地鐵高清視頻監控系統存儲擴容方案研究

摘 要：武漢軌道交通線網部分線路設計和開通年限較長，無法滿足《防恐法》公共區域及重點部位視頻監控圖像信息保存期限不少于90天的要求。研究立足于城市軌道交通運營實際，提出一種基于ONVIF協議的輔碼流異地備份存儲方案，實現了對既有高清視頻監控系統的存儲擴容。該方案已應用于武漢軌道交通某三線換乘站，相比本地存儲擴容方案具有實施簡單、對運營影響小、改造成本低的優勢，對城市軌道交通高清視頻監控系統存儲90天擴容改造具有一定的指導意義。

關鍵詞：視頻監控；ONVIF協議；異地備份；存儲擴容；城市軌道交通

中圖分類號：TP277；U285.3 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）13-0167-05

Research on Storage Expansion Scheme for Metro HD Video Monitoring System

GONG Jiansheng， XU Lijin， LIU Dong， FU Yiming

（Wuhan Metro Operation Co.， Ltd.， Wuhan 430000， China）

Abstract： The design and operation period of a part lines in the Wuhan rail transit network is relatively long， cannot meet the Anti Terrorism Law ask for the storage period of public areas and key areas video surveillance image information to be no less than 90 days. The research is based on the actual operation of urban rail transit， a scheme for remote backup and storage of auxiliary code streams based on ONVIF protocol is proposed， storage expansion of existing HD video monitoring systems is realized. This scheme has been applied at a transfer station for a three lines of Wuhan Rail Transit， compared to local storage expansion solutions， it has the advantages of simple implementation， minimal impact on operations， and low transformation costs， it has certain guiding significance for expansion and transformation of HD video monitoring systems about storage for more than 90 days in urban rail transit.

Keywords： video monitoring; ONVIF protocol; remote backup; storage expansion; urban rail transit

0 引 言

城市軌道交通視頻監控系統是監視列車運行，掌握客流大小、流向，保障列車正常運行的重要輔助工具，同時也是公安部門用于全方位監控車站，及時發現并處置突發事件的重要工具[1-2]。武漢軌道交通線網部分線路視頻圖像信息保存時間不足90天，因此對此部分線路視頻監控系統存儲進行擴容改造，滿足新形勢下軌道交通運營事件調查及公安部門防恐需求，保障運營安全及乘客安全，是非常有必要的。本文通過對武漢軌道交通高清視頻監控系統現狀及存儲方案的分析研究，提出一種在不影響用戶使用、保障運營安全及公共安全的前提下，低成本實現存儲90天擴容的方案。

1 現狀分析

武漢軌道交通線網各線路視頻監控系統為數字高清視頻監控系統，該系統采用全數字化的IP全交換技術，使用存儲局域網絡（Storage Area Network， SAN）設備進行視頻存儲，由IP攝像機、監控平臺、交換機、SAN存儲設備及解碼器等設備組成[3]，系統結構圖如圖1所示。

武漢軌道交通采用高清視頻監控系統的線路共有21條（含延伸線），公共區域及重點部位視頻圖像信息保存時間有三種情況，分別是15天、30天和90天，其中保存天數不足90天，需進行存儲擴容改造的線路共12條。待改造線路中IP攝像機有3種品牌，均支持多股碼流輸出，視頻圖像通過私有協議或GB28181協議以4 Mbit/s碼率接入車站視頻監控系統進行存儲[4]。武漢軌道交通線網高清視頻監控系統現狀如表1所示。

2 技術方案

2.1 技術需求

由于擴容改造線路均在正常運營，技術方案需滿足以下幾個技術指標：

1）避免影響運營。視頻監控系統是確保正常運營和及時處置突發事件的重要系統，在擴容改造過程中，應避免因既有錄像丟失導致運營事故現場無法還原取證的風險[5-6]。

2）避免改變系統結構。應保證既有視頻監控系統正常運行前提下平滑進行擴容改造。

3）系統易于擴容。改造后的系統應便于后期擴容，便于更多的攝像機接入。

4）擴改造成本低。待擴容改造的12條線路中攝像機數量龐大，公共區域及重點部位攝像機共約10 000余路，需綜合考慮擴容改造成本。

2.2 存儲容量計算

攝像機存儲容量可通過以下公式計算：

式（1）中，c表示存儲所需的理論容量，單位為MB；n表示所需存儲攝像機的數量；r表示IP攝像機的碼率理論值，單位為Mbit/s；C表示常數，取值86 400，即24小時的秒數轉換；B也表示常數，取值8，用于將位（bit）轉換為字節（Byte）；d表示圖像信息保存的天數，單位為天。

式（2）中，cp表示實際分配的容量；k表示系數，一般取值1.1，由于IP攝像機的碼率r在實際工程中并不是定值，它會隨著圖像畫面的變化而小幅度浮動，為圖像信息保存的天數滿足需求，在工程實際應用中，實際分配的容量一般應比理論容量大10%左右。

2.3 RAID技術

方案中采用SAN存儲設備進行視頻存儲，該設備引入了冗余硬盤陣列技術（簡稱RAID技術），RAID技術通俗來講就是通過陣列控制將N塊硬盤結合成單塊虛擬大容量帶冗余的硬盤，支持一定條件下無損更換故障硬盤，不會導致存儲圖像丟失，并且可以根據實際情況設定一定數量的冗余熱備盤，以保證系統可靠運行[7]。

RAID技術按照不同架構原理可分為RAID0到RAID10的不同級別，每種RAID技術所需的硬盤數和最終的可用容量不盡相同。針對軌道交通視頻監控系統的運行實際并綜合考慮運營成本，一般采用RAID5陣列，該陣列可以在一定程度上保證系統冗余的同時提供充足的硬盤有效容量。RAID5陣列硬盤有效容量的計算式為：

式（3）中，ca表示RAID5陣列硬盤有效容量，單位為TB；cs表示RAID5陣列內單塊硬盤的標稱容量，單位為TB；k表示系數，取值0.931 32，用于標稱容量與實際容量之間的轉換，cs與k之積為單塊硬盤實際容量；n表示RAID5陣列硬盤總數，一般應≤12，即一個RAID5陣列中硬盤數量不應大于12塊；m表示冗余熱備盤數量，m越大，陣列冗余程度越高，陣列有效容量越小。綜合考慮冗余性及成本，一般每2個RAID5陣列配備1塊冗余熱備盤；常數1表示邏輯盤數量，RAID5陣列必須配置1塊邏輯盤。

2.4 碼率選擇

由攝像機存儲容量計算式可知，在攝像機數量及圖像信息保存天數一定的情況下，存儲容量與IP攝像機碼率呈正相關，碼率越小，存儲容量需求越小[8]。理論上采用小碼率存儲可減少改造成本，但碼率又和圖像清晰度呈正相關，碼率越小，圖像清晰度越低。本方案通過對比4 Mbit/s、2 Mbit/s、1 Mbit/s碼率下的圖像清晰度，發現采用2 Mbit/s的碼率進行存儲，可保證在犧牲較小圖像清晰度的前提下節省50%存儲容量，清晰度對比如圖2所示。

2.5 ONVIF協議

ONVIF協議是由開放型網絡視頻接口論壇（Open Network Video Interface Forum， ONVIF）制定的協議，該協議復用了一些現有的標準，定義了網絡視頻設備之間的信息交換（包括裝置搜尋、實時視頻、音頻、元數據和控制信息等），規范描述了網絡視頻的模型、接口、數據類型以及數據交互的模式。通過該協議可實現不同廠商所生產的網絡視頻產品（包括攝像機、管理平臺、存儲設備等）完全互通。

2.6 方案選擇

本文提出一種基于ONVIF協議的輔碼流SAN異地備份存儲方案，該方案新增一套異地備份存儲系統，系統由SAN存儲、交換機、監控平臺及回放終端組成，可滿足多站攝像機的接入。通過將新增系統交換機與車站既有系統交換機對接，實現新增系統與既有系統之間的網絡互通，利用ONVIF協議可實現不同廠商所生產網絡視頻產品的互通，新增異地備份存儲系統可通過ONVIF協議完成對不同線路不同品牌攝像機的管理及圖像信息備份存儲，系統結構圖如圖3所示。

本方案優勢在于僅需完成新設系統與既有系統的數據互通即可，無須改變既有車站視頻監控系統結構。由于IP攝像機支持多股碼流輸出，且碼率范圍可在0.5～4 Mbit/s之間調整[9]。在擴容改造過程中，不對攝像機主碼流（4 Mbit/s碼率）參數進行更改，主碼流仍用于既有系統本地存儲，不會導致既有視頻圖像丟失，保障了運營安全。將攝像機輔碼流配置成2 Mbit/s碼率便于新設系統進行異地備份[10]，保證在犧牲較小圖像清晰度的前提下達到減小存儲容量、降低擴容改造成本的效果。系統的業務流程邏輯關系如圖4所示。

3 方案實施

3.1 硬件建設

在某控制中心新設一套異地備份存儲系統，包含某品牌的視頻管理服務器1臺、SAN存儲設備1套。該SAN存儲設備最大支持48塊硬盤，單塊硬盤容量最大支持4 TB，完成新設系統與該站點三條線既有視頻監控系統的對接。由于三條線中A號線在該站的既有視頻監控系統交換機負載率較低，故新設系統不再新增交換機，共用A號線在該站既有視頻監控系統的交換機，同時回放終端也共用A號線控制中心既有視頻監控回放終端。

3.2 容量核算

由式（1）、式（2）計算可知，要滿足65路攝像機以2 Mbit/s碼率存儲圖像90天，需要滿足理論存儲容量達到120.51 TB，實際分配容量約為132.56 TB。由式（3）計算可知，存儲以上圖像需要在SAN存儲設備中配置4個RAID5陣列，共需配備4 TB硬盤42塊。

3.3 數據配置

在異地備份存儲系統視頻管理服務器中，通過ONVIF協議配置將該站重點部位65路攝像機接入視頻管理服務器進行管理，并在SAN存儲設備中配置存儲計劃，實現攝像機輔碼流異地備份存儲。以宇視科技的VM-5500視頻管理平臺添加onvif相機為例，其主要步驟包括攝像機添加及攝像機存儲配置兩部分。

3.3.1 攝像機添加

在平臺中添加攝像機主要步驟如下：

1）進入“系統配置—設備管理—標準協議IPC”界面，點擊“新增”按鈕進入新增標準協議IPC的頁面。

2）填寫攝像機名稱、攝像機編碼及攝像機類型等參數。共有9種攝像機類型可供選擇：固定攝像機、云臺攝像機、高清固定攝像機、高清云臺攝像機、車載攝像機、不可控標清球機、不可控高清球機、隔離視頻接入、電動鏡頭攝像機。

3）選擇所添加攝像機的協議類型（包括ONVIF1.0、ONVIF2.X），一般選擇ONVIF2.X。選擇IPC最大流數目，本參數對IPC在本域內所有單播直連實況媒體流數量總和進行限制（選擇范圍為1～51），一般選擇10。選擇媒體流傳輸協議（默認選擇UDP），也可根據實際網絡情況選擇，如網絡環境較差建議選擇TCP。在碼率選擇上，因本系統為2 Mbit/s碼流存儲，故此處選擇2 048 kbit/s。

4）選擇是否開啟鑒權，默認為“是”。開啟鑒權

時，如IPC接入到服務器，需要對服務器中存儲的用戶名及密碼進行鑒權確認，鑒權成功后才會顯示IPC上線。選擇是否告警使能，默認為“否”。若使能告警，則當標準協議IPC檢測到告警時會向系統上報該告警，支持上報的告警類型包括運動檢測告警、開關量輸入告警。應注意IPC的上線/下線告警不受該功能限制。選擇是否時間同步使能，默認為“否”。當開啟時間同步時，系統會將服務器時間同步到攝像機，為保證時間準確，系統每日凌晨一點會進行攝像機時間校準。最后點擊“確定”按鈕即配置成功，其配置界面如圖5所示。

3.3.2 攝像機存儲配置

在平臺中配置攝像機存儲主要步驟如下：

1）進入“系統配置—業務管理—存儲配置”界面。點擊“配置”按鈕進入標準協議IPC的存儲頁面。

2）選擇計劃碼流為輔碼流，分配容量選擇2 052 GB，即單路攝像機以2 Mbit/s碼率存儲圖像90天所需的計劃容量，存儲策略選擇滿覆蓋。點擊“確定”按鈕即配置成功，其配置界面如圖6所示。

4 結 論

本文通過基于ONVIF協議的輔碼流SAN異地備份存儲方案，實現了將既有視頻監控系統IPC攝像機接入新增異地備份存儲系統進行圖像存儲，滿足了《防恐法》對于公共區域及重點部位視頻監控視頻圖像信息保存期限不少于90天的要求。該方案通過配置IPC攝像機雙碼流輸出的方式，在擴容改造過程中未改變既有視頻監控系統結構，避免了既有錄像的丟失。采用降低輔碼流碼率，通過輔碼流接入的方式進行90天異地備份存儲，實現了在犧牲較小清晰度的前提下節約50%的存儲容量，降低了改造成本。該方案已成功應用于武漢軌道交通某三線換乘站，充分驗證了方案的可行性，滿足軌道交通高清視頻監控系統擴容改造需求。

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作者簡介：龔建生（1993—），男，漢族，江西贛州人，工程師，本科，研究方向：城市軌道交通電子信息技術、城市軌道交通通信技術。