云視頻技術(shù)在省級地震應(yīng)急指揮系統(tǒng)中的應(yīng)用探討

李敏+吳艷梅+李永強

摘要：視頻會議系統(tǒng)是各級地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)的重要組成部分。結(jié)合云技術(shù)主要特征，研究了云視頻技術(shù)在省級地震應(yīng)急指揮系統(tǒng)的設(shè)計思路和應(yīng)用方法，在云南省地震應(yīng)急指揮技術(shù)平臺中建立了云視頻應(yīng)用原型系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進行技術(shù)測試，探討了未來地震應(yīng)急指揮云視頻平臺的建設(shè)思路。

關(guān)鍵詞：云視頻技術(shù)；應(yīng)急指揮系統(tǒng)；原型系統(tǒng)

中圖分類號：P315-391文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2017）04-0655-06

0前言

“十五項目”建設(shè)以來，我國在地震應(yīng)急指揮決策領(lǐng)域開展了包括地震應(yīng)急指揮模式、應(yīng)急指揮技術(shù)體系、地震應(yīng)急管理、地震快速評估等方面的研究工作（姜立新等，2003）。在“中國數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡(luò)工程”的推動下，建成了覆蓋國家、區(qū)域、重點城市、災(zāi)害現(xiàn)場的4級應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)，促使應(yīng)急指揮模式發(fā)生了較大變化，應(yīng)急響應(yīng)從傳統(tǒng)分散型的應(yīng)急模式轉(zhuǎn)化為集現(xiàn)代計算機、網(wǎng)絡(luò)通訊、災(zāi)害評估和指揮決策等技術(shù)為一體的綜合性應(yīng)急體系工作，實現(xiàn)了地震震情、災(zāi)情的應(yīng)急指揮決策快速響應(yīng)，災(zāi)害損失的快速評估與動態(tài)跟蹤，輔助決策的信息服務(wù)和可視化指揮等系統(tǒng)工程。尤其是2006年全國地震應(yīng)急視頻會議系統(tǒng)的建成，大大提升了地震應(yīng)急處置能力，實現(xiàn)了震時指揮部與災(zāi)區(qū)一個或多個現(xiàn)場指揮部節(jié)點之間的命令下達、災(zāi)情上報，使救援工作高效、有序進行，最大限度減少人民群眾的生命和財產(chǎn)損失（楊仕升，2011），同時也為地震應(yīng)急指揮提供了豐富的理論基礎(chǔ)和實踐經(jīng)驗，大大提高了我國地震應(yīng)急響應(yīng)能力，在提高破壞性地震的快速響應(yīng)、應(yīng)急產(chǎn)出服務(wù)能力方面發(fā)揮了積極的作用（帥向華等，2009）。

視頻會議系統(tǒng)作為地震應(yīng)急指揮主要通訊手段之一，它通過音頻、視頻條件提供現(xiàn)場指揮環(huán)境，實現(xiàn)在單網(wǎng)、雙網(wǎng)、多網(wǎng)和外網(wǎng)不同組網(wǎng)模式下的互聯(lián)互通（鄭樹平等，2016），隨著地震應(yīng)急指揮體系開放性、共享性、互聯(lián)程度的不斷擴大，地震應(yīng)急視頻會議系統(tǒng)逐漸成為各級地震應(yīng)急技術(shù)平臺體系應(yīng)用、運維的核心業(yè)務(wù)工作，以云南為例，截止2016年底已初步建成涵蓋1個省級中心、16個州市中心、102個縣區(qū)節(jié)點的三級地震應(yīng)急視頻會議互聯(lián)互通系統(tǒng)。作為一種直觀、高效、及時的遠程溝通工具，系統(tǒng)投入使用后，為云南省各級地震應(yīng)急指揮中心的地震應(yīng)急指揮、日常會議保障、業(yè)務(wù)培訓交流等工作提供了良好的信息支撐平臺，在云南省歷次地震應(yīng)急處置工作中發(fā)揮了強有力的科技保障作用。

1云南地震應(yīng)急視頻會議系統(tǒng)現(xiàn)狀

在我國地震應(yīng)急指揮領(lǐng)域，視頻會議系統(tǒng)已經(jīng)歷了近10年的應(yīng)用發(fā)展，系統(tǒng)的設(shè)計、建設(shè)和應(yīng)用日臻完善，但隨著信息化建設(shè)的不斷深入，特別是近年來云計算技術(shù)的成熟以及網(wǎng)絡(luò)帶寬的不斷提升，基于傳統(tǒng)視頻會議體系的硬件系統(tǒng)已逐步顯現(xiàn)出一些問題，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1.1建設(shè)成本較高，資源利用率低

一套完整的視頻會議系統(tǒng)包括多點控制單元（MCU）、視頻會議終端、網(wǎng)關(guān)（Gateway）、網(wǎng)閘（Gatekeeper）等幾個部分（于浩等，2016），并且需要專網(wǎng)進行連接，通過音視頻矩陣集成進入指揮中心應(yīng)急指揮技術(shù)平臺。其中多點控制單元（MCU）和視頻終端設(shè)備等專用設(shè)備造價昂貴，尤其是具有大范圍多點互聯(lián)組會需求的省級、州市級指揮中心，其在視頻會議系統(tǒng)硬件資源方面的建設(shè)投入將更加巨大。

系統(tǒng)建成后，由于各級地震應(yīng)急指揮機構(gòu)的業(yè)務(wù)特點所限，除地震應(yīng)急處置、日常會議培訓、應(yīng)急演練聯(lián)調(diào)外，視頻會議設(shè)備日常多處于待機運行狀態(tài)，業(yè)務(wù)承載量較低，以云南地震災(zāi)害應(yīng)急指揮中心為例，2016年全年視頻會議系統(tǒng)月運行負載率均未超過15%，如圖1所示。

1.2異型設(shè)備互聯(lián)兼容性差，系統(tǒng)開放性差

目前而言，雖然全球各主流產(chǎn)商視頻會議設(shè)備均采用基于IP 的H.323和H.264標準體系的協(xié)議平臺，但其自身硬件系統(tǒng)還存在諸多的內(nèi)部私有協(xié)議，這些私有協(xié)議的存在，使得不同產(chǎn)商視頻會議設(shè)備之間的互聯(lián)互通性大打折扣，這種情況，在進行大規(guī)模級聯(lián)組會和雙流操作時尤為明顯。同時，由于其部署結(jié)構(gòu)的特殊性，對終端接入設(shè)備的支持較單一，系統(tǒng)開放性較差。

1.3缺乏有效容災(zāi)備份機制，系統(tǒng)穩(wěn)定性差

目前，全球各主流產(chǎn)商視頻會議均缺乏較好的安全防護手段，視頻會議系統(tǒng)在遭遇內(nèi)部故障或外部環(huán)境侵害時極容易出現(xiàn)全面宕機的情況，除了建設(shè)造價高昂的多機熱備系統(tǒng)外，缺乏較理想的容災(zāi)備份機制，系統(tǒng)遭遇故障后難以短時間內(nèi)恢復運行，這給各級地震應(yīng)急指揮機構(gòu)的突發(fā)應(yīng)急處置工作帶來隱患。

隨著全球互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展，基于云環(huán)境的分布式、虛擬化計算模式在各領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。云計算并不是一種新的技術(shù)，而是由集群計算、網(wǎng)格計算、效用計算、分布式計算等多種計算機技術(shù)演化而來的一個模型理念，云計算把硬件、平臺、軟件等當做資源提供給用戶，把客戶端的計算工作遷移到云服務(wù)器，而云服務(wù)器卻又是完全對用戶透明的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)集群，云服務(wù)器承載用戶的具體應(yīng)用計算任務(wù)，從而使得用戶面對的終端從設(shè)備到軟件都得到極大簡化（陳辛夷，2014）。云計算在業(yè)務(wù)創(chuàng)新、服務(wù)提供、資源優(yōu)化等方面有顯著優(yōu)勢（曹江輝等，2017），在國內(nèi)，中國平安和中國聯(lián)通已先后建成了超大規(guī)模公有云視頻平臺，傳統(tǒng)固化、分散式、低利用率的視頻會議體系已無法緊跟大數(shù)據(jù)時代的發(fā)展需要，不過值得慶幸的是，有別于大多數(shù)破舊立新的系統(tǒng)升級方式，云視頻系統(tǒng)的建設(shè)并不需要拋棄傳統(tǒng)的視頻會議硬件資源，而是以現(xiàn)有資源為基礎(chǔ)，通過調(diào)整構(gòu)架，革新機制的方式來最大限度發(fā)揮現(xiàn)有視頻會議體系的效能。

2云視頻技術(shù)原理

隨著Web2.0的興起，網(wǎng)絡(luò)帶寬不斷提高，具有多功能的軟件視頻會議已經(jīng)逐漸占據(jù)主流位置，如Mikogo 、WebEx 、InterCall等。目前，隨著云計算的快速發(fā)展促使云計算環(huán)境下的視頻會議平臺的研究也已經(jīng)得到廣泛關(guān)注（杜磊等，2013）。endprint

作為分布式、并行、網(wǎng)格計算的延續(xù)發(fā)展，云視頻技術(shù)是虛擬化、效用計算、基礎(chǔ)構(gòu)架即服務(wù)IaaS，平臺即服務(wù)PaaS，軟件即服務(wù)SaaS 等概念混合演進的結(jié)果，如圖2，可以理解為一種分布在大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的、可按需動態(tài)地部署、配置、重新配置以及取消的服務(wù)（李珊珊，2016）。

在系統(tǒng)構(gòu)架上，云視頻會議系統(tǒng)與傳統(tǒng)視頻會議體系有著巨大區(qū)別，如圖3所示，云視頻會議系統(tǒng)拋棄了傳統(tǒng)的視頻會議系統(tǒng)通過MCU組會—節(jié)點終端參會的硬件架構(gòu)，對原有的系統(tǒng)架構(gòu)進行了創(chuàng)新，云資源池替代了原有的MCU設(shè)備，將MCU設(shè)備的功能分解為各個模塊，模塊之間互為耦合，并可進行靈活擴展，將傳統(tǒng)的MCU的并發(fā)瓶頸更新為動態(tài)資源池，從而打破了視頻會議系統(tǒng)的并發(fā)限制（郭建輝，2016）。簡單來說，云視頻系統(tǒng)由兩個部分組成：云視頻資源池和客戶接入端（即用戶端）。

云視頻的另一大特征是虛擬化部署，也就是將物理實體的服務(wù)器資源抽象成邏輯資源，從而實現(xiàn)將實體服務(wù)器變成多臺相互隔離的虛擬服務(wù)器，云視頻采用虛擬化部署方式，融合了面向服務(wù)的思想，利用了面向服務(wù)的架構(gòu)，由云視頻服務(wù)提供機構(gòu)組建計算中心，將傳統(tǒng)的硬件視頻處理資源變成可動態(tài)管理和分配的資源池，動態(tài)資源分配的實現(xiàn)機制和虛擬化部署類似。同時引入資源租用的概念，當某一終端發(fā)出虛擬會議室申請時，平臺通過云資源管理模塊實時判斷當前請求的并發(fā)處理需求，對當前的實時請求隊列分配合理的資源，對于高并發(fā)處理的請求分配更多的資源，對于低并發(fā)處理的請求分配較少的資源。通過動態(tài)資源分配，可實現(xiàn)平臺側(cè)資源池的動態(tài)調(diào)配，規(guī)避傳統(tǒng)方式下的單硬件環(huán)境（如單臺MCU）下存在的資源使用不均衡（系統(tǒng)使用時資源被單一業(yè)務(wù)占用，系統(tǒng)不使用時資源處于閑置狀態(tài)）。

綜上所述，云視頻相較于傳統(tǒng)視頻會議系統(tǒng)，其具有較明顯的優(yōu)點：既能夠滿足不同終端用戶對于視頻信息的實時溝通和快速反應(yīng)能力的要求，同時又完成了對現(xiàn)有視頻計算資源（主要指MCU）的整合和擴展，同時提供了優(yōu)秀的資源動態(tài)分配機制，能夠有效地降低各級應(yīng)急指揮機構(gòu)的軟硬件建設(shè)和運行成本。

3云南地震應(yīng)急云視頻原型系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計筆者根據(jù)云視頻構(gòu)架基礎(chǔ)原理，將原型系統(tǒng)分為云平臺端和接入終端2部分來具體分析，由于接入終端通常是以單一硬件的形式存在，故本文主要考慮云平臺端的設(shè)計實現(xiàn)。

從組成結(jié)構(gòu)上，云視頻平臺由多個數(shù)據(jù)處理和控制管理模塊共同組成，如圖4所示，一般來說，一套完整的云視頻平臺至少包含4個主要模塊：云資源管理器（監(jiān)控、管理和配置資源池）、云資源計算器（音視頻的編解碼計算）、云協(xié)作控制器（通訊控制、級聯(lián)管理）以及安全接入網(wǎng)關(guān)（遠程訪問、媒體中繼）。

3.2原型系統(tǒng)實現(xiàn)

云結(jié)構(gòu)從建設(shè)模型上又可分為公有云和私有云，采用公有云架構(gòu)理論上可為所有網(wǎng)絡(luò)授權(quán)用戶提供云計算服務(wù)，可以充分發(fā)揮云計算超大規(guī)模的集群資源優(yōu)勢，提升經(jīng)濟效益，但正因為其開放性的特點，使得整個云平臺的安全性和穩(wěn)定性存在一定的安全隱患。私有云構(gòu)架則是出于對數(shù)據(jù)安全有著嚴格保密性而考慮的方案，在地震應(yīng)急期內(nèi)，通過視頻會議系統(tǒng)承擔了大量的前后方應(yīng)急指揮調(diào)度工作，這個過程往往涉及諸多涉密數(shù)據(jù)和敏感決策信息的傳遞，因此，出于安全性考量，本原型系統(tǒng)設(shè)計在地震行業(yè)信息網(wǎng)內(nèi)建立一個網(wǎng)內(nèi)私有云平臺，行業(yè)網(wǎng)邊界防火墻、省級網(wǎng)絡(luò)中心二級防火墻以及平臺安全接入網(wǎng)關(guān)可為其提供了三重防護保障。在硬件組成上，筆者采用1套管理器、1套協(xié)作器和2套計算器組成云平臺端，云資源管理器負責整合現(xiàn)有指揮中心MCU資源，管理配置虛擬會議室，提供會議控制、監(jiān)控調(diào)度服務(wù)；云協(xié)作控制器承擔各終端節(jié)點的訪問控制，連接管理。設(shè)備組成具體信息如表1所示。

為更好地模擬視頻會議系統(tǒng)實戰(zhàn)應(yīng)用，筆者通過Ploycom RPRM管理組件為各接入終端規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)帶寬和音視頻協(xié)議，如表2所示。

在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的選取上，考慮到原型系統(tǒng)穩(wěn)定性和測試便捷性，使用一臺2層千兆交換機接入地震行業(yè)信息網(wǎng)，各終端通過分配的IP地址訪問云視頻資源池，其最終硬件構(gòu)架連接如圖5所示。

連接建立后，筆者使用Ploycom RPRM管理組件添加了指揮中心現(xiàn)有的兩套RMX2000多點控制單元（MCU）作為云資源計算器，如圖6所示。

通過云協(xié)作服務(wù)器（DMA）進行SIP協(xié)議注冊和網(wǎng)閘管理，連接完成后，通過云協(xié)作服務(wù)器（DMA）可以實時監(jiān)控云資源池中處理器的連接和負載情況，如圖7所示。至此，一個基礎(chǔ)的云視頻平臺便搭建完畢。

3.3系統(tǒng)測試

如圖7所示，該平臺為網(wǎng)內(nèi)提供了包含240個標準720 P節(jié)點的組會連接服務(wù)。此時，對于各外部終端而言，無需關(guān)注云資源池的組成結(jié)構(gòu)或運作方式，其接入操作與傳統(tǒng)多點視頻會議接入條件并無明顯區(qū)別。運行流程如圖8所示，當終端節(jié)點發(fā)起會議請求時，信令到達云資源管理器，由資源管理模塊根據(jù)當前信令請求的畫面模式、連接速率、并發(fā)容量等進行判斷，分配合理的視頻資源，加載當前信令所需的會議模板，建立虛擬會議空間；如需要多臺MCU協(xié)作計算時，由云協(xié)作控制器對承載虛擬會議空間的物理計算資源進行實時協(xié)同調(diào)度，分配從而實現(xiàn)自助式的信令請求—資源分配—按需組會的基本流程。

圖9為某次地震應(yīng)急技術(shù)培訓會設(shè)備聯(lián)調(diào)測試，我們使用一個終端向云平臺申請1個滿載容量48個720 P標準節(jié)點的虛擬會議室，連接了云南省地震局2臺HDX測試終端、1臺黑龍?zhí)秾嶒灮豀DX測試終端以及5臺省內(nèi)州市級指揮中心測試終端。在本系統(tǒng)中，除去已經(jīng)分配的48節(jié)點視頻會議室，平臺還可為網(wǎng)內(nèi)提供近200個720 P標準節(jié)點的視頻計算資源，其計算資源實現(xiàn)了靈活調(diào)度和動態(tài)整合，通過特定組件還可以對所有音視頻和帶寬資源實時跟蹤，指標量化顯示，該原型系統(tǒng)已具備了虛擬化、通用性、彈性服務(wù)等云計算技術(shù)的核心特征。

4結(jié)論和討論endprint

地震應(yīng)急視頻會議系統(tǒng)是各級地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)的重要組成部分，是支持指揮部開展各項地震應(yīng)急處置的重要科技支撐手段。筆者本次研究基于現(xiàn)有指揮中心視頻會議系統(tǒng)，構(gòu)建了一套云南地震應(yīng)急云視頻原型系統(tǒng)，實現(xiàn)了異地外部終端的云視頻接入驗證，為未來云視頻技術(shù)在地震應(yīng)急指揮體系中的應(yīng)用提供一定的技術(shù)原型和理論基礎(chǔ)。

受設(shè)備所限，原型系統(tǒng)所采用的系統(tǒng)架構(gòu)方法未涉及安全接入網(wǎng)關(guān)，因此，本文未在視訊邊界服務(wù)和信息安全方面做過多探討，如果云視頻系統(tǒng)作為未來地震應(yīng)急指揮體系的一個工程化建設(shè)方向，其對外部網(wǎng)絡(luò)的邊界穿越和訪問控制功能將對云視頻系統(tǒng)的擴展性和安全性提供極大的支持，需要重點考量。同時具備資源管理、資源計算、協(xié)同處理和邊界服務(wù)這4大模塊才能為一套成熟的云視頻平臺提供穩(wěn)定、安全的公共資源服務(wù)。

基于云計算大規(guī)模、虛擬化、通用性的技術(shù)特點，使得云視頻技術(shù)在聯(lián)通性、低成本、高擴展以及資源優(yōu)化方面的優(yōu)勢是傳統(tǒng)的視頻會議系統(tǒng)無法比擬的。筆者認為，云視頻技術(shù)的應(yīng)用符合未來大多數(shù)省級地震應(yīng)急指揮視頻會議體系的發(fā)展思路，其未來在服務(wù)精確化、運行智能化的應(yīng)用發(fā)展還大有可為，值得我們進行不斷地探索和研究。

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