地铁视频存储的应用研究

摘要：通过对地铁视频存储系统需求、视频存储方式、磁盘阵列存储架构的分析及比较，并结合具体的地铁工程实例介绍了地铁视频存储应用解决方案，为地铁视频存储的设计和选择提供参考。

关键词：地铁、视频存储、硬盘录像机、磁盘阵列

中图分类号：TP399 文献标识码： A 文章编号：

Abstract: Based on the subway video storage system demand, video storage, RAID storage architecture analysis and comparison, and introduces the subway video storage application solutions according to the specific project, provides the reference for the design and selection of subway video storage.

Key words:Subway、Video Storage、Digital Video Recorder、Redundant Array of Independent Disks

1.引言

随着地铁在城市交通系统中的地位日益重要，客流压力逐渐加大，由于地铁空间相对封闭，拥挤的人流也为不法份子提供了可乘之机，一旦发生意外后果不堪设想，因此地铁治安管理、正常秩序维护问题也日趋严峻。莫斯科地铁连环爆炸案、英国伦敦地铁爆炸案和西班牙马德里爆炸案等把地铁治安管理及实时监视提高到一个新的高度，要求地铁车站的站台站厅进行无死角视频覆盖。

由于地铁视频监控系统摄像机数量多、存储图像质量高、存储的时间长、存储安全性高等特点，视频存储解决方案已成为地铁视频监控系统核心问题之一。

2.地铁视频存储需求分析

根据目前地铁视频监控系统建设规模及视频图像保留时间等要求，针对地铁视频存储系统需求分析如下：

1、要求海量的存储容量，由于地铁摄像机点位多，规模大，按每站60台摄像机计算，一条20个站地铁线路将达1000台摄像机以上，同时保存时间长，视频图像需保留时间为15天以上，按每路图像占用4Mbps计算每站需要的存储容量将达37T以上，另外由于地铁行业图像存储质量要求高，存储容量的大小随着画面质量的提高将成倍增加；

2、要求存储系统扩展方便，由于目前地铁安全要求越来越高，如需达到站台、站厅、重要设备及管理用房等无死角视频覆盖，还需增加大量的摄像机点位，导致存储容量也需成倍增加，因此存储容量须具备方便扩展的特点；

3、对存储性能要求较高，需要统一存储，并能够满足长时间的连续数据读写，数据流量大，访问请求数量大，访问请求涉及到地铁车站值班员、值班站长、地铁控制中心调度员、运管办等多个不同的单位；

4、对视频存储的安全性要求高，需要在长时间连续数据读写的情况下仍然保证视频图像的安全完整，同时需具备异地容灾功能，保证在本地存储系统瘫痪的情况下能够在异地进行容灾存储。

3.视频存储解决方案

目前地铁视频监控存储主要有硬盘录像机（DVR）及磁盘阵列两种解决方案。

3.1硬盘录像机存储方案

在地铁建设的早期阶段，地铁视频监控系统建设规模很小，如深圳地铁1号线一期工程视频监控系统项目采用硬盘录像机存储方式，每个车站只安装8台摄像机，站台和站厅各4台，于2004年建成完工；另外由于当时视频编解码设备及视频压缩技术并不成熟，远非主流产品，因此采用硬盘录像机（DVR）作为视频存储方式就成了必然的选择。

但随着地铁视频监控系统大规模的需求应用及视频编解码设备的普及应用，硬盘录像机由于存储容量不易扩展、视频存储的安全性低、视频调阅管理不方便等缺陷迅速被磁盘阵列存储方式所取代。

3.2磁盘阵列存储方案

根据存储的连接方式，磁盘阵列存储主要分为DAS、NAS、SAN三种。

DAS（Direct Attached Storage，直接附加存储）是存储设备与服务器之间通过SCSI或者光纤直接连接，一个DAS存储设备只能连接1-2台主机，取决于存储设备上的通道数量，其扩展性无法满足地铁视频监控系统大规模的存储需要。

NAS（NetworkAttachedStorage，网络附属存储）直接与网络介质相连实现数据存储的机制，但NAS是基于“文件级”的存储方式，依托于服务器和网络处理性能和文件系统的性能，不能达到“数据块级”的存储性能，无法满足地铁视频监控系统产生的海量数据存储需要。

SAN（Storage Area Network，存储区域网络）可分为FC（Fiber Channel）SAN和IP SAN两种方式，目前这两种方式在地铁视频监控系统中均有应用。

1、采用磁盘阵列存储方式的优点

1）提供海量存储容量

磁盘阵列具有海量存储能力。磁盘阵列是基于单盘容量和阵列规模的，随着单盘容量快速增长，目前1TB以上的硬盘已广泛应用，使得磁盘阵列可提供的硬盘容量也飞速增长。

2）可实现视频图像存储的高可靠性要求

磁盘阵列通过在阵列中的某些存储空间内存放用于失效数据恢复的校验信息，提供比单个大容量盘更高的可靠性。磁盘阵列的数据校验方式有多种，其中RAID-5由于将奇偶校验信息分布存放于不同的磁盘中而使系统的读写负载达到了平衡，因而是一种较好的方案。

采用RAID-5技术，如果阵列中有一块硬盘损坏，利用其它盘可以重新恢复出损坏盘上原来的数据，而不影响系统的正常工作，并可以在带电状态下更换已损坏的硬盘（即热插拔功能），阵列控制器会自动把重组数据写入新盘，或写入热备份盘而将新盘用做新的热备份盘。

另外采用双控制器的磁盘阵列可保证存储系统的可靠性和连续工作能力，从而达到高可靠性的要求。

3）高速数据的并行传输

磁盘阵列具有并行处理能力。由于采用了数据分块和交叉存储技术，使得CPU对于磁盘阵列中的数据采用并行的方式来进行读写操作。

针对地铁行业大规模的视频监控系统，图像数据写入磁盘阵列及从磁盘阵列调用图像资料的频率及速度要求均很高，磁盘阵列的并行处理能力正好满足这种大规模的图像写入及调用的要求。

2、采用磁盘阵列存储方式的缺点

1）造价高

与采用硬盘录像机存储图像资料方式相比，造价相对较高。因为采用磁盘阵列存储必须配置视频编码器或直接采用IP摄像机，同时须构建专用的网络系统，而且对于地铁大规模的视频监控系统，对于网络系统的传输性能要求也相对较高，因此为视频传输配置的网络系统造价也会相应增高。

2）图像质量及传输安全性受网络性能的限制

采用硬盘录像机存储图像资料方式，摄像机与硬盘录像机直接通过视频同轴电缆相连，图像损耗少质量高、图像传输安全性好。

但采用磁盘阵列存储图像资料方式，摄像机采用视频同轴电缆与视频编码器相连，视频编码器再通过TCP/IP网络与磁盘阵列连接，如网络断开，所有数据传输停止，同时由于网络总带宽和网卡吞吐量的限制，存储时可能降低每路的带宽资源，图像质量及传输安全性受网络性能的限制。

3.3 FC SAN存储架构分析

FC SAN是以光纤通道交换机为骨干的网络拓扑结构，是基于“数据块级”的存储方式。FC SAN的体系架构以处理数据的多种服务器为中心，存在两个网络，一个是面对应用网（或Client/Server架构或Browzer /Web server架构）；另一个是存储网（由主机中的FC HBA卡、FC交换机及存储设备三层结构组成的SAN），存储网络协议为光纤通道协议（FC协议）。

FC SAN架构图：

采用FC SAN存储方式存在的问题：

成本高昂，FC交换机、FC HBA卡相比以太网交换机、普通网卡价格高昂，连接复杂；

由于FC协议的封闭性，了解和掌握的人员较少，须专业技术人员进行支持，后期维护成本高。

3.4 IP SAN存储架构分析

IP SAN基于成熟的以太网技术，由于配置的技术简单、低成本的特色相当明显，普通服务器或PC机只需要具备网卡，即可共享和使用大容量的存储空间，不需要专门的光纤通道网络在服务器和存储设备之间传送数据。

IP SAN架构图：

采用IP SAN存储的优势:

1)IP网络技术相当成熟，IP SAN减少了配置、维护、管理的复杂度,一般网络管理人员就可以完成日常的管理与维护工作。

2)基于IP网络的存储系统，所以数据迁移和远程镜像非常容易，只要网络带宽支持，基本没有距离限制，更好的支持异地容灾和现有网络基础结构融合，支持跨平台数据共享。

3）以传统以太网的价格实现等同于光纤网络的性能，实现真正的即插即用，无需客户端软硬件升级、零维护成本、使用人员无需技术培训，而且升级扩容简单方便。

3.5视频存储方式综合比较

各种存储方式比较如下：

4. 地铁视频存储系统的典型应用

某城市地铁5号线视频监控系统项目采用IP SAN存储方式,建设成本相对于同期建设、规模相当的2号线视频监控系统项目采用FC SAN存储方式可节省40%以上。

深圳地铁5号线（环中线）包括27个车站、1个车辆段、1个停车场及1个主变电所，前端摄像点位多，摄像机总数为1800台以上，平均每个车站设置60台摄像机以上。

该项目设计采用“视频编码器+IP SAN存储”架构的全数字化视频监控系统，在控制中心、各车站、车辆段、停车场分别设置IP SAN磁盘阵列，在车站、车辆段、停车场可实现对本站、本区域内所有图像信息进行存储和调用，在控制中心可对全线任何一路图像和录像信息进行检索、查询和调用并可对所观看图像进行本地录像，同时在控制中心可实现对车站IP SAN异地容灾存储。

5.结束语

随着地铁视频监控系统视频图像保存质量及保留时间等要求的增高，IP SAN存储解决方案将以低成本、高性能和易维护等优势成为地铁行业大规模视频监控系统的优先选择。

参考文献

[1] 李明月. 数字硬盘录像机技术分类解析[J]. 中国科技信息, 2007(24).

[2] 陆广瑜, 谈超洪. 当前三大主流磁盘阵列系统的技术比较[J]. 广西科学院学报, 2003, 19(4).

[3] 深圳市地铁有限责任公司 深圳地铁5号线工程综合安防系统招标文件 [G].2008