基于公共云平台部署的省级高速公路视频云系统方案

作者：刘攀（河南省交通规划设计研究院股份有限公司）

摘要：通过对国内省级视频云平台建设现状进行分析，论证主流视频上云的技术路线，提出省级视频云系统建设方案。该系统依托公共云平台提供的资源服务，实现省级高速公路视频资源在云平台的汇聚与分发，为打造“可视化、可观测、可控制、可服务”的高速公路智能运行监测体系提供有效保障。

随着交通信息化的发展，我国已由“交通大国”迈向“交通强国”，社会公众对出行服务的期望值也越来越高。视频监控是帮助社会公众及时了解路况的有效方式，尤其是基于移动端的视频监控，由于具有灵活性和便捷性，因此在公众出行等应用中发挥着重要作用。

2019年11月，交通运输部下发《全国高速公路视频联网监测工作实施方案》和《全国高速公路视频云联网技术要求》（交办公路函〔2019〕1659号），要求更好地满足人民群众出行需求，开展全国高速公路视频联网监测工作，实现全国高速公路视频资源接入及实时在线调取，各省负责建设本省视频云平台建设，以满足省级高速公路视频资源100%汇聚和分发，与部视频云平台实现无缝衔接。

本文对国内省级视频云平台建设现状进行分析，对主流的两种视频上云技术路线进行对比，在此基础上提出基于公共云平台部署的省级视频云平台建设方案。

目前江苏省和广东省已开展省级视频云平台的建设，并取得了一定成果。

（一）江苏省视频云平台建设现状

江苏是全国范围内最早将高速公路视频迁移至云端并向公众开放的省份，其开发建设的“苏交控视频联网平台”（以下简称“平台”）于2017年5月上线运行，先期接入G2京沪高速江苏段视频，后期各路段逐步实现上云接入，现已接入全省高速公路和部分干线公路视频资源。平台通过互联网安全隧道汇聚接入全省上云的视频资源，在云端进行视频汇聚与分发，向路段管理用户提供1M视频图像，为决策分析提供了有力的技术支撑；同时向社会公众提供32K低码流视频，方便公众实时掌握道路交通状况，保障社会公众便捷出行。

平台技术架构及应用情况可以从五个方面进行介绍。

第一，平台充分采用公共云计算技术，采用IaaS 层—PaaS 层—SaaS 层的架构，提供摄像机设备的接入和管理、统一认证和单点登录、视频分发、设备的监控报警和统计等功能。

第二，平台利用公共云的对象存储技术（OSS），每分钟对四千多路摄像机视频进行截图，可实现随时、随地访问及下载，为基于AI 的视频质量分析提供了样本基础。

第三，平台云数据库使用一主多备的MySQL数据库，自动存储备份相关数据，实现读写分离。

第四，实现与江苏省交通运输厅的“江苏省公路水路安全畅通和应急前置系统”对接，实现实时视频传输和摄像机运行状态反馈，实现了公共云平台和交通专网内业务系统的联网和交互。

第五，开展云端小码流智能分析应用，现已针对云端汇聚的32K视频开展交通拥堵、异常停车等事件分析应用。

（二）广东省视频云平台建设现状

广东省视频云平台已于2019年11月上线。该平台采用公共云的架构，并对各路段沿线的视频资源进行汇聚接入，平台利用负载均衡、CDN分发技术达到十万级并发视频流的能力，能够满足社会公众的高并发视频秒级调看需求，同时向部级云平台开发视频播放地址，实现与平台的无缝联网对接，保障部级云平台能够同时获得全部摄像机的视频流数据[1]。

现阶段云平台已建成的功能主要分为高速公路管理和公众出行服务两大模块，其中高速公路管理模块主要是高速公路管理单位使用，包括路产数据采集与管理、实时视频查看、视频智能运维、云台控制、图像管理、上云视频发布管理等功能；公众出行服务模块主要针对出行公众提供，主要依托高速公路公众号，采用GIS图层的方式为社会公众提供基于互联网地图的视频调看和实时事件的高亮显示等信息服务。

高速公路省级视频云平台建设需要充分结合视频转码方案进行设计，结合当前技术形式，视频转码可选的技术路线有路段转码和云端转码两种方案。

（一）路段转码

在路段上云接入点设置视频上云网关设备，对接现有视频平台获取视频流（现有平台软件升级），对路段汇聚的视频资源统一进行标准格式转换，向省级云平台推送32K CIF格式（长传）和1M（按需调用）的标准码流，省级云平台汇聚全省高速公路推送的标准化视频流，上传部级云平台。

优点：与交通部文件要求一致，平台升级不影响现有视频业务，转码后上传占用公网带宽较少，后期路段投入成本较低。

缺点：视频转码网关费用较高，路段建设投入成本较高。

（二）云端转码

各路段设置推流设备，直接从前端摄像机申请1M的视频码流，替代摄像机现有视频流业务（一般为4~6M），并通过视频网关直接推送至云端，路段不再进行视频转码。

省级云平台汇聚接入全省上云的1M视频后，在云端租用运算资源按照交通运输部统一标准转码，输出32K CIF格式码流，供交通部云平台或公众用户调看。

优点：路段不再进行转码，路段建设成本降低，减轻路段维护工作量；云端转码输出格式可调整，可向公众推送不同分辨率的视频流（不局限于32K）。

缺点：与交通部文件要求不一致；对现有视频业务影响较大（码流由4~6M调整为1M）；1M码流视频占用公网带宽较高，后期路段持续性投入成本高。

（三）方案选择

综合以上内容，两方案均可实现视频上云。路段转码方案前期建设资金较高，运维期间投入费用较低，结合机电设备使用寿命周期，路段转码方案经济效益高于云端转码方案。此外，相对于云端转码方案，路段转码方案对路段现有业务影响更小，与交通运输部技术要求完全匹配，部省平台对接更加简单，因此推荐采用路段转码技术路线。

（一）系统架构

省级视频云平台系统架构包括数据感知层、网络通信层、云服务层、数据资源层、业务应用层、展示层、用户层七层[2]，系统架构示意如图1所示。

图1 系统架构示意图

1、数据感知层

数据感知层为视频云平台提供基础的数据及视频资源，感知设备包括高速公路路段沿线、隧道、服务区广场、收费站广场、特大桥梁等区域的视频设备。

2、网络通信层

网络通信层提供数据上传下达的通信通道，包括高速公路光纤通信专用网络、互联网、4G/5G等通信网络。

3、云服务层

云服务层是云厂商提供的公共云服务，包括云数据库、云主机、云存储、CDN等视频云应用系统运行所必需的软硬件支撑环境。

4、数据资源层

数据资源层构建视频云应用系统数据库，包括基础数据库、业务数据库和图片数据库，为各业务模块提供数据支撑。

5、业务应用层

省级视频云应用系统包括9项功能，包括地图综合展示、摄像机设备管理、视频上云管控、视频云端分发、视频播放、视频截图、云台控制、用户行为日志、用户权限管理等。

6、展示层

展示层为应用系统的展示方式，包括WEB端、微信公众号、监控大屏等方式。

7、用户层

用户层为系统面向的服务对象，包括部级管理人员、省级管理人员、社会公众。

（二）视频云应用系统

省级视频云平台应用系统主要包括地图综合展示、摄像机设备管理、视频上云管控、视频云端分发、视频播放、视频截图、云台控制、用户行为日志、用户权限管理等功能模块。应用系统功能结构如图2所示。

图2 视频云平台系统功能结构图

高速公路视频云平台应用系统主要功能包括以下九方面。

1、地图综合展示：采用互联网地图，通过Web端、微信公众号、监控大屏等方式，面向部级管理人员、省级管理人员、社会公众等不同对象用户，将高速公路沿线视频感知设备基础信息、运行状况、视频监控数据等信息以直观、形象的方式在地图上呈现展示。

2、摄像机设备管理：对省内高速公路沿线、收费站、服务区、停车区等区域监控摄像机设备基础信息进行接入管理，支持以树形结构或列表格式对监控摄像机进行归类、分级管理。

3、视频上云管控：对省内高速公路各路段视频接入省级云平台资源进行统一管理，对各路段视频上云资源设备、视频流进行管控。

4、视频云端分发：将省内高速公路各路段接入上云的视频数据，经过公共云平台CDN分发给用户进行视频观看播放。

5、视频播放：提供Web端调看和微信观看。Web端调看功能对用户登录后的身份信息进行分析鉴别后，针对社会公众用户，提供32K低码流标清格式视频的查看服务，针对部级或省级管理人员，提供32K低码流标清格式视频的查看服务，以及1M高码流高清格式视频的调阅和查看服务。微信针对社会公众用户提供32K低码流标清格式视频的查看服务。

6、视频截图：对上云视频流每隔5分钟进行截图，提供截图查询调阅功能。

7、云台控制：具备对路段云台摄像机的控制功能，可向部级视频云平台指定的监控点位提供云台控制服务，并通过日志记录省部级用户对云台的操作。

8、用户行为日志：对用户行为进行自动记录与审计。

（三）公共云平台部署方案

租赁公共云服务资源，为省级云平台应用系统配置数据库、操作系统以及配套的云主机、云存储、云安全、负载均衡服务、CDN服务等系统运行提供所必需的软硬件支撑环境。

1、云数据库

公共云平台数据库主要为视频云系统提供数据处理服务。因视频资源不在云平台存储，视频云系统产生的业务数据及存储的图片数据不足10T，数据库服务推荐采用关系型数据库与内存数据库相结合的方式，当数据在内存和磁盘之间切换频率比较高的场景下，采用内存数据库。其中，关系型数据库推荐采用开源的MySql数据库，用于对视频云系统的全部业务数据进行处理，内存型数据库推荐采用非关系型（NoSQL）数据库Redis，将用户信息、摄像机列表等信息周期性存储至Redis数据库，以提高用户访问效率。

2、云主机

云主机用于部署视频云应用系统，负责承载应用系统的业务逻辑层计算。云主机的租用数量与性能应根据平均并发用户数，用户事物查询需求、业务更新需求与峰值系数进行评估。通过负载均衡服务，多台云主机共同承担访问流量，实现系统高可用性。

3、云存储

视频云系统主要存储数据包括业务系统产生的结构化数据以及视频截图数据，图片存储格式为CIF及以上分辨率的JPG文件，存储时间不少于7天，假设按12000路视频并发上传，视频截图1年存储量不到1T，结合存储需求，租用公共云提供的对象存储服务即可满足需求。

4、云安全组件

根据交通运输部有关视频云平台建设的文件要求，省级视频云平台应满足等保二级要求。公共云平台需要配备的云安全组件包括：虚拟私有云VPC、云防火墙、虚拟专有网络VPN、入侵检测组件、云审计组件、恶意代码防范组件及SSL证书组件，考虑到视频云系统主要为公众提供Web访问服务，在公共云平台配备Web应用防火墙，对网站及微信公众号的业务流量进行恶意特征识别及防护。

综上所述，公共云平台网络拓扑示意如图3所示。

图3 公共云平台网络拓扑示意图

5、负载均衡服务

负载均衡服务用于解决公众访问数量巨大造成的高并发问题，通过设置虚拟服务地址（IP），将多台云服务器和容器虚拟成一个高性能、高可用的应用服务池，采用轮询、加权轮询和最小加权连接数三种调度算法，将访问分发到后端应用服务池里的云服务器和容器，保证所有后端服务器都能将性能充分发挥，从而保持服务器集群的整体性能最优。

6、CDN服务

CDN服务通过就近缓存、智能路由选择等方式，实时根据网络流量和各节点的链接、负载状况以及到用户的距离和响应时间等综合信息，将用户的请求重新导向离用户最近的服务节点上，使用户就近取得所需内容，保障网站数据快速、稳定、安全的传输，提高用户访问网站的响应速度。

（四）容灾备份

为保证核心业务数据的完整性和可用性，需要对数据进行容灾备份。省级视频云平台容灾备份主要包括数据库容灾和虚拟机容灾两部分内容。

1、数据库容灾

视频云系统数据库由公共云平台提供，公共云平台数据库容灾实现方式是在不同物理环境（不同机房、不同供电路由等）部署主备数据库，主数据库由于各种原因（错误操作、系统软件错误、病毒、硬件故障、断电、火灾、地震等）发生故障时，灾备数据库可以立刻接管原有应用，对外正常提供服务。

2、虚拟机容灾

公共云平台上虚拟机通过弹性负载均衡服务，避免出现单点故障。弹性负载均衡自动剔除不健康的云主机，保证业务流量始终在健康状态的云主机上进行负载，实现业务的可用性。

（五）部级云平台对接

省级视频云平台通过互联网，与交通运输部云平台对接，提供视频推送服务。其中视频流通过互联网传输，控制信令通过VPN隧道传输。

本文结合高速公路视频上云的政策要求与数据中心发展趋势，提出基于公共云平台部署的省级视频云系统建设方案。该系统依托公共云平台提供的资源服务，实现省级高速公路视频资源在云平台的汇聚与分发，为打造“可视化、可观测、可控制、可服务”的高速公路智能运行监测体系提供有效保障。开展高速公路视频云联网，可以丰富公众了解出行路况的手段。公众通过观看沿途高速公路视频图像，能够及时发现路段上的事故、拥堵、低能见度等情况，了解路面积水、积雪、结冰等状态，从而减少交通事故的发生，提高公众出行的满意度。

参考文献

[1] 耿洁,陈嘉佳,艾英明.构建高速海量视频智慧云联网平台[J].中国交通信息化,2020,(03):92-95.

[2] 甘勇.智慧城市视频云建设应用研究[J].现代计算机,2019,(17),89-93.