基于云存儲(chǔ)的軌道交通視頻存儲(chǔ)方案淺析

朱超 王鵬 許津津

【摘要】? ? 隨著視頻技術(shù)發(fā)展以及系統(tǒng)在軌道交通運(yùn)營(yíng)管理、客流分析、安全防控等方面的重要輔助功能日益突出，云存儲(chǔ)技術(shù)作為新興的視頻存儲(chǔ)方案，本文探討了幾種基于軌道交通的云存儲(chǔ)方案，簡(jiǎn)要分析了相關(guān)的數(shù)據(jù)管理模式，并對(duì)帶寬需求、存儲(chǔ)容量進(jìn)了對(duì)比。

【關(guān)鍵詞】? ? 軌道交通? ? 視頻監(jiān)視? ? 云存儲(chǔ)

一、軌道交通視頻存儲(chǔ)需求

1.1 存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)

根據(jù)《反恐怖主義法》、《城市軌道交通公共安全防范系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB51151-2016）的規(guī)定，軌道交通視頻監(jiān)視圖像需存儲(chǔ)90天以上。

1.2 存儲(chǔ)體量大、類型多

目前高清視頻監(jiān)控技術(shù)基本已在軌道交通中的大規(guī)模應(yīng)用，視頻清晰度基本已達(dá)到1080P以上，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中90%以上是海量非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，包括高清視頻、高清圖片、語(yǔ)音、事件數(shù)據(jù)等。

解決這些海量數(shù)據(jù)的可靠存取，提升系統(tǒng)的可靠性、可用性、開放互聯(lián)、帶寬需求等問題，對(duì)存儲(chǔ)架構(gòu)選擇、存儲(chǔ)方案優(yōu)化提出了新的要求和挑戰(zhàn)。

二、云存儲(chǔ)方案簡(jiǎn)介

2.1云存儲(chǔ)方案的特點(diǎn)

目前在地鐵領(lǐng)域，傳統(tǒng)存儲(chǔ)技術(shù)包括NVR技術(shù)、SAN（IP SAN、FC SAN）存儲(chǔ)技術(shù)、云存儲(chǔ)技術(shù)等。

面對(duì)海量存儲(chǔ)需求，傳統(tǒng)存儲(chǔ)技術(shù)在容量和性能的擴(kuò)展上會(huì)存在瓶頸，對(duì)視頻備份及恢復(fù)的相關(guān)能力上能力稍弱。根據(jù)視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)特性需求，采用云存儲(chǔ)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)性能與容量的線性擴(kuò)展，這對(duì)于追求高性能、高可用性的軌道交通視頻監(jiān)視系統(tǒng)來說是一個(gè)新選擇。

云存儲(chǔ)是在云計(jì)算概念上延伸和發(fā)展出來的一個(gè)新的概念應(yīng)用存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)中大量各種不同類型的存儲(chǔ)設(shè)備通過軟件調(diào)度進(jìn)行集合，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的對(duì)外存儲(chǔ)。

文件寫入云存儲(chǔ)系統(tǒng)中，文件被分為多個(gè)固定大小的數(shù)據(jù)塊，而1個(gè)數(shù)據(jù)塊被分為N個(gè)數(shù)據(jù)分片，因此數(shù)據(jù)可以靈活的分配。此外利用云存儲(chǔ)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)的功能（如圖1），一份數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，可對(duì)數(shù)據(jù)備份，分布在2個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。

2.2存儲(chǔ)方案

根據(jù)軌道交通視頻監(jiān)視系統(tǒng)高清化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的特點(diǎn)，目前通行的建設(shè)視頻云存儲(chǔ)架構(gòu)方案有中心集中存儲(chǔ)、區(qū)域云存儲(chǔ)、站點(diǎn)分散存儲(chǔ)三種。

2.2.1中心集中存儲(chǔ)

（1）總體方案

在控制中心（或集中數(shù)據(jù)機(jī)房）設(shè)置1套云存儲(chǔ)設(shè)備（如圖2所示），線路所有車站、車輛段、停車場(chǎng)視頻監(jiān)視圖像均統(tǒng)一上傳存儲(chǔ)在控制中心。

（2）數(shù)據(jù)管理

中心云存儲(chǔ)方案將各站點(diǎn)所有數(shù)據(jù)通過傳輸系統(tǒng)傳輸至控制中心。

在中心云存儲(chǔ)方案中，文件被分為多個(gè)固定大小的數(shù)據(jù)塊，1個(gè)數(shù)據(jù)塊被分為若干個(gè)源數(shù)據(jù)分片，分別存入不同的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，源數(shù)據(jù)分片通過算法得到冗余的數(shù)個(gè)數(shù)據(jù)分片，單獨(dú)存入冗余存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，如圖3示，在沒有存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)故障時(shí)，文件直接從源數(shù)據(jù)分片中讀取。

當(dāng)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)故障導(dǎo)致源數(shù)據(jù)分片損壞時(shí)，可通過冗余的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)恢復(fù)出源數(shù)據(jù)分片，如圖4所示。

2.2.2區(qū)域云存儲(chǔ)

（1）總體方案

每3或4個(gè)車站選擇集中站分別設(shè)置1套云存儲(chǔ)設(shè)備，如圖5所示，結(jié)合云存儲(chǔ)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的特點(diǎn)，3或4個(gè)車站的視頻圖像進(jìn)行互相備份，形成區(qū)域云存儲(chǔ)。

當(dāng)硬件出現(xiàn)不可恢復(fù)故障時(shí)，采用區(qū)域云存儲(chǔ)系統(tǒng)互備功能，每站對(duì)區(qū)域站內(nèi)視頻圖像進(jìn)行備份，可實(shí)現(xiàn)故障前若干天歷史數(shù)據(jù)不丟失，歷史數(shù)據(jù)恢復(fù)天數(shù)由預(yù)留的互備容量決定。

車站云存儲(chǔ)系統(tǒng)支持雙存儲(chǔ)點(diǎn)，即主存儲(chǔ)點(diǎn)和副存儲(chǔ)點(diǎn);存儲(chǔ)池從功能層面劃分為本地存儲(chǔ)和互備存儲(chǔ)。如圖5所示，以3個(gè)車站組成的區(qū)域云存儲(chǔ)系統(tǒng)互備為例，車站A主存儲(chǔ)點(diǎn)掛載本地存儲(chǔ)，副存儲(chǔ)點(diǎn)掛載車站B互備存儲(chǔ);車站A主存儲(chǔ)點(diǎn)掛載本地存儲(chǔ)，副存儲(chǔ)點(diǎn)掛載車站C互備存儲(chǔ);車站C主存儲(chǔ)點(diǎn)掛載本地存儲(chǔ)，副存儲(chǔ)點(diǎn)掛載車站A互備存儲(chǔ)。

（2）數(shù)據(jù)管理

單個(gè)車站配置存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)組成車站云存儲(chǔ)系統(tǒng)，以網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲邢噜彽?或4個(gè)車站云存儲(chǔ)系統(tǒng)組成區(qū)域云存儲(chǔ)系統(tǒng)為例。

當(dāng)車站A存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)故障時(shí)，現(xiàn)車站A云存儲(chǔ)無法完全接管故障節(jié)點(diǎn)的視頻業(yè)務(wù)時(shí)，區(qū)域云存儲(chǔ)系統(tǒng)內(nèi)其他車站云的災(zāi)備接管模式為搶占式，根據(jù)自身的最大冗余接管能力接入需要遷移的視頻業(yè)務(wù)。

如圖6所示，車站A內(nèi)部無法完全接管的視頻業(yè)務(wù)，被分配到區(qū)域內(nèi)部的車站B和車站C進(jìn)行接管。發(fā)生災(zāi)備接管時(shí)，僅被分配到車站B和車站C的視頻業(yè)務(wù)將占用車站A到車站B、車站A到車站C之間的帶寬，不占用其他車站的帶寬。

正常工作時(shí)，視頻數(shù)據(jù)同時(shí)寫入主存儲(chǔ)點(diǎn)和副存儲(chǔ)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)視頻本站存儲(chǔ)及跨站互備。當(dāng)車站A存儲(chǔ)硬件損毀時(shí)，車站B互備存儲(chǔ)上保存的車站A歷史視頻不受任何影響，無需進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)即可進(jìn)行錄像調(diào)看;同時(shí)支持錄像回遷策略，待車站A存儲(chǔ)設(shè)備恢復(fù)時(shí)，支持將車站A互備存儲(chǔ)上的歷史數(shù)據(jù)回遷至車站A存儲(chǔ)設(shè)備中。

（3）區(qū)域云存儲(chǔ)方案的擴(kuò)展

本方案可通過增設(shè)中心云存儲(chǔ)設(shè)備，形成“中心-區(qū)域-車站”三級(jí)存儲(chǔ)架構(gòu)。中心災(zāi)備云存儲(chǔ)系統(tǒng)與所有車站云存儲(chǔ)系統(tǒng)互備。當(dāng)車站云需要遷移的視頻業(yè)務(wù)超過區(qū)域云存儲(chǔ)系統(tǒng)的接管能力時(shí)，超出接管能力的視頻圖像將由中心災(zāi)備云存儲(chǔ)系統(tǒng)接管，如圖7所示。此時(shí)，中心災(zāi)備云存儲(chǔ)提供最終的災(zāi)備能力保障。

2.2.3分散式云存儲(chǔ)

分散式云存儲(chǔ)方案下，車站視頻直接存儲(chǔ)在車站通信機(jī)房?jī)?nèi)，如圖8所示。

（1）數(shù)據(jù)管理

分散式云存儲(chǔ)方案模式下，每個(gè)車站均設(shè)置一套獨(dú)立的云存儲(chǔ)系統(tǒng)。控制中心不設(shè)置存儲(chǔ)設(shè)備，控制中心設(shè)置中心管理設(shè)備，對(duì)全線車站的視頻監(jiān)視設(shè)備進(jìn)行故障管理、性能管理、配置管理、安全管理。

數(shù)據(jù)恢復(fù)及管理與中心云存儲(chǔ)方案相相似，區(qū)別在于每站均為獨(dú)立設(shè)置的云存儲(chǔ)系統(tǒng)，當(dāng)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)故障導(dǎo)致源數(shù)據(jù)分片損壞時(shí)，需將故障信號(hào)上傳至控制中心，并由控制中心進(jìn)行故障記錄及分析，車站云存儲(chǔ)通過冗余數(shù)進(jìn)行恢復(fù)相關(guān)數(shù)據(jù)。

（2）方案擴(kuò)展

本方案可在控制中心增設(shè)中心云存儲(chǔ)設(shè)備，形成“中心-車站”的存儲(chǔ)架構(gòu)，中心設(shè)置一座車站容量的存儲(chǔ)，如單站提供災(zāi)備能力保障。

三、方案分析

3.1帶寬分析

采用中心云存儲(chǔ)方案需將車站所有視頻圖像上傳至控制中心，對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)帶寬要求較高，按30座車站每站300路4M碼流視頻圖像（預(yù)留遠(yuǎn)期）考慮，則總線帶寬需求為36000M以上。采用區(qū)域云存儲(chǔ)方案，需對(duì)車站視頻圖像進(jìn)行互備，對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)帶寬要求較高，按每站300路4M碼流視頻圖像（預(yù)留遠(yuǎn)期）考慮，則站間帶寬需求為1200M以上。分散式云存儲(chǔ)對(duì)帶寬需求較小，只需要中心對(duì)各站視頻調(diào)取的帶寬，一般為總線1000M，如對(duì)分散式云存儲(chǔ)進(jìn)行擴(kuò)展，設(shè)置中心存儲(chǔ)設(shè)備，則需考慮整站視頻上傳的需求，即總線帶寬需求為1200M以上

中心云存儲(chǔ)方案、區(qū)域云存儲(chǔ)方案對(duì)帶寬需求較高，如果傳輸網(wǎng)絡(luò)故障，車站圖像將無法傳送，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2容量分析

1路1080P@25 幀（1920×1080）攝像機(jī)圖像按照4M的碼流計(jì)算 90 天的存儲(chǔ)空間：4Mbps×3600 秒×24 小時(shí)×90 天/1024/1024/8=3.7TB。

若采用中心集中存儲(chǔ)方案，所有視頻集中在控制中心機(jī)房?jī)?nèi)，按30座車站考慮，則控制中心機(jī)房需存儲(chǔ)數(shù)據(jù)容量為32.52P。

區(qū)域云存儲(chǔ)方案由于每站需要對(duì)鄰站的存儲(chǔ)余量進(jìn)行存儲(chǔ)，則每站視頻數(shù)據(jù)增加一倍，每站存儲(chǔ)（存儲(chǔ)300路，備份300路）需存儲(chǔ)空間為2220T，全線存儲(chǔ)總?cè)萘繛?5.04P。

采用分散式云存儲(chǔ)則每站容量為每站存儲(chǔ)（考慮300路）存儲(chǔ)需求為1110T，全線存儲(chǔ)總?cè)萘繛?2.52P。

可見，分散式云存儲(chǔ)只需利用車站通信機(jī)房，集中云存儲(chǔ)方案需規(guī)劃一個(gè)較大的通信機(jī)房對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，而區(qū)域云存儲(chǔ)方案由于進(jìn)行數(shù)據(jù)的冗余，整體造價(jià)翻番。

以上為三種方案的粗略分析，在實(shí)際建設(shè)中還應(yīng)相應(yīng)地考慮系統(tǒng)開銷及預(yù)留容量。

四、結(jié)語(yǔ)

中心云存儲(chǔ)方案將所有視頻數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)在控制中心，實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一管理、集中運(yùn)維，業(yè)務(wù)集成度高，基礎(chǔ)體系架構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用架構(gòu)部署靈活，硬件采購(gòu)成本較低。劣勢(shì)在于對(duì)傳輸系統(tǒng)傳輸帶寬要求極高，網(wǎng)絡(luò)的依賴程度高，單點(diǎn)故障風(fēng)險(xiǎn)較大。

區(qū)域云存儲(chǔ)方案通過鄰站互傳的方式結(jié)合云存儲(chǔ)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的特點(diǎn)，在數(shù)據(jù)恢復(fù)上具備明顯優(yōu)勢(shì)，在任意車站數(shù)據(jù)全部毀壞的情況下仍可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行還原，劣勢(shì)在于對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)帶寬有一定的要求，同時(shí)硬件造價(jià)有較大的提升。

分散式云存儲(chǔ)方案在各站分別設(shè)置存儲(chǔ)系統(tǒng)，不考慮互傳及集中存儲(chǔ)，站站相互獨(dú)立，無需高成本傳輸網(wǎng)絡(luò)，且站點(diǎn)個(gè)性化容易體現(xiàn)。對(duì)于土建的影響較小，后續(xù)運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理方便。

綜合考慮數(shù)據(jù)機(jī)房及其它配套條件、數(shù)據(jù)傳輸帶寬需求和實(shí)施成本，在城市軌道交通視頻監(jiān)控項(xiàng)目中，如果對(duì)于數(shù)據(jù)恢復(fù)沒有特殊需求，建議考慮實(shí)施分散式云存儲(chǔ)方案，如考慮中心數(shù)據(jù)接管貢納，也只需適量的增大總線帶寬就可實(shí)現(xiàn)。

朱超（1991-），男，漢，安徽省太湖縣，上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院，工程師，主要從事工作：軌道交通通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王鵬，男，漢，1981年3月28日，甘肅省蘭州市，天津地下鐵道集團(tuán)有限公司，高級(jí)工程師，主要從事工作：弱電專業(yè)建設(shè)管理。

許津津，男，漢，1981年10月28日，河北省石家莊市，中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，高級(jí)工程師，主要從事工作：軌道交通通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)