朱超 王鵬 許津津

【摘要】? ? 隨著視頻技術發(fā)展以及系統(tǒng)在軌道交通運營管理、客流分析、安全防控等方面的重要輔助功能日益突出，云存儲技術作為新興的視頻存儲方案，本文探討了幾種基于軌道交通的云存儲方案，簡要分析了相關的數(shù)據(jù)管理模式，并對帶寬需求、存儲容量進了對比。

【關鍵詞】? ? 軌道交通? ? 視頻監(jiān)視? ? 云存儲

一、軌道交通視頻存儲需求

1.1 存儲時間長

根據(jù)《反恐怖主義法》、《城市軌道交通公共安全防范系統(tǒng)工程技術規(guī)范》（GB51151-2016）的規(guī)定，軌道交通視頻監(jiān)視圖像需存儲90天以上。

1.2 存儲體量大、類型多

目前高清視頻監(jiān)控技術基本已在軌道交通中的大規(guī)模應用，視頻清晰度基本已達到1080P以上，監(jiān)控數(shù)據(jù)中90%以上是海量非結(jié)構化數(shù)據(jù)，包括高清視頻、高清圖片、語音、事件數(shù)據(jù)等。

解決這些海量數(shù)據(jù)的可靠存取，提升系統(tǒng)的可靠性、可用性、開放互聯(lián)、帶寬需求等問題，對存儲架構選擇、存儲方案優(yōu)化提出了新的要求和挑戰(zhàn)。

二、云存儲方案簡介

2.1云存儲方案的特點

目前在地鐵領域，傳統(tǒng)存儲技術包括NVR技術、SAN（IP SAN、FC SAN）存儲技術、云存儲技術等。

面對海量存儲需求，傳統(tǒng)存儲技術在容量和性能的擴展上會存在瓶頸，對視頻備份及恢復的相關能力上能力稍弱。根據(jù)視頻數(shù)據(jù)存儲特性需求，采用云存儲技術可以實現(xiàn)性能與容量的線性擴展，這對于追求高性能、高可用性的軌道交通視頻監(jiān)視系統(tǒng)來說是一個新選擇。

云存儲是在云計算概念上延伸和發(fā)展出來的一個新的概念應用存儲虛擬化技術將網(wǎng)絡中大量各種不同類型的存儲設備通過軟件調(diào)度進行集合，實現(xiàn)統(tǒng)一的對外存儲。

文件寫入云存儲系統(tǒng)中，文件被分為多個固定大小的數(shù)據(jù)塊，而1個數(shù)據(jù)塊被分為N個數(shù)據(jù)分片，因此數(shù)據(jù)可以靈活的分配。此外利用云存儲可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)分布式存儲的功能（如圖1），一份數(shù)據(jù)存儲時，可對數(shù)據(jù)備份，分布在2個存儲節(jié)點。

2.2存儲方案

根據(jù)軌道交通視頻監(jiān)視系統(tǒng)高清化、網(wǎng)絡化、智能化的特點，目前通行的建設視頻云存儲架構方案有中心集中存儲、區(qū)域云存儲、站點分散存儲三種。

2.2.1中心集中存儲

（1）總體方案

在控制中心（或集中數(shù)據(jù)機房）設置1套云存儲設備（如圖2所示），線路所有車站、車輛段、停車場視頻監(jiān)視圖像均統(tǒng)一上傳存儲在控制中心。

（2）數(shù)據(jù)管理

中心云存儲方案將各站點所有數(shù)據(jù)通過傳輸系統(tǒng)傳輸至控制中心。

在中心云存儲方案中，文件被分為多個固定大小的數(shù)據(jù)塊，1個數(shù)據(jù)塊被分為若干個源數(shù)據(jù)分片，分別存入不同的存儲節(jié)點，源數(shù)據(jù)分片通過算法得到冗余的數(shù)個數(shù)據(jù)分片，單獨存入冗余存儲節(jié)點，如圖3示，在沒有存儲節(jié)點故障時，文件直接從源數(shù)據(jù)分片中讀取。

當存儲節(jié)點故障導致源數(shù)據(jù)分片損壞時，可通過冗余的數(shù)據(jù)節(jié)點數(shù)據(jù)恢復出源數(shù)據(jù)分片，如圖4所示。

2.2.2區(qū)域云存儲

（1）總體方案

每3或4個車站選擇集中站分別設置1套云存儲設備，如圖5所示，結(jié)合云存儲技術可實現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)存儲的特點，3或4個車站的視頻圖像進行互相備份，形成區(qū)域云存儲。

當硬件出現(xiàn)不可恢復故障時，采用區(qū)域云存儲系統(tǒng)互備功能，每站對區(qū)域站內(nèi)視頻圖像進行備份，可實現(xiàn)故障前若干天歷史數(shù)據(jù)不丟失，歷史數(shù)據(jù)恢復天數(shù)由預留的互備容量決定。

車站云存儲系統(tǒng)支持雙存儲點，即主存儲點和副存儲點;存儲池從功能層面劃分為本地存儲和互備存儲。如圖5所示，以3個車站組成的區(qū)域云存儲系統(tǒng)互備為例，車站A主存儲點掛載本地存儲，副存儲點掛載車站B互備存儲;車站A主存儲點掛載本地存儲，副存儲點掛載車站C互備存儲;車站C主存儲點掛載本地存儲，副存儲點掛載車站A互備存儲。

（2）數(shù)據(jù)管理

單個車站配置存儲節(jié)點組成車站云存儲系統(tǒng)，以網(wǎng)絡拓撲中相鄰的3或4個車站云存儲系統(tǒng)組成區(qū)域云存儲系統(tǒng)為例。

當車站A存儲節(jié)點故障時，現(xiàn)車站A云存儲無法完全接管故障節(jié)點的視頻業(yè)務時，區(qū)域云存儲系統(tǒng)內(nèi)其他車站云的災備接管模式為搶占式，根據(jù)自身的最大冗余接管能力接入需要遷移的視頻業(yè)務。

如圖6所示，車站A內(nèi)部無法完全接管的視頻業(yè)務，被分配到區(qū)域內(nèi)部的車站B和車站C進行接管。發(fā)生災備接管時，僅被分配到車站B和車站C的視頻業(yè)務將占用車站A到車站B、車站A到車站C之間的帶寬，不占用其他車站的帶寬。

正常工作時，視頻數(shù)據(jù)同時寫入主存儲點和副存儲點，實現(xiàn)視頻本站存儲及跨站互備。當車站A存儲硬件損毀時，車站B互備存儲上保存的車站A歷史視頻不受任何影響，無需進行數(shù)據(jù)恢復即可進行錄像調(diào)看;同時支持錄像回遷策略，待車站A存儲設備恢復時，支持將車站A互備存儲上的歷史數(shù)據(jù)回遷至車站A存儲設備中。

（3）區(qū)域云存儲方案的擴展

本方案可通過增設中心云存儲設備，形成“中心-區(qū)域-車站”三級存儲架構。中心災備云存儲系統(tǒng)與所有車站云存儲系統(tǒng)互備。當車站云需要遷移的視頻業(yè)務超過區(qū)域云存儲系統(tǒng)的接管能力時，超出接管能力的視頻圖像將由中心災備云存儲系統(tǒng)接管，如圖7所示。此時，中心災備云存儲提供最終的災備能力保障。

2.2.3分散式云存儲

分散式云存儲方案下，車站視頻直接存儲在車站通信機房內(nèi)，如圖8所示。

（1）數(shù)據(jù)管理

分散式云存儲方案模式下，每個車站均設置一套獨立的云存儲系統(tǒng)?？刂浦行牟辉O置存儲設備，控制中心設置中心管理設備，對全線車站的視頻監(jiān)視設備進行故障管理、性能管理、配置管理、安全管理。

數(shù)據(jù)恢復及管理與中心云存儲方案相相似，區(qū)別在于每站均為獨立設置的云存儲系統(tǒng)，當存儲節(jié)點故障導致源數(shù)據(jù)分片損壞時，需將故障信號上傳至控制中心，并由控制中心進行故障記錄及分析，車站云存儲通過冗余數(shù)進行恢復相關數(shù)據(jù)。

（2）方案擴展

本方案可在控制中心增設中心云存儲設備，形成“中心-車站”的存儲架構，中心設置一座車站容量的存儲，如單站提供災備能力保障。

三、方案分析

3.1帶寬分析

采用中心云存儲方案需將車站所有視頻圖像上傳至控制中心，對傳輸網(wǎng)絡帶寬要求較高，按30座車站每站300路4M碼流視頻圖像（預留遠期）考慮，則總線帶寬需求為36000M以上。采用區(qū)域云存儲方案，需對車站視頻圖像進行互備，對傳輸網(wǎng)絡帶寬要求較高，按每站300路4M碼流視頻圖像（預留遠期）考慮，則站間帶寬需求為1200M以上。分散式云存儲對帶寬需求較小，只需要中心對各站視頻調(diào)取的帶寬，一般為總線1000M，如對分散式云存儲進行擴展，設置中心存儲設備，則需考慮整站視頻上傳的需求，即總線帶寬需求為1200M以上

中心云存儲方案、區(qū)域云存儲方案對帶寬需求較高，如果傳輸網(wǎng)絡故障，車站圖像將無法傳送，存在一定的風險。

3.2容量分析

1路1080P@25 幀（1920×1080）攝像機圖像按照4M的碼流計算 90 天的存儲空間：4Mbps×3600 秒×24 小時×90 天/1024/1024/8=3.7TB。

若采用中心集中存儲方案，所有視頻集中在控制中心機房內(nèi)，按30座車站考慮，則控制中心機房需存儲數(shù)據(jù)容量為32.52P。

區(qū)域云存儲方案由于每站需要對鄰站的存儲余量進行存儲，則每站視頻數(shù)據(jù)增加一倍，每站存儲（存儲300路，備份300路）需存儲空間為2220T，全線存儲總?cè)萘繛?5.04P。

采用分散式云存儲則每站容量為每站存儲（考慮300路）存儲需求為1110T，全線存儲總?cè)萘繛?2.52P。

可見，分散式云存儲只需利用車站通信機房，集中云存儲方案需規(guī)劃一個較大的通信機房對數(shù)據(jù)進行存儲，而區(qū)域云存儲方案由于進行數(shù)據(jù)的冗余，整體造價翻番。

以上為三種方案的粗略分析，在實際建設中還應相應地考慮系統(tǒng)開銷及預留容量。

四、結(jié)語

中心云存儲方案將所有視頻數(shù)據(jù)集中存儲在控制中心，實現(xiàn)了統(tǒng)一管理、集中運維，業(yè)務集成度高，基礎體系架構簡單，應用架構部署靈活，硬件采購成本較低。劣勢在于對傳輸系統(tǒng)傳輸帶寬要求極高，網(wǎng)絡的依賴程度高，單點故障風險較大。

區(qū)域云存儲方案通過鄰站互傳的方式結(jié)合云存儲技術可實現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)存儲的特點，在數(shù)據(jù)恢復上具備明顯優(yōu)勢，在任意車站數(shù)據(jù)全部毀壞的情況下仍可對數(shù)據(jù)進行還原，劣勢在于對傳輸網(wǎng)絡帶寬有一定的要求，同時硬件造價有較大的提升。

分散式云存儲方案在各站分別設置存儲系統(tǒng)，不考慮互傳及集中存儲，站站相互獨立，無需高成本傳輸網(wǎng)絡，且站點個性化容易體現(xiàn)。對于土建的影響較小，后續(xù)運營維護管理方便。

綜合考慮數(shù)據(jù)機房及其它配套條件、數(shù)據(jù)傳輸帶寬需求和實施成本，在城市軌道交通視頻監(jiān)控項目中，如果對于數(shù)據(jù)恢復沒有特殊需求，建議考慮實施分散式云存儲方案，如考慮中心數(shù)據(jù)接管貢納，也只需適量的增大總線帶寬就可實現(xiàn)。

朱超（1991-），男，漢，安徽省太湖縣，上海市隧道工程軌道交通設計研究院，工程師，主要從事工作：軌道交通通信系統(tǒng)設計

王鵬，男，漢，1981年3月28日，甘肅省蘭州市，天津地下鐵道集團有限公司，高級工程師，主要從事工作：弱電專業(yè)建設管理。

許津津，男，漢，1981年10月28日，河北省石家莊市，中鐵上海設計院集團有限公司，高級工程師，主要從事工作：軌道交通通信系統(tǒng)設計