地铁列车监控录像云存储方案探讨

陈 涛

（杭州市地铁集团有限责任公司，浙江杭州 310000）

0 前言

地铁列车作为空间狭小、人员密集的公共场所，一直以来都是地铁安全防护领域的工作重点。早期列车一般采用模拟摄像头，画面分辨率较低，系统结构复杂。为进一步优化列车视频监控效果，各城市的新线列车均开始采用车载高清数字摄像头。随着国家反恐形式日益严峻，2016 年开始实行的《反恐怖主义法》中规定：“重点目标管理单位采集的视频图像信息保存期限不得少于九十日。”本文通过介绍现有列车视频监控方案，针对如何有效地存储整列车的视频监控录像这一课题，提出新的思路并进行可行性分析。

1 列车视频监控方案简介

地铁列车视频监控系统有别于地面视频监控系统。由于列车车厢的特殊性，在摄像头的选型、布放数量及位置，数据存储，线缆敷设等方面有诸多限制和要求。

现有列车视频监控系统的车载局域网组网方式一般采用有线环形组网，设置在车头、车尾以及各车厢的车载以太网交换机，通过间隔连接方式组成以太网环网。目前系统采用全数字网络化方案，每节车厢的车载交换机负责将本车厢的高清数字摄像机及各设备接入车载局域网，如图 1 所示。

综合考虑车厢环境、建设投入及画面要求，为有效避免车厢内立柱以及满员时高大乘客的遮挡，每列车厢设置 4 台摄像机，可以有效地避免盲区[1]。摄像机通过接入车载局域网，录像信息在车头以及车尾的视频服务器上进行实时存储，互为冗余。

2 录像存储容量计算

为统一列车录像存储容量计算结果，本文中列车默认为 6 节编组，每节车厢安装 4 台摄像机，每个司机室安装 2 台红外摄像机，全车共 28 台摄像机。考虑到夜间停运，每列车的存储时间按 20 h 计算。

全车监控录像存储容量计算公式为：

图1 车载视频监控系统示意图

公式（1）中，全车视频录像存储容量单位 MB；摄像头码率单位 Mbps；时间单位 s。

车厢内高清数字摄像机主流分辨率一般采用 720P，码率约为 2 Mbps，因此一列车每天需要存储的监控录像数据容量约为 0.48 TB。根据国家《反恐怖主义法》保存期限90 日的规定，同时根据设计要求预留 20% 的存储空间余量，最终全车监控录像存储总容量需求约为 54 TB。随着技术发展，如果采用 1080P 或 4K 高清数字摄像机，存储容量需求将进一步增大。

3 本地存储方案

地铁列车视频监控录像采用本地存储是目前各城市的通用做法，常见的存储硬盘有 3.5 英寸机械硬盘（台式机硬盘）、2.5 英寸机械硬盘（笔记本硬盘）以及SSD 固态硬盘 3 种。其中 3.5 英寸机械硬盘抗振动能力差，故障率高，不适合在列车环境上使用。SSD 固态硬盘抗振动能力最强，但是容量相对较小，价格偏高[2]。综合考虑容量需求、抗振动能力及经济因素，2.5 英寸机械硬盘是目前列车存储介质的最佳选择。

目前工业级 2.5 英寸机械硬盘的最大容量为 2TB（由于硬盘厂家计算方式，实际存储容量约为 1.8 TB），因此一列车需要安装 30 块容量为 2TB 的2.5英寸机械硬盘，才能满足本列车 90 天的高清录像存储需求。

现有车载视频存储设备硬盘位一般不超过 8 个，同时还需实现 RAID5 磁盘阵列，1 台车载视频存储设备的存储容量一般不超过 13 TB。考虑到列车录像冗余需求，全车共需要 8 台车载视频存储设备，现有列车有限的柜内空间很难满足如此多存储设备的安装空间需求。

4 地面云存储方案可行性分析

若保持既有车载视频监控系统的结构及存储方案不变，同时通过车地无线网络将每列车的车载监控录像上传至地面控制中心机房，运用技术成熟的地面存储设备进行集中保存，则完全可以满足大容量的存储需求。

4.1 车地无线技术方案比选

目前地铁车地无线主流技术制式主要有无线局域网（WLAN）、通用移动通信技术的长期演进技术（LTE）、地面数字电视广播标准（DVB-T）3 类。

4.1.1 WLAN 技术

由于 WLAN 技术成熟，产业化水平高，是目前应用最为广泛的一种移动宽带传输技术，其标准主要有802.11a、802.11g、802.11n、802.11ac。采用无线局域网技术，可实现车地双向高速通信，提供高带宽，满足列车高速运行状态下的视频数据传送需求。目前主流的 802.11n 可以在2.4GHz 和 5.8GHz 2 个频段工作，理论带宽 300 Mbps。802.11ac 在 5.8 GHz 频段工作，理论带宽 1 300 Mbps。

4.1.2 LTE 技术

LTE 主要利用 4G 技术，在移动性和带宽方面均有大幅提高，20 MHz 频谱带宽下能够提供下行 100 Mbps与上行 50 Mbps 的峰值速率，而且 LTE 技术可以为高速运行列车环境提供稳定的接入服务[3]。目前，郑州地铁、杭州地铁等已成功利用在 1 800 MHz 频段下工作的 LTE 技术传输乘客信息系统（PIS）和闭路电视监控系统（CCTV）视频监控信息，但存在频率申请问题。

4.1.3 DVB-T 技术

DVB-T 采用 MPEG-2 视音频编码以及 COFDM 调制方式，基本原理是将高速数据流通过串并转换，分配到传输速率较低的若干子信道中进行传输，理论可达16 Mbps上下行传输数据带宽。系统一般通过分设上行及下行 2 套无线传输设备的方式，实现车地之间的双向数据传输，具有较强的抗干扰能力，但也存在频率申请问题[4]。

4.1.4 技术方案对比

上述几种车地无线技术方案对比，见表 1。按本文列车视频监控方案计算，每台 720P 高清摄像机的上传带宽需求为 2 Mbps，统筹考虑上传预留带宽、车载视频直播等业务带宽，全车车地无线带宽需求约为 130 Mbps。

通过对几种车地无线技术方案在带宽、抗干扰性、投资造价等多方面的比选，802.11ac 实际带宽满足全车监控录像实时上传需求，是目前比较适合列车录像地面云存储的车地无线技术方案。

表1 车地无线技术方案对比

4.2 列车录像地面云存储方案

云存储是在云计算概念上延伸和发展出来的一个新的概念，是一种新兴的网络存储技术。列车录像地面云存储是指将列车录像实时上传至地面控制中心进行统一存储，通过存储虚拟化技术，采用分布式文件系统，将数据分散存储于多个节点，再通过应用软件将多个存储节点集合起来协同工作，共同对外提供数据存储和业务访问功能的一个系统[5]。

云存储方案采用全新的设计理念，从服务可用性、数据可靠性、接口通用性等多个维度提升监控存储的质量，而且随着后续地铁线网规模的不断扩大，云存储方案也可实现性能与容量的线性扩展。

图2 列车录像地面云存储整体架构

如图 2 所示，区间无线访问接入点（AP）沿地铁线路连续布设，列车视频监控录像数据采用无线方式上传至区间 AP，并通过区间光缆传送至车站，之后经车站交换机上传至控制中心。地面云存储相关设备安装于控制中心机房，通过万兆交换机与控制中心交换机连接，设备主要由交换机、元数据服务器、存储节点、流媒体服务器及云存储软件等组成。地铁工作人员可以在控制中心集中管理线网所有列车的视频监控录像数据。

云存储方案并不是视频存储的简单堆积，而是存储和管理的中心节点，它将云设备、云软件、云服务整合后提供一套完整的解决方案。结合虚拟化技术、数据安全及保护技术、智能分布式视频数据筛选、智能分析和计算等核心技术，云存储方案整合了地铁列车原有分散录像数据，将进一步降低人工成本，避免资源浪费，打造出一个便捷、统一管理和高效应用的地铁视频大数据基础平台。

5 结束语

在当前地铁安防形式下，针对如何有效存储地铁列车海量视频录像数据的问题进行分析、探讨。在保证车地无线网络满足数据传输需求的前提下，云存储以其数据可靠、接口通用、线性扩展、智能分析等诸多优势，改变了传统视频监控系统模式，为地铁列车大容量视频数据存储提供了新的解决思路。

[1] 陈爽. 广州地铁新线车厢视频监控方案分析[J]. 铁路计算机应用，2014，23（5）：63-64.

[2] 林必毅，周俊，周清华. 地铁列车存储技术的应用研究[J]. 微计算机信息，2010，26（11）：201-202.

[3] 黄佳强. LTE在地铁乘客信息系统无线传输中的应用[J]. 铁道工程学报，2014，31（11）：111-115.

[4] 宋子良. 城市轨道交通1800MHz车地无线通信网络方案研究[J]. 中国高新技术企业，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.