九寨溝7.0級、精河6.6級地震應急視頻會議系統應用及問題探討

林向洋 鄭通彥 姜立新 吳天安 高小躍

中國地震臺網中心，北京市西城區(qū)三里河南橫街5號 10045

0 引言

“十五”期間建立的全國地震應急視頻會議系統，基于地震行業(yè)專網，以國務院抗震救災指揮部（中國地震局應急指揮大廳）為主會場，實現了覆蓋全國省級地震局應急指揮中心的視頻會議召開功能，在震后應急通訊、會商會議等方面發(fā)揮著重要作用（劉在濤等，2010）。隨著社會服務工程的大力推進，一些成員單位配備了高清視頻會議終端或多點控制單元（MCU），有條件的省地震局建設了市縣、臺站級的視頻會議系統，這使得全國視頻會議組會模式更加多樣化（張維佳等，2013；鄭樹平等，2013；楊彥明等，2014）。2017年8月8、9日，四川九寨溝、新疆精河分別發(fā)生7.0級、6.6級破壞性地震，震后國務院抗震救災指揮部副指揮長鄭國光同志通過全國地震應急視頻會議系統第一時間向發(fā)震省地震局和相關部門傳達貫徹黨中央、國務院重要指示和部署，并先后7次主持中國地震局應急指揮部會議，研究落實抗震救災指揮部署工作。由于2次地震間隔時間短，震后國務院抗震救災指揮部首次頻繁持續(xù)應用全國地震視頻會議系統組織開展指揮部會議。應急視頻會議系統在完成震后應急視頻通訊任務的同時，也暴露了現存系統硬件組成和運維管理中存在的一些問題。本文以九寨溝7.0級、精河6.6級地震震后應急視頻會議系統應用為研究對象，總結震后應急視頻會議的要求、經驗和教訓，以期做好今后的地震應急視頻會議保障工作。

1 全國地震應急視頻會議系統概況

中國地震局應急指揮大廳以“十五”期間建立的全國地震應急視頻會議系統為基礎，依托“社服工程”完成了地震系統內視頻會議終端升級改造，其包括全國各省市自治區(qū)直轄市地震局、中國地震臺網中心、中國地震應急搜救中心、中國地震局第一監(jiān)測中心、中國地震局第二監(jiān)測中心、中國地震災害防御中心、中國地震局地球物理研究所、中國地震局地質研究所、中國地震局地震預測研究所、中國地震局地殼應力研究所、中國地震局工程力學研究所（哈爾濱、燕郊）和中國地震局地球物理勘探中心等直屬單位，共42個節(jié)點單位。同時，各省部署的應急指揮車車載終端、中國地震應急搜救中心的國家級現場應急指揮車車載終端和一些單位配備的移動視頻會議終端，可以通過衛(wèi)星網絡、3G/4G互聯網絡實現更加便捷的現場應急通訊。破壞性地震發(fā)生后，中國地震局應急指揮大廳通過高清視頻會議終端和多點控制單元（MCU），基于地震行業(yè)專網，快速組建地震應急系統指揮部會議，根據需要可通過電子政務外網與國務院總值班室連通，通過專線實現與武警部隊總部、國家地理信息局、總政治部群眾工作辦公室和中央軍委聯合作戰(zhàn)指揮中心等國務院抗震救災指揮部成員單位連通，開展震后應急協同聯動工作（圖1）。

圖1 中國地震局應急視頻協同聯動拓撲圖

國務院抗震救災指揮部承擔全國地震應急視頻會議系統牽頭工作，負責組織協調全國地震應急視頻會議演練、運維保障和聯調測試等相關工作，其主要組會模式如下：

（1）點對點模式

點對點模式是指不借助多點控制單元（MCU）設備，只使用終端本身或使用內置MCU對少數（通常最多不能超過5個）其他終端直接發(fā)起呼叫（圖2）。該組會模式操作簡單快捷，穩(wěn)定性高，不借助其他設備。

地震發(fā)生后的半小時內，通常采用點對點模式與發(fā)震省地震局應急指揮終端連通，以利于應急人員快速高效地相互溝通，初步了解震情、災情，溝通應急處置協作方案，為后續(xù)應急工作做好準備。該模式的弊端是接入終端數量受限制，對各節(jié)點控制能力不足。

（2）星形組會模式（單MCU組會模式）

星形組會模式即常用的單MCU組會模式，需要借助多點控制單元（MCU）對其他終端發(fā)起呼叫，各與會終端設備地位平等，主會場根據需要可使用MCU對各終端音視頻流集中控制（圖3）。該組會模式適用于需要接入多個終端的會議。

圖2 點對點組會模式

圖3 星形結構組會模式

地震發(fā)生半小時之后，隨著各工作組應急工作的開展，災情、震情的不斷搜集、整理，要求視頻會議系統接入更多的參會節(jié)點，以完成信息交換、指令上傳下達等指揮部署工作。這就需要通過MCU采用星形模式組會。該模式是地震應急后最為常用的組會結構，各個節(jié)點地位平等，資源分布公平。它一方面可以接入多個終端共同參會，另一方面可以通過MCU設備對各與會節(jié)點音視頻控制。該模式的可接入點位數量受MCU容載量限制。

（3）多級樹狀組會模式（多MCU組會模式）

當需要呼入會議的點位數量超過單個MCU容載量時，可以采用樹狀模式組會（圖4）。該模式采用多個MCU分級連接的方式，實現接入節(jié)點數量的增加。由于MCU等級的控制，不容易造成結構混亂和沖突，次級樹MCU會議中的節(jié)點音視頻傳輸質量會因帶寬限制而有所下降。但次級MCU對于音視頻流的控制，會影響到主會議的畫面。采用該模式組會，可以拓展多個子樹MCU組會，但需要各MCU間協調控制關系，以避免對主樹會議造成影響。

圖4 多級樹結構組會模式

2 九寨溝7.0級、精河6.6級地震系統應用

九寨溝7.0級、精河6.6級地震應急處置期內，應用全國地震應急視頻會議系統共召開7次正式指揮部會議。先后參與的終端節(jié)點數10余個，與會單元類型包括中國地震局抗震救災指揮部中心、省級地震局、發(fā)震市州地震局、現場通訊車和現場指揮部等節(jié)點。隨著應急工作的開展，每次指揮部視頻會議的會議內容和參會節(jié)點都會發(fā)生變化，組會模式和網絡環(huán)境隨之不斷變化（表1）。

表1 指揮部視頻會議節(jié)點連通表

結合應急期的工作特點和指揮部會議召開時間節(jié)點，可將應急期分為初期、中期和末期等3個時期（圖5）。指揮部視頻會議在不同應急期發(fā)揮著不同的重要作用。

圖5 時間軸表示應急期指揮部會議

2.1 應急初期（發(fā)震至震后12h左右）

應急初期現場工作隊一般沒有達到現場，應急處置工作以后方指揮部為核心，災情、災害評估結果、震情趨勢分析等信息向指揮部匯總。指揮部節(jié)點承擔指揮部署功能，傳達貫徹整體精神，發(fā)揮統籌協調作用。發(fā)震省地震局節(jié)點為各類信息匯聚點，承擔著“上傳下達”的職責。發(fā)震市州節(jié)點為最前方信息匯報點，具備重要的“第一手”信息的獲取能力。

根據應急工作開展情況，通常震后第1、2次指揮會議在應急時初期召開。由于九寨溝7.0級、精河6.6地震事件發(fā)生時間間隔短，2次地震的應急期重疊，故此次震后的實際應用中，第1～4次指揮會議在該時段召開。

2.1.1 視頻會議應用模式

應急初期視頻組會模式主要采用多級樹結構和星形結構。多級樹結構中的主樹部分由中國地震局MCU召集的地震行業(yè)專網內地震系統視頻會議節(jié)點組成，次級樹部分由四川省地震局MCU召集的四川省政府和四川省消防總隊節(jié)點組成。組建網絡以地震行業(yè)專網為主，電子政務網和協同專網為輔（圖6）。

2.1.2 應用效果和問題

應急初期的視頻組會以地震行業(yè)專網為主體，電子政務網和協同專網為輔。由于多級樹的邏輯結構，次級樹中網絡環(huán)境不會對主樹會議造成影響，網絡波動小，應用效果良好。次級樹網絡接入的節(jié)點效果取決于搭建網絡帶寬，此次地震應急中與四川省消防總隊音視頻連通應用效果良好（圖7）。而市州和區(qū)縣級別的節(jié)點由于分配帶寬受限，畫面質量較差，伴有輕微馬賽克。

2.2 應急中期（震后12～48h）

應急中期現場工作隊已經抵達或接近地震現場，應急工作逐步向前方推移。后方指揮部更關注前方傳回的災情破壞、人員傷亡等信息?，F場指揮車、現場工作隊通過視頻會議回傳的圖像聲音資料尤為重要，保障好現場應急通訊意義重大。該時期也是現場指揮部視頻會議搭建的重要時期。

2.2.1 視頻會議應用模式

應急中期視頻組會模式主要采用星形結構。中國地震局國務院抗震救災指揮部作為主會場，現場指揮部作為主要匯報節(jié)點。組建網絡以地震行業(yè)專網為主，移動視頻終端通過4G/3G互聯網接入組會，通訊車則通過衛(wèi)星信號接入組會，現場指揮部通過VPN穿透進行業(yè)內網參會（圖8）。

2.2.2 應用效果和問題

由圖8可見，應急中期的視頻組會結構雖然變?yōu)楦鼮楹唵蔚男切谓Y構，但接入節(jié)點的網絡搭建變復雜。同時，由于地震現場網絡環(huán)境存在不可控的因素，在實際應用中出現過聲音丟失、圖像馬賽克嚴重、MCU畫面控制不匹配等問題，影響了會議效果。

圖6 應急期多級樹結構視頻會議組會模式

圖7 第1次指揮部會議——四川省消防總隊匯報應急情況

2.3 應急末期（震后48h至結束）

應急末期現場指揮部視頻節(jié)點為重要的中心節(jié)點，主要由現場指揮部向后方指揮部作地震情況的總結匯報，后方指揮部對于地震應急處置情況進行批示和總結（圖9）。該時期視頻組會模式主要應用星形結構。中國地震局國務院抗震救災指揮部作為主會場，現場指揮部作為主要匯報單位。不同的是，該時期的視頻節(jié)點不再加入移動終端和通訊車終端，網絡結構以地震行業(yè)專網為主體。由于采用穩(wěn)定簡單的星形組網結構，組建網絡也以單一的地震行業(yè)專網為主，因此，地震現場指揮部的會議環(huán)境趨于穩(wěn)定。視頻會議過程中，圖像聲音正常，會議整體應用效果良好。

圖8 應急期星形結構視頻會議組會模式

圖9 第5次指揮部會議——九寨溝地震現場指揮部向中國地震局匯報

2.4 應用小節(jié)

應用全國地震應急視頻會議系統組建的7次正式指揮部會議貫穿整個地震應急期，有序高效地完成了地震應急前后方通訊、指揮協調和總結匯報等保障任務。整個應急期先后連通50余個節(jié)點，系統持續(xù)總時間超過20h。會議過程中，大部分時段各節(jié)點聲音清晰，畫面流暢。同時，由于受網絡條件的限制、硬件品牌不一和現場情況復雜等原因，工作中也暴露出以下諸多問題，影響了視頻會議的質量。

2.4.1 現場和次級節(jié)點會議質量差

在視頻會議實際應用過程中，現場通訊車和現場指揮部的視頻會議效果相對較差。特別是在第5、6次指揮部會議中，四川地震局現場指揮部節(jié)點出現過音視頻傳輸卡頓、不同步、聲音飄忽等問題。市州和區(qū)縣的視頻會議節(jié)點視頻會議效果相較省級節(jié)點差，第1次指揮部會議接入的九寨溝縣防震減災局節(jié)點，圖像模糊，伴有輕微馬賽克，聲音小，視頻會議效果較差。

2.4.2 MCU組會控制失步

MCU控制失步是指通過MCU對各參會節(jié)點發(fā)送控制指令，部分節(jié)點未能正常接收或響應，造成控制的不同步。在第5、6次指揮部會議中，出現過個別節(jié)點與主會場圖像布局不一致的問題。該問題出現的隨機性大，重現性差，通常對出現失步現象的節(jié)點斷開重連后可恢復正常。

2.4.3 震后應急視頻會議組會規(guī)范欠缺

地震發(fā)生后，現有應急預案只規(guī)定連通視頻會議，對于應急視頻會議啟動級別、召開次數、與會節(jié)點和組會結構模式等缺少明確規(guī)定。特別是多個破壞性地震相繼續(xù)發(fā)生或發(fā)生在多?。ㄊ校┻吔鐣r，會造成應急視頻會議出現保障被動、組會混亂等問題。

3 分析及探討

如前所述，地震應急視頻會議系統在震后指揮部會議實際應用過程中所出現的音視頻卡頓、控制不同步等諸多問題，可歸納為視頻會議服務質量方面的問題。我們通過聯調測試、加載還原實驗和數據分析等手段，對影響視頻會議質量的原因進行探討。

3.1 網絡帶寬的影響

在終端硬件條件滿足的情況下，網絡帶寬是決定視頻會議質量的首要條件。網絡帶寬足夠的情況下，才可以將終端支持的最高分辨率畫面進行傳輸。若帶寬不足，MCU則會通過相應算法來降低畫面分辨率，以保證基本會議功能的正常使用。

全國地震應急視頻會議系統中的絕大部分節(jié)點均支持720p（1280×720）分辨率質量以上的視頻畫面?zhèn)鬏敚覀儼创朔直媛蕚鬏敇藴蕦π枨蟮木W絡帶寬進行計算。

首先，計算理論極限情況下，即每幀傳輸的圖像完全不同，使用PAL制的參考幀25幀/s計算

式中，Di為1路視頻每秒極限傳送 bit流；C為每幀圖像大小，每像素以24比特顯示；I為PAL制參考幀。

實際會議視頻傳輸過程中，由于含有大部分固定場景，則需要計算實際傳輸數據增量。使用PAL制預測幀B幀和P幀進行計算，一般為10%～40%，這可簡單理解為變化較多的會議場景為40%，變化較少的會議場景為10%

式中，D1為1路場景變化不大的視頻每秒傳送 bit流；I1為按會議場景變化少預測值取10%。

式中，D2為1路場景變化較大的視頻每秒傳送bit流；I2為按會議場景變化較多預測值取40%。

通過H.264壓縮比80∶1標準化后傳輸數據量加上網絡開銷系數（通常取1.3）計算得到實際傳輸數據量（柳春等，2015）為

式中，D1*為1路場景變化不大的視頻壓縮后每秒傳送bit流。

式中，D2*為1路場景變化較大的視頻壓縮后每秒傳送bit流。

通過計算可知，若要穩(wěn)定達到720p分辨率的視頻會議效果理論上至少4M以上帶寬。由于受地震行業(yè)網帶寬限制，一般實際視頻會議應用中對各節(jié)點呼叫速率帶寬最高為2Mb/s。因此，在正常會議情況下，畫面增量不大時，可滿足1.17Mb/s帶寬要求。但當畫面增量較大時（如現場畫面和通訊車行進等情況），呼叫帶寬則不滿足3.64Mb/s的帶寬要求。這時MCU會通過特定算法，降低圖像傳輸的實際質量，以保證圖像的穩(wěn)定傳輸。因此，若在實際應用中出現網絡帶寬限定且需要傳輸的畫面增量較大時，視頻會議應用則會出現畫面質量下降、模糊甚至馬賽克等現象。

3.2 網絡抖動影響

隨著IP網絡業(yè)務的不斷發(fā)展，對于視頻、音頻傳輸的要求不斷提高。網絡傳輸過程中出現的時延，若其值是恒定的，則會造成視頻或聲音的一定時間的延遲播放。而變化的時延被稱作抖動，抖動大多起源于網絡中的隊列或緩沖，尤其是在低速鏈路時。在交互式多媒體應用中，如可視電話和視頻會議應用中，需要支持音視頻會議交互傳輸，端對端的時延應不超過150ms（王海蘭，2008）。視頻會議應用市場占有率較高的寶利通公司安裝技術報告中建議，視頻會議建立標準一般要求時延值不超過80ms，抖動應小于30ms。若網絡傳輸過程中存在抖動，則會影響到視頻或聲音的質量，使畫面或聲音出現停滯、卡頓或丟失等問題。

為測試全國地震應急視頻會議系統網絡抖動情況，我們進行了模擬調試實驗。測試實驗中使用2Mb/s的呼叫速率對系統31個節(jié)點進行呼叫，峰值連通28個節(jié)點。通過記錄連通時和會議結束前各節(jié)點的音視頻時延（抖動）值來反映各節(jié)點網絡抖動情況（表2）。

由表2可見，各節(jié)點音頻時延（抖動）值較小，遠遠低于一般標準值；而各節(jié)點視頻時延值較高，并且有些節(jié)點在接入和斷開時，變化范圍較大，廣泛存在網絡抖動現象。

圖10為各節(jié)點斷開時的時延值和最大時延值。如圖10所示，測試過程中，在數據完整有效的27個節(jié)點中只有海南局1個節(jié)點的最大時延值低于一般標準，中國地震局、青海局、江蘇局、搜救中心、吉林局和福建局等6個節(jié)點的最大時延值較高，但高于一般標準值不超過30ms，基本滿足視頻會議質量抖動范圍要求。而其他20個節(jié)點均在測試過程中出現網絡抖動高于標準30ms的時刻。說明即使依托于地震行業(yè)專網，由于各視頻節(jié)點接入網絡的結構、網絡承載業(yè)務量或業(yè)務優(yōu)先級的不同等原因，各節(jié)點存在網絡出現一定波動情況的可能。

表 2 模擬實驗中各節(jié)點網絡時延（抖動）數據表

圖11為各節(jié)點結束時最大時延值和增長比。由圖11可見，天津局、新疆局、河北局、西藏局、山東局和雅安測繪院等節(jié)點在斷開時視頻最大時延值為連通時的8倍以上。在此次測試中，山東局節(jié)點斷開時視頻最大時延值為790ms，而連通時僅為30ms，前者為后者的26倍多。說明在測試過程中，山東局節(jié)點出現了較大的網絡波動情況，造成網絡抖動范圍很大。

圖10 各節(jié)點結束時時延值和最大時延值

圖11 各節(jié)點結束時最大時延值和增長比

雖然，實驗測試存在一定的偶然性，但也能有力地證明網絡波動在行業(yè)專網內普遍存在。實際應用過程中，若某個節(jié)點恰巧在某個時刻由于承載業(yè)務量增加等原因，交換路由資源分配不及時，很有可能出現嚴重的網絡時延，造成比較強烈的網絡抖動，其程度遠遠超過視頻會議系統容錯范圍標準，這勢必會影響當時的視頻會議音視頻質量。

3.3 數據丟包影響

數據在通信網絡中是以數據包為單位傳輸的，每個數據包中有表示數據信息和提供數據路由的幀，這說明數據并不是連續(xù)線性傳輸的。因此，在網絡通信過程中，丟包現象普遍存在。通常認為，丟包率大于1%就會對視頻會議應用質量造成影響，過高的丟包率會造成圖像聲音傳輸質量下降，甚至失去連接。據前人相關研究和應用經驗，造成網絡丟包的主要原因有物理線路故障、設備故障、路由錯誤和網絡阻塞等（張大陸等，2010）。

震后九寨溝地震現場指揮部會議中出現音視頻傳輸卡頓、不同步、聲音飄忽、畫面馬賽克嚴重等問題，與丟包問題影響視頻會議應用效果的現象非常相似。又由于現場指揮部搭設的網絡為所駐扎酒店的電信網絡，接入范圍廣，應用復雜，構建的網絡環(huán)境不穩(wěn)定，很有可能造成網絡的不定時阻塞，進而影響視頻會議效果。

為重現當時場景，我們在震后指揮部所駐扎的酒店進行了模擬實驗。在相同網絡條件下，人為通過大數據包傳輸對網絡加載，與中國地震局指揮大廳節(jié)點連通測試。加載網絡條件下，出現音視頻丟包率達到10%左右，視頻會議畫面出現明顯卡頓、馬賽克現象，聲音出現斷續(xù)，MCU的畫面控制也出現了失步現象（圖12）。停止網絡加載，則音視頻傳輸恢復正常。此次現場實驗較為全面地還原了震后實際應用時出現的問題。

圖12 現場指揮部加載測試圖

3.4 組會結構

星形結構是地震應急視頻會議系統主要的組會模式，該模式邏輯結構簡單，各節(jié)點所占網絡資源平等，具有連接故障率低、易于控制的特點（張維佳等，2013）。但在實際應用中，各節(jié)點的硬件設備、網絡條件和優(yōu)先等級等不盡相同。如在與現場指揮部對話的會議中，由于現場指揮部網絡資源緊張，會議條件簡陋，故應對這類節(jié)點資源傾斜分配。此時，若仍采用平等的資源分配方式，反而會造成浪費。多級樹結構則應用在多MCU組會中，其網絡層次分明，次級樹的節(jié)點不會對主樹造成沖突和影響，但次級樹中的節(jié)點音視頻質量會受帶寬限制而大幅下降。

我們認為在現有網絡資源條件下，應根據節(jié)點實際應用需要，有甄別地對各節(jié)點進行資源分配，才能有效提高會議保障的容錯率。所以，在應用星形結構組會時，可根據需要手動對各節(jié)點呼叫帶寬進行資源分配，保障重要節(jié)點的資源占有率，以保證節(jié)點視頻會議的效果。應用多級樹結構時，也可以把網絡不穩(wěn)定或不作重點保障的節(jié)點放在次級樹中，優(yōu)先保障主樹中會議質量。

4 結論和建議

4.1 結論

九寨溝7.0級、精河6.6級地震震后指揮部視頻會議是地震應急視頻會議系統的一次較為成功的應用，在震后前后方應急通訊、指揮協調和協同聯動中發(fā)揮了重要作用。但應用過程中也暴露了諸多技術問題，影響了視頻會議質量。我們經過現場還原、實驗測試和相關技術分析認為，造成部分節(jié)點在實際應用中出現圖像卡頓、聲音飄忽等視頻會議質量較差問題的主要原因是網絡條件波動。地震行業(yè)網網絡帶寬的限制、現場指揮部節(jié)點架設網絡環(huán)境的復雜以及各種原因造成的網絡堵塞、抖動等原因，都會造成一定的網絡波動，這些波動必然會對依托于傳輸網絡的視頻會議系統質量造成影響。

4.2 幾點建議

4.2.1 建立視頻會議系統QoS（質量服務）標準

對地震行業(yè)網絡基本情況進行梳理，特別是對系統各節(jié)點接入網絡結構和邏輯構成進行詳細調研。對于網絡結構和邏輯構成復雜的節(jié)點應重新規(guī)劃網絡環(huán)境，減少跳轉次數，降低其他業(yè)務設備可能對網絡造成的影響。合理應用網絡QoS技術方案，緩解當網絡出現阻塞延遲時對視頻會議系統應用的影響。

4.2.2 建立視頻會議系統建設規(guī)范

視頻會議效果取決于整體會議環(huán)境，只有規(guī)范現場視頻會議系統整體環(huán)境，才能形成可靠的會議環(huán)境，才能對會議中出現的問題進行及時有效處理。但現系統中各級節(jié)點的視頻會議系統建設條件不盡相同，特別是地震現場搭建的會議環(huán)境更是復雜多樣。因此，需要建立相關建設規(guī)范，對視頻會議系統建設的網絡條件、終端兼容性和基礎會議環(huán)境（音響、投影顯示、基本燈光照度等）等基本要求進行明確規(guī)定，才能建成兼容性強、會議環(huán)境穩(wěn)定和應用效果良好的視頻會議系統。

4.2.3 豐富震后通訊手段

由于依托地震行業(yè)專網，地震應急視頻會議系統的應用受到限制。因此，從實際地震應急應用的角度出發(fā)，可利用現有地震應急視頻系統平臺優(yōu)勢，并結合云視頻會議、4G移動視頻終端等技術，豐富震后應急視頻通訊手段，以提高指揮服務能力。

致謝：感謝地震應急視頻會議系統各成員單位對于測試實驗的配合，感謝四川省地震局相關同志在九寨溝現場指揮部網絡環(huán)境實驗中提供的技術幫助。