鐵路綜合視頻分轉發中間件的設計與實現

白根亮，陳中雷，郭星宇，郭志華

（北京經緯信息技術有限公司，北京 100081）

鐵路綜合視頻監控類系統是具有音視頻數據采集、傳輸、交換、控制、顯示、存儲、處理功能的監控系統，應用于鐵路行車指揮、生產組織、客貨運輸服務、作業監控、搶險救援及治安防范等業務場景[1]。隨著大數據、人工智能等技術在鐵路發展中的應用，基于鐵路綜合視頻圖像智能識別的各類應用得到了越來越高的關注，例如基于圖像識別的客運服務[2-3]、貨車裝載狀態識別[4]、車號識別[5]、周界入侵[6-7]等。鐵路綜合視頻監控類系統的各類應用面臨視頻獲取困難、傳輸量大和不同應用協議轉換復雜等痛點和難題[8]，為解決上述問題，亟需研發鐵路綜合視頻監控類系統的分轉發中間件，將視頻數據進行分割和轉發，按需傳輸，提高網絡傳輸效率和帶寬利用率，為鐵路各業務部門和應用系統提供所需要的視頻數據，實現視頻資源集成、共享和智能化應用，同時，提供高性能、大規模視頻數據管理服務。

1 中間件架構

1.1 總體架構

鐵路綜合視頻分轉發中間件采用高內聚、低耦合的分布式架構，其總體架構如圖1 所示，主要分為接入層、數據層、業務層和應用層。

圖1 鐵路綜合視頻分轉發中間件總體架構

（1）接入層主要對接各類設備或平臺各類協議的實時及歷史媒體流，實現協議轉換、適配及視頻的分轉發等功能，并提供統一的接口標準。

（2）數據層分為結構化數據和非結構化數據，其中，結構化數據包括基礎數據、監測數據、狀態數據、實時數據、報警數據和分析數據等；非結構化數據包括圖片、視頻文件、系統日志、文檔、可擴展標記語言（XML，eXtensible Markup Language）、JSON 等。為中間件提供統一的數據支撐和數據來源，為后期視頻分析和數據挖掘提供大數據存儲支持，為突發事件處置和預防提供決策支撐。

（3）業務層主要實現業務邏輯和數據的處理，并為終端提供服務，主要包括媒體分發服務、存儲管理服務、接入網關服務、數據服務、終端管理服務、網絡管理（簡稱：網管）服務、告警服務、維護管理服務、鑒權認證服務、配置管理服務、日志管理服務、標準API 服務等各種技術服務。

（4）應用層包括業務管理和中間件管理，其中，業務管理主要包括實時監控、云臺控制、歷史回放、業務告警等業務功能；中間件管理主要包括設備管理、用戶管理、配置管理、存儲管理、維護管理、日志管理等功能。

1.2 技術架構

鐵路綜合視頻轉發中間件的技術架構如圖2 所示，采用面向服務的架構設計，包含接入網關服務、媒體分發服務、數據服務、告警服務、網管服務、存儲管理服務、終端管理服務等服務模塊。通過模塊化、標準化設計，對中間件不同的業務進行解耦，各模塊進行解耦及標準化后，可方便地進行單獨升級與級聯/互聯擴展，而不會造成全局性影響，通過各模塊間級聯及互聯的模式，可進行水平及垂直擴展，從而實現彈性部署與架構靈活設計的目標。

（1）采集設備/下級平臺通過Onvif 協議或動態庫等方式采集鐵路沿線音視頻數據，并注冊到接入網關服務中，進行信號控制命令[9]（簡稱：信令）的協商和交互，同時，發送實時媒體流到媒體分發服務，并接收接入網關服務的信令，執行攝像頭控制等操作。

（2）接入網關服務主要實現信令的轉發和處理，通過GB/T 28181 協議[10]和下級平臺進行信令的傳輸、交換和控制。

（3）媒體分發服務主要用于接收和處理實時和歷史媒體流，實現對媒體流的解析、解復用和分發，并推送到各個播放終端及互聯平臺。

（4）存儲管理服務主要對視頻分發服務生成的切片文件進行管理，實現對文件的大小和錄像時長的計算、存儲及切片文件的合并，用于提供視頻文件的統一下載路徑，并發送實時媒體流到媒體分發服務。

（5）終端管理服務向客戶端提供統一接口調用，實現對客戶端和網頁端不同協議和信令的交互和調用。

（6）告警服務主要實現異常人員、異物入侵等報警數據的接收，并將告警數據路由給終端及其他互聯平臺。

（7）網管服務用于采集不同類型設備的設備狀態信息，并根據告警規則評判告警后，推送到消息隊列。

（8）數據服務主要用于操作數據庫及緩存庫，為其他服務提供數據及緩存支撐。

（9）消息隊列用于接收告警及命令消息并進行消息推送，接收客戶端下發的用戶操作信息，并與其他服務實現消息共享。

2 中間件功能

鐵路綜合視頻分轉發中間件的功能架構如圖3所示。

圖3 鐵路綜合視頻分轉發中間件功能架構

2.1 業務管理

2.1.1 實時監控

實時監控模塊包括實時點播、語音對講、主/子碼流、視頻轉碼、協議轉換和視頻轉推功能。實時監控界面如圖4 所示。其中，實時點播功能支持用戶點播查看各類設備和通道采集到的實時視頻；語音對講功能支持用戶在實時監控界面進行語音對講；主/子碼流功能主要用于實現視頻主/子碼流的切換功能，單畫面播放時使用主碼流，多畫面播放時使用子碼流；視頻轉碼功能主要實現對不同視頻編碼格式（例如H.264、H.265）的視頻流和不同音頻編碼格式（例如G711、AAC）的音頻流進行格式轉換；協議轉換功能主要用于實現RTSP、RTP/RTCP、RTMP、WebRTC 等協議的轉換，支持不同協議的解復用、媒體流解析與處理及不同協議的復用及輸出，從而實現各種媒體流的解封裝操作；視頻轉推功能可實現媒體流的轉發和級聯，以及不同設備或平臺間的數據通信和交互。

圖4 實時監控界面

2.1.2 云臺控制

云臺控制功能可對視頻采集設備進行管理，可對球機類型的綜合視頻監控設備進行監控方向控制、轉動速度設置、視頻放大/縮小、焦距和光圈調整、預置位設置及調用，云臺控制界面如圖5 所示。

圖5 云臺控制界面

2.1.3 歷史回放

2.1.3.1 錄像查詢及點播

通過目錄樹可查看監控設備的歷史視頻信息，根據起止時間進行歷史視頻查詢，并顯示不同時間點的錄像情況，可對存在錄像的時間段的歷史視頻進行點播。

2.1.3.2 回放控制

該功能支持用戶對選定時間段的視頻進行回放，回訪時可設置播放速度，并對視頻進行截圖、下載、宮格數量設置和宮格順序切換等操作，如圖6 所示。

圖6 回放控制界面

2.1.3.3 視頻下載

該功能通過ffmpeg 等開源庫實現視頻數據處理及視頻文件錄制等功能；同時，對視頻文件分片存儲，實時動態生成索引文件，對索引文件進行內存存儲，并使用二分法查找，實現快速檢索及下載。

2.1.4 業務告警

業務告警功能主要包括實時告警和告警聯動。其中，實時告警可查看告警通道的實時告警截圖和視頻，如圖7 所示；告警聯動可實現告警時的多臺攝像機聯動，發生告警后，與其聯動的通道會自動轉向預置位，啟動錄像，可新建、修改報警源的聯動動作，包括預置位的設置、恢復時間、預錄時間及報警結束后的錄像時延等，如圖8 所示。

圖7 實時告警功能界面

圖8 告警聯動功能界面

2.2 中間件管理

中間件管理包括設備管理、用戶管理、配置管理、存儲管理、維護管理和日志管理等功能。其中，設備管理功能可實現對現場設備、服務器、網絡設備等設備狀態的監控，以及告警閾值配置等；用戶管理功能可實現對用戶角色管理、用戶組、菜單、項目權限等的管理，如圖9 所示；配置管理功能可實現對中間件服務及功能參數等的動態配置；存儲管理功能可實現對存儲計劃及策略的管理；維護管理功能可實現對系統服務運行狀態的監控及對運維概況的統計；日志管理功能主要包括操作日志的記錄和服務運行日志的監控。

圖9 用戶管理功能界面

3 關鍵技術

3.1 接口技術

鐵路綜合視頻分轉發中間件接口的傳輸通道采用信令通道和數據通道。其中，信令通道用于建立會話并傳輸控制命令；數據通道用于傳輸媒體流。信令通道采用XML+會話初始協議（SIP，Session initialization Protocol）實現，該協議靈活且擴展性好，適用于音視頻數據的通信，可保障不同廠商間設備和服務的兼容性，統一接口標準。數據通道采用實時傳輸協議（RTP，Real-time Transport Protocol）和實時傳輸控制協議（RTCP，Real-time Transport Control Protocol）實現，其中，RTP 負責實時傳輸音視頻數據；RTCP 則用于控制和監控網絡情況，包括帶寬使用、丟包率、延遲等。通過調整傳輸參數可實現流量控制和網絡故障重發等功能，以提高音視頻數據傳輸質量，減少延遲，降低丟包率。

3.2 按需推/拉流及斷續推流技術

鐵路綜合視頻分轉發中間件可根據當前用戶的播放數量實現動態的資源調配，當某個通道沒有用戶使用時，以事件機制主動通知業務服務，告知攝像機停止推送媒體流（簡稱：推流），并釋放帶寬及CPU 等資源。同時，當用戶直接根據播放地址播放視頻時，如果其查看視頻的相關攝像機未推流，可通過事件機制主動通知業務服務，告知攝像機進行推流或主動拉取媒體流（簡稱：拉流），減少播放地址獲取環節。當攝像機推流中斷后，延時銷毀媒體資源對象，同時延時斷開播放器；當攝像機再次推流時，復用該資源對象，播放器可繼續觀看。如果超過預設時間限制沒有再推流，則主動關閉播放器并回收所有資源。

3.3 分布式存儲及集群化部署

鐵路綜合視頻分轉發中間件支持分布式架構、存儲虛擬化，并提供統一命名空間、故障檢測、自動恢復、糾刪碼等冗余功能的存儲；支持文件及對象的云存儲功能，對必要的媒體流采用云端存儲的方式，并生成文件索引，以方便后期快速檢索定位；支持Linux、Windows 及國產化等不同的CPU 架構；媒體分發服務支持對等集群部署等不同方式的部署，同時，支持故障轉移，從而實現中間件的高可用。

4 應用情況

鐵路綜合視頻分轉發中間件于2023 年6 月，在鐵路線路安全環境管理平臺上線運行，并在全國鐵路范圍內試用，支持鐵路重點區段安全巡視和風險隱患排查，應用效果良好。

鐵路綜合視頻分轉發中間件可提供高性能、大規模視頻數據管理服務，實現視頻資源集成與共享，規范視頻傳輸方式，對多條線路視頻數據進行集中整合；對重點與一般地段視頻數據進行分類管理和監控，實現自動輪訓和重點部位重點排查等不同監控方式；實現對視頻數據的分割和轉發、按需傳輸，規范統一視頻傳輸方式，避免多對多交叉網狀傳輸，減少下行帶寬資源，提高網絡傳輸效率和帶寬利用率，以便實時掌握各種突發事件和警情信息；更好地發揮客運段級調度中心調度臺視頻巡查、監控、處理、預警等職責，提高工作效率，

5 結束語

鐵路綜合視頻監控類系統在鐵路運輸生產中發揮了重要的作用，隨著智能鐵路、數字鐵路的發展，基于綜合視頻監控類系統的各種智能化應用成為智能鐵路的重要組成部分。鐵路綜合視頻分轉發中間件可將視頻數據進行分割和轉發，按需傳輸，提高視頻傳輸的效率和質量，解決大規模視頻傳輸和播放遇到的難題，提供更好的流媒體視頻服務，為基于鐵路綜合視頻的各種智能化應用提供定制化的視頻數據，更好地滿足業務應用需求，提高視頻管理人員工作效率。