地铁高清视频监控系统存储扩容方案研究

摘 要：武汉轨道交通线网部分线路设计和开通年限较长，无法满足《防恐法》公共区域及重点部位视频监控图像信息保存期限不少于90天的要求。研究立足于城市轨道交通运营实际，提出一种基于ONVIF协议的辅码流异地备份存储方案，实现了对既有高清视频监控系统的存储扩容。该方案已应用于武汉轨道交通某三线换乘站，相比本地存储扩容方案具有实施简单、对运营影响小、改造成本低的优势，对城市轨道交通高清视频监控系统存储90天扩容改造具有一定的指导意义。

关键词：视频监控；ONVIF协议；异地备份；存储扩容；城市轨道交通

中图分类号：TP277；U285.3 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）13-0167-05

Research on Storage Expansion Scheme for Metro HD Video Monitoring System

GONG Jiansheng， XU Lijin， LIU Dong， FU Yiming

（Wuhan Metro Operation Co.， Ltd.， Wuhan 430000， China）

Abstract： The design and operation period of a part lines in the Wuhan rail transit network is relatively long， cannot meet the Anti Terrorism Law ask for the storage period of public areas and key areas video surveillance image information to be no less than 90 days. The research is based on the actual operation of urban rail transit， a scheme for remote backup and storage of auxiliary code streams based on ONVIF protocol is proposed， storage expansion of existing HD video monitoring systems is realized. This scheme has been applied at a transfer station for a three lines of Wuhan Rail Transit， compared to local storage expansion solutions， it has the advantages of simple implementation， minimal impact on operations， and low transformation costs， it has certain guiding significance for expansion and transformation of HD video monitoring systems about storage for more than 90 days in urban rail transit.

Keywords： video monitoring; ONVIF protocol; remote backup; storage expansion; urban rail transit

0 引 言

城市轨道交通视频监控系统是监视列车运行，掌握客流大小、流向，保障列车正常运行的重要辅助工具，同时也是公安部门用于全方位监控车站，及时发现并处置突发事件的重要工具[1-2]。武汉轨道交通线网部分线路视频图像信息保存时间不足90天，因此对此部分线路视频监控系统存储进行扩容改造，满足新形势下轨道交通运营事件调查及公安部门防恐需求，保障运营安全及乘客安全，是非常有必要的。本文通过对武汉轨道交通高清视频监控系统现状及存储方案的分析研究，提出一种在不影响用户使用、保障运营安全及公共安全的前提下，低成本实现存储90天扩容的方案。

1 现状分析

武汉轨道交通线网各线路视频监控系统为数字高清视频监控系统，该系统采用全数字化的IP全交换技术，使用存储局域网络（Storage Area Network， SAN）设备进行视频存储，由IP摄像机、监控平台、交换机、SAN存储设备及解码器等设备组成[3]，系统结构图如图1所示。

武汉轨道交通采用高清视频监控系统的线路共有21条（含延伸线），公共区域及重点部位视频图像信息保存时间有三种情况，分别是15天、30天和90天，其中保存天数不足90天，需进行存储扩容改造的线路共12条。待改造线路中IP摄像机有3种品牌，均支持多股码流输出，视频图像通过私有协议或GB28181协议以4 Mbit/s码率接入车站视频监控系统进行存储[4]。武汉轨道交通线网高清视频监控系统现状如表1所示。

2 技术方案

2.1 技术需求

由于扩容改造线路均在正常运营，技术方案需满足以下几个技术指标：

1）避免影响运营。视频监控系统是确保正常运营和及时处置突发事件的重要系统，在扩容改造过程中，应避免因既有录像丢失导致运营事故现场无法还原取证的风险[5-6]。

2）避免改变系统结构。应保证既有视频监控系统正常运行前提下平滑进行扩容改造。

3）系统易于扩容。改造后的系统应便于后期扩容，便于更多的摄像机接入。

4）扩改造成本低。待扩容改造的12条线路中摄像机数量庞大，公共区域及重点部位摄像机共约10 000余路，需综合考虑扩容改造成本。

2.2 存储容量计算

摄像机存储容量可通过以下公式计算：

式（1）中，c表示存储所需的理论容量，单位为MB；n表示所需存储摄像机的数量；r表示IP摄像机的码率理论值，单位为Mbit/s；C表示常数，取值86 400，即24小时的秒数转换；B也表示常数，取值8，用于将位（bit）转换为字节（Byte）；d表示图像信息保存的天数，单位为天。

式（2）中，cp表示实际分配的容量；k表示系数，一般取值1.1，由于IP摄像机的码率r在实际工程中并不是定值，它会随着图像画面的变化而小幅度浮动，为图像信息保存的天数满足需求，在工程实际应用中，实际分配的容量一般应比理论容量大10%左右。

2.3 RAID技术

方案中采用SAN存储设备进行视频存储，该设备引入了冗余硬盘阵列技术（简称RAID技术），RAID技术通俗来讲就是通过阵列控制将N块硬盘结合成单块虚拟大容量带冗余的硬盘，支持一定条件下无损更换故障硬盘，不会导致存储图像丢失，并且可以根据实际情况设定一定数量的冗余热备盘，以保证系统可靠运行[7]。

RAID技术按照不同架构原理可分为RAID0到RAID10的不同级别，每种RAID技术所需的硬盘数和最终的可用容量不尽相同。针对轨道交通视频监控系统的运行实际并综合考虑运营成本，一般采用RAID5阵列，该阵列可以在一定程度上保证系统冗余的同时提供充足的硬盘有效容量。RAID5阵列硬盘有效容量的计算式为：

式（3）中，ca表示RAID5阵列硬盘有效容量，单位为TB；cs表示RAID5阵列内单块硬盘的标称容量，单位为TB；k表示系数，取值0.931 32，用于标称容量与实际容量之间的转换，cs与k之积为单块硬盘实际容量；n表示RAID5阵列硬盘总数，一般应≤12，即一个RAID5阵列中硬盘数量不应大于12块；m表示冗余热备盘数量，m越大，阵列冗余程度越高，阵列有效容量越小。综合考虑冗余性及成本，一般每2个RAID5阵列配备1块冗余热备盘；常数1表示逻辑盘数量，RAID5阵列必须配置1块逻辑盘。

2.4 码率选择

由摄像机存储容量计算式可知，在摄像机数量及图像信息保存天数一定的情况下，存储容量与IP摄像机码率呈正相关，码率越小，存储容量需求越小[8]。理论上采用小码率存储可减少改造成本，但码率又和图像清晰度呈正相关，码率越小，图像清晰度越低。本方案通过对比4 Mbit/s、2 Mbit/s、1 Mbit/s码率下的图像清晰度，发现采用2 Mbit/s的码率进行存储，可保证在牺牲较小图像清晰度的前提下节省50%存储容量，清晰度对比如图2所示。

2.5 ONVIF协议

ONVIF协议是由开放型网络视频接口论坛（Open Network Video Interface Forum， ONVIF）制定的协议，该协议复用了一些现有的标准，定义了网络视频设备之间的信息交换（包括装置搜寻、实时视频、音频、元数据和控制信息等），规范描述了网络视频的模型、接口、数据类型以及数据交互的模式。通过该协议可实现不同厂商所生产的网络视频产品（包括摄像机、管理平台、存储设备等）完全互通。

2.6 方案选择

本文提出一种基于ONVIF协议的辅码流SAN异地备份存储方案，该方案新增一套异地备份存储系统，系统由SAN存储、交换机、监控平台及回放终端组成，可满足多站摄像机的接入。通过将新增系统交换机与车站既有系统交换机对接，实现新增系统与既有系统之间的网络互通，利用ONVIF协议可实现不同厂商所生产网络视频产品的互通，新增异地备份存储系统可通过ONVIF协议完成对不同线路不同品牌摄像机的管理及图像信息备份存储，系统结构图如图3所示。

本方案优势在于仅需完成新设系统与既有系统的数据互通即可，无须改变既有车站视频监控系统结构。由于IP摄像机支持多股码流输出，且码率范围可在0.5～4 Mbit/s之间调整[9]。在扩容改造过程中，不对摄像机主码流（4 Mbit/s码率）参数进行更改，主码流仍用于既有系统本地存储，不会导致既有视频图像丢失，保障了运营安全。将摄像机辅码流配置成2 Mbit/s码率便于新设系统进行异地备份[10]，保证在牺牲较小图像清晰度的前提下达到减小存储容量、降低扩容改造成本的效果。系统的业务流程逻辑关系如图4所示。

3 方案实施

3.1 硬件建设

在某控制中心新设一套异地备份存储系统，包含某品牌的视频管理服务器1台、SAN存储设备1套。该SAN存储设备最大支持48块硬盘，单块硬盘容量最大支持4 TB，完成新设系统与该站点三条线既有视频监控系统的对接。由于三条线中A号线在该站的既有视频监控系统交换机负载率较低，故新设系统不再新增交换机，共用A号线在该站既有视频监控系统的交换机，同时回放终端也共用A号线控制中心既有视频监控回放终端。

3.2 容量核算

由式（1）、式（2）计算可知，要满足65路摄像机以2 Mbit/s码率存储图像90天，需要满足理论存储容量达到120.51 TB，实际分配容量约为132.56 TB。由式（3）计算可知，存储以上图像需要在SAN存储设备中配置4个RAID5阵列，共需配备4 TB硬盘42块。

3.3 数据配置

在异地备份存储系统视频管理服务器中，通过ONVIF协议配置将该站重点部位65路摄像机接入视频管理服务器进行管理，并在SAN存储设备中配置存储计划，实现摄像机辅码流异地备份存储。以宇视科技的VM-5500视频管理平台添加onvif相机为例，其主要步骤包括摄像机添加及摄像机存储配置两部分。

3.3.1 摄像机添加

在平台中添加摄像机主要步骤如下：

1）进入“系统配置—设备管理—标准协议IPC”界面，点击“新增”按钮进入新增标准协议IPC的页面。

2）填写摄像机名称、摄像机编码及摄像机类型等参数。共有9种摄像机类型可供选择：固定摄像机、云台摄像机、高清固定摄像机、高清云台摄像机、车载摄像机、不可控标清球机、不可控高清球机、隔离视频接入、电动镜头摄像机。

3）选择所添加摄像机的协议类型（包括ONVIF1.0、ONVIF2.X），一般选择ONVIF2.X。选择IPC最大流数目，本参数对IPC在本域内所有单播直连实况媒体流数量总和进行限制（选择范围为1～51），一般选择10。选择媒体流传输协议（默认选择UDP），也可根据实际网络情况选择，如网络环境较差建议选择TCP。在码率选择上，因本系统为2 Mbit/s码流存储，故此处选择2 048 kbit/s。

4）选择是否开启鉴权，默认为“是”。开启鉴权

时，如IPC接入到服务器，需要对服务器中存储的用户名及密码进行鉴权确认，鉴权成功后才会显示IPC上线。选择是否告警使能，默认为“否”。若使能告警，则当标准协议IPC检测到告警时会向系统上报该告警，支持上报的告警类型包括运动检测告警、开关量输入告警。应注意IPC的上线/下线告警不受该功能限制。选择是否时间同步使能，默认为“否”。当开启时间同步时，系统会将服务器时间同步到摄像机，为保证时间准确，系统每日凌晨一点会进行摄像机时间校准。最后点击“确定”按钮即配置成功，其配置界面如图5所示。

3.3.2 摄像机存储配置

在平台中配置摄像机存储主要步骤如下：

1）进入“系统配置—业务管理—存储配置”界面。点击“配置”按钮进入标准协议IPC的存储页面。

2）选择计划码流为辅码流，分配容量选择2 052 GB，即单路摄像机以2 Mbit/s码率存储图像90天所需的计划容量，存储策略选择满覆盖。点击“确定”按钮即配置成功，其配置界面如图6所示。

4 结 论

本文通过基于ONVIF协议的辅码流SAN异地备份存储方案，实现了将既有视频监控系统IPC摄像机接入新增异地备份存储系统进行图像存储，满足了《防恐法》对于公共区域及重点部位视频监控视频图像信息保存期限不少于90天的要求。该方案通过配置IPC摄像机双码流输出的方式，在扩容改造过程中未改变既有视频监控系统结构，避免了既有录像的丢失。采用降低辅码流码率，通过辅码流接入的方式进行90天异地备份存储，实现了在牺牲较小清晰度的前提下节约50%的存储容量，降低了改造成本。该方案已成功应用于武汉轨道交通某三线换乘站，充分验证了方案的可行性，满足轨道交通高清视频监控系统扩容改造需求。

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作者简介：龚建生（1993—），男，汉族，江西赣州人，工程师，本科，研究方向：城市轨道交通电子信息技术、城市轨道交通通信技术。