地鐵列車監控錄像云存儲方案探討

陳 濤

（杭州市地鐵集團有限責任公司，浙江杭州 310000）

0 前言

地鐵列車作為空間狹小、人員密集的公共場所，一直以來都是地鐵安全防護領域的工作重點。早期列車一般采用模擬攝像頭，畫面分辨率較低，系統結構復雜。為進一步優化列車視頻監控效果，各城市的新線列車均開始采用車載高清數字攝像頭。隨著國家反恐形式日益嚴峻，2016?年開始實行的《反恐怖主義法》中規定：“重點目標管理單位采集的視頻圖像信息保存期限不得少于九十日。”本文通過介紹現有列車視頻監控方案，針對如何有效地存儲整列車的視頻監控錄像這一課題，提出新的思路并進行可行性分析。

1 列車視頻監控方案簡介

地鐵列車視頻監控系統有別于地面視頻監控系統。由于列車車廂的特殊性，在攝像頭的選型、布放數量及位置，數據存儲，線纜敷設等方面有諸多限制和要求。

現有列車視頻監控系統的車載局域網組網方式一般采用有線環形組網，設置在車頭、車尾以及各車廂的車載以太網交換機，通過間隔連接方式組成以太網環網。目前系統采用全數字網絡化方案，每節車廂的車載交換機負責將本車廂的高清數字攝像機及各設備接入車載局域網，如圖?1?所示。

綜合考慮車廂環境、建設投入及畫面要求，為有效避免車廂內立柱以及滿員時高大乘客的遮擋，每列車廂設置?4?臺攝像機，可以有效地避免盲區[1]。攝像機通過接入車載局域網，錄像信息在車頭以及車尾的視頻服務器上進行實時存儲，互為冗余。

2 錄像存儲容量計算

為統一列車錄像存儲容量計算結果，本文中列車默認為?6?節編組，每節車廂安裝?4?臺攝像機，每個司機室安裝?2?臺紅外攝像機，全車共?28?臺攝像機。考慮到夜間停運，每列車的存儲時間按?20?h?計算。

全車監控錄像存儲容量計算公式為：

圖1 車載視頻監控系統示意圖

公式（1）中，全車視頻錄像存儲容量單位?MB；攝像頭碼率單位?Mbps；時間單位?s。

車廂內高清數字攝像機主流分辨率一般采用?720P，碼率約為?2?Mbps，因此一列車每天需要存儲的監控錄像數據容量約為?0.48?TB。根據國家《反恐怖主義法》保存期限90?日的規定，同時根據設計要求預留?20%?的存儲空間余量，最終全車監控錄像存儲總容量需求約為?54?TB。隨著技術發展，如果采用?1080P?或?4K?高清數字攝像機，存儲容量需求將進一步增大。

3 本地存儲方案

地鐵列車視頻監控錄像采用本地存儲是目前各城市的通用做法，常見的存儲硬盤有?3.5?英寸機械硬盤（臺式機硬盤）、2.5?英寸機械硬盤（筆記本硬盤）以及SSD?固態硬盤?3?種。其中?3.5?英寸機械硬盤抗振動能力差，故障率高，不適合在列車環境上使用。SSD?固態硬盤抗振動能力最強，但是容量相對較小，價格偏高[2]。綜合考慮容量需求、抗振動能力及經濟因素，2.5?英寸機械硬盤是目前列車存儲介質的最佳選擇。

目前工業級?2.5?英寸機械硬盤的最大容量為?2TB（由于硬盤廠家計算方式，實際存儲容量約為?1.8?TB），因此一列車需要安裝?30?塊容量為?2TB?的2.5英寸機械硬盤，才能滿足本列車?90?天的高清錄像存儲需求。

現有車載視頻存儲設備硬盤位一般不超過?8?個，同時還需實現?RAID5?磁盤陣列，1?臺車載視頻存儲設備的存儲容量一般不超過?13?TB。考慮到列車錄像冗余需求，全車共需要?8?臺車載視頻存儲設備，現有列車有限的柜內空間很難滿足如此多存儲設備的安裝空間需求。

4 地面云存儲方案可行性分析

若保持既有車載視頻監控系統的結構及存儲方案不變，同時通過車地無線網絡將每列車的車載監控錄像上傳至地面控制中心機房，運用技術成熟的地面存儲設備進行集中保存，則完全可以滿足大容量的存儲需求。

4.1 車地無線技術方案比選

目前地鐵車地無線主流技術制式主要有無線局域網（WLAN）、通用移動通信技術的長期演進技術（LTE）、地面數字電視廣播標準（DVB-T）3?類。

4.1.1 WLAN 技術

由于?WLAN?技術成熟，產業化水平高，是目前應用最為廣泛的一種移動寬帶傳輸技術，其標準主要有802.11a、802.11g、802.11n、802.11ac。采用無線局域網技術，可實現車地雙向高速通信，提供高帶寬，滿足列車高速運行狀態下的視頻數據傳送需求。目前主流的?802.11n?可以在2.4GHz?和?5.8GHz?2?個頻段工作，理論帶寬?300?Mbps。802.11ac?在?5.8?GHz?頻段工作，理論帶寬?1?300?Mbps。

4.1.2 LTE 技術

LTE?主要利用?4G?技術，在移動性和帶寬方面均有大幅提高，20?MHz?頻譜帶寬下能夠提供下行?100?Mbps與上行?50?Mbps?的峰值速率，而且?LTE?技術可以為高速運行列車環境提供穩定的接入服務[3]。目前，鄭州地鐵、杭州地鐵等已成功利用在?1?800?MHz?頻段下工作的?LTE?技術傳輸乘客信息系統（PIS）和閉路電視監控系統（CCTV）視頻監控信息，但存在頻率申請問題。

4.1.3 DVB-T 技術

DVB-T?采用?MPEG-2?視音頻編碼以及?COFDM?調制方式，基本原理是將高速數據流通過串并轉換，分配到傳輸速率較低的若干子信道中進行傳輸，理論可達16?Mbps上下行傳輸數據帶寬。系統一般通過分設上行及下行?2?套無線傳輸設備的方式，實現車地之間的雙向數據傳輸，具有較強的抗干擾能力，但也存在頻率申請問題[4]。

4.1.4 技術方案對比

上述幾種車地無線技術方案對比，見表?1。按本文列車視頻監控方案計算，每臺?720P?高清攝像機的上傳帶寬需求為?2?Mbps，統籌考慮上傳預留帶寬、車載視頻直播等業務帶寬，全車車地無線帶寬需求約為?130?Mbps。

通過對幾種車地無線技術方案在帶寬、抗干擾性、投資造價等多方面的比選，802.11ac?實際帶寬滿足全車監控錄像實時上傳需求，是目前比較適合列車錄像地面云存儲的車地無線技術方案。

表1 車地無線技術方案對比

4.2 列車錄像地面云存儲方案

云存儲是在云計算概念上延伸和發展出來的一個新的概念，是一種新興的網絡存儲技術。列車錄像地面云存儲是指將列車錄像實時上傳至地面控制中心進行統一存儲，通過存儲虛擬化技術，采用分布式文件系統，將數據分散存儲于多個節點，再通過應用軟件將多個存儲節點集合起來協同工作，共同對外提供數據存儲和業務訪問功能的一個系統[5]。

云存儲方案采用全新的設計理念，從服務可用性、數據可靠性、接口通用性等多個維度提升監控存儲的質量，而且隨著后續地鐵線網規模的不斷擴大，云存儲方案也可實現性能與容量的線性擴展。

圖2 列車錄像地面云存儲整體架構

如圖?2?所示，區間無線訪問接入點（AP）沿地鐵線路連續布設，列車視頻監控錄像數據采用無線方式上傳至區間?AP，并通過區間光纜傳送至車站，之后經車站交換機上傳至控制中心。地面云存儲相關設備安裝于控制中心機房，通過萬兆交換機與控制中心交換機連接，設備主要由交換機、元數據服務器、存儲節點、流媒體服務器及云存儲軟件等組成。地鐵工作人員可以在控制中心集中管理線網所有列車的視頻監控錄像數據。

云存儲方案并不是視頻存儲的簡單堆積，而是存儲和管理的中心節點，它將云設備、云軟件、云服務整合后提供一套完整的解決方案。結合虛擬化技術、數據安全及保護技術、智能分布式視頻數據篩選、智能分析和計算等核心技術，云存儲方案整合了地鐵列車原有分散錄像數據，將進一步降低人工成本，避免資源浪費，打造出一個便捷、統一管理和高效應用的地鐵視頻大數據基礎平臺。

5 結束語

在當前地鐵安防形式下，針對如何有效存儲地鐵列車海量視頻錄像數據的問題進行分析、探討。在保證車地無線網絡滿足數據傳輸需求的前提下，云存儲以其數據可靠、接口通用、線性擴展、智能分析等諸多優勢，改變了傳統視頻監控系統模式，為地鐵列車大容量視頻數據存儲提供了新的解決思路。

[1] 陳爽. 廣州地鐵新線車廂視頻監控方案分析[J]. 鐵路計算機應用，2014，23（5）：63-64.

[2] 林必毅，周俊，周清華. 地鐵列車存儲技術的應用研究[J]. 微計算機信息，2010，26（11）：201-202.

[3] 黃佳強. LTE在地鐵乘客信息系統無線傳輸中的應用[J]. 鐵道工程學報，2014，31（11）：111-115.

[4] 宋子良. 城市軌道交通1800MHz車地無線通信網絡方案研究[J]. 中國高新技術企業，2017（3）：14-16.

[5] Rodriguez-Silva D A, Adkinson-Orellana L, Armino-Franco I. Video Surveillance Based on Cloud Storage[C]//International Conference on Cloud Computing. IEEE, 2012：991-992.