)文件存儲的差異如下:

(1)數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)差異。文件云存儲通過管理文件系統(tǒng),達(dá)到數(shù)據(jù)存儲目的,對文件類數(shù)據(jù)的支撐度較高;視頻云存儲無文件系統(tǒng)設(shè)計(jì),采用流式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),對非結(jié)構(gòu)化的視頻數(shù)據(jù)和圖片數(shù)據(jù)支撐度較高。(2)存儲流程上的差異。傳統(tǒng)文件云存儲的數(shù)據(jù)存儲過程:數(shù)據(jù)→文件系統(tǒng)→卷→I/O系統(tǒng)→RAID→磁盤數(shù)據(jù)塊。整個(gè)過程中每份數(shù)據(jù)存儲、讀取都需要在單臺存儲設(shè)備上經(jīng)過以上的流程,瓶頸較多。視頻云存儲過程:視頻數(shù)據(jù)→I/O系統(tǒng)→RAID→磁盤數(shù)據(jù)塊。整個(gè)存儲流程簡化,速率更快,對數(shù)據(jù)塊的地址控制由視頻云存儲管理服務(wù)器單獨(dú)進(jìn)行控制。

對兩種存儲流程進(jìn)行對比分析,見表1。

3 結(jié)論與展望

視頻監(jiān)控系統(tǒng)對于地鐵運(yùn)營和治安反恐的重要性日益凸顯,視頻圖像數(shù)據(jù)作為最直接的傳感數(shù)據(jù)在業(yè)務(wù)管理中必將發(fā)揮更大的作用[5]?；谠破脚_的視頻監(jiān)控系統(tǒng)較傳統(tǒng)架構(gòu)視頻平臺有以下優(yōu)勢:

(1)采用存儲全域虛擬化技術(shù)對具有海量存儲需求的用戶提供透明存儲構(gòu)架,可持續(xù)擴(kuò)容避免瓶頸限制,更有效的進(jìn)行資源管理,靈活增減空間,對空間進(jìn)行最大程度的合理利用。(2)采用集群技術(shù),可以解決單/多節(jié)點(diǎn)失效造成的業(yè)務(wù)中斷問題,利用負(fù)載均衡技術(shù)充分利用各存儲節(jié)點(diǎn)的性能,提升系統(tǒng)的可靠性和安全性。(3)采用離散存儲技術(shù),可以保障用戶高效讀寫和業(yè)務(wù)的持續(xù)性。(4)采用統(tǒng)一完善的接口,可以降低對接成本、平臺維護(hù)成本和用戶管理的復(fù)雜度。(5)采用數(shù)據(jù)備份和容災(zāi)技術(shù),可以保證云存儲服務(wù)的安全穩(wěn)定。

結(jié)合目前地鐵項(xiàng)目視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際需求,本文對以往地鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析,針對存在的問題,引入了基于云平臺的視頻監(jiān)控系統(tǒng),對系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了闡述。本文提出的系統(tǒng)可以有效解決傳統(tǒng)架構(gòu)擴(kuò)容困難、運(yùn)維管理復(fù)雜等問題,為地鐵運(yùn)營的智能化管理打下了基礎(chǔ)。后續(xù)可以依據(jù)本文提出的方案和理念,為地鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)提出更加優(yōu)化的方案。