云技术在铁路视频监控系统应用探讨

张景雯，许辉，侯日根，任启军，于东旭，汤蓓蓓

（1.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2.京沪高速铁路股份有限公司，北京 100038；3.中国铁路上海局集团有限公司，上海 200071；4.中国铁路北京局集团有限公司，北京 100038）

当前视频监控系统已从安防理念逐渐向互联网思维转变，铁路视频监控系统的建设也应适时调整思路，进一步结合用户需求并利用新技术升级完善，使系统向着更开放、更智能，扩容更灵活、更弹性，维护更便利、更高效的方向发展。近年来风起“云”涌，随着云时代的到来，铁路视频监控系统建设必将面临新的机遇与挑战。

1 云的由来

技术的发展从来都是以需求为导向的，随着信息时代的到来，互联网及接入终端（个人电脑、手机等）广泛普及，使大众的交流渠道发生质的改变，大量的交流需求集中爆发。需求爆发的直接效应就是信息爆炸，导致系统的底层支撑设施或快速饱和或能力不足，造成资源分配不均。

由于业务发展不均导致资源利用不均，进而产生资源浪费。例如，某运营商的网页游戏子系统利用率接近100%，需要对既有系统扩容，包括增加服务器、存储等，采购设备和部署周期长，而部署速度慢于市场需求变化速度，可能市场需求就会慢慢消失，且技术层面还会存在停机风险。该运营商的在线聊天子系统利用率不足50%，50%余量没有充分利用，若能将这50%的余量用于支撑网页游戏业务的扩充需求则是最佳解决方案，但融合底层设备资源在技术上有三大问题：

（1）软件融合问题。2套业务软件部署在同一软件系统中，增加了2种软件业务的粘合度，不利于后期的运维管理；业务部署周期太长（涉及软件开发等），有停机风险。

（2）硬件融合问题。同一业务分部在2个资源孤岛上，更加不利于维护；资源不能充分回收利用，资源孤岛林立。

（3）软、硬件融合问题。软件、硬件都融合等于全部重新部署2种业务；由于服务器与存储设备种类多、不同厂商架构不同、互联协议多，单靠手动部署、管理和回收各种资源非常具有挑战性。一方面效率低且容易出错，另一方面，速度慢到可能影响业务，尤其是在承载多业务的数据中心平台上，各种业务对底层设备的要求是不同的。所以，手动部署根本不现实。

因此，云的起源就是为了保证系统稳定的弹性扩展，使得资源利用最大化。云是基于同一商业模式下诞生的不同产品，但从广义上讲，云的共性如下：

（1）第一共性：都拥有硬件及软件基础架构，包括网络、服务器、存储、软件系统。

（2）第二共性：都提供特定的用户接口，包括通过网页方式或客户端连接到云供应商处获取资源服务等。

2 云的基本概念

2.1 云的本质

互联网技术的基本模型为“硬盘+服务器+操作系统和应用软件+显示器”，云从本质而言也是这种模式：存储资源+计算资源+软件资源，最后虚拟为服务资源（见图1），对用户来说，云就是一台虚拟计算机。

图1 云的本质

2.2 云计算体系架构

云计算体系架构分为4层：物理资源层、资源池层、管理中间件层、面向服务架构层（SOA层）（见图2）。

图2 云计算体系架构

云计算体系架构的组成与功能见表1。

表1 云计算体系架构的组成与功能

2.3 云计算的服务模式

目前，云计算的服务模式分3种：硬件即服务（Infrastructure as a Service，IaaS）、 平 台 即 服 务（Platform as a Service，PaaS）、软件即服务（Software as a Service，SaaS）（见图3），并将3种服务模式用吃披萨的例子进行对比分析。

（1）硬件即服务：其硬件设施包括服务器、网络、存储设备等。服务方式包括卖存储空间、卖虚拟机。IaaS只给用户提供硬件平台，具体计算由用户自行部署。

（2）平台即服务：平台是一种运行于硬件集群上的软件，用户租用了该平台其实就等于租用了计算业务，如脸书（Facebook）。

（3）软件即服务：云提供商直接向用户出售业务级别的内容，而与业务相关的数据计算都在云内部完成。SaaS是目前互联网上非常普遍的服务，如Web网页服务、微信等实时聊天服务。

图3 云计算的服务模式

通过分析与比较，对用户提供服务租赁或出售服务，而管理、维护由云提供商完成的公有云建设方式与铁路略有不同，铁路系统需要建立管理、维护以及提供服务于一体的私有云，因此对于视频监控系统单独组建云的模式，可以考虑PaaS或SaaS的方式。

3 铁路视频监控云建设的必要性

从2005年至今，铁路视频监控系统的建设从硬盘录像机（DVR）时代逐渐过渡到“服务器+存储局域网络（SAN）”时代。最初，铁路视频监控系统主要建立在站段、编组站、车务等部门，目的是为了辅助安全生产，建设规模小，一般为几十路，采用DVR本地存储，视频监控系统如独立烟囱，相互之间无信息交互。随着客专、高铁建设的发展，车站及线路均设置了视频监控系统，DVR系统已不能满足几百路甚至上千路视频的接入，铁路视频监控系统走向“服务器+SAN”的建设模式。面对中国铁路总公司、各铁路局集团公司及维护部门需统一调看视频的业务需求，视频监控系统逐渐走向互联互通，原铁道部和中国铁路总公司发布一系列相关规范，铁路逐渐完善视频监控系统互联接口，实现资源的统一管理、视频资源调用、告警资源订阅查看等功能，以满足铁路用户的生产需求。

虽然“服务器+SAN”视频监控系统已解决大容量接入的问题，互联互通已不再是系统难点，但随着高清摄像机的发展及《中华人民共和国反恐怖主义法》对重点区域视频存储90 d的要求，视频存储海量增长及存储扩容又衍生出新问题。

问题1：各系统各自占用服务器、存储和网络资源，造成硬件资源的条块分割，无法弹性调度和灵活配置，传统模式下系统架构垂直扩展（Scale-up）能力受限，不具备横向扩展（Scale-out）能力，每次扩容均需重做RAID组，对既有业务影响较大。此外，RAID控制机头随存储容量与处理能力的上升还会带来指数级增长的矛盾，系统成本会逐渐上升，且性价比下降。

问题2：当视频监控系统接入路数越来越多，SAN集中式机头是大量视频流并行读写的瓶颈，当码流过大时可能造成视频流无法写入存储设备中。SAN集中式机头对接入路数有极限值，计算能力、网络能力都会受机头限制，超过机头的性能就需新增机头以管理更多的存储设备。

问题3：视频监控系统配置仍需人工为每路摄像机分配存储空间，通过码流平均值为每路摄像机分配固定存储空间。由于视频流是变量，造成场景变化不大的情况下，码流较平均值小，而场景变化大的情况下，码流较平均值大，固定的存储空间可能会由于视频流量低，导致存储空间富余，造成资源浪费，也可能由于视频流量过大，导致存储空间不足，视频丢失。

上述问题不仅存在于铁路视频监控系统中，在其他行业也会出现，且随着系统越来越庞大，问题也越来越突出，云的出现恰好解决了以上痛点。具体分析如下：

（1）视频云系统在扩容存储资源时支持在线实时扩容存储，支持在线热插拔，不需要停机，不需要提前倒换既有视频到备用空间（一般厂商很难提供大容量的备用空间），不需要格式化存储系统重做RAID组，不需要再对每一路视频重新做视频空间的分配。因此，云的扩容在运营维护过程中极大地提高了便利性，降低了维护的难度和风险。

（2）云的接入能力要远大于SAN的接入能力，云平台至少可支持同时并发输入/输出8GE，而1个SAN集中式机头最多支持4GE。因此，在满足相同性能的条件下，云在多路视频同时并发输入/输出的能力要远大于SAN系统。

（3）云对实时视频的带宽、码流等状态进行实时计算分析，不再需要人工配置存储空间，只需对单路视频设置存储天数即可实现动态调整并保存，防止由于人工计算的存储空间不足导致视频丢失等情况。

因此，铁路视频监控系统建设需要云技术继续完善系统功能，提高系统性能，更便于用户维护管理，向更加智能化的视频监控系统迈进一步[1-2]。

4 铁路视频监控云建设方案

4.1 新建视频监控系统

既有铁路视频监控系统结构是“视频核心节点—视频区域节点—Ⅰ类视频接入节点—Ⅱ类视频接入节点—视频汇集点—视频采集点”[3]。随着管理越来越集中、承载网络能力变强变广，在承载网络带宽具备条件的情况下，视频监控系统结构可调整为“视频核心节点—视频区域节点—视频接入节点—视频汇集点—视频采集点”，即Ⅰ类、Ⅱ类视频接入节点合并，将多处节点的视频资源统一到视频接入节点，实现统一存储、管理、分转发等功能。该视频监控系统结构见图4。

对于视频节点的建设可采用视频云平台方式。视频核心节点设置在中国铁路总公司，既有节点设备到大修期后可考虑更换为视频云平台，通过视频云平台的云计算技术，对用户资源、摄像机资源、告警资源、存储资源等统一进行计算，实现全系统的弹性计算、弹性存储分配，保证全系统动态资源调度管理和动态能耗管理。

视频区域节点设置在各铁路局集团公司，既有节点设备的更换方案与核心节点相同，对于未建设视频区域节点的铁路局集团公司，可直接新设视频云平台。

对于新设视频接入节点，应考虑在各大型车站、编组站等网络资源丰富的节点设置。

4.2 既有视频监控系统改造

对于采用DVR方式的既有视频监控系统，云平台不具备接入条件，既有物理设备也不能利旧，因此，待到系统使用年限到期后再统一更换。

对于采用SAN存储方式的既有视频监控系统，可评估既有硬盘是否具有接入云平台系统的能力，如硬盘接口、硬盘读写能力能否满足云平台的最低性能要求等。如果硬盘可用，可将硬盘利旧接入到新设云平台系统中，如果不可利旧，也是待到系统使用年限到期后统一更换。

5 视频云互联

目前，铁路视频监控系统之间的互联互通依据Q/CR 575—2018《铁路综合视频监控系统技术规范》中的A、C接口进行系统互联，实现视频资源、告警资源、摄像机资源的共享[4]。除铁路系统相关规范外，国家对视频监控系统的互联互通也发布了GB/T 28181—2016《安全防范视频监控联网系统信息传输、交换、控制技术要求》，对系统之间的互联作出接口协议要求。

未来，当视频核心节点、视频区域节点、视频接入节点都建设为视频云平台后，不同厂家之间云的互联互通是采用GB/T 28181—2016《安全防范视频监控联网系统信息传输、交换、控制技术要求》，还是继续采用或完善Q/CR 575—2017《铁路综合视频监控系统技术规范》，是值得深入探讨的问题。

从原铁道部《关于发布铁路综合视频监控系统技术规范（试行）》（运基通信〔2008〕630号），到中国铁路总公司《关于印发〈铁路综合视频监控系统技术规范（V1.0）〉的通知》（铁总运〔2013〕71号），再到Q/CR 575—2017《铁路综合视频监控系统技术规范》，铁路系统已对视频监控系统的互联互通进行了不断完善和改进，比国标接口更丰富、更完善，更适用于铁路用户。随着多年使用经验的积累，铁路用户需求已越来越清晰、明确，逐渐丰富的接口协议越来越符合铁路用户的需求，铁路行业已形成独具特色的视频体系，可满足铁路用户的功能要求，并能实现铁路用户对视频资源的共享和控制。因此，铁路视频监控系统无论是采用何种云技术，视频节点间仍可按Q/CR 575—2017《铁路综合视频监控系统技术规范》中的A、C接口进行互联互通。对于日后由于新需求变化引起的接口协议调整可继续丰富完善。

6 结束语

对云的由来、云的本质进行阐述，并结合铁路视频监控系统的业务需求提出铁路视频监控云建设的思路，包括如何新建视频云系统、既有视频系统如何过渡，以及视频云与其他系统如何互联等。视频云系统与其他异构系统之间仍存在一些互联接口问题，目前国标对云互联接口还不完善，因此，相关部门或行业联盟应尽早制定互联接口，为系统互联互通扫清障碍。视频云大幅提升视频监控系统存储及管理能力，为视频智能化奠定了基础，使管理维护更便利，将为铁路智能化提供更强壮、更安全、更高效的支撑。