關于鐵路綜合視頻監控系統智能運維方案的研究

馬占中

（通號通信信息集團有限公司，北京 100070）

0 引 言

近些年中國鐵路取得了飛速高質量發展，截至2021年底，中國高鐵運營里程突破4萬千米，中國鐵路營運總里程突破15萬千米。伴隨著中國鐵路的飛速發展，鐵路綜合視頻監控系統作為鐵路運營的重要安全保障，其規模不斷擴大、設備種類越來越龐雜、系統結構越來越復雜、系統維護工作越來越繁重。

鐵路綜合視頻監控系統如果采用傳統的人工運維方式，其被動運維效率低下，經常出現漏檢問題，數據統計不全、考核無法下手，無法適應視頻規模高速增長和相關業務應用不斷增加的管理需求。

視頻圖像質量診斷系統是一種用計算機來代替人工對攝像機的圖像質量自動診斷的系統。但是現有的視頻圖像質量診斷系統診斷效率低下、診斷結果準確率不高，容易對攝像機故障造成誤判，不能滿足當前鐵路綜合視頻監控系統的發展要求。

鐵路綜合視頻監控系統的網管模塊對網絡中的硬件進行了監控，但是監控功能簡單，隨著綜合視頻監控系統不斷發展，網管功能不能滿足當前系統維護工作的需求。

為了解決上述問題，本文依據《QCR 575—2017鐵路視頻監控系統技術規范》，以鐵路綜合視頻監控系統的運維工

作為對象，研究一個系統方案，用于指導鐵路綜合視頻監控智能運維系統的開發工作。方案通過對全網視頻設備、IT設備、系統軟件及應用軟件等進行實時監控、故障告警、故障定位、自動化工單和大數據分析，實現對視頻監控系統及其基礎支撐運行環境的可視、可控、可管理，持續提升視頻監控系統的整體運行維護管理水平，保障視頻監控系統長期穩定。

1 總體架構設計

方案以鐵路綜合視頻業務為出發點，實現全面、海量視頻數據的收集，同時融合基礎設施和系統軟件的監控數據，向用戶提供多維立體可視化監控服務，提升視頻數據價值，提供智能運維，全方位感知設備狀態、用戶行為，感知業務運行質量，降低人員工作強度、提升工作效率，有效指導運維工作，實現故障全周期跟蹤。

1.1 系統邏輯架構設計

方案系統邏輯架構分為6層，如圖1所示。

圖1 智能運維系統邏輯架構圖

感知層指被監控的硬件設備與軟件，包括攝像機、編碼器、解碼器、服務器、交換機、磁陣、防火墻、UPS、操作系統、視頻監控系統軟件、云存儲系統軟件等。

協議層指監控服務與被監控對象之間的通信協議，包括SSH、HTTP、HTTPS、IMAP、TCP、Telnet、Zabbix agent、SNMPv1 agent、SNMPv2 agent、SNMPv3 agent、ICMP ping、RTSP，鐵標A接口協議等。

服務層指執行監控任務的服務程序，包括Zabbix服務、圖像質量診斷服務、運維管理接入服務。

數據層指系統的基礎數據與服務層從監控對象采集到數據，包括運維管理數據庫、Zabbix服務數據庫、圖像質量診斷數據庫、消息隊列數據等。

應用層指數據的管理和處理層，是用戶直接使用的各種應用，包括系統基礎數據管理、設備管理、圖診任務管理、告警管理、工單管理、數據統計等。

展示層指系統與用戶交互信息界面，向用戶展示信息，接收用戶的輸入，包括Web瀏覽器、大屏幕展示、手機APP、電子郵件、短消息等。

1.2 技術架構設計

感知層的硬件設備通過啟用SNMPagent、開通IPMI接口、安裝Zabbix agent等技術措施，使設備中的數據能夠采集到Zabbix監控服務器。感知層的云存儲系統通過restful格式的應用程序接口為運維管理接入服務提供監控數據。感知層的視頻監控系統通過TCP/IP技術將視頻數據傳輸到圖像質量診斷服務。

服務層的Zabbix監控服務是一種企業級的分布式開源監控解決方案，能夠監控眾多網絡參數和服務器的健康度和完整性的軟件。圖像質量診斷服務采用C++技術開發，實現了鐵路視頻監控系統技術規范中的A接口，通過TCP與綜合視頻監控系統通信，獲取視頻流，并將視頻圖像解碼，將圖像數據送入深度學習模型中進行圖像分析，再將分析結果寫入數據庫并發送MQ消息通知運維管理系統。

數據層的數據庫選用MySQL數據庫，MySQL是當前最流行的關系型數據庫管理系統之一。消息隊列選用ActiveMQ，它是Apache出品的開源消息總線，是一個完全支持JMS規范的JMS Provider實現，支持多種語言和協議編寫客戶端。

應用層的各功能模塊采用Java EE技術，基于當前流行的SpringBoot開發框架實現。SpringBoot開箱即用，提供各種默認配置來簡化項目配置，使得開發人員擺脫了復雜的配置工作以及依賴的管理工作，更加專注于業務邏輯。應用層通過SpringMVC框架為展示層提供Restful開發接口并處理用戶請求，通過Hibernate、JPA等持久層框架訪問數據庫，通過JMS與消息隊列進行即時通信。

展示層采用Layui開源框架開發，并集成了echarts、bootstrap等多種組件，通過Ajax、WebSocket等技術與應用層進行數據交互。Layui是一套開源的Web UI解決方案，采用自身經典的模塊化規范，并遵循原生HTML/CSS/JS的開發方式，風格簡約輕盈，而組件優雅豐盈，非常適合網頁界面的快速開發。

2 關鍵功能詳細設計

2.1 視頻圖像質量診斷功能

視頻圖像質量診斷功能包括攝像機資源管理、診斷模板與算法管理、診斷任務管理、診斷數據統計等，融合了信息處理技術、圖像處理技術、計算機視覺技術、計算機圖形學、人工智能、圖像分析等多項技術，涉及運維管理服務、圖像診斷服務和圖像診斷算法模塊，網絡結構如圖2所示。

圖2 視頻圖像質量診斷功能網絡架構圖

視頻圖像質量診斷功能能夠支持多種診斷類型，診斷類型及說明如表1所示。

表1 視頻圖像質量診斷類型

視頻圖像質量診斷功能的工作流程如圖3所示。

圖3 視頻圖像質量診斷功能工作流程圖

首先要獲取攝像機的資源信息，視頻圖像質量診斷功能中的攝像機資源數據的來源是視頻監控系統。用戶在運維管理服務提供的Web界面上，通過點擊“資源同步”按鈕觸發攝像機同步事件。運維管理服務后臺收到攝像機同步消息后，發送“資源同步”命令到ActiveMQ的消息隊列。圖像診斷服務接收到ActiveMQ轉發的“資源同步”命令后，通過鐵路綜合視頻規范中的A接口協議連接視頻監控系統獲取攝像機資源信息，并將獲取到的數據寫入數據庫中。

用戶通過視頻運維管理系統的Web界面，可以管理診斷任務。創建診斷任務時，每個診斷任務需要配置幾種不同的診斷類型。為了簡化診斷任務的配置，系統中通過增加診斷模板，將診斷類型進行組合，每個任務只選擇一個模板即可。診斷任務分為單次任務和周期任務。單次任務主要用于臨時診斷，周期任務由系統根據參數設置自動執行。

診斷任務的執行由圖像診斷服務完成。診斷服務通過ActiveMQ接收診斷命令，收到執行任務的命令后，通過A接口協議調取視頻監控系統的視頻流，對視頻流解碼并將圖片發送給診斷算法模型。進行圖像數據分析的算法模型是基于深度學習技術訓練得出的，經過了大量實景圖片的監督學習，提高了圖像診斷的準確率。一張圖片經過算法模型運算可診斷出多種類型的概率，提高了圖像診斷診斷效率。算法模型對圖片進行運算后，輸出各種診斷類型的概率，確定診斷結果，并將結果輸出到診斷服務。診斷服務將診斷結果寫入數據庫中，并通過ActiveMQ將診斷進度通知到運維管理系統。運維管理系統收到診斷任務的實時進度后，通過WebSocket將消息實時發送到正在查看診斷任務的用戶的Web瀏覽器上，用戶可以實時了解任務診斷的進度。

用戶在視頻運維管理系統Web界面可以對診斷歷史結果進行數據統計，以表格和圖表的形式展現，并支持將統計結果導出為Excel格式文件。

2.2 設備與軟件監控功能

設備與軟件監控功能包括設備管理、設備實時監控、告警通知與處理等，涉及運維管理服務和Zabbix監控服務，網絡架構如圖4所示。

圖4 設備與軟件監控功能網絡架構圖

Zabbix負責設備與軟件的實時監控、數據采集、生成告警等業務。Zabbix是一種高度集成的網絡監控解決方案，支持輪詢和被動捕獲。Zabbix由幾個主要的功能組件組成，組件及職責如表2所示。

表2 Zabbix主要功能組件及職責

Zabbix可從任何設備、系統、應用程序上采集數據；支持Zabbix agent主動和被動監控模式；支持多種協議的無代理監控（ICMP和TCP檢查、IPMI、SNMP（v1/2c/3）輪詢和trapping、SSH/Telnet檢查、Modbus和MQTT協議支持、使用外部腳本或插件進行擴展）；存儲數據之前對任何類型的數據進行規范和轉換；支持定義非常靈活的問題閾值，便于精準發現問題；支持多個渠道發送告警事件消息；支持自動掃描網絡并添加發現的設備；支持使用開箱即用的模板或自定義監控模板；通過部署Zabbixproxy，支持分布式監控；提供可編程接口，用于大規模操作、第三方軟件集成。

視頻監控系統中的攝像機、編碼器、解碼器、交換機、磁陣、防火墻、UPS等設備都安裝了SNMP代理，Zabbix服務可以通過SNMP方式進行數據采集。服務器和操作系統可以啟用IPMI并安裝Zabbix agent，Zabbix服務能夠獲取到更為豐富的數據。視頻監控系統軟件和云存儲系統軟件提供restful接口，Zabbix服務通過調用外部腳本的方式采集數據。

運維管理服務采用B/S結構開發，提供用戶操作界面和后臺服務，支持對監控設備信息的維護、設備監控信息的實時展示、告警信息的顯示及處理等功能。用戶通過Web瀏覽器訪問運維管理服務，經后臺服務認證授權進入設備維護界面，輸入設備信息，通過ajax技術將設備信息提交到后臺服務，后臺服務將信息存儲到MySQL數據庫并調用Zabbix提供基于JSON-RPC 2.0協議的WebAPI在Zabbix服務中創建設備的監控信息。Zabbix服務根據設備的監控策略執行監測任務，并將采集的數據進行處理后存儲到Zabbix數據庫中，如果收到的數據超過設置的閾值會產生告警事件，并根據設置的媒介類型和消息格式發送消息。通過JDBC數據庫連接訪問Zabbix的數據庫服務，讀取監控數據。

3 結 論

鐵路綜合視頻監控系統智能運維管理方案綜合運用Zabbix、spring boot、C++、AI、echarts、bootstrap、Ajax、WebSocket、Messagequeue等多種技術，對綜合視頻監控系統的硬件設備、網絡狀況和軟件系統的運行數據進行了實時采集，對采集的數據進行分析，及時產生告警事件，以多種方式通知到用戶。該方案使用戶可以實時了解綜合視頻監控系統的運行狀況，及時發現系統故障告警、快速解決故障，降低系統維護的難度，能夠有效地保障綜合視頻監控系統穩定運行。