平安福田——IP全交换监控解决方案

本项目以深圳福田区的平安工程为例，阐述IP全交换监控解决方案的规划建设，继承模拟系统优点，发挥IP监控系统优势，以满足平安城市监控点位多、机房分散、存储时间长、图像质量要求高的要求。

深圳福田区作为深圳市重点开发和建设的中心城区，具有十分特殊的战略地位。为构建“平安福田、和谐福田、效益福田”，提供良好的社会环境，2006年福田区开始建设全数字化的视频监控系统。

06年IP监控在公安系统的大规模应用较少，在福田区视频监控技术方案讨论之初，是使用硬盘录像机+矩阵模式，还是编码器+平台+磁盘阵列模式存在较大争议。通过各方专家论证，考虑到福田区监控点位多、机房分散、存储时间长、图像质量要求高等特点，本项目提出的IP全交换监控解决方案被供应商选中，并成功中标。

该系统一期建设一类监控点3362个，九个分布式存储机房，经过几年的扩容，现在一类点位已经达到4800多个。其清晰度以D1分辨率为主，大运会场馆周界的重点部位采用720P高清视频监控。

需求分析

在模数结合方案占主导地位的时期采用数字化方案，要求该方案不但要继承模拟系统的全部优势，还需要充分发挥IP监控存储、共享、扩展、应用方面的优势。区公安局从自身的需求出发，对系统提出了极大要求。

系统稳定可靠

从结构上，整个系统无单点故障，如果某个设备宕机或损坏，不会影响整个系统的运行。同时要求数字系统的坏件率维持在一个较低的水平。

满足实战应用

视频监控首先要满足派出所、警务室的实战应用，既可以上电视墙显示，也可以在PC机上快速调阅。在控制前端摄像头时，能够快速转动、拉伸图像，能够及时跟踪行人、车辆。

录像清晰，存储可靠

录像清晰度较硬盘录像机有较大提高，能够为事后取证提供支持。另外，提供录像数据的长时间存储，动态扩容与有效保护，做到硬盘损坏也不丢失数据。

平台开放，扩展性强

平台采用开放系统架构，监控点位的扩容不需要进行整体架构的挑战。同时，平台支持开放接口协议，能够与公安的视综X-sight系统、PGIS平台、接警平台等进行对接，能够进行二次开发融合公安多种应用。

规划建设

在综合考虑了福田公安的项目需求后，选用“IP全交换”架构的视频监控系统建设福田平安工程项目。“IP全交换”架构相对于大家熟知的“IP流媒体”架构具有非常大的技术优势。两种方式的架构图区别如（图1）所示。

图1 “IP流媒体”与“IP全交换”架构区别

在构建清IP监控解决方案整体架构时，首先要考虑的就是从架构上解决网络监控带来的海量视频实时数据和存储数据的合理处理。为此，业界的普遍的作法是借助高性能的服务器，安装流媒体服务器软件，由软件来对海量视频数据进行实时访问的转发；通过服务器安装录像存储服务器软件，由软件实现海量录像转存到存储设备中，借此来规避视频监控终端自身的性能瓶颈及网络带宽的瓶颈，这种被称之为“IP流媒体”的方案对网络和设备本身没有特别要求，只要开放接口就能实现异构厂商的IPC、NVR及管理平台软件的互联互通。

本项目采用的监控专网环境下的“IP全交换”架构，和IP流媒体架构最大的不同在于，对海量视频的转发处理由高性能交换机通过组播协议来承载，由实时视频访问用户所在的交换机来负责高清视频的复制分发，在主干网上同一路视频只占用一路带宽，交换机的整体架构在可靠性和分发效率上要远远高于流媒体服务器架构。同时，针对视频网络存储需求， “IP全交换”设计融合了端到端的IPSAN技术，前端设备直接对存储视频流进行iSCSI协议封装，直接采用数据块的方式将视频数据写入IP SAN存储设备中。通过这种方式，监控视频数据的存储不需要转换为视频文件，自然也不需要录像存储服务器。从而有效的规避了引发“哑铃效应”的文件系统问题和录像存储服务器性能瓶颈问题。具备良好的可扩展性，无论监控规模有多大，整个系统不会存在性能瓶颈。

系统架构设计

为了达到福田市公安局高标准的系统架构要求，做到系统无单点故障，将IT中的NGN系统概念引入视频监控系统中。

图2 视频监控整体架构设计

如（图2）所示，有别于“IP流媒体”方案，系统采用实时视频流、存储视频流、信令流分开模式，只有信令流经过服务器处理，实时和历史视频图像采用端到端转发模式。

假设此时平台出现服务器宕机或者网络通信故障，整体系统内当前正在进行的业务不会中断：前端视频图像的存储不会中断，硬件上墙显示、监控PC客户端实况浏览的图像不会出现黑屏。NGN构能够保证监控系统具备整体高可靠性，避免系统瘫痪风险。

NGN架构带来的另一个优势就是扩容方便，系统规模扩大时，系统网络架构不需要发生改变，不需要增加网络汇聚带宽，不需要进行骨干网络改造，不需要增加平台服务器，只需要增加相应的前端设备和存储设备。

实际运行状况也验证了当初的设计是正确的，整个系统未发生过整体系统瘫痪的恶性故障；从一期3362点扩容到二期4800随着点位的增加，网络架构未改动，平台服务器的数量也没有增加。

系统组网设计

福田区社会治安一类视频监控点主要覆盖分局、派出所和社区管辖下的主要党政机关、主干道路、治安复杂区域、学校、银行等重点部位，实现对全区社会治安的有效实时监控。

图3 福田区平安工程整体组网图

如（图3）所示，视频监控系统采用区公安局、派出所两级架构，即管理平台部署在分局、派出所，采用分级分域的管理模式。

视频监控专网骨干网采用环网建设。标清的视频图像信号通过视频光端机首先汇聚到派出所，由派出所的编码器将实时视频转换为数字信号接入交换机中；高清监控点位采用720P/1080P数字摄像机，直接接入网络交换机中。为了提高系统可靠性，在派出所配置磁盘阵列，视频图像24小时在派出所进行保存。同时在派出所配置硬件解码器、电视墙、PC机、控制键盘等设备，保证系统的快速调阅。

在公安分局部署管理服务器和应用服务器，分局作为一个管理节点，对全网用户进行统一授权，通过系统的统一网管对全网编码设备、存储IPSAN、网络设备、平台服务器设备进行统一管理。

录像存储设计

录像可靠存储对于视频监控来说至关重要， IP监控方案中的存储方案包括了从前端缓存、中心直存到中心备份各个应用环节的针对性设计。

前端缓存补录

在监控系统实际应用环境中，经常会面临网络终端、存储设备断电等情况，导致前端的录像无法及时存储到中心存储资源，从而造成录像丢失。易倍体育全系编码器和IP摄像机均支持前端缓存补录功能，在网络或中心存储等异常时，前端设备会启动缓存功能，将视频数据存在本地的存储设备上（如：U盘、移动硬盘和SD卡等）。同时，后端链路或设备恢复正常后，会自动将补录到的录像上传到后端存储上，避免造成数据丢失。

动态码流直存

对于易倍体育监控终端，可按照录像存储业务的优先级，支持变码流存储：对于周期计划类等优先级较低的录像存储业务，可采用低码流或者抽帧方式的存储，适当减少对存储空间的占用。而对于告警联动类等优先级较高的录像存储业务，可采用高码流、全帧等方式存储，全力保证录像的高质量、高清晰度。

同时，基于支持前端智能分析功能的监控终端，对于监控画面中的重点区域或动态图像，采用低压缩比、高码流格式进行传输及存储；对于监控画面中的非重点区域或静态图像，采用高压缩比、低码流进行传输及存储。这样在保证关键录像数据的高质量传输、高质量存储的同时，可有效减少非关键数据占用的传输带宽、存储资源。

N+M保护

遇到在线存储掉电、网络异常、数据所在的扇区损坏或主用存储设备的阵列及磁盘损坏等各种异常情况下，在线存储无法支持业务，可在iSCSI块直存技术的基础上，实现存储N+M保护方案。“N+M保护”是预防存储故障的实现方式之一，“N”为在线存储盘阵，“M”为冗余存储盘阵，“N”和“M”在一个局域网里，但可以放置在不同的地域。通过“N+M保护“能将前端摄像机的数据自动存放到冗余存储盘阵设备上。当在线存储恢复正常后，又自动的恢复到之前存储设备上。

多条件一次备份

所有在线存储资源可以通过设定备份计划对关键资源进行一次离线备份，备份的触发条件也可以是手动触发和指定的报警信号联动触发备份，实现对报警数据的集中保护。

基于抽帧多次备份的存储生命周期管理

支持录像一次备份的同时，可对重要监控点的录像数据进一步进行二次备份。在备份时，可配置指定监控点的抽帧备份，即只备份录像的I帧等关键帧数据，从而可以有效节约备份存储空间，实现存储生命周期的管理。

视频情报应用

基于平台提供的开放接口，可以方便的对在线存储数据和离线备份存储数据进行进一步的增值应用。比如通过手动研判将存储数据编辑为视频情报数据，输入关键信息，便于事后的多条件检索和制作案卷。也可以结合智能分析检索技术，通过调用接口，对存储数据进行后期智能分析，只检索符合智能分析条件（如进入特定禁区、绊线和符合特定行为）的图像，进一步提高对海量视频数据的检索效率，并自动转换为有价值的视频情报。

通过完善的录像存储方案，确保了福田公安视频录像存储的可靠性和完整性。

应用扩展

视频监控系统独具的多媒体操作系统（图4），支撑多业务的高开放性，按照最新国家标准供基于业务逻辑层和基础设施层的SDK接口，整个系统架构中除了底层的OS层，其他各层的组件、应用都可以快捷的实现合作开发和融合。

图4 IMOS多媒体操作系统

通过平台的开放接口，福田区公安局在该平台之上扩展了很多应用，比如案件管理、卡口管理、PGIS对接等公安特色业务。尤其是案件视频研判功能，可以通过案件视频库对相关涉案录像和案件信息进行绑定，下次查询该案件时，可自动关联、调用相关录像，方便公安干警日常工作，福田公安通过该功能已经侦破大量案件。