地铁监控视频地面存储方案分析

戴鹏程 汤 泉 王玉兵

(中车南京浦镇车辆有限公司 江苏 南京 210031)

地铁监控视频一直是解决交通问题的有效方案，近年来随着科学技术的进步，监控视频也逐步完成了数字化到网络化的转变[1]。伴随着高清技术的发展，人们对图像清晰度的要求日益提高，监控视频清晰度也从现在的720P逐步发展到1080P。另一方面，根据最新的《反恐怖主义法》规定：“采集的视频图像信息保存期限不得少于90天”。以上各个方面的因素，使存放安防视频的地铁硬盘存储容量激增，同时配套的监控系统需要具备更高的带宽负荷、更大的存储容量、更高的可靠性等实际功能，因此选择一套合理的视频存储方案尤为重要。

1 地铁车辆乘客信息系统视频存储方案对比

1.1 本地视频存储方案

以常见的6编组地铁车辆为例，编组组成6辆/列：+Tc×Mp×M=M×Mp×Tc+(4动2拖)，Tc为带司机室拖车，Mp为带受电弓动车，M为动车[2]，组成如图1所示。

图1 6编组地铁组成图

地铁车辆乘客信息系统(Passenger Information System，简称PIS)视频本地存储方案一般有两种方式(见图2)。方案一为集中存储，即依靠安装于两个Tc车司机室电气柜中的视频存储服务器(内置大容量硬盘，简称NVR)对监控视频进行存储，且两个Tc车的NVR互为冗余备份，从而保证视频存储的安全性；方案二为分布式存储，即每个车客室二位端电气柜分别布置NVR，其中相邻两客室NVR互为冗余备份，即Tc和Mp车的硬盘冗余存储这两个车厢摄像头的监控视频，依理类推，从而达到视频安全冗余存储的要求。上述两种存储方案各有优缺点，集中存储的优点在于安装设备少，可维护性高，缺点是当一端NVR故障时，容易导致视频丢失。而分布式存储方案冗余性、安全性较前者高，但是设备的增多会给后期维护增加工作量及成本。

图2 地铁视频存储方案

1.2 云存储方案

随着云计算云存储技术的发展，国内领先的IP厂商相继推出了通过云计算到云存储的监控视频存储技术，该技术将网络中的多台设备高度结合成单一的专门用于海量云监控数据的云系统。此方案的优点是支持在线扩容，为视频高清化发展的扩展性提供保障；其次，本方案具有良好的平台开放性，能够实现区域视频传输之间的互联互通。但是相对于传统的列车监控视频存储方案，云存储的缺点也很明显：(1)视频数据的拥有权，现行的大多数云存储需要代理服务器实现海量存储，视频数据会被分配到不同的存储中心，这样不符合公共交通视频隐私性的要求；(2)云存储的安全性，虽然大多数云存储提供VPN、加密，但是不能防止外界获取登录权限进行非法访问；(3)云存储依赖网络和设备性能，从网络性能来说是从宽带到Web，且多用户、复杂业务需求对网速的争夺也制约了其本身的发展[3-4]。

针对以上监控视频存储技术的特点，提出了基于车地高速网络将列车监控视频下传至地面进行异地存储的方案(简称监控视频地面存储方案)。

2 监控视频地面存储方案分析

2.1 列车视频存储计算分析

2.1.1存储容量计算

以某地铁项目视频硬件配置为例，每列车配置24个摄像头(每个司机室2个，客室3个，弓网监测2个)，视频格式：720P，采样频率：25帧/秒，传输速率：2 Mbps，编码格式：H.265。

每个摄像机1 h记录的数据容量：2 Mbps÷8×3 600=900 M。

每个摄像机存储90天(每天工作时间按照22 h计算)记录数据容量：

2 Mbps÷8×3 600×90×22≈1 740 G

24个摄像头总存储容量：1 740 G×24≈41 T。

从以上计算得知，一辆列车90天对应的有效存储容量为41 T，考虑到列车2个单元之间互为冗余，故而车载硬盘实际容量为82 T。但是，如果将车载视频转存至地面存储，由于地面储存的安全性高，不考虑备份，这样每列车就能节省41 T的硬盘容量。

2.1.2车地带宽计算

车地无线网络主要由传输系统、车站交换机、轨旁AP、车载AP、车载服务器与车载无线网桥、交换机等构成，如图 3所示。车地无线双向实时传输系统作为传输网络的载体，提供地面与列车之间的通信，PIS系统车地无线通信能够保证列车在高速行驶的情况下，以有效带宽速率在列车和地面中心服务器间双向传输视频影像，并能保证最低的延迟。

图3 车地网络拓扑

下面从实时在线存储模式和分时在线地面存储模式两种方式讨论车地带宽需求问题。

(1)实时在线存储模式

车辆通过全线路WLAN覆盖车地无线，实时将监控画面传输到地面。按照存储容量计算的容量和码流可知：实时监控视频传输速率需求为2 Mbps×24=48 M，考虑地铁轨道AP布设方式，这里采用车尾为主接入，轨旁AP的信号逐渐增强。在这种情况下，车载AP按前进方向移动时，车载AP接入轨旁AP的信号逐渐衰落，直到新AP的信号强度高于现有连接AP，此时才会进行切换，下一个AP的信号强度会在切换前高于前一个AP(见图4)，有利于切换的稳定性[5]。

图4 AP切换方式

此处需要将越区切换时间(包括重新鉴权和其他以安全为目的额外开销)考虑进去，业界有采用H3C的Mesh网络私有协议 MLSP (Mobile Link Switch Protocol,移动链路切换协议)，可保证切换过程中不丢失报文，将切换时间减少到30 ms以下，切换时间对传输速率产生一定的影响。综上，如果考虑到列车以80 km/h以上高速运行影响车地网络传输稳定性(漫游切换)，以及地铁运营的多业务运行需求，多负载上下行频点带宽竞争等现实因素[5]，需要按照带宽40%的冗余量计算出理想速率：48 Mbps×140%=67.2 Mbps。

此外，TCMS(列车管理数据包括站点信息、故障数据、火警文本等其他数据业务)按照5 Mbps计算，紧急情况下，调度中心对列车视频的调取按照4 Mbps计算(按照单列车同时两路调取)。不考虑PIS网络承载其他服务，实现监控视频实时地面存储，每列车车地网承载带宽需求为76.2 Mbps。

以上是基于特定区间仅一列车监控视频下传计算的理论实时速率，当同一区间在线车辆比较多时，对承载网络的要求也会更高，一般需要独立组网。实时在线存储的特点是：对承载网络要求高，需要综合考虑整条线路多列车多业务传输需求。

(2)分时在线地面存储模式

对于分时在线地面存储方式，方案是在每个司机室设置视频存储装置，保证一定天数的存储量即可。车辆通过部分区域覆盖的车地无线，分时将监控视频传输到地面，由地面统一存储。此外，分时在线地面存储模式还可考虑正线存储，库内上传的方案：列车在正线运营的时候，为避免占用有限的带宽、影响其他列控数据传输，正线采用实时存储的方案，待到列车一天运营结束，在库内日检时，利用库内建设的高速车地网络(例如微波)高速下传当日视频数据。

根据实时在线存储模式计算得知实时速率需求为76.2 Mbps。假设是在车库内覆盖无线下载网络，运行时间为18 h：固定带宽速率需求×24 h/在宽带覆盖区域时间=覆盖区域带宽速率需：76.2 Mbps×24/(24-18)=304.8 Mbps。由于静态传输稳定性高，网络覆盖方式可选择性多，相比于实时在线存储方案，更加灵活，成本更低，同时，能够灵活地承担多业务传输功能，不影响其他重要列控数据的有效传输。

2.2 地面网络传输

由于同一条线路上同时存在多辆列车，无论采用哪种传输方案，多列车同时进行视频下传，这样的方案对地面网络要求很严格，如果按照地面环网配置，主干网必须保证在万兆以上，才能承载这个庞大的传输业务。如图5所示，各车站交换机与核心交换机构成地面环网，地面集中存储服务器与核心交换机直连通信。

图5 地面环网构架

3 故障处理方式

(1)车地网络故障

车辆上预留7～15天视频存储容量的NVR，类似车辆实时直播流数据的下发形式进行视频存储：一旦车辆PIS主控没有监测到直播流数据，由主控自动切换到录播模式，即将存储在硬盘中的录播视频进行播放。这里使用相同的逻辑对视频数据流进行处理，当PIS主控没有检测到直播流数据(直播流数据、监控视频通过相同的车地网络下传和上传)，则认为车地网络故障，由PIS主控切换车辆视频存储模式，将此时的视频数据转存至NVR。当列车回库后，统一通过车库内部的车地网络下传。

(2)视频丢失故障

车地网络和车载NVR视频存储传输建立反馈机制，即视频以小时为单位数据包的形式进行发送缓存，一旦车地网络视频传输出现丢包现象，NVR自动转储该区域时间的视频数据于NVR。否则当视频上传结束，地面已接收到该小时段的视频数据后，NVR将之前存储的视频删除。

4 结束语

地铁列车海量的监控视频量导致存储硬盘容量的激增，进而导致列车硬盘成本的上升，本方案可以改善未来PIS监控视频下传地面存储的困境。与传统存储方案比较，该方案首先建设成本低，传统方案列车存储硬盘需要考虑冲击振动保护，而转存至地面后只需要使用市面上普通的存储介质，同时硬盘冗余性无须考虑100%冗余。其次维护投入少，尤其对于一个城市多条线路的监控视频，可以集中维护，减少了地铁维护人员投入。同时视频地面存储安全性高，存入硬盘中的数据不易丢失。