铁路综合视频分转发中间件的设计与实现

白根亮，陈中雷，郭星宇，郭志华

（北京经纬信息技术有限公司，北京 100081）

铁路综合视频监控类系统是具有音视频数据采集、传输、交换、控制、显示、存储、处理功能的监控系统，应用于铁路行车指挥、生产组织、客货运输服务、作业监控、抢险救援及治安防范等业务场景[1]。随着大数据、人工智能等技术在铁路发展中的应用，基于铁路综合视频图像智能识别的各类应用得到了越来越高的关注，例如基于图像识别的客运服务[2-3]、货车装载状态识别[4]、车号识别[5]、周界入侵[6-7]等。铁路综合视频监控类系统的各类应用面临视频获取困难、传输量大和不同应用协议转换复杂等痛点和难题[8]，为解决上述问题，亟需研发铁路综合视频监控类系统的分转发中间件，将视频数据进行分割和转发，按需传输，提高网络传输效率和带宽利用率，为铁路各业务部门和应用系统提供所需要的视频数据，实现视频资源集成、共享和智能化应用，同时，提供高性能、大规模视频数据管理服务。

1 中间件架构

1.1 总体架构

铁路综合视频分转发中间件采用高内聚、低耦合的分布式架构，其总体架构如图1 所示，主要分为接入层、数据层、业务层和应用层。

图1 铁路综合视频分转发中间件总体架构

（1）接入层主要对接各类设备或平台各类协议的实时及历史媒体流，实现协议转换、适配及视频的分转发等功能，并提供统一的接口标准。

（2）数据层分为结构化数据和非结构化数据，其中，结构化数据包括基础数据、监测数据、状态数据、实时数据、报警数据和分析数据等；非结构化数据包括图片、视频文件、系统日志、文档、可扩展标记语言（XML，eXtensible Markup Language）、JSON 等。为中间件提供统一的数据支撑和数据来源，为后期视频分析和数据挖掘提供大数据存储支持，为突发事件处置和预防提供决策支撑。

（3）业务层主要实现业务逻辑和数据的处理，并为终端提供服务，主要包括媒体分发服务、存储管理服务、接入网关服务、数据服务、终端管理服务、网络管理（简称：网管）服务、告警服务、维护管理服务、鉴权认证服务、配置管理服务、日志管理服务、标准API 服务等各种技术服务。

（4）应用层包括业务管理和中间件管理，其中，业务管理主要包括实时监控、云台控制、历史回放、业务告警等业务功能；中间件管理主要包括设备管理、用户管理、配置管理、存储管理、维护管理、日志管理等功能。

1.2 技术架构

铁路综合视频转发中间件的技术架构如图2 所示，采用面向服务的架构设计，包含接入网关服务、媒体分发服务、数据服务、告警服务、网管服务、存储管理服务、终端管理服务等服务模块。通过模块化、标准化设计，对中间件不同的业务进行解耦，各模块进行解耦及标准化后，可方便地进行单独升级与级联/互联扩展，而不会造成全局性影响，通过各模块间级联及互联的模式，可进行水平及垂直扩展，从而实现弹性部署与架构灵活设计的目标。

（1）采集设备/下级平台通过Onvif 协议或动态库等方式采集铁路沿线音视频数据，并注册到接入网关服务中，进行信号控制命令[9]（简称：信令）的协商和交互，同时，发送实时媒体流到媒体分发服务，并接收接入网关服务的信令，执行摄像头控制等操作。

（2）接入网关服务主要实现信令的转发和处理，通过GB/T 28181 协议[10]和下级平台进行信令的传输、交换和控制。

（3）媒体分发服务主要用于接收和处理实时和历史媒体流，实现对媒体流的解析、解复用和分发，并推送到各个播放终端及互联平台。

（4）存储管理服务主要对视频分发服务生成的切片文件进行管理，实现对文件的大小和录像时长的计算、存储及切片文件的合并，用于提供视频文件的统一下载路径，并发送实时媒体流到媒体分发服务。

（5）终端管理服务向客户端提供统一接口调用，实现对客户端和网页端不同协议和信令的交互和调用。

（6）告警服务主要实现异常人员、异物入侵等报警数据的接收，并将告警数据路由给终端及其他互联平台。

（7）网管服务用于采集不同类型设备的设备状态信息，并根据告警规则评判告警后，推送到消息队列。

（8）数据服务主要用于操作数据库及缓存库，为其他服务提供数据及缓存支撑。

（9）消息队列用于接收告警及命令消息并进行消息推送，接收客户端下发的用户操作信息，并与其他服务实现消息共享。

2 中间件功能

铁路综合视频分转发中间件的功能架构如图3所示。

图3 铁路综合视频分转发中间件功能架构

2.1 业务管理

2.1.1 实时监控

实时监控模块包括实时点播、语音对讲、主/子码流、视频转码、协议转换和视频转推功能。实时监控界面如图4 所示。其中，实时点播功能支持用户点播查看各类设备和通道采集到的实时视频；语音对讲功能支持用户在实时监控界面进行语音对讲；主/子码流功能主要用于实现视频主/子码流的切换功能，单画面播放时使用主码流，多画面播放时使用子码流；视频转码功能主要实现对不同视频编码格式（例如H.264、H.265）的视频流和不同音频编码格式（例如G711、AAC）的音频流进行格式转换；协议转换功能主要用于实现RTSP、RTP/RTCP、RTMP、WebRTC 等协议的转换，支持不同协议的解复用、媒体流解析与处理及不同协议的复用及输出，从而实现各种媒体流的解封装操作；视频转推功能可实现媒体流的转发和级联，以及不同设备或平台间的数据通信和交互。

图4 实时监控界面

2.1.2 云台控制

云台控制功能可对视频采集设备进行管理，可对球机类型的综合视频监控设备进行监控方向控制、转动速度设置、视频放大/缩小、焦距和光圈调整、预置位设置及调用，云台控制界面如图5 所示。

图5 云台控制界面

2.1.3 历史回放

2.1.3.1 录像查询及点播

通过目录树可查看监控设备的历史视频信息，根据起止时间进行历史视频查询，并显示不同时间点的录像情况，可对存在录像的时间段的历史视频进行点播。

2.1.3.2 回放控制

该功能支持用户对选定时间段的视频进行回放，回访时可设置播放速度，并对视频进行截图、下载、宫格数量设置和宫格顺序切换等操作，如图6 所示。

图6 回放控制界面

2.1.3.3 视频下载

该功能通过ffmpeg 等开源库实现视频数据处理及视频文件录制等功能；同时，对视频文件分片存储，实时动态生成索引文件，对索引文件进行内存存储，并使用二分法查找，实现快速检索及下载。

2.1.4 业务告警

业务告警功能主要包括实时告警和告警联动。其中，实时告警可查看告警通道的实时告警截图和视频，如图7 所示；告警联动可实现告警时的多台摄像机联动，发生告警后，与其联动的通道会自动转向预置位，启动录像，可新建、修改报警源的联动动作，包括预置位的设置、恢复时间、预录时间及报警结束后的录像时延等，如图8 所示。

图7 实时告警功能界面

图8 告警联动功能界面

2.2 中间件管理

中间件管理包括设备管理、用户管理、配置管理、存储管理、维护管理和日志管理等功能。其中，设备管理功能可实现对现场设备、服务器、网络设备等设备状态的监控，以及告警阈值配置等；用户管理功能可实现对用户角色管理、用户组、菜单、项目权限等的管理，如图9 所示；配置管理功能可实现对中间件服务及功能参数等的动态配置；存储管理功能可实现对存储计划及策略的管理；维护管理功能可实现对系统服务运行状态的监控及对运维概况的统计；日志管理功能主要包括操作日志的记录和服务运行日志的监控。

图9 用户管理功能界面

3 关键技术

3.1 接口技术

铁路综合视频分转发中间件接口的传输通道采用信令通道和数据通道。其中，信令通道用于建立会话并传输控制命令；数据通道用于传输媒体流。信令通道采用XML+会话初始协议（SIP，Session initialization Protocol）实现，该协议灵活且扩展性好，适用于音视频数据的通信，可保障不同厂商间设备和服务的兼容性，统一接口标准。数据通道采用实时传输协议（RTP，Real-time Transport Protocol）和实时传输控制协议（RTCP，Real-time Transport Control Protocol）实现，其中，RTP 负责实时传输音视频数据；RTCP 则用于控制和监控网络情况，包括带宽使用、丢包率、延迟等。通过调整传输参数可实现流量控制和网络故障重发等功能，以提高音视频数据传输质量，减少延迟，降低丢包率。

3.2 按需推/拉流及断续推流技术

铁路综合视频分转发中间件可根据当前用户的播放数量实现动态的资源调配，当某个通道没有用户使用时，以事件机制主动通知业务服务，告知摄像机停止推送媒体流（简称：推流），并释放带宽及CPU 等资源。同时，当用户直接根据播放地址播放视频时，如果其查看视频的相关摄像机未推流，可通过事件机制主动通知业务服务，告知摄像机进行推流或主动拉取媒体流（简称：拉流），减少播放地址获取环节。当摄像机推流中断后，延时销毁媒体资源对象，同时延时断开播放器；当摄像机再次推流时，复用该资源对象，播放器可继续观看。如果超过预设时间限制没有再推流，则主动关闭播放器并回收所有资源。

3.3 分布式存储及集群化部署

铁路综合视频分转发中间件支持分布式架构、存储虚拟化，并提供统一命名空间、故障检测、自动恢复、纠删码等冗余功能的存储；支持文件及对象的云存储功能，对必要的媒体流采用云端存储的方式，并生成文件索引，以方便后期快速检索定位；支持Linux、Windows 及国产化等不同的CPU 架构；媒体分发服务支持对等集群部署等不同方式的部署，同时，支持故障转移，从而实现中间件的高可用。

4 应用情况

铁路综合视频分转发中间件于2023 年6 月，在铁路线路安全环境管理平台上线运行，并在全国铁路范围内试用，支持铁路重点区段安全巡视和风险隐患排查，应用效果良好。

铁路综合视频分转发中间件可提供高性能、大规模视频数据管理服务，实现视频资源集成与共享，规范视频传输方式，对多条线路视频数据进行集中整合；对重点与一般地段视频数据进行分类管理和监控，实现自动轮训和重点部位重点排查等不同监控方式；实现对视频数据的分割和转发、按需传输，规范统一视频传输方式，避免多对多交叉网状传输，减少下行带宽资源，提高网络传输效率和带宽利用率，以便实时掌握各种突发事件和警情信息；更好地发挥客运段级调度中心调度台视频巡查、监控、处理、预警等职责，提高工作效率，

5 结束语

铁路综合视频监控类系统在铁路运输生产中发挥了重要的作用，随着智能铁路、数字铁路的发展，基于综合视频监控类系统的各种智能化应用成为智能铁路的重要组成部分。铁路综合视频分转发中间件可将视频数据进行分割和转发，按需传输，提高视频传输的效率和质量，解决大规模视频传输和播放遇到的难题，提供更好的流媒体视频服务，为基于铁路综合视频的各种智能化应用提供定制化的视频数据，更好地满足业务应用需求，提高视频管理人员工作效率。