朱超 王鹏 许津津

【摘要】    随着视频技术发展以及系統在轨道交通运营管理、客流分析、安全防控等方面的重要辅助功能日益突出，云存储技术作为新兴的视频存储方案，本文探讨了几种基于轨道交通的云存储方案，简要分析了相关的数据管理模式，并对带宽需求、存储容量进了对比。

【关键词】    轨道交通    视频监视    云存储

一、轨道交通视频存储需求

1.1 存储时间长

根据《反恐怖主义法》、《城市轨道交通公共安全防范系统工程技术规范》（GB51151-2016）的规定，轨道交通视频监视图像需存储90天以上。

1.2 存储体量大、类型多

目前高清视频监控技术基本已在轨道交通中的大规模应用，视频清晰度基本已达到1080P以上，监控数据中90%以上是海量非结构化数据，包括高清视频、高清图片、语音、事件数据等。

解决这些海量数据的可靠存取，提升系统的可靠性、可用性、开放互联、带宽需求等问题，对存储架构选择、存储方案优化提出了新的要求和挑战。

二、云存储方案简介

2.1云存储方案的特点

目前在地铁领域，传统存储技术包括NVR技术、SAN（IP SAN、FC SAN）存储技术、云存储技术等。

面对海量存储需求，传统存储技术在容量和性能的扩展上会存在瓶颈，对视频备份及恢复的相关能力上能力稍弱。根据视频数据存储特性需求，采用云存储技术可以实现性能与容量的线性扩展，这对于追求高性能、高可用性的轨道交通视频监视系统来说是一个新选择。

云存储是在云计算概念上延伸和发展出来的一个新的概念应用存储虚拟化技术将网络中大量各种不同类型的存储设备通过软件调度进行集合，实现统一的对外存储。

文件写入云存储系统中，文件被分为多个固定大小的数据块，而1个数据块被分为N个数据分片，因此数据可以灵活的分配。此外利用云存储可以实现数据分布式存储的功能（如图1），一份数据存储时，可对数据备份，分布在2个存储节点。

2.2存储方案

根据轨道交通视频监视系统高清化、网络化、智能化的特点，目前通行的建设视频云存储架构方案有中心集中存储、区域云存储、站点分散存储三种。

2.2.1中心集中存储

（1）总体方案

在控制中心（或集中数据机房）设置1套云存储设备（如图2所示），线路所有车站、车辆段、停车场视频监视图像均统一上传存储在控制中心。

（2）数据管理

中心云存储方案将各站点所有数据通过传输系统传输至控制中心。

在中心云存储方案中，文件被分为多个固定大小的数据块，1个数据块被分为若干个源数据分片，分别存入不同的存储节点，源数据分片通过算法得到冗余的数个数据分片，单独存入冗余存储节点，如图3示，在没有存储节点故障时，文件直接从源数据分片中读取。

当存储节点故障导致源数据分片损坏时，可通过冗余的数据节点数据恢复出源数据分片，如图4所示。

2.2.2区域云存储

（1）总体方案

每3或4个车站选择集中站分别设置1套云存储设备，如图5所示，结合云存储技术可实现分布式数据存储的特点，3或4个车站的视频图像进行互相备份，形成区域云存储。

当硬件出现不可恢复故障时，采用区域云存储系统互备功能，每站对区域站内视频图像进行备份，可实现故障前若干天历史数据不丢失，历史数据恢复天数由预留的互备容量决定。

车站云存储系统支持双存储点，即主存储点和副存储点;存储池从功能层面划分为本地存储和互备存储。如图5所示，以3个车站组成的区域云存储系统互备为例，车站A主存储点挂载本地存储，副存储点挂载车站B互备存储;车站A主存储点挂载本地存储，副存储点挂载车站C互备存储;车站C主存储点挂载本地存储，副存储点挂载车站A互备存储。

（2）数据管理

单个车站配置存储节点组成车站云存储系统，以网络拓扑中相邻的3或4个车站云存储系统组成区域云存储系统为例。

当车站A存储节点故障时，现车站A云存储无法完全接管故障节点的视频业务时，区域云存储系统内其他车站云的灾备接管模式为抢占式，根据自身的最大冗余接管能力接入需要迁移的视频业务。

如图6所示，车站A内部无法完全接管的视频业务，被分配到区域内部的车站B和车站C进行接管。发生灾备接管时，仅被分配到车站B和车站C的视频业务将占用车站A到车站B、车站A到车站C之间的带宽，不占用其他车站的带宽。

正常工作时，视频数据同时写入主存储点和副存储点，实现视频本站存储及跨站互备。当车站A存储硬件损毁时，车站B互备存储上保存的车站A历史视频不受任何影响，无需进行数据恢复即可进行录像调看;同时支持录像回迁策略，待车站A存储设备恢复时，支持将车站A互备存储上的历史数据回迁至车站A存储设备中。

（3）区域云存储方案的扩展

本方案可通过增设中心云存储设备，形成“中心-区域-车站”三级存储架构。中心灾备云存储系统与所有车站云存储系统互备。当车站云需要迁移的视频业务超过区域云存储系统的接管能力时，超出接管能力的视频图像将由中心灾备云存储系统接管，如图7所示。此时，中心灾备云存储提供最终的灾备能力保障。

2.2.3分散式云存储

分散式云存储方案下，车站视频直接存储在车站通信机房内，如图8所示。

（1）数据管理

分散式云存储方案模式下，每个车站均设置一套独立的云存储系统。控制中心不设置存储设备，控制中心设置中心管理设备，对全线车站的视频监视设备进行故障管理、性能管理、配置管理、安全管理。

数据恢复及管理与中心云存储方案相相似，区别在于每站均为独立设置的云存储系统，当存储节点故障导致源数据分片损坏时，需将故障信号上传至控制中心，并由控制中心进行故障记录及分析，车站云存储通过冗余数进行恢复相关数据。

（2）方案扩展

本方案可在控制中心增设中心云存储设备，形成“中心-车站”的存儲架构，中心设置一座车站容量的存储，如单站提供灾备能力保障。

三、方案分析

3.1带宽分析

采用中心云存储方案需将车站所有视频图像上传至控制中心，对传输网络带宽要求较高，按30座车站每站300路4M码流视频图像（预留远期）考虑，则总线带宽需求为36000M以上。采用区域云存储方案，需对车站视频图像进行互备，对传输网络带宽要求较高，按每站300路4M码流视频图像（预留远期）考虑，则站间带宽需求为1200M以上。分散式云存储对带宽需求较小，只需要中心对各站视频调取的带宽，一般为总线1000M，如对分散式云存储进行扩展，设置中心存储设备，则需考虑整站视频上传的需求，即总线带宽需求为1200M以上

中心云存储方案、区域云存储方案对带宽需求较高，如果传输网络故障，车站图像将无法传送，存在一定的风险。

3.2容量分析

1路1080P@25 帧（1920×1080）摄像机图像按照4M的码流计算 90 天的存储空间：4Mbps×3600 秒×24 小时×90 天/1024/1024/8=3.7TB。

若采用中心集中存储方案，所有视频集中在控制中心机房内，按30座车站考虑，则控制中心机房需存储数据容量为32.52P。

区域云存储方案由于每站需要对邻站的存储余量进行存储，则每站视频数据增加一倍，每站存储（存储300路，备份300路）需存储空间为2220T，全线存储总容量为65.04P。

采用分散式云存储则每站容量为每站存储（考虑300路）存储需求为1110T，全线存储总容量为32.52P。

可见，分散式云存储只需利用车站通信机房，集中云存储方案需规划一个较大的通信机房对数据进行存储，而区域云存储方案由于进行数据的冗余，整体造价翻番。

以上为三种方案的粗略分析，在实际建设中还应相应地考虑系统开销及预留容量。

四、结语

中心云存储方案将所有视频数据集中存储在控制中心，实现了统一管理、集中运维，业务集成度高，基础体系架构简单，应用架构部署灵活，硬件采购成本较低。劣势在于对传输系统传输带宽要求极高，网络的依赖程度高，单点故障风险较大。

区域云存储方案通过邻站互传的方式结合云存储技术可实现分布式数据存储的特点，在数据恢复上具备明显优势，在任意车站数据全部毁坏的情况下仍可对数据进行还原，劣势在于对传输网络带宽有一定的要求，同时硬件造价有较大的提升。

分散式云存储方案在各站分别设置存储系统，不考虑互传及集中存储，站站相互独立，无需高成本传输网络，且站点个性化容易体现。对于土建的影响较小，后续运营维护管理方便。

综合考虑数据机房及其它配套条件、数据传输带宽需求和实施成本，在城市轨道交通视频监控项目中，如果对于数据恢复没有特殊需求，建议考虑实施分散式云存储方案，如考虑中心数据接管贡纳，也只需适量的增大总线带宽就可实现。

朱超（1991-），男，汉，安徽省太湖县，上海市隧道工程轨道交通设计研究院，工程师，主要从事工作：轨道交通通信系统设计

王鹏，男，汉，1981年3月28日，甘肃省兰州市，天津地下铁道集团有限公司，高级工程师，主要从事工作：弱电专业建设管理。

许津津，男，汉，1981年10月28日，河北省石家庄市，中铁上海设计院集团有限公司，高级工程师，主要从事工作：轨道交通通信系统设计