新标准下高速铁路综合视频监控系统平台研究

李可佳，冯敬然

（铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251）

新标准下高速铁路综合视频监控系统平台研究

李可佳，冯敬然

（铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251）

分析铁总建设［2016］18号文发布后对高速铁路综合视频监控系统平台造成的压力，提出关于系统架构、存储和服务器配置等方面的几种解决方案，并对其技术可行性和应用适应性进行深入分析研究。

综合视频监控；H.265；流媒体；直存；IP全交换

2016年初，中国铁路总公司（简称总公司）发布了铁总建设［2016］18号文件[1]（简称18号文），明确了200 km及以上设计时速铁路综合视频监控前端采集设备的建设标准。文件发布后，路内开展了一系列研究，截至2016年底，摄像机安装方式、视频采集点至视频汇集点的接入方式、汇集节点至Ⅰ/Ⅱ类接入节点的接入方式等技术方案已基本明确。然而，18号文对综合视频监控后台系统设备带来的压力问题及其解决方案还有待进一步开展系统深化研究。

1 新标准对视频平台的压力

18号文发布后，高速铁路综合视频监控系统摄像机数量在原有标准上有所增加，分辨率也由模拟4CIF提高到1080P。考虑站间距45 km、GSM-R为单网交织覆盖、站房面积10 000 m2的典型应用场景，接入车站的视频采集点数量在300个左右（见表1），且单路码流增加到原标准的4倍。根据总公司2013年发布的《铁路综合视频监控系统技术规范（V1.0）》[2]对系统平台设备的技术要求，视频存储分转发服务器的数量及磁盘阵列容量将增加到原来的4~5倍。考虑到当前压缩编码效率的提高，单路1080P码流按照6 Mb/s传输带宽、4 Mb/s存储带宽计算，同时考虑不同厂家服务器配置的能力及工程中表1规模的场景，配置分转发服务器数量为9~12台，磁盘阵列容量约为310 TB（15 d存储）。可见，新标准对服务器、存储等设备能力造成了一定压力，同时也造成了机房面积增加、机房外供电容量提高、机房UPS容量增加以及散热量增加等一系列问题。

表1 典型站视频接入节点规模

需要指出的是，摄像机数量随区间长度、区间桥隧数量、站房规模等调整而变化，其中站房规模影响较大。另外，若考虑《中华人民共和国反恐怖主义法》（简称反恐法）对视频存储90 d的时间要求，需将以上磁盘阵列容量成倍提高，部分车站视频存储容量将超过1 000 TB。

2 存储容量压力的应对方案

存储容量压力问题现阶段需从以下几个方面着手解决：

第一，进一步明确各类视频监控点的存储天数。反恐法规定“重点目标”应采集视频图像信息，视频图像信息存储期限不得小于90 d。铁总办［2016］174号[3]文件也规定了“涉及公共安全”的视频保存期限不应少于90 d。关于“重点目标”和“涉及公共安全”的采集点的界定需要铁路公安等部门予以明确，不应将所有采集点存储时间统一提高到90 d。

第二，选用H.265等更高压缩比的编码方式，以控制码流。H.265编码方式相对于H.264方式，码流降低了至少50%，1路1080P@25 fps视频码率可降到2 Mb/s以下。该方案从技术标准到产品都已基本成熟，但尚未在路内广泛应用。总公司、铁路局、站段等各级监控终端及电视墙目前采用的硬件或软件解码方式大多是基于H.264、MPEG-4等编码格式，这就需要其进行改造。改造包括对软解码/硬解码的模块进行软件升级，也包括对处理能力较低的监控终端和电视墙解码器进行硬件的升级或更换。若要实现编解码方式向H.265的平滑演进，必须处理好不同设备厂商之间软件的互联互通和H.265解码软件的向下兼容性两个问题。

3 视频服务器压力的应对方案

高速铁路综合视频监控系统目前采用流媒体架构，在服务器性能相同的条件下，存储分转发服务器的数量与接入该节点的视频总码流成正比。若要缓解视频服务器的压力，有两种方案：一是降低接入的码流，如前述采用H.265的编码格式；二是采用直存或IP全交换的视频架构[4-5]。采用H.265编码格式，在目前铁路行业采用的流媒体架构下，存储分转发服务器数量将核减到原来的1/3左右。

4 不同视频架构的技术可行性分析

4.1 流媒体架构

流媒体架构是目前高速铁路综合视频监控系统采用的方案（见图1）。摄像机单码流输出，经过存储分转发服务器（即流媒体服务器）实现存储及不同层级部门的调看，实时、存储和回看码流都需经过流媒体服务器的转发。Ⅰ类视频接入节点设置的管理服务器对前端设备进行控制。

图1 流媒体架构示意图

4.2 直存架构

直存架构见图2，每台摄像机输出2路码流，一路通过流媒体服务器分发转发至各层级部门的视频监控终端或经解码器上电视墙，另一路通过存储管理服务器（而非存储服务器）控制直接写入磁盘阵列。

相比流媒体架构，存储码流不必经存储服务器转发而直接存入磁盘阵列，流媒体服务器的数量将减少一半以上。例如，考虑表1的工程案例中343台摄像机接入，按照流媒体架构，需要9台存储服务器和3台分转发服务器。按照直存架构，只需3台分转发服务器和2台（含1台热备）视频存储管理服务器（见表2）。

直存方案对系统及设备有以下几点要求：（1）IPC需支持双码流输出，这一点绝大多数厂家IPC是支持的，且在工程设计中一般对IPC有此要求。（2）IPC及存储设备需配置相同协议，如GB/T 28181、ONVIF等。铁路设备招标过程中，这些协议为设备通用技术要求，工程上已基本满足该条件。（3）因采集点到后台为双码流，需要比流媒体架构高一倍的传输带宽。在18号文发布之后，区间摄像机大部分已采用交换机裸光纤组网接入视频节点，不再受限于SDH等传输设备带宽[6]。可见，高速铁路综合视频监控系统采用直存架构从技术角度是可行的。

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图2 直存架构示意图

表2 车站接入节点不同架构的服务器配置 台

4.3 IP全交换架构

相比直存方案，IP全交换架构省去了分转发服务器，视频的分转发功能由具备组播功能的视频核心层交换机实现（见图3）。IPC采用双码流输出，一路码流通过视频存储管理服务器控制直接写入磁盘阵列，另一路码流经车站核心层视频交换机组播协议，分转发至各需要调看的监视终端或经解码器上墙。回看码流由存储管理服务器控制将磁盘阵列内存储的视频经车站核心层视频交换机分转发至需要的用户。

相比于直存方案，该架构所需服务器进一步核减，只需在各车站配置2台（含热备1台）存储管理服务器即可（见表2）。对视频系统和设备的要求，除直存方案所需的IPC双码流、IPC与存储的协议要求、接入带宽要求外，还需要视频核心交换机具备组播功能。目前工程中配置的视频核心交换机一般都支持此协议，因此在铁路综合视频监控系统中采用IP全交换的架构在技术上也是可行的。

图3 IP全交换架构示意图

从以上技术层面分析表明，3种主流视频架构在铁路综合视频监控系统建设中均为可行方案。

5 不同视频架构的应用适应性分析

以上3种视频架构在地铁视频监视系统中均有采用，已建成的项目中，直存和IP全交换架构在地铁视频监视系统中的比例已超过50%。而目前铁路综合视频监控系统基本均采用流媒体架构，直存和IP全交换只在普速车站旅服视频等不纳入综合视频监控系统的场景有所应用。

通过分析地铁视频监视系统和铁路综合视频监控系统的异同点，可为铁路综合视频监控系统能否采用直存和IP全交换系统架构提供应用借鉴。

第一，平台系统层级结构。地铁视频监视系统分车站/车辆段和控制中心（OCC）两级建设，部分城市设置线网中心（TCC/COCC）。视频的存储、分转发、分析等主要在车站完成，OCC和TCC/COCC只设置少量服务器及存储设备，并完成对本线或本市多条线路的视频管理功能。这一点与铁路综合视频监控系统层级及各级功能类似，所不同在于地铁为全线一个系统，至多全市各条地铁线组成一张视频网，而铁路综合视频监控系统为全国一张大网，各层级的节点数量要远远多于地铁。

第二，视频采集点数量。地铁视频的采集点主要集中在车站，接入车站的视频路数近几年已从100路左右逐渐增长到200路以上，换乘站数量更多。这一点和铁路车站的视频数量基本相当，差别在于铁路因存在较多区间视频，接入单个车站的采集点数量一般多于地铁。

第三，采集点接入方式。地铁采用网线或光纤接入视频接入交换机，再通过网线或光纤接入视频核心交换机。这一点与18号文发布后的铁路视频接入方式相同。

第四，调看用户。地铁视频用户分为运营和公安，早期项目不带云台的摄像机为运营和公安共用，带云台的摄像机需分设并接入运营和公安各自的视频平台。近年来建设的项目多采用摄像机和平台完全共用方式，公安用户只从视频平台调看，优先级由系统软件实现。这与铁路综合视频监控系统的平台合建、资源共享方式是一致的。地铁的视频用户集中在车站层的运营和公安值班、OCC层的调度和派出所、TCC/ COCC层的调度和公安分局。而铁路用户分散在车站、工区、车间、段所、铁路局等各处所、各层级，用户数量也较地铁多，视频分转发的压力要大于地铁。

从以上对比可知，铁路综合视频监控系统和地铁视频监视系统在应用层面上有诸多共同之处，借鉴地铁视频监视系统应用情况，直存和IP全交换系统架构完全可以应用于铁路综合视频监控系统，可以有效解决目前流媒体架构服务器数量过多所带来的一系列问题。其中直存架构更能适应18号文的建设需求，主要体现在以下两方面：

（1）存储管理服务器只处理控制信令不处理码流，工程上一般按照单台服务器处理5 000路视频的存储考虑。在铁路相比地铁车站级节点接入视频数量较多的情况下，直存方案仍然适用，不会造成存储码流处理的压力。

（2）考虑到铁路视频分转发需求的压力，在各级节点仍保留了分转发服务器。这一点和目前的综合视频监控系统的总体架构一致。新建线路采用直存方案，无需对车站以上层级的节点进行任何调整。可最大限度兼容目前的综合视频架构，无需对既有线综合视频架构进行任何调整，具备技术平滑演进的能力。

6 结束语

针对18号文对综合视频监控平台造成的压力，提出几种缓解存储设备和服务器压力的可实施方案。无论从技术还是应用层面上，流媒体、直存和IP全交换系统架构均可应用于铁路综合视频监控系统。工程建设中，应结合技术发展、应用需求，选择适宜的技术标准，合理搭建高速铁路综合视频监控系统。

[1] 铁总建设［2016］18号 关于发布设计时速200公里及以上铁路区间线路视频监控设置有关补充标准的通知[S].

[2] TJ/DW 022—2013 铁路综合视频系统技术规范

（V1.0）[S].

[3] 铁总办［2016］174号 关于印发《高速铁路反恐怖和治安防范标准（试行）》的通知[S].

[4] 李可佳，冯敬然．视频监控新技术在铁路领域的应用探讨[J]．中国铁路，2015(4)：99-102.

[5] 师研，侯宗友，吴平．高清趋势下铁路综合视频监控系统架构[J]．中国铁路，2012(4)：89-91.

[6] 谭超. 高速铁路区间高清视频监控系统承载方式研究[J]．铁道通信信号，2016，52(10)：81-85.

责任编辑 卢敏

Research on HSR Comprehensive Video Surveillance System Using New Standard

LI Kejia，FENG Jingran
（The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300251，China）

The new requirements of [2016] No.18 document of CHINA RAILWAY on the comprehensive video surveillance system platform are analyzed. Solutions for system structure, storage and server conf guration are proposed and their feasibility and adaptability are analyzed.

comprehensive video surveillance；H.265；stream media；direct storage；IP complete exchange

U298

A

1001-683X（2017）03-0092-04

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.03.092

2017-02-20

李可佳（1984—），男，高级工程师。E-mail：13920253595@163.com