張景雯，許輝，侯日根，任啟軍，于東旭，湯蓓蓓

（1.北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2.京滬高速鐵路股份有限公司，北京 100038；3.中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司，上海 200071；4.中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司，北京 100038）

當(dāng)前視頻監(jiān)控系統(tǒng)已從安防理念逐漸向互聯(lián)網(wǎng)思維轉(zhuǎn)變，鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)也應(yīng)適時(shí)調(diào)整思路，進(jìn)一步結(jié)合用戶需求并利用新技術(shù)升級(jí)完善，使系統(tǒng)向著更開放、更智能，擴(kuò)容更靈活、更彈性，維護(hù)更便利、更高效的方向發(fā)展。近年來(lái)風(fēng)起“云”涌，隨著云時(shí)代的到來(lái)，鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)必將面臨新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

1 云的由來(lái)

技術(shù)的發(fā)展從來(lái)都是以需求為導(dǎo)向的，隨著信息時(shí)代的到來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)及接入終端（個(gè)人電腦、手機(jī)等）廣泛普及，使大眾的交流渠道發(fā)生質(zhì)的改變，大量的交流需求集中爆發(fā)。需求爆發(fā)的直接效應(yīng)就是信息爆炸，導(dǎo)致系統(tǒng)的底層支撐設(shè)施或快速飽和或能力不足，造成資源分配不均。

由于業(yè)務(wù)發(fā)展不均導(dǎo)致資源利用不均，進(jìn)而產(chǎn)生資源浪費(fèi)。例如，某運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)頁(yè)游戲子系統(tǒng)利用率接近100%，需要對(duì)既有系統(tǒng)擴(kuò)容，包括增加服務(wù)器、存儲(chǔ)等，采購(gòu)設(shè)備和部署周期長(zhǎng)，而部署速度慢于市場(chǎng)需求變化速度，可能市場(chǎng)需求就會(huì)慢慢消失，且技術(shù)層面還會(huì)存在停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。該運(yùn)營(yíng)商的在線聊天子系統(tǒng)利用率不足50%，50%余量沒有充分利用，若能將這50%的余量用于支撐網(wǎng)頁(yè)游戲業(yè)務(wù)的擴(kuò)充需求則是最佳解決方案，但融合底層設(shè)備資源在技術(shù)上有三大問(wèn)題：

（1）軟件融合問(wèn)題。2套業(yè)務(wù)軟件部署在同一軟件系統(tǒng)中，增加了2種軟件業(yè)務(wù)的粘合度，不利于后期的運(yùn)維管理；業(yè)務(wù)部署周期太長(zhǎng)（涉及軟件開發(fā)等），有停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。

（2）硬件融合問(wèn)題。同一業(yè)務(wù)分部在2個(gè)資源孤島上，更加不利于維護(hù)；資源不能充分回收利用，資源孤島林立。

（3）軟、硬件融合問(wèn)題。軟件、硬件都融合等于全部重新部署2種業(yè)務(wù)；由于服務(wù)器與存儲(chǔ)設(shè)備種類多、不同廠商架構(gòu)不同、互聯(lián)協(xié)議多，單靠手動(dòng)部署、管理和回收各種資源非常具有挑戰(zhàn)性。一方面效率低且容易出錯(cuò)，另一方面，速度慢到可能影響業(yè)務(wù)，尤其是在承載多業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)中心平臺(tái)上，各種業(yè)務(wù)對(duì)底層設(shè)備的要求是不同的。所以，手動(dòng)部署根本不現(xiàn)實(shí)。

因此，云的起源就是為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定的彈性擴(kuò)展，使得資源利用最大化。云是基于同一商業(yè)模式下誕生的不同產(chǎn)品，但從廣義上講，云的共性如下：

（1）第一共性：都擁有硬件及軟件基礎(chǔ)架構(gòu)，包括網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲(chǔ)、軟件系統(tǒng)。

（2）第二共性：都提供特定的用戶接口，包括通過(guò)網(wǎng)頁(yè)方式或客戶端連接到云供應(yīng)商處獲取資源服務(wù)等。

2 云的基本概念

2.1 云的本質(zhì)

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基本模型為“硬盤+服務(wù)器+操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件+顯示器”，云從本質(zhì)而言也是這種模式：存儲(chǔ)資源+計(jì)算資源+軟件資源，最后虛擬為服務(wù)資源（見圖1），對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，云就是一臺(tái)虛擬計(jì)算機(jī)。

圖1 云的本質(zhì)

2.2 云計(jì)算體系架構(gòu)

云計(jì)算體系架構(gòu)分為4層：物理資源層、資源池層、管理中間件層、面向服務(wù)架構(gòu)層（SOA層）（見圖2）。

圖2 云計(jì)算體系架構(gòu)

云計(jì)算體系架構(gòu)的組成與功能見表1。

表1 云計(jì)算體系架構(gòu)的組成與功能

2.3 云計(jì)算的服務(wù)模式

目前，云計(jì)算的服務(wù)模式分3種：硬件即服務(wù)（Infrastructure as a Service，IaaS）、 平 臺(tái) 即 服 務(wù)（Platform as a Service，PaaS）、軟件即服務(wù)（Software as a Service，SaaS）（見圖3），并將3種服務(wù)模式用吃披薩的例子進(jìn)行對(duì)比分析。

（1）硬件即服務(wù)：其硬件設(shè)施包括服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)設(shè)備等。服務(wù)方式包括賣存儲(chǔ)空間、賣虛擬機(jī)。IaaS只給用戶提供硬件平臺(tái)，具體計(jì)算由用戶自行部署。

（2）平臺(tái)即服務(wù)：平臺(tái)是一種運(yùn)行于硬件集群上的軟件，用戶租用了該平臺(tái)其實(shí)就等于租用了計(jì)算業(yè)務(wù)，如臉書（Facebook）。

（3）軟件即服務(wù)：云提供商直接向用戶出售業(yè)務(wù)級(jí)別的內(nèi)容，而與業(yè)務(wù)相關(guān)的數(shù)據(jù)計(jì)算都在云內(nèi)部完成。SaaS是目前互聯(lián)網(wǎng)上非常普遍的服務(wù)，如Web網(wǎng)頁(yè)服務(wù)、微信等實(shí)時(shí)聊天服務(wù)。

圖3 云計(jì)算的服務(wù)模式

通過(guò)分析與比較，對(duì)用戶提供服務(wù)租賃或出售服務(wù)，而管理、維護(hù)由云提供商完成的公有云建設(shè)方式與鐵路略有不同，鐵路系統(tǒng)需要建立管理、維護(hù)以及提供服務(wù)于一體的私有云，因此對(duì)于視頻監(jiān)控系統(tǒng)單獨(dú)組建云的模式，可以考慮PaaS或SaaS的方式。

3 鐵路視頻監(jiān)控云建設(shè)的必要性

從2005年至今，鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)從硬盤錄像機(jī)（DVR）時(shí)代逐漸過(guò)渡到“服務(wù)器+存儲(chǔ)局域網(wǎng)絡(luò)（SAN）”時(shí)代。最初，鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要建立在站段、編組站、車務(wù)等部門，目的是為了輔助安全生產(chǎn)，建設(shè)規(guī)模小，一般為幾十路，采用DVR本地存儲(chǔ)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)如獨(dú)立煙囪，相互之間無(wú)信息交互。隨著客專、高鐵建設(shè)的發(fā)展，車站及線路均設(shè)置了視頻監(jiān)控系統(tǒng)，DVR系統(tǒng)已不能滿足幾百路甚至上千路視頻的接入，鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)走向“服務(wù)器+SAN”的建設(shè)模式。面對(duì)中國(guó)鐵路總公司、各鐵路局集團(tuán)公司及維護(hù)部門需統(tǒng)一調(diào)看視頻的業(yè)務(wù)需求，視頻監(jiān)控系統(tǒng)逐漸走向互聯(lián)互通，原鐵道部和中國(guó)鐵路總公司發(fā)布一系列相關(guān)規(guī)范，鐵路逐漸完善視頻監(jiān)控系統(tǒng)互聯(lián)接口，實(shí)現(xiàn)資源的統(tǒng)一管理、視頻資源調(diào)用、告警資源訂閱查看等功能，以滿足鐵路用戶的生產(chǎn)需求。

雖然“服務(wù)器+SAN”視頻監(jiān)控系統(tǒng)已解決大容量接入的問(wèn)題，互聯(lián)互通已不再是系統(tǒng)難點(diǎn)，但隨著高清攝像機(jī)的發(fā)展及《中華人民共和國(guó)反恐怖主義法》對(duì)重點(diǎn)區(qū)域視頻存儲(chǔ)90 d的要求，視頻存儲(chǔ)海量增長(zhǎng)及存儲(chǔ)擴(kuò)容又衍生出新問(wèn)題。

問(wèn)題1：各系統(tǒng)各自占用服務(wù)器、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源，造成硬件資源的條塊分割，無(wú)法彈性調(diào)度和靈活配置，傳統(tǒng)模式下系統(tǒng)架構(gòu)垂直擴(kuò)展（Scale-up）能力受限，不具備橫向擴(kuò)展（Scale-out）能力，每次擴(kuò)容均需重做RAID組，對(duì)既有業(yè)務(wù)影響較大。此外，RAID控制機(jī)頭隨存儲(chǔ)容量與處理能力的上升還會(huì)帶來(lái)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的矛盾，系統(tǒng)成本會(huì)逐漸上升，且性價(jià)比下降。

問(wèn)題2：當(dāng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)接入路數(shù)越來(lái)越多，SAN集中式機(jī)頭是大量視頻流并行讀寫的瓶頸，當(dāng)碼流過(guò)大時(shí)可能造成視頻流無(wú)法寫入存儲(chǔ)設(shè)備中。SAN集中式機(jī)頭對(duì)接入路數(shù)有極限值，計(jì)算能力、網(wǎng)絡(luò)能力都會(huì)受機(jī)頭限制，超過(guò)機(jī)頭的性能就需新增機(jī)頭以管理更多的存儲(chǔ)設(shè)備。

問(wèn)題3：視頻監(jiān)控系統(tǒng)配置仍需人工為每路攝像機(jī)分配存儲(chǔ)空間，通過(guò)碼流平均值為每路攝像機(jī)分配固定存儲(chǔ)空間。由于視頻流是變量，造成場(chǎng)景變化不大的情況下，碼流較平均值小，而場(chǎng)景變化大的情況下，碼流較平均值大，固定的存儲(chǔ)空間可能會(huì)由于視頻流量低，導(dǎo)致存儲(chǔ)空間富余，造成資源浪費(fèi)，也可能由于視頻流量過(guò)大，導(dǎo)致存儲(chǔ)空間不足，視頻丟失。

上述問(wèn)題不僅存在于鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，在其他行業(yè)也會(huì)出現(xiàn)，且隨著系統(tǒng)越來(lái)越龐大，問(wèn)題也越來(lái)越突出，云的出現(xiàn)恰好解決了以上痛點(diǎn)。具體分析如下：

（1）視頻云系統(tǒng)在擴(kuò)容存儲(chǔ)資源時(shí)支持在線實(shí)時(shí)擴(kuò)容存儲(chǔ)，支持在線熱插拔，不需要停機(jī)，不需要提前倒換既有視頻到備用空間（一般廠商很難提供大容量的備用空間），不需要格式化存儲(chǔ)系統(tǒng)重做RAID組，不需要再對(duì)每一路視頻重新做視頻空間的分配。因此，云的擴(kuò)容在運(yùn)營(yíng)維護(hù)過(guò)程中極大地提高了便利性，降低了維護(hù)的難度和風(fēng)險(xiǎn)。

（2）云的接入能力要遠(yuǎn)大于SAN的接入能力，云平臺(tái)至少可支持同時(shí)并發(fā)輸入/輸出8GE，而1個(gè)SAN集中式機(jī)頭最多支持4GE。因此，在滿足相同性能的條件下，云在多路視頻同時(shí)并發(fā)輸入/輸出的能力要遠(yuǎn)大于SAN系統(tǒng)。

（3）云對(duì)實(shí)時(shí)視頻的帶寬、碼流等狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算分析，不再需要人工配置存儲(chǔ)空間，只需對(duì)單路視頻設(shè)置存儲(chǔ)天數(shù)即可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整并保存，防止由于人工計(jì)算的存儲(chǔ)空間不足導(dǎo)致視頻丟失等情況。

因此，鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)需要云技術(shù)繼續(xù)完善系統(tǒng)功能，提高系統(tǒng)性能，更便于用戶維護(hù)管理，向更加智能化的視頻監(jiān)控系統(tǒng)邁進(jìn)一步[1-2]。

4 鐵路視頻監(jiān)控云建設(shè)方案

4.1 新建視頻監(jiān)控系統(tǒng)

既有鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是“視頻核心節(jié)點(diǎn)—視頻區(qū)域節(jié)點(diǎn)—Ⅰ類視頻接入節(jié)點(diǎn)—Ⅱ類視頻接入節(jié)點(diǎn)—視頻匯集點(diǎn)—視頻采集點(diǎn)”[3]。隨著管理越來(lái)越集中、承載網(wǎng)絡(luò)能力變強(qiáng)變廣，在承載網(wǎng)絡(luò)帶寬具備條件的情況下，視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可調(diào)整為“視頻核心節(jié)點(diǎn)—視頻區(qū)域節(jié)點(diǎn)—視頻接入節(jié)點(diǎn)—視頻匯集點(diǎn)—視頻采集點(diǎn)”，即Ⅰ類、Ⅱ類視頻接入節(jié)點(diǎn)合并，將多處節(jié)點(diǎn)的視頻資源統(tǒng)一到視頻接入節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一存儲(chǔ)、管理、分轉(zhuǎn)發(fā)等功能。該視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖4。

對(duì)于視頻節(jié)點(diǎn)的建設(shè)可采用視頻云平臺(tái)方式。視頻核心節(jié)點(diǎn)設(shè)置在中國(guó)鐵路總公司，既有節(jié)點(diǎn)設(shè)備到大修期后可考慮更換為視頻云平臺(tái)，通過(guò)視頻云平臺(tái)的云計(jì)算技術(shù)，對(duì)用戶資源、攝像機(jī)資源、告警資源、存儲(chǔ)資源等統(tǒng)一進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的彈性計(jì)算、彈性存儲(chǔ)分配，保證全系統(tǒng)動(dòng)態(tài)資源調(diào)度管理和動(dòng)態(tài)能耗管理。

視頻區(qū)域節(jié)點(diǎn)設(shè)置在各鐵路局集團(tuán)公司，既有節(jié)點(diǎn)設(shè)備的更換方案與核心節(jié)點(diǎn)相同，對(duì)于未建設(shè)視頻區(qū)域節(jié)點(diǎn)的鐵路局集團(tuán)公司，可直接新設(shè)視頻云平臺(tái)。

對(duì)于新設(shè)視頻接入節(jié)點(diǎn)，應(yīng)考慮在各大型車站、編組站等網(wǎng)絡(luò)資源豐富的節(jié)點(diǎn)設(shè)置。

4.2 既有視頻監(jiān)控系統(tǒng)改造

對(duì)于采用DVR方式的既有視頻監(jiān)控系統(tǒng)，云平臺(tái)不具備接入條件，既有物理設(shè)備也不能利舊，因此，待到系統(tǒng)使用年限到期后再統(tǒng)一更換。

對(duì)于采用SAN存儲(chǔ)方式的既有視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可評(píng)估既有硬盤是否具有接入云平臺(tái)系統(tǒng)的能力，如硬盤接口、硬盤讀寫能力能否滿足云平臺(tái)的最低性能要求等。如果硬盤可用，可將硬盤利舊接入到新設(shè)云平臺(tái)系統(tǒng)中，如果不可利舊，也是待到系統(tǒng)使用年限到期后統(tǒng)一更換。

5 視頻云互聯(lián)

目前，鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通依據(jù)Q/CR 575—2018《鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》中的A、C接口進(jìn)行系統(tǒng)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)視頻資源、告警資源、攝像機(jī)資源的共享[4]。除鐵路系統(tǒng)相關(guān)規(guī)范外，國(guó)家對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的互聯(lián)互通也發(fā)布了GB/T 28181—2016《安全防范視頻監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)信息傳輸、交換、控制技術(shù)要求》，對(duì)系統(tǒng)之間的互聯(lián)作出接口協(xié)議要求。

未來(lái)，當(dāng)視頻核心節(jié)點(diǎn)、視頻區(qū)域節(jié)點(diǎn)、視頻接入節(jié)點(diǎn)都建設(shè)為視頻云平臺(tái)后，不同廠家之間云的互聯(lián)互通是采用GB/T 28181—2016《安全防范視頻監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)信息傳輸、交換、控制技術(shù)要求》，還是繼續(xù)采用或完善Q/CR 575—2017《鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》，是值得深入探討的問(wèn)題。

從原鐵道部《關(guān)于發(fā)布鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范（試行）》（運(yùn)基通信〔2008〕630號(hào)），到中國(guó)鐵路總公司《關(guān)于印發(fā)〈鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范（V1.0）〉的通知》（鐵總運(yùn)〔2013〕71號(hào)），再到Q/CR 575—2017《鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》，鐵路系統(tǒng)已對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的互聯(lián)互通進(jìn)行了不斷完善和改進(jìn)，比國(guó)標(biāo)接口更豐富、更完善，更適用于鐵路用戶。隨著多年使用經(jīng)驗(yàn)的積累，鐵路用戶需求已越來(lái)越清晰、明確，逐漸豐富的接口協(xié)議越來(lái)越符合鐵路用戶的需求，鐵路行業(yè)已形成獨(dú)具特色的視頻體系，可滿足鐵路用戶的功能要求，并能實(shí)現(xiàn)鐵路用戶對(duì)視頻資源的共享和控制。因此，鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)論是采用何種云技術(shù)，視頻節(jié)點(diǎn)間仍可按Q/CR 575—2017《鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》中的A、C接口進(jìn)行互聯(lián)互通。對(duì)于日后由于新需求變化引起的接口協(xié)議調(diào)整可繼續(xù)豐富完善。

6 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)云的由來(lái)、云的本質(zhì)進(jìn)行闡述，并結(jié)合鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求提出鐵路視頻監(jiān)控云建設(shè)的思路，包括如何新建視頻云系統(tǒng)、既有視頻系統(tǒng)如何過(guò)渡，以及視頻云與其他系統(tǒng)如何互聯(lián)等。視頻云系統(tǒng)與其他異構(gòu)系統(tǒng)之間仍存在一些互聯(lián)接口問(wèn)題，目前國(guó)標(biāo)對(duì)云互聯(lián)接口還不完善，因此，相關(guān)部門或行業(yè)聯(lián)盟應(yīng)盡早制定互聯(lián)接口，為系統(tǒng)互聯(lián)互通掃清障礙。視頻云大幅提升視頻監(jiān)控系統(tǒng)存儲(chǔ)及管理能力，為視頻智能化奠定了基礎(chǔ)，使管理維護(hù)更便利，將為鐵路智能化提供更強(qiáng)壯、更安全、更高效的支撐。