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        云技術(shù)在鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用探討

        2019-03-22 06:36:16張景雯許輝侯日根任啟軍于東旭湯蓓蓓
        中國(guó)鐵路 2019年3期
        關(guān)鍵詞:鐵路監(jiān)控節(jié)點(diǎn)

        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。

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