軌道交通視頻監控多協議注冊存儲災備的改造研究與應用

牛生奇 劉東文

摘要：城市軌道交通既有線路全數字視頻監控系統大部分采用IPSAN存儲，由于IPSAN控制器本身處理能力或者品牌性能配置差異的限制，IPSAN接收的視頻存儲流主要依靠具有流媒體功能的管理服務器進行視頻流轉發。文章主要剖析了全數字視頻監控系統網絡結構和媒體流轉發存儲方式的缺點，闡述了攝像機通過ONVIF或國標協議等多協議異地平臺再注冊的系統原理、異地災備改造內容以及實現單站點實時畫面及錄像異地災備的優勢。

關鍵詞：軌道交通；視頻監控；多協議注冊；錄像備份

中圖分類號：TP391

文獻標志碼：A

0 引言

軌道交通視頻監控系統是軌道交通日常運行、客運管理、安全保障的系統，實時畫面的顯示和錄像調閱對運營管理有著重要的作用。目前大部分既有軌道交通線路均為全數字視頻監控系統，但系統采用流媒體服務器轉發方式進行視頻流的調閱與存儲，存在單節點媒體服務器負荷重、存儲災備依靠流媒體服務器轉發等缺點，通過對系統傳輸帶寬改造以及攝像機多協議異地注冊改造，可實現流媒體服務失效后實時畫面及錄像異地災備功能，同時也解決了流媒體服務超負荷運行的問題。

1 軌道交通數字視頻監控系統簡介

軌道交通視頻監視系統是供控制中心調度人員、車站客運人員、電客車司機、軌道交通公安民警等對軌道交通車站的站廳、站臺、出入口等重點關注區域以及列車出入站臺、乘客上下車情況等提供實時視頻監視圖像和錄像，達到加強運行組織管理，提高營運效率，確保電客車安全正點地運送乘客到達目的地的重要手段。如果車站發生災情或者緊急情況時，視頻監視系統可作為調度員指揮搶險的指揮工具^［1］。

軌道交通視頻監控系統主要以高清全數字系統為主，系統具體如圖1所示，由控制中心和車站兩部分構成。傳輸系統為其提供的千兆以上的以太網通道（GE 光口）組成完整的兩級監視網絡，車站為下級域，控制中心為上級域，各車站將所有攝像機通過共享方式在控制中心視頻域內建立攝像機列表，實現實時圖像和錄像的調閱，車站視頻管理服務器對本站所有攝像機注冊、圖像轉發、存儲、顯示進行管理。

2 軌道交通全數字視頻監控存儲的現狀及發展

自2013年以來，軌道交通建設中的全數字視頻監控系統也開始進行研究并應用到現場，全數字視頻監控系統存儲架構主要以IPSAN網絡存儲為主，隨著云計算的發展，云存儲架構的存儲網絡也開始在軌道交通建設中應用。

2.1 本地存儲

本地存儲是將存儲設備（IPSAN）分布在本站，由于IPSAN自身功能不能主動對視頻流進行存儲，IPSAN借助以太網通過iSCSI協議與平臺對接，通常借助提供的流媒體服務功能將攝像機視頻流寫入，前端攝像機注冊在本站點視頻監控平臺。視頻流存儲流向為：攝像機、交換機、視頻監控平臺、交換機、IPSAN，具體如圖2所示。

2.2 云存儲

軌道交通云存儲主要采用虛擬化技術將各站點IPSAN或者集中的IPSAN全面整合存儲容量，IPSAN集合了云存儲節點功能，通過云存儲中心管理功能對總容量進行管理和維護，各車站前端攝像機按照存儲周期來分配錄像卷且能夠靈活調整大小。云存儲方式中，視頻流通過離散算法對視頻流數據進行均衡切片，實現分布式存儲，使整個虛擬的數據存儲池處在集群工作模式，以集群響應的工作方式提供視頻數據并發服務，并保證各設備間業務實現實時負載均衡。此種方式可以提高存儲設備的流數據存儲效率，同時，系統中的任意節點存儲設備故障，系統都能實時控制災備存儲接管，保證系統視頻業務不中斷，存儲數據不丟失^［2］。

2.3 錄像存儲直存與轉存

視頻監控系統存儲方式根據視頻媒體流到磁盤陣列流經方式分為直存和轉存^［3］，對于數據流到存儲陣列，都是SAN技術；直存是視頻流不經過服務器通過交換機直接指向存儲設備，但存儲設備必須具備流媒體服務功能，可以是帶陣列的服務器，也可以是帶具備流媒體管理功能的磁盤陣列。轉存是視頻流經過流媒體服務器發到存儲服務器或者存儲陣列，一般出現在存儲平臺與磁盤陣列為不同廠商或者接口不匹配的視頻監控系統中。

3 軌道交通全數字視頻監控存儲的現狀分析

軌道交通既有線路中的全數字視頻監控系統大部分采用轉存為主的本地存儲方式，以蘭州地鐵1號線視頻監控系統為例，在運營中發現此種存儲方式存在的一些問題。

3.1 災備模式缺陷

轉存模式下的數字視頻監控系統視頻媒體流流向如圖3所示，當IPSAN陣列出現控制器故障或者是交換機與控制器之間出現鏈路故障時，導致IPSAN無法與視頻監控平臺通信中斷，平臺流媒體服務會與異地流媒體服務通信啟動異地存儲功能，由故障站點視頻監控平臺將視頻流轉發至目標地址進行視頻存儲。若以車站視頻管理服務器（含流媒體功能）宕機故障或者視頻管理服務器網卡故障為例，全站攝像機運行正常，但該站所有監視器及視頻監控客戶端實時圖像無法調看及錄像無法存儲，且災備轉存方式依賴車站視頻管理服務器也將失效。因此，需要解決視頻管理服務器失效情況下，前端攝像機實時圖像調看及錄像轉至中心存儲災備，降低故障影響范圍和提供有效的故障處理時間。

3.2 車站視頻管理服務器負荷重

由于車站視頻監控管理服務器屬于單節點，存儲視頻流及控制中心及公安等外部系統調看的實時視頻流均需要經過管理服務器流媒體轉發，導致視頻管理服務器負荷較重，服務器至交換機之間鏈路、服務器本身軟硬件、視頻監控管理平臺任一環節出現故障均會導致該站點視頻監控癱瘓。

3.3 視頻管理服務器故障影響范圍大

車站視頻管理服務器故障期間，該站點無法存儲錄像，車控室、站臺司機四畫面、警務室視頻終端均因流媒體服務功能失效而無法看本站點實時圖像，控制中心、派出所、公安分局、市局等共享圖像的外部系統均無法調看該站點實時圖像和錄像。

3.4 直存功能改造成本高

按照目前的直存技術，可以實現攝像機視頻流直接存儲到磁盤陣列，但由于硬件條件限制，車站存儲控制器無法支持流媒體服務功能兼容。更新配置較高的存儲控制器或者將站點存儲進行云存儲改造，可實現直存改造，但兩個方案擴容成本都比較高。

4 軌道交通全數字視頻監控存儲的改造研究

針對以上數字視頻監控存在的弊端，從降低單節點設備負荷、節約系統改造成本、減小故障影響范圍和時間等因素考慮，對既有的數字視頻監控系統進行改造，由于車站、控制中心視頻監控平臺相互獨立，可以通過攝像機的不同協議雙注冊，實現攝像機媒體流對車管理服務器的依賴。

4.1 攝像機注冊協議

數字高清攝像機與平臺注冊協議主要為G28181國標協議^［4］、ONVIF、私有協議等，GB28181和ONVIF協議（又稱為兼容協議），當攝像機與平臺或者平臺與平臺為不同廠商設備時，需要使用兼容協議通信。私有協議為設備廠商根據自己的設備開發的協議，為了讓攝像機和平臺之間的注冊方式、通信方式更加高效，更好地優化平臺與攝像機功能，通常軌道交通數字視頻監控系統中只采用其中一種協議將攝像機注冊在車站本域平臺上。

4.2 改造原理

軌道交通車站使用的各廠商中高端高清數字攝像機均具備多協議注冊功能，使用廠家私有協議以及ONVIF協議分別注冊在車站本地節點和控制中心視頻監控管理服務器的平臺上^［5］，車站本地視頻存儲正常啟動，控制中心攝像機列表只完成攝像機注冊配置，不配置存儲或者配置存儲不啟動。當出現車站視頻管理服務器故障后，手動啟動控制中心故障點車站備用列表內的攝像機存儲，并設置存儲周期作為備份錄像，車站設備確認恢復后，停止控制中心災備錄像，即可完成媒體服務器故障情況下，攝像機實時和錄像圖像異地備份，或者需要存儲改造前錄像備份。

4.3 改造內容

針對軌道交通轉存方式存儲的數字視頻監控系統，通過異地多協議注冊實現攝像機實時圖像及錄像災備。

（1）對于地鐵視頻監控系統中組網結構基本以星型網為主，承載業務的傳輸網絡以環形網為主，當出現多節點故障時，注冊在控制中心的攝像機啟動錄像后，故障車站視頻流全部轉向控制中心，所以必須考慮預留同時有多個車站管理服務器故障數量所需承載的帶寬，帶寬瓶頸點包含控制中心視頻監控系統核心交換機與專用通信傳輸系統接口帶寬、控制中心視頻監控系統核心交換機與視頻監控管理服務器。可以通過端口聚合實現服務器網卡帶寬、交換機端口、傳輸通道擴容，同時實現端口熱備冗余，提高可靠性。

（2）要將全線正線車站攝像機注冊通過不同于本域注冊的協議注冊在控制中心，控制中心服務器對攝像機注冊數量都有限制，所以需要對攝像機注冊數量license進行擴容。

（3）車站視頻監控平臺與控制中心視頻監控平臺屬于上下級視頻域，站點使用的賬號可注冊在中心域，因此將各站點災備攝像機列表建立在中心域中各站點組織下，實現實時圖像備用，同樣的方式可以用于完成域公安視頻監控系統的備用攝像機列表建立。

5 全數字視頻監控多協議注冊存儲災備的優勢

多協議注冊災備模式啟動主要用于以下兩種情況：（1）當出現流媒體服務故障或者所在的管理服務器硬件故障時，控制中心視頻監控系統網管人員立即批量啟動故障站點災備存儲計劃開始存儲，車站人員若發現實時畫面無法調看，無需切換用戶賬號的情況下，可以直接打開備用攝像機列表查看畫面。（2）當站點存儲需要擴容，為防止站點存儲錄像意外丟失或者是站點重點區域攝像機錄像備份時，可提前將該站點需要備份錄像的攝像機備用存儲計劃啟動，當中心備份存儲達到要求的存儲周期時，進行站點擴容作業。

6 結語

隨著全數字視頻監控系統功能優化及云存儲技術的發展，新建線路視頻監控系統的錄像備份機制，存儲設備可靠性越來越高，但針對既有線路的數字視頻監控系統，通過多協議注冊實現的錄像災備功能能達到零成本改造，在降低流媒體服務器負荷的同時，從根本上解決轉存帶來的錄像丟失隱患，為既有線路視頻監控系統的技術改造提供了思路。

參考文獻

［1］北京城建設計研究總院有限責任公司.地鐵設計規范：GB 50157-2013［S］.北京：中國建筑工業出版社，2014.

［2］李鵬.城市軌道交通視頻云存儲方案研究［J］.鐵路通信信號工程設計，2019（10）：57-61.

［3］林康平，孫楊.數據存儲技術［M］.北京：人民郵電出版社，2017.

［4］國家質量監督檢驗檢疫總局.公共安全視頻監控聯網系統信息傳輸、交換、控制技術要求：GB/T 28181-2016［S］.北京：中國標準出版社，2016.

［5］張茜.基于ONVIF協議的媒體流實現方法［J］.電子設計工程，2015（15）：140-145.

（編輯 沈 強）

Research and application of multi protocol registration in urban rail transit video monitoring system for disaster recovery

Niu Shengqi， Liu Dongwen^*

（Lanzhou Rail Transit Co.， Ltd.， Lanzhou 730030， China）

Abstract： Most of the existing digital video monitoring systems of urban rail transit use IPSAN . Due to the limitations of the processing capacity of the IPSAN controller itself or brand performance configuration differences， the video storage streams received by IPSAN mainly rely on the management server with streaming media function to forward the video streams. This paper mainly analyzes the shortcomings of the network structure of the digital video monitoring system and the media stream forwarding and storage mode， and expounds the system principle of the camera re registration through the multi protocol remote platform such as ONVIF or national standard protocol， the content of remote disaster recovery transformation， and the advantages of realizing single site real-time images and video remote disaster recovery.

Key words： rail transit; video surveillance; multi-protocol registration; video backup