轨道交通视频监控多协议注册存储灾备的改造研究与应用

牛生奇 刘东文

摘要：城市轨道交通既有线路全数字视频监控系统大部分采用IPSAN存储，由于IPSAN控制器本身处理能力或者品牌性能配置差异的限制，IPSAN接收的视频存储流主要依靠具有流媒体功能的管理服务器进行视频流转发。文章主要剖析了全数字视频监控系统网络结构和媒体流转发存储方式的缺点，阐述了摄像机通过ONVIF或国标协议等多协议异地平台再注册的系统原理、异地灾备改造内容以及实现单站点实时画面及录像异地灾备的优势。

关键词：轨道交通；视频监控；多协议注册；录像备份

中图分类号：TP391

文献标志码：A

0 引言

轨道交通视频监控系统是轨道交通日常运行、客运管理、安全保障的系统，实时画面的显示和录像调阅对运营管理有着重要的作用。目前大部分既有轨道交通线路均为全数字视频监控系统，但系统采用流媒体服务器转发方式进行视频流的调阅与存储，存在单节点媒体服务器负荷重、存储灾备依靠流媒体服务器转发等缺点，通过对系统传输带宽改造以及摄像机多协议异地注册改造，可实现流媒体服务失效后实时画面及录像异地灾备功能，同时也解决了流媒体服务超负荷运行的问题。

1 轨道交通数字视频监控系统简介

轨道交通视频监视系统是供控制中心调度人员、车站客运人员、电客车司机、轨道交通公安民警等对轨道交通车站的站厅、站台、出入口等重点关注区域以及列车出入站台、乘客上下车情况等提供实时视频监视图像和录像，达到加强运行组织管理，提高营运效率，确保电客车安全正点地运送乘客到达目的地的重要手段。如果车站发生灾情或者紧急情况时，视频监视系统可作为调度员指挥抢险的指挥工具^［1］。

軌道交通视频监控系统主要以高清全数字系统为主，系统具体如图1所示，由控制中心和车站两部分构成。传输系统为其提供的千兆以上的以太网通道（GE 光口）组成完整的两级监视网络，车站为下级域，控制中心为上级域，各车站将所有摄像机通过共享方式在控制中心视频域内建立摄像机列表，实现实时图像和录像的调阅，车站视频管理服务器对本站所有摄像机注册、图像转发、存储、显示进行管理。

2 轨道交通全数字视频监控存储的现状及发展

自2013年以来，轨道交通建设中的全数字视频监控系统也开始进行研究并应用到现场，全数字视频监控系统存储架构主要以IPSAN网络存储为主，随着云计算的发展，云存储架构的存储网络也开始在轨道交通建设中应用。

2.1 本地存储

本地存储是将存储设备（IPSAN）分布在本站，由于IPSAN自身功能不能主动对视频流进行存储，IPSAN借助以太网通过iSCSI协议与平台对接，通常借助提供的流媒体服务功能将摄像机视频流写入，前端摄像机注册在本站点视频监控平台。视频流存储流向为：摄像机、交换机、视频监控平台、交换机、IPSAN，具体如图2所示。

2.2 云存储

轨道交通云存储主要采用虚拟化技术将各站点IPSAN或者集中的IPSAN全面整合存储容量，IPSAN集合了云存储节点功能，通过云存储中心管理功能对总容量进行管理和维护，各车站前端摄像机按照存储周期来分配录像卷且能够灵活调整大小。云存储方式中，视频流通过离散算法对视频流数据进行均衡切片，实现分布式存储，使整个虚拟的数据存储池处在集群工作模式，以集群响应的工作方式提供视频数据并发服务，并保证各设备间业务实现实时负载均衡。此种方式可以提高存储设备的流数据存储效率，同时，系统中的任意节点存储设备故障，系统都能实时控制灾备存储接管，保证系统视频业务不中断，存储数据不丢失^［2］。

2.3 录像存储直存与转存

视频监控系统存储方式根据视频媒体流到磁盘阵列流经方式分为直存和转存^［3］，对于数据流到存储阵列，都是SAN技术；直存是视频流不经过服务器通过交换机直接指向存储设备，但存储设备必须具备流媒体服务功能，可以是带阵列的服务器，也可以是带具备流媒体管理功能的磁盘阵列。转存是视频流经过流媒体服务器发到存储服务器或者存储阵列，一般出现在存储平台与磁盘阵列为不同厂商或者接口不匹配的视频监控系统中。

3 轨道交通全数字视频监控存储的现状分析

轨道交通既有线路中的全数字视频监控系统大部分采用转存为主的本地存储方式，以兰州地铁1号线视频监控系统为例，在运营中发现此种存储方式存在的一些问题。

3.1 灾备模式缺陷

转存模式下的数字视频监控系统视频媒体流流向如图3所示，当IPSAN阵列出现控制器故障或者是交换机与控制器之间出现链路故障时，导致IPSAN无法与视频监控平台通信中断，平台流媒体服务会与异地流媒体服务通信启动异地存储功能，由故障站点视频监控平台将视频流转发至目标地址进行视频存储。若以车站视频管理服务器（含流媒体功能）宕机故障或者视频管理服务器网卡故障为例，全站摄像机运行正常，但该站所有监视器及视频监控客户端实时图像无法调看及录像无法存储，且灾备转存方式依赖车站视频管理服务器也将失效。因此，需要解决视频管理服务器失效情况下，前端摄像机实时图像调看及录像转至中心存储灾备，降低故障影响范围和提供有效的故障处理时间。

3.2 车站视频管理服务器负荷重

由于车站视频监控管理服务器属于单节点，存储视频流及控制中心及公安等外部系统调看的实时视频流均需要经过管理服务器流媒体转发，导致视频管理服务器负荷较重，服务器至交换机之间链路、服务器本身软硬件、视频监控管理平台任一环节出现故障均会导致该站点视频监控瘫痪。

3.3 视频管理服务器故障影响范围大

車站视频管理服务器故障期间，该站点无法存储录像，车控室、站台司机四画面、警务室视频终端均因流媒体服务功能失效而无法看本站点实时图像，控制中心、派出所、公安分局、市局等共享图像的外部系统均无法调看该站点实时图像和录像。

3.4 直存功能改造成本高

按照目前的直存技术，可以实现摄像机视频流直接存储到磁盘阵列，但由于硬件条件限制，车站存储控制器无法支持流媒体服务功能兼容。更新配置较高的存储控制器或者将站点存储进行云存储改造，可实现直存改造，但两个方案扩容成本都比较高。

4 轨道交通全数字视频监控存储的改造研究

针对以上数字视频监控存在的弊端，从降低单节点设备负荷、节约系统改造成本、减小故障影响范围和时间等因素考虑，对既有的数字视频监控系统进行改造，由于车站、控制中心视频监控平台相互独立，可以通过摄像机的不同协议双注册，实现摄像机媒体流对车管理服务器的依赖。

4.1 摄像机注册协议

数字高清摄像机与平台注册协议主要为G28181国标协议^［4］、ONVIF、私有协议等，GB28181和ONVIF协议（又称为兼容协议），当摄像机与平台或者平台与平台为不同厂商设备时，需要使用兼容协议通信。私有协议为设备厂商根据自己的设备开发的协议，为了让摄像机和平台之间的注册方式、通信方式更加高效，更好地优化平台与摄像机功能，通常轨道交通数字视频监控系统中只采用其中一种协议将摄像机注册在车站本域平台上。

4.2 改造原理

轨道交通车站使用的各厂商中高端高清数字摄像机均具备多协议注册功能，使用厂家私有协议以及ONVIF协议分别注册在车站本地节点和控制中心视频监控管理服务器的平台上^［5］，车站本地视频存储正常启动，控制中心摄像机列表只完成摄像机注册配置，不配置存储或者配置存储不启动。当出现车站视频管理服务器故障后，手动启动控制中心故障点车站备用列表内的摄像机存储，并设置存储周期作为备份录像，车站设备确认恢复后，停止控制中心灾备录像，即可完成媒体服务器故障情况下，摄像机实时和录像图像异地备份，或者需要存储改造前录像备份。

4.3 改造内容

针对轨道交通转存方式存储的数字视频监控系统，通过异地多协议注册实现摄像机实时图像及录像灾备。

（1）对于地铁视频监控系统中组网结构基本以星型网为主，承载业务的传输网络以环形网为主，当出现多节点故障时，注册在控制中心的摄像机启动录像后，故障车站视频流全部转向控制中心，所以必须考虑预留同时有多个车站管理服务器故障数量所需承载的带宽，带宽瓶颈点包含控制中心视频监控系统核心交换机与专用通信传输系统接口带宽、控制中心视频监控系统核心交换机与视频监控管理服务器。可以通过端口聚合实现服务器网卡带宽、交换机端口、传输通道扩容，同时实现端口热备冗余，提高可靠性。

（2）要将全线正线车站摄像机注册通过不同于本域注册的协议注册在控制中心，控制中心服务器对摄像机注册数量都有限制，所以需要对摄像机注册数量license进行扩容。

（3）车站视频监控平台与控制中心视频监控平台属于上下级视频域，站点使用的账号可注册在中心域，因此将各站点灾备摄像机列表建立在中心域中各站点组织下，实现实时图像备用，同样的方式可以用于完成域公安视频监控系统的备用摄像机列表建立。

5 全数字视频监控多协议注册存储灾备的优势

多协议注册灾备模式启动主要用于以下两种情况：（1）当出现流媒体服务故障或者所在的管理服务器硬件故障时，控制中心视频监控系统网管人员立即批量启动故障站点灾备存储计划开始存储，车站人员若发现实时画面无法调看，无需切换用户账号的情况下，可以直接打开备用摄像机列表查看画面。（2）当站点存储需要扩容，为防止站点存储录像意外丢失或者是站点重点区域摄像机录像备份时，可提前将该站点需要备份录像的摄像机备用存储计划启动，当中心备份存储达到要求的存储周期时，进行站点扩容作业。

6 结语

随着全数字视频监控系统功能优化及云存储技术的发展，新建线路视频监控系统的录像备份机制，存储设备可靠性越来越高，但针对既有线路的数字视频监控系统，通过多协议注册实现的录像灾备功能能达到零成本改造，在降低流媒体服务器负荷的同时，从根本上解决转存带来的录像丢失隐患，为既有线路视频监控系统的技术改造提供了思路。

参考文献

［1］北京城建设计研究总院有限责任公司.地铁设计规范：GB 50157-2013［S］.北京：中国建筑工业出版社，2014.

［2］李鹏.城市轨道交通视频云存储方案研究［J］.铁路通信信号工程设计，2019（10）：57-61.

［3］林康平，孙杨.数据存储技术［M］.北京：人民邮电出版社，2017.

［4］国家质量监督检验检疫总局.公共安全视频监控联网系统信息传输、交换、控制技术要求：GB/T 28181-2016［S］.北京：中国标准出版社，2016.

［5］张茜.基于ONVIF协议的媒体流实现方法［J］.电子设计工程，2015（15）：140-145.

（编辑 沈 强）

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