李守杰 朱益龍 柏澤鈿

(寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司建設(shè)分公司，315101，寧波∥第一作者，高級工程師)

視頻監(jiān)視系統(tǒng)是保障城市軌道交通行車組織安全和運(yùn)維安全的重要輔助手段[1]，不僅能為運(yùn)營管理方提供有關(guān)列車運(yùn)行、防災(zāi)救災(zāi)及旅客疏導(dǎo)的實(shí)時(shí)視頻信息，也能為城市軌道交通公安部門防恐防暴、打擊犯罪及維持社會安定提供視頻依據(jù)。

隨著城市軌道交通的建設(shè)發(fā)展，1座標(biāo)準(zhǔn)車站視頻監(jiān)視系統(tǒng)的攝像機(jī)數(shù)量已增至百余臺?！吨腥A人民共和國反恐怖主義法》要求，公共區(qū)重要部位的視頻存儲周期增至90 d?！冻鞘熊壍澜煌ü舶踩婪断到y(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》[2]要求，視頻監(jiān)視系統(tǒng)應(yīng)新增智能視頻分析及人臉識別的功能，并新增智能防控統(tǒng)計(jì)分析、智能運(yùn)維系統(tǒng)、三維地圖監(jiān)控、視頻錄像快速檢索及視頻質(zhì)量診斷等警用業(yè)務(wù)功能。由此可見，視頻監(jiān)視系統(tǒng)將面臨計(jì)算壓力及存儲能力的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)中心級1套功能軟件配置1臺服務(wù)器的方式需采用大量服務(wù)器，且視頻存儲采用分布式方式，其后期運(yùn)營維護(hù)壓力較大。與傳統(tǒng)數(shù)字視頻系統(tǒng)相比，云平臺技術(shù)[3]在計(jì)算和存儲方面有較大優(yōu)勢，故寧波軌道交通4、5號線的視頻監(jiān)控系統(tǒng)中心級服務(wù)器引入了云平臺技術(shù)。

1 云平臺技術(shù)

1.1 基本概念

云平臺為云計(jì)算平臺，可向其他用戶提供基礎(chǔ)服務(wù)、數(shù)據(jù)、中間件、數(shù)據(jù)服務(wù)及軟件服務(wù)等。

云方案有公有云、私有云及混合云方案。由于城市軌道交通視頻監(jiān)視系統(tǒng)為內(nèi)部生產(chǎn)系統(tǒng)，其線網(wǎng)規(guī)模大，有內(nèi)部的運(yùn)維團(tuán)隊(duì)，且有警用防恐的需求，其安全要求高。因此，城市軌道交通的視頻監(jiān)視系統(tǒng)采用私有云方案。

云平臺架構(gòu)的三層應(yīng)用業(yè)務(wù)模式為IaaS(基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù))、PaaS(平臺即服務(wù))、SaaS(軟件即服務(wù))。目前，城市軌道交通行業(yè)主要搭建IaaS平臺。IaaS為CPU(中央處理器)、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)、存儲等所有計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施，以及其他計(jì)算資源形成的資源池。憑借IaaS平臺，用戶能部署和運(yùn)行專用軟件，實(shí)現(xiàn)必備的功能。

云計(jì)算是并行計(jì)算、分布式計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)存儲、虛擬化等傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展融合的產(chǎn)物。其中，虛擬化技術(shù)為對底層硬件資源(計(jì)算資源、存儲資源、網(wǎng)絡(luò)資源)進(jìn)行虛擬，使業(yè)務(wù)部署不再受硬件限制，讓使用者不需關(guān)心所用資源的具體物理形態(tài)。CPU的虛擬化技術(shù)可以單CPU來模擬多CPU并行，允許1臺計(jì)算機(jī)同時(shí)運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)，使應(yīng)用程序可在相互獨(dú)立的空間內(nèi)運(yùn)行而互不影響，從而顯著提高計(jì)算機(jī)的工作效率。云計(jì)算技術(shù)支持GPU(圖形處理器)資源池功能，根據(jù)設(shè)置的業(yè)務(wù)模板實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用功能。

云存儲[4]是在云計(jì)算概念上延伸和發(fā)展出來的新概念，是指通過網(wǎng)格技術(shù)、集群應(yīng)用或分布式文件等將網(wǎng)絡(luò)中大量不同類型的存儲設(shè)備通過應(yīng)用軟件集合起來協(xié)同工作，統(tǒng)一對外提供數(shù)據(jù)存儲和業(yè)務(wù)訪問功能的系統(tǒng)。當(dāng)云計(jì)算系統(tǒng)運(yùn)算和處理的核心是大量數(shù)據(jù)的存儲和管理時(shí)，云計(jì)算系統(tǒng)中就需要設(shè)置大量的存儲設(shè)備，此時(shí)云計(jì)算系統(tǒng)就轉(zhuǎn)變成為云存儲系統(tǒng)。

1.2 云計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)分析

傳統(tǒng)視頻監(jiān)視系統(tǒng)的計(jì)算需求主要為視頻管理及流媒體轉(zhuǎn)發(fā)的功能。隨著視頻監(jiān)視系統(tǒng)智能化、網(wǎng)絡(luò)化需求的增加，視頻監(jiān)視系統(tǒng)需不斷增加各種服務(wù)器來處理各類應(yīng)用功能。大量應(yīng)用功能的增加也暴露了傳統(tǒng)視頻監(jiān)視系統(tǒng)資源利用率低、負(fù)載不均衡、運(yùn)維困難等問題。

經(jīng)分析，各應(yīng)用的獨(dú)立存儲和獨(dú)立計(jì)算資源，會導(dǎo)致資源浪費(fèi)和數(shù)據(jù)共享困難，導(dǎo)致服務(wù)器的平均資源利用率過低(通常<25%)，因此，部分常用服務(wù)器的負(fù)荷增加會出現(xiàn)性能瓶頸。不同線路的服務(wù)器型號可能不同，也加大了運(yùn)營維護(hù)難度。此外，大量服務(wù)器對機(jī)房空間、供電及通風(fēng)等環(huán)境要求較高。

視頻監(jiān)視系統(tǒng)采用云計(jì)算技術(shù)可解決上述問題。云計(jì)算技術(shù)將硬件資源池化，不僅提升了資源利用率，還便于統(tǒng)一管理，可實(shí)現(xiàn)按需調(diào)度計(jì)算資源。通過云計(jì)算技術(shù)，既便于部署新增的業(yè)務(wù)，也也能保證擴(kuò)容時(shí)既有業(yè)務(wù)不中斷，增加了應(yīng)用的安全可靠性，也降低了運(yùn)維的成本和難度。

大數(shù)據(jù)分析技術(shù)及AI(人工智能)技術(shù)同樣依托于海量的計(jì)算能力和存儲能力，故云平臺技術(shù)的應(yīng)用還能促進(jìn)二者的發(fā)展。

1.3 云存儲的優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)分析

傳統(tǒng)數(shù)字視頻監(jiān)視系統(tǒng)的存儲采用NVR(網(wǎng)絡(luò)視頻錄像機(jī))及IPSAN(基于以太網(wǎng)協(xié)議構(gòu)建的SAN(存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò))存儲系統(tǒng))技術(shù)，其中磁盤陣列采用RAID(獨(dú)立冗余磁盤陣列)技術(shù)。隨著存儲需求的增加，傳統(tǒng)存儲安全性和穩(wěn)定性不足的缺點(diǎn)暴露：在RAID組中如2個(gè)磁盤同時(shí)發(fā)生故障，則RAID組不能正常運(yùn)行，數(shù)據(jù)丟失，且修復(fù)硬盤故障的時(shí)間長，影響用戶正常使用；需單獨(dú)設(shè)置1個(gè)備用存儲系統(tǒng)來保證車站存儲故障時(shí)的備份；因備份視頻無法遷回原車站保存，故無法保證存儲時(shí)間要求。

視頻監(jiān)視系統(tǒng)采用云存儲技術(shù)可有效解決上述的問題。云存儲采用的糾刪碼技術(shù)是一種數(shù)據(jù)保護(hù)方法，其將數(shù)據(jù)分割成片段，將冗余數(shù)據(jù)擴(kuò)展、編碼，并存儲于不同位置。在存儲場景中，糾刪碼技術(shù)將數(shù)據(jù)分割為原始數(shù)據(jù)塊和校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊。當(dāng)原始數(shù)據(jù)塊受損時(shí)，糾刪碼技術(shù)可通過余下數(shù)據(jù)塊進(jìn)行計(jì)算，提高了可靠性。此外，云存儲技術(shù)無需單獨(dú)設(shè)置備用存儲系統(tǒng)，提高了存儲利用率，且硬盤修復(fù)后的視頻圖像可自動遷回原車站。極大改善了視頻存儲的安全性和穩(wěn)定性。

2 視頻監(jiān)視系統(tǒng)云平臺技術(shù)應(yīng)用方案

目前，視頻監(jiān)視系統(tǒng)的計(jì)算和存儲主要為滿足視頻流轉(zhuǎn)發(fā)、運(yùn)維管理等傳統(tǒng)視頻監(jiān)視系統(tǒng)的基本功能，以及人臉識別、視頻綜合實(shí)戰(zhàn)等AI新功能。通用存儲技術(shù)雖對靜態(tài)文件的存儲性能較好，但對實(shí)時(shí)視頻流的存儲性能不佳，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻流的海量存儲、高并發(fā)讀寫等功能，因此視頻存儲方案采用云存儲技術(shù)。城市軌道交通視頻監(jiān)視系統(tǒng)通常設(shè)置獨(dú)立的云計(jì)算及云存儲平臺。

2.1 云計(jì)算平臺方案

目前寧波軌道交通視頻監(jiān)視云計(jì)算平臺將監(jiān)控中心的多臺服務(wù)器虛擬化成1個(gè)計(jì)算資源池，并部署視頻監(jiān)視、運(yùn)維管理、人臉識別、視頻綜合實(shí)戰(zhàn)、數(shù)據(jù)對接、移動檢測等多種應(yīng)用系統(tǒng)。

寧波軌道交通4號線云計(jì)算平臺組網(wǎng)方案在東錢湖車輛段監(jiān)控中心機(jī)房設(shè)置1套云計(jì)算平臺，并在每座車站設(shè)置1臺云計(jì)算服務(wù)器。其中：云計(jì)算平臺由服務(wù)器組、光纖交換機(jī)、磁盤陣列及管理服務(wù)器組成，負(fù)責(zé)處理中心應(yīng)用業(yè)務(wù)；云計(jì)算服務(wù)器負(fù)責(zé)處理車站視頻管理及流媒體業(yè)務(wù)。

寧波軌道交通5號線在4號線東錢湖車輛段監(jiān)控中心機(jī)房擴(kuò)容云計(jì)算平臺，在每座車站設(shè)置1臺云計(jì)算服務(wù)器，并將云計(jì)算服務(wù)器接入云計(jì)算平臺。新建線路按接入云計(jì)算平臺規(guī)劃并預(yù)留相應(yīng)容量。云計(jì)算平臺組網(wǎng)圖如圖1所示。

圖1 云計(jì)算平臺組網(wǎng)圖

云計(jì)算平臺實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：①應(yīng)用管理——統(tǒng)一管理應(yīng)用系統(tǒng)所需的所有虛擬機(jī)。②應(yīng)用部署上線——實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的自動化部署。③運(yùn)行監(jiān)控——實(shí)時(shí)監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)工作狀態(tài)和云內(nèi)資源情況，并由運(yùn)維平臺統(tǒng)一管理。④資源調(diào)整——根據(jù)業(yè)務(wù)需求和策略自動彈性調(diào)整計(jì)算資源。⑤運(yùn)維保障——通過虛擬機(jī)在線遷移、故障失效轉(zhuǎn)移來保障應(yīng)用系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行。⑥VDC(虛擬數(shù)據(jù)中心)管理——支持VDC，可在VDC 中進(jìn)行資源配額操作，創(chuàng)建和管理虛擬機(jī)，創(chuàng)建應(yīng)用系統(tǒng)，發(fā)放服務(wù)。⑦虛擬機(jī)管理——創(chuàng)建虛擬機(jī)，銷毀虛擬機(jī)，虛擬機(jī)的日常操作，遷移虛擬機(jī)，修復(fù)虛擬機(jī)，虛擬機(jī)資源調(diào)整等。⑧容災(zāi)備份管理——為發(fā)放的業(yè)務(wù)虛擬機(jī)提供容災(zāi)和備份服務(wù)。⑨大數(shù)據(jù)管理——對視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析和管理。

2.2 云存儲平臺方案

視頻監(jiān)視系統(tǒng)云存儲平臺將車站存儲設(shè)備虛擬化成1個(gè)存儲資源池。該存儲資源池的整合過程完全透明，并根據(jù)視頻監(jiān)控系統(tǒng)算法自行完成。通過元數(shù)據(jù)服務(wù)器生成元數(shù)據(jù)和目錄樹節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對存儲設(shè)備的集中管理和狀態(tài)監(jiān)控。

按照組網(wǎng)方案的不同，視頻云存儲可以分成線路云方案與車站云+區(qū)域云方案。

1) 線路云方案。該方案中，所有車站作為一片云，可在每座車站設(shè)置1套云節(jié)點(diǎn)設(shè)備，也可集中在監(jiān)控中心設(shè)置1套云節(jié)點(diǎn)設(shè)備，其中云節(jié)點(diǎn)設(shè)備由多個(gè)存儲設(shè)備構(gòu)成。在監(jiān)控中心設(shè)置元數(shù)據(jù)服務(wù)器，統(tǒng)一管理元數(shù)據(jù)。各車站的存儲數(shù)據(jù)負(fù)載均衡地存儲在該線所有車站的節(jié)點(diǎn)設(shè)備中。此方案對傳輸系統(tǒng)的帶寬需求較大。

2) 車站云+區(qū)域云方案。該方案中,車站作為一朵云(為分布式存儲)，將存儲節(jié)點(diǎn)分布在各座車站中；部分車站或所有車站作為一片云(即一定量的車站組成1個(gè)分布式存儲)，以實(shí)現(xiàn)車站之間的災(zāi)備功能。在每座車站設(shè)置1套云節(jié)點(diǎn)設(shè)備，其中節(jié)點(diǎn)設(shè)備由多個(gè)存儲設(shè)備構(gòu)成。在監(jiān)控中心可不設(shè)置元數(shù)據(jù)服務(wù)器，并將元數(shù)據(jù)管理工作內(nèi)置到車站云節(jié)點(diǎn)設(shè)備。各車站的存儲數(shù)據(jù)負(fù)載均衡地存儲在本站的節(jié)點(diǎn)設(shè)備中。此方案與傳統(tǒng)的城市軌道交通視頻監(jiān)視系統(tǒng)存儲方案類似，對傳輸系統(tǒng)的帶寬需求較小。

上述2個(gè)方案的可靠性及安全性都高于傳統(tǒng)存儲方案，具體應(yīng)結(jié)合傳輸系統(tǒng)的情況統(tǒng)籌考慮。

云存儲平臺實(shí)現(xiàn)的主要功能為：

1) 融合存儲：采用離散化存儲技術(shù)，將不同存儲天數(shù)、不同編碼格式的視頻數(shù)據(jù)離散存儲在同一存儲池中。存儲天數(shù)可根據(jù)實(shí)際需求隨時(shí)動態(tài)調(diào)整。

2) 存儲資源虛擬化：視頻圖像不指定磁盤存儲，可在本地存儲，也可在異地存儲。

3) 存儲業(yè)務(wù)連續(xù)性：當(dāng)存儲主機(jī)發(fā)生故障時(shí)，業(yè)務(wù)遷移到其他存儲節(jié)點(diǎn)，以保證視頻業(yè)務(wù)不中斷。

4) 彈性伸縮：根據(jù)負(fù)載均衡算法提供的高效并發(fā)處理機(jī)制，大幅提升了數(shù)據(jù)的并發(fā)讀寫性能，提高了視頻監(jiān)控存儲系統(tǒng)的整體性能。

5) 數(shù)據(jù)冗余保護(hù)：大幅加速數(shù)據(jù)重建速度，減少數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)間，降低在數(shù)據(jù)恢復(fù)期間硬盤再次發(fā)生故障的可能性，增加了安全性。

6) 存儲擴(kuò)容：當(dāng)存儲資源不足時(shí)，可方便地新增存儲設(shè)備，且不影響在線業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行。

2.3 AI平臺方案

城市軌道交通視頻監(jiān)控系統(tǒng)在未來“智慧軌道”、“全景管控的車站管理[5]”的建設(shè)中面臨眾多的算法。這些算法包括人臉識別算法、交通態(tài)勢感知算法、視頻事件識別算法、城市軌道交通仿真預(yù)測算法等。如何保證算法推理的準(zhǔn)確性，如何對眾多的算法實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的管理，如何挖掘?qū)Τ鞘熊壍澜煌I(yè)務(wù)充分有效的算法，是需要充分考慮的問題。

AI平臺基于云平臺IaaS服務(wù)的云服務(wù)器和裸金屬服務(wù)器提供強(qiáng)大的計(jì)算能力，提供GPU以支持視頻監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行大型分布式深度學(xué)習(xí)，還提供邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)以獲得更具性價(jià)比的訓(xùn)練和推理能力。

基于云平臺PaaS系列服務(wù)，AI平臺提供超大規(guī)模計(jì)算資源池，并能根據(jù)視頻監(jiān)視系統(tǒng)的作業(yè)規(guī)格動態(tài)調(diào)度。視頻監(jiān)視系統(tǒng)無需關(guān)注底層計(jì)算資源的創(chuàng)建和釋放，可聚焦于算法的調(diào)優(yōu)。此外，AI平臺為視頻監(jiān)視系統(tǒng)提供了專屬資源池。通過提前預(yù)留專屬計(jì)算資源可避免忙時(shí)排隊(duì)，增強(qiáng)隔離能力。

AI平臺包括開發(fā)環(huán)境、數(shù)據(jù)處理、作業(yè)管理、模型管理和部署幾部分，覆蓋了AI開發(fā)的端到端流程，并實(shí)現(xiàn)了對各階段的有機(jī)管理。

3 結(jié)語

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展和融合，云平臺技術(shù)在城市軌道交通行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。云平臺方案也將更成熟可靠，更適應(yīng)軌道交通視頻監(jiān)視系統(tǒng)的需求，并滿足客戶對視頻監(jiān)視系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠、易管理等更多要求。軌道交通線網(wǎng)級視頻監(jiān)視系統(tǒng)將更多地應(yīng)用云平臺技術(shù)，甚至將其擴(kuò)展到承載綜合監(jiān)控、自動售檢票、乘客信息系統(tǒng)等弱電系統(tǒng)的應(yīng)用。