基于云的地铁视频监控系统的设计与实现

张辉 谢国庆

(北京城建智控科技有限公司,北京 100028)

0 引言

地铁专用视频监控是保证城市轨道交通行车组织和安全的重要手段,调度员和车站值班员利用它监控列车运行、客流情况、变电所设备室设备运行情况,提高行车指挥透明度。当车站发生灾情时,视频监视模块可作为防灾调度员指挥抢险的指挥工具,同时也为各级公安人员发现治安隐患,对突发事件进行应急指挥提供最直接的观测手段。

近年来,项目对于视频监控系统规模的要求日益提高,网络中视频的数据量爆发式增长,传统平台架构已经无法很好的承载海量数据的联网、管理、存储、多用户并发等需求[1]。随着云平台、大数据等新兴技术的快速发展,如何利用云计算和云存储技术,将海量视频、视频联网、视频监控平台进一步云化[2],更好的为安防服务,成为行业关注的焦点。

1 研究背景

随着近些年地铁运营和公安部门对治安及反恐需求的不断提高,对视频监控系统也提出了更高的要求,主要体现在以下几点:

(1)高性能,高可靠性;(2)录像存储时间要求更长,能够快捷、方便的查看前几秒录像;(3)进行容量和存储的线性扩展;(4)易部署、易维护、多级管理、信息共享。

传统的地铁视频监控系统在应对日益提高的需求时存在许多问题,如车站机房空间有限,传统的存储设备在有限的空间下面对海量的视频图像数据存储达到瓶颈,当码流过大时视频流写入存储设备可能会出现丢帧,甚至出现写入失败等问题;由于传统视频监控系统的架构垂直扩展能力不足,不具备横向扩展能力,导致扩容困难,即使可以增加新的存储设备,每次扩容也都需要重做RAID组,对既有业务影响很大[3]。还有诸如海量视频如何有效运维,如何避免单点故障等挑战,为了应对以上挑战,基于云计算、云存储的新一代视频监控“应运而生”。云拥有集群化、虚拟化等特点,能够统一整合系统内的设备节点、存储空间等资源,从而提供高可用、易维护的平台服务和大容量、高性能、高可靠的透明存储服务[4]。

地铁项目中的视频监控系统具有站点多且分散、视频数据量大等特点,传统视频监控系统只能分站式部署,无法在线网控制中心对全线车站视频监控系统进行集中式管理,从前期部署调试到后期运营维护都有许多不便,基于云的视频监控系统可以有效解决这些问题。

2 设计与实现

基于云计算的地铁视频监视系统要遵循地铁设计规范,具有安全性、经济性、实用性等特点。下面主要从设计目标、总体架构、数据流图和视频云存储四个方面介绍本系统的设计与实现方案。

2.1 设计目标

为了更好地满足地铁运营公司和公安部门对视频监控的需求,系统应满足以下目标:

(1)实现视频监控平台和云平台的集成,视频监控服务的软硬件运行环境由云平台提供;(2)实现云存储的集成,对外提供数据存储和业务访问,实现性能与容量的线性扩展;(3)实现网络管理集成,将视频网管集成在云环境下的智能网管平台,统一部署。

2.2 总体架构

本系统由中心远端监控和车站本地监控两部分组成,采用中心集中式云存储,车站智能控制一体机负责本地备份存储,系统总体架构如图1所示。系统从上往下分为:展示层、核心业务处理层和数据采集层。展示层通过客户端形式运行在终端,核心业务处理层部署在车辆段集群服务器构建的中心云上,数据采集层部署在车站智能控制一体机构建的车站云上。

展示层即人机界面,面向终端用户提供视频监控的各种功能。主要包括实时预览、云台控制、报警、日志、网络智能管理、录像回放等。

核心业务处理层提供系统最核心的服务,主要包括流媒体服务、视频管理、备份管理、运维管理、数据库、网络管理、视频云存储等。

数据采集层负责前端设备的数据采集,包括设备接入网关服务器、流媒体服务、视频直存、视频数据采集转发等。

传统的视频监控系统主要有IP流媒体架构和直存架构两种模式,存在以下几点问题:

(1)烟囱式建设,系统复杂,无法避免硬件单点故障对整个系统带来影响;(2)车站部署视频专用服务器,占用车站宝贵空间;(3)录像数据分散,难以统一管理;(4)设备分散,维护不易;(5)灵活性差,扩容困难。

与传统架构相比,基于云计算的视频监控系统中心和车站不单独部署专用服务器,而是设置视频监控业务资源池和云存储资源池,中心资源池提供视频监控全业务服务,包括视频监控、云存储、录像管理、用户管理、设备管理等,车站资源池只提供基本业务和录像服务,用于降级时,保障本车站系统的正常运行,当资源池中的单台设备发生故障时,云平台会自动分配其他云节点资源进行管理,避免由于单点故障影响整个系统的运行,满足了业务不中断,硬件在线更换的需求。系统充分利用云计算“高弹性”的特点,实现了与地铁其他专业硬件服务器资源共享,软件服务隔离运行的目标,具有可动态扩展,按需部署,性价比高,占地小等特点,尤其适用于地铁这种对空间比较“敏感”的行业。

2.3 数据流图

系统采用1080P高清视频,分辨率为19201080,编码格式采用HighProfil级别的H.265,存储流和实时流相分离的双码流技术,其中存储流采用单播的方式分别进入车站智能控制一体机的存储资源池和中心云存储资源池,实时流采用组播或流媒体服务转发相结合的方式供中心和车站监控终端查看,保障图像传输时延的可靠性,视频流如图2所示。

2.4 视频云存储

2.4.1 存储构成

本系统采用中心集中云存储为主,车站本地备份存储的方案。采用了视频数据异地分布存储机制,当出现异常情况导致中心视频数据丢失时,系统可自动从车站补录丢失部分的数据。车站存储部分每个车站设置车站云,基于分布式文件系统架构,负责本车站视频备份存储,存储时间为7d。

中心云存储部分车辆段设置视频云存储设备,实现全线视频的统一存储,依据《反恐怖主义法》第三十二条规定:“重点目标的管理单位采集的视频图像信息保存期限不得少于九十日”。其中须履行的场所包含城市轨道交通站等重点目标,故本系统设置车站视频存储90d,车辆段/场视频存储30d。车站可调用本站存储的视频图像,控制中心可调看所辖任意车站的完整视频图像信息。

图1 视频系统架构Fig.1 Video system architecture

图2 数据流图Fig.2 Data flow diagram

图3 视频云存储技术架构图Fig.3 Architecture of video cloud storage technology

2.4.2 云存储架构

视频云存储系统采用分层结构设计,整个系统从逻辑上分为六层,分别为设备层、虚拟层、业务层、管理层、接口层、应用层,设计架构如图3所示。

(1)设备层。设备层是云存储最基础、最底层的部分,该层由标准的物理设备组成,支持标准的IP-SAN、FC-SAN存储设备。在系统组成中,存储设备可以是SAN架构下的FC光纤通道存储设备或iSCSI协议下的IP存储设备。(2)虚拟层。将存储设备透明化管理,统一资源虚拟化管理,并设计视频流式文件系统,实现存储传输协议和标准存储设备之间的逻辑卷或磁盘阵列的映射,实现数据和设备层存储设备之间的通信连接,完成数据高效写入、读取和调用等服务。(3)业务层。处理具体的用户业务,实现视频流数据的块级离散存储,支持数据的高效存储和快速提取;实现附属流数据的存储,支持视频流分析的结构化数据存储。(4)管理层。在管理层,融合了索引管理、计划管理、调度管理等多种核心管理功能。可以实现存储设备的逻辑虚拟化管理、多链路冗余管理、录像计划的主动下发、以及硬件设备的状态监控和故障维护等。可实现整个存储系统的虚拟化的统一管理,实现上层服务的响应。(5)接口层。应用接口层是云存储最灵活多变的部分,面向用户应用提供完善、统一的访问接口,可以根据实际业务类型,开发不同的应用服务接口,提供不同的应用服务。实现和应用平台、云平台、运维平台的对接,实现关键视频数据的远程容灾、设备以及服务的监控和运维等。(6)应用层。将上层视频管理系统、运维管理系统等通过相应的接口与云存储系统对接,实现与云存储系统之间数据以及信令的交互。

视频管理系统可与云存储系统进行配置录像计划、配置存储策略、重要录像的备份存储等指令的交互,辅助流数据、视频数据、图片数据的存取。运维管理系统可通过MIBS文件接口,对云存储系统和服务进行监控管理,及时将产生的告警信息传递给用户。

表1 视频监控云存储与文件云存储对比Tab.1 Comparison of video monitoring cloud storage and file cloud storage

2.4.3 云存储和文件存储差异

依据视频存储的特点,本系统采用云存储方式,与传统文件存储的差异如下:

(1)数据存储结构设计差异。文件云存储通过管理文件系统,达到数据存储目的,对文件类数据的支撑度较高;视频云存储无文件系统设计,采用流式数据结构,对非结构化的视频数据和图片数据支撑度较高。(2)存储流程上的差异。传统文件云存储的数据存储过程:数据→文件系统→卷→I/O系统→RAID→磁盘数据块。整个过程中每份数据存储、读取都需要在单台存储设备上经过以上的流程,瓶颈较多。视频云存储过程:视频数据→I/O系统→RAID→磁盘数据块。整个存储流程简化,速率更快,对数据块的地址控制由视频云存储管理服务器单独进行控制。

对两种存储流程进行对比分析,见表1。

3 结论与展望

视频监控系统对于地铁运营和治安反恐的重要性日益凸显,视频图像数据作为最直接的传感数据在业务管理中必将发挥更大的作用[5]。基于云平台的视频监控系统较传统架构视频平台有以下优势:

(1)采用存储全域虚拟化技术对具有海量存储需求的用户提供透明存储构架,可持续扩容避免瓶颈限制,更有效的进行资源管理,灵活增减空间,对空间进行最大程度的合理利用。(2)采用集群技术,可以解决单/多节点失效造成的业务中断问题,利用负载均衡技术充分利用各存储节点的性能,提升系统的可靠性和安全性。(3)采用离散存储技术,可以保障用户高效读写和业务的持续性。(4)采用统一完善的接口,可以降低对接成本、平台维护成本和用户管理的复杂度。(5)采用数据备份和容灾技术,可以保证云存储服务的安全稳定。

结合目前地铁项目视频监控系统的实际需求,本文对以往地铁视频监控系统的现状进行了分析,针对存在的问题,引入了基于云平台的视频监控系统,对系统的设计与实现进行了阐述。本文提出的系统可以有效解决传统架构扩容困难、运维管理复杂等问题,为地铁运营的智能化管理打下了基础。后续可以依据本文提出的方案和理念,为地铁视频监控系统提出更加优化的方案。