四川九寨溝7.0級(jí)地震現(xiàn)場(chǎng)視頻會(huì)議系統(tǒng)問題及原因探討

許瑞杰，李兆隆，曹彥波

(云南省地震局，云南 昆明 650224)

在我國各種自然災(zāi)害之中，地震是主要的自然災(zāi)害之一，地震不僅破壞性大，同時(shí)也突發(fā)性強(qiáng)，在短時(shí)間內(nèi)造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。因此政府抗震救災(zāi)時(shí)需要及時(shí)召開會(huì)議，做出重要的決策部署，提高工作效率。“十五”項(xiàng)目建設(shè)期間，中國地震局建設(shè)了地震行業(yè)專網(wǎng)，為抗震救災(zāi)指揮部建成了符合標(biāo)準(zhǔn)的視頻會(huì)議系統(tǒng),運(yùn)行于地震行業(yè)，以中國地震局地震應(yīng)急指揮中心為主會(huì)場(chǎng),連接全國各個(gè)省級(jí)地震局指揮中心，在地震應(yīng)急響應(yīng)、演練、會(huì)商、召開會(huì)議等方面經(jīng)受了實(shí)踐檢驗(yàn),發(fā)揮了重要的作用(劉在濤，2010)。之后在“十五”建設(shè)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，根據(jù)自身需要采用高清MCU和視頻會(huì)議終端，實(shí)現(xiàn)了國、省、市三級(jí)地震部門以及臺(tái)站，現(xiàn)場(chǎng)指揮部的聯(lián)通(鄭樹平，2016；賈軍鵬，2016；高東輝，2014；鄭樹平，2013)。魯?shù)?.5級(jí)地震、景谷6.0地震、玉樹7.1級(jí)地震和汶川8.0級(jí)地震證明，視頻會(huì)議在提高指揮協(xié)調(diào)效率，重要信息上傳下達(dá)，關(guān)鍵命令的決策部署方面具有重要作用。尤其是在汶川8.0級(jí)地震后，《中華人民共和國防震減災(zāi)法》對(duì)防御地震災(zāi)害、減少地震災(zāi)害損失有著更具體的要求,以及更為緊迫的任務(wù)要求(楊仕升，2011；曹彥波，2015)。視頻會(huì)議能拉近地理距離、加速信息傳遞、提高工作效率、節(jié)省會(huì)議成本(曹進(jìn)，2017)，是一種有效的地震應(yīng)急手段。

2017年8月8日21時(shí)19分46秒在四川阿壩州九寨溝縣發(fā)生MS7.0地震。地震發(fā)生后，國務(wù)院抗震救災(zāi)指揮部第一時(shí)間與四川省地震局指揮大廳聯(lián)通，四川省地震局迅速進(jìn)行應(yīng)急處置，派出現(xiàn)場(chǎng)工作隊(duì)，第二天早上7點(diǎn)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)?，F(xiàn)場(chǎng)通訊、電力尚未中斷，第一時(shí)間在九寨溝地震現(xiàn)場(chǎng)搭建了地震現(xiàn)場(chǎng)指揮部，處置過程中出現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)指揮部和后方指揮部音視頻卡頓的現(xiàn)象。針對(duì)這一問題，2017年8月23日，中國局組織技術(shù)人員赴四川地震局進(jìn)行調(diào)研，并對(duì)當(dāng)時(shí)的鏈路進(jìn)行了還原和測(cè)試?；趯?shí)地調(diào)研和場(chǎng)景還原，本文對(duì)九寨溝地震應(yīng)急指揮視頻會(huì)議問題進(jìn)行分析，并根據(jù)發(fā)現(xiàn)的問題提出改進(jìn)的建議和措施，對(duì)今后地震應(yīng)急視頻會(huì)議的使用具有一定的借鑒和參考意義。

1 地震現(xiàn)場(chǎng)視頻會(huì)議場(chǎng)景還原測(cè)試

應(yīng)急指揮技術(shù)人員于2017年8月23日對(duì)8月8日地震進(jìn)行了場(chǎng)景還原和模擬測(cè)試。主要測(cè)試的內(nèi)容有兩個(gè)方面：(1) 應(yīng)急指揮視頻會(huì)議各終端的鏈接方式；(2) 地震時(shí)寬帶速率的分配方式。首先按照地震當(dāng)天“國務(wù)院抗震救災(zāi)指揮部→四川省指揮大廳→四川省地震局現(xiàn)場(chǎng)指揮部→阿壩州地震局”的組網(wǎng)模式進(jìn)行組網(wǎng)，然后通過加入占用寬帶速率、強(qiáng)行終端網(wǎng)絡(luò)的方式測(cè)試人為因素對(duì)視頻會(huì)議質(zhì)量影響的具體情況，下面具體介紹測(cè)試的內(nèi)容。

1.1 視頻會(huì)議系統(tǒng)組網(wǎng)模式

該組網(wǎng)模式主要通過互聯(lián)網(wǎng)通信鏈路和行業(yè)網(wǎng)通信鏈路2個(gè)鏈路來聯(lián)通，聯(lián)接的場(chǎng)地有現(xiàn)場(chǎng)指揮部，四川省地震局，震區(qū)地震局和臺(tái)網(wǎng)中心。現(xiàn)場(chǎng)指揮部布設(shè)小魚易連和中興T700兩個(gè)終端。小魚易連通過電信4G接入互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)接臺(tái)網(wǎng)中心，中興T700終端通過VPN將互聯(lián)網(wǎng)和行業(yè)網(wǎng)聯(lián)通，并使用家用型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)通四川省地震局。震區(qū)地震局通過行業(yè)網(wǎng)聯(lián)接四川省地震局。四川省地震局布設(shè)Polycom HDX8000終端，由于視頻終端使用的是行業(yè)網(wǎng)，現(xiàn)場(chǎng)指揮部使用的是互聯(lián)網(wǎng)，所以使用VPN 3030將行業(yè)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)通，借此接通現(xiàn)場(chǎng)指揮部，并通過行業(yè)網(wǎng)通信鏈路聯(lián)結(jié)阿壩州地震局和臺(tái)網(wǎng)中心機(jī)房。臺(tái)網(wǎng)中心使用MCU將現(xiàn)場(chǎng)指揮部的小魚易連視頻會(huì)議設(shè)備，四川省地震局指揮大廳和阿壩州地震局聯(lián)通(圖1)。

圖1 應(yīng)急指揮視頻會(huì)議網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

1.2 寬帶速率的分配方式

各個(gè)設(shè)備在連接并經(jīng)過數(shù)分鐘穩(wěn)定聯(lián)通后，通過軟件得出當(dāng)天保障四川局指揮大廳視頻終端(IP:10.51.5.70)和現(xiàn)場(chǎng)指揮部視頻會(huì)議終端(IP:10.51.121.70)音視頻效果良好的傳輸?shù)乃俾省８鶕?jù)視頻會(huì)議聯(lián)通狀態(tài)下30秒間隔流量統(tǒng)計(jì),得出四川局指揮大廳視頻終端(IP:10.51.5.70)30秒字節(jié)數(shù)為16.10 Mb，現(xiàn)場(chǎng)指揮部視頻會(huì)議終端(IP:10.51.121.70)6.63 Mb。根據(jù)四川局指揮大廳視頻終端30秒間隔流量統(tǒng)計(jì)，30秒內(nèi)傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)共16.10 Mb，其中上行字節(jié)數(shù)8.06 Mb，下行字節(jié)數(shù)8.04 Mb，計(jì)算得出上行速率約275 kb/s下行速率274 kb/s。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)指揮部視頻會(huì)議終端30秒間隔流量統(tǒng)計(jì),30秒內(nèi)傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)共5.83 Mb，其中上行字節(jié)數(shù)2.68 Mb，下行字節(jié)數(shù)3.16 Mb，計(jì)算得出上行速率約92 kb/s,下行速率107 kb/s。四川局指揮大廳視頻會(huì)議設(shè)備在連接并經(jīng)過數(shù)分鐘穩(wěn)定聯(lián)通后，受視頻會(huì)議自身圖像與聲音編解碼技術(shù)影響，在畫面相對(duì)變化較少時(shí),如所有參會(huì)者均為靜坐狀態(tài)，視頻會(huì)議功能實(shí)際使用單向平均速率約為256 kb/s；在畫面相對(duì)變化較多時(shí)，如畫面中有大量移動(dòng)物體或頻繁顏色、位置、內(nèi)容變化，視頻會(huì)議功能實(shí)際使用流量會(huì)小幅上升，但上升幅度并不大，保持在512 kb/s以下?，F(xiàn)場(chǎng)指揮部視頻會(huì)議設(shè)備在連接并經(jīng)過數(shù)分鐘穩(wěn)定聯(lián)通后，受視頻MCU呼叫設(shè)置影響，該視頻會(huì)議設(shè)備根據(jù)實(shí)際使用帶寬限制，自動(dòng)將連接速率下調(diào)，并使用下調(diào)后的連接速率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，測(cè)試階段實(shí)際使用單向流量約128 kb/s，并在測(cè)試期間保持穩(wěn)定。

現(xiàn)場(chǎng)指揮部測(cè)試過程中，依原有資源情況恢復(fù)所有硬件及寬帶資源后進(jìn)行測(cè)試，聯(lián)通所有測(cè)試終端后，未發(fā)現(xiàn)有畫面卡頓及音量波動(dòng)或中斷情況發(fā)生。考慮到實(shí)際應(yīng)急過程中，現(xiàn)場(chǎng)指揮部有大量人員及設(shè)備運(yùn)行，并與視頻會(huì)議設(shè)備共享寬帶資源，后加入人為帶寬占用因素后，視頻會(huì)議出現(xiàn)圖像中斷等現(xiàn)象。現(xiàn)場(chǎng)對(duì)寬帶使用情況進(jìn)行匯總與分析后得出如下結(jié)論：① 在無人為因素影響時(shí)，視頻會(huì)議設(shè)備獨(dú)享電信30M寬帶資源，連接效果較好，無圖像、聲音卡頓現(xiàn)象發(fā)生，設(shè)備實(shí)際使用流量與指揮大廳測(cè)試相近。② 加入人為因素影響，如網(wǎng)絡(luò)下載，速率1M/S后，現(xiàn)場(chǎng)視頻會(huì)議出現(xiàn)圖像嚴(yán)重卡頓現(xiàn)象，約0.5 FPS，并伴隨3-5秒以上圖像靜止，聲音通訊并未受影響。臺(tái)網(wǎng)中心接收現(xiàn)場(chǎng)指揮部圖像并未出現(xiàn)嚴(yán)重圖像卡頓，基本保持流暢，間歇出現(xiàn)圖像卡頓與馬賽克現(xiàn)象，聲音通訊并未受影響。③ 加入人為因素影響，如網(wǎng)絡(luò)下載，速率3.3 m/s后，現(xiàn)場(chǎng)視頻會(huì)議圖像靜止，在聯(lián)通期間不再發(fā)生變化，音頻通訊延遲3s，并頻繁出現(xiàn)1-3s的信號(hào)缺失。臺(tái)網(wǎng)中心接收現(xiàn)場(chǎng)指揮部圖像出現(xiàn)嚴(yán)重圖像卡頓(0.3 FPS)，聲音通信未受影響。出現(xiàn)上述情況的原因在于，在網(wǎng)絡(luò)條件極差的情況下，視頻會(huì)議設(shè)備會(huì)優(yōu)先進(jìn)行低速率音頻傳輸而放棄視頻傳輸。④ 測(cè)試期間人為對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接線路進(jìn)行偶發(fā)性中斷測(cè)試(腳踢接口等方式)，發(fā)現(xiàn)這些極短時(shí)間的偶發(fā)性網(wǎng)絡(luò)中斷并未對(duì)視頻會(huì)議發(fā)生較大影響，其影響表現(xiàn)為：圖像卡頓后瞬間恢復(fù)，聲音通訊與圖像通訊現(xiàn)象一致。⑤ 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)指揮部所用電信30 M寬帶進(jìn)行帶寬測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，實(shí)際可用帶寬約20～24 M。

表1 各因素對(duì)寬帶速率的影響統(tǒng)計(jì)表

2 應(yīng)急指揮視頻會(huì)議問題及原因分析

通過分析九寨溝地震應(yīng)急指揮視頻會(huì)議，得出影響地震應(yīng)急指揮視頻會(huì)議的因素有3個(gè)，分別是視頻會(huì)議設(shè)備品牌、型號(hào)均不統(tǒng)一，家用型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備抗壓能力差和網(wǎng)絡(luò)資源不足，其中網(wǎng)絡(luò)資源不足時(shí)主要因素。視頻會(huì)議設(shè)備品牌、型號(hào)均不統(tǒng)一。雖然在指揮大廳測(cè)試過程中，聯(lián)通所有測(cè)試終端后，未發(fā)現(xiàn)有畫面卡頓及音量波動(dòng)或中斷情況發(fā)生，但考慮到實(shí)際運(yùn)用中，如每月的月聯(lián)調(diào)，不同的品牌和型號(hào)的視頻會(huì)議和應(yīng)急過程中會(huì)出現(xiàn)問題，且問題現(xiàn)象多樣，原因復(fù)雜，部分問題設(shè)備廠商都無法確定原因。家用型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備抗壓能力差?，F(xiàn)場(chǎng)指揮部使用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備為家用型設(shè)備，接入數(shù)目較少時(shí)尚能滿足需要，但在地震現(xiàn)場(chǎng)，使用網(wǎng)絡(luò)資源的設(shè)備多，密度大，家用型的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在用戶接入數(shù)目，傳輸速率均不足以應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)指揮部的應(yīng)用要求。寬帶資源不足?，F(xiàn)場(chǎng)指揮部在內(nèi)網(wǎng)通信及獨(dú)享帶寬通信測(cè)試時(shí)，視頻會(huì)議效果較好，無卡頓、中斷和延遲等現(xiàn)象。但在非內(nèi)網(wǎng)傳輸或帶寬共享測(cè)試時(shí)，視頻會(huì)議效果受較大影響(無法進(jìn)行正常會(huì)議)，甚至?xí)h中斷。地震應(yīng)急期間，出現(xiàn)國務(wù)院抗震救災(zāi)指揮部能看到現(xiàn)場(chǎng)畫面但現(xiàn)場(chǎng)看不到國務(wù)院抗震救災(zāi)指揮部畫面。這主要是由于現(xiàn)場(chǎng)寬帶資源不足造成的，也是導(dǎo)致前后方視頻會(huì)議卡頓的主要原因。

對(duì)于Polycom MCU而言，視頻會(huì)議理論上帶寬需求速率理論計(jì)算方式如下：①下行帶寬=視頻帶寬+音頻帶寬=客戶端數(shù)量×廣播視頻路數(shù)×碼流+客戶端數(shù)量×音頻帶寬；②上行帶寬=視頻帶寬+音頻帶寬=客戶端數(shù)量×廣播視頻路數(shù)×碼流+客戶端數(shù)量×音頻帶寬。對(duì)于單個(gè)點(diǎn)而言，①下行帶寬=廣播視頻路數(shù)×視頻碼流+音頻帶寬；②上行帶寬=廣播視頻路數(shù)×視頻碼流+音頻帶寬。按照理論值計(jì)算，根據(jù)表2，如果要求視頻效果為HD(1 280*720)，按最低視頻碼流512 kb/s(64 kb/s)，商業(yè)導(dǎo)向的視頻會(huì)議系統(tǒng)音頻碼流128 kbps(16(kb/s))，廣播視頻路數(shù)為1路計(jì)算，4個(gè)點(diǎn)接入MCU，則MCU所需的下行速率=4*64+4*16=320(kb/s)，廣播給4個(gè)點(diǎn)，MCU所需上行速率為4*1*64+4*16=320(kb/s)。單個(gè)點(diǎn)所需的下行速率=1*64+16=80(kb/s)。上行速率=1*64+16=80(kb/s)。網(wǎng)速除了受到接入網(wǎng)、匯聚網(wǎng)等鏈路帶寬和時(shí)延的影響之外，用戶端和服務(wù)器端所運(yùn)行的TCP 協(xié)議對(duì)于網(wǎng)速也有非常重要的影響。但在實(shí)際過程中由受到接入網(wǎng)、匯聚網(wǎng)等鏈路帶寬、時(shí)延、用戶端和服務(wù)器端所運(yùn)行的TCP協(xié)議的影響(周開波，2012)，實(shí)際需要的寬帶速率比理論值高。在前文中，計(jì)算出保障現(xiàn)場(chǎng)指揮部視頻會(huì)議音視頻效果良好的上行速率約92 kb/s,下行速率107 kb/s，寬帶速率基本滿足要求。但地震應(yīng)急期間，現(xiàn)場(chǎng)和后方工作人員和聯(lián)網(wǎng)設(shè)備增加，加重網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致分配給現(xiàn)場(chǎng)指揮部視頻會(huì)議的寬帶資源減少，上行速率和下行速率低于理論值,直接導(dǎo)致了地震應(yīng)急視頻會(huì)議系統(tǒng)卡頓的情況。

3 視頻會(huì)議改進(jìn)措施及建議

針對(duì)九寨溝地震，并結(jié)合全國視頻會(huì)議聯(lián)調(diào)和云南省地震局視頻會(huì)議應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，提出了如下的措施。(1)使用的視頻會(huì)議終端品牌和型號(hào)盡量統(tǒng)一，原先的設(shè)備作為備份。在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，使用品牌、型號(hào)統(tǒng)一的設(shè)備大大減少了聯(lián)調(diào)出現(xiàn)的問題。即使出現(xiàn)問題，也能根據(jù)描述結(jié)合使用經(jīng)驗(yàn)快速排查問題，即時(shí)解決問題。(2)備足專業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。在日常聯(lián)調(diào)和測(cè)試中使用專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)調(diào)，家用型的設(shè)備可作為備份。(3)協(xié)調(diào)電信部門，做好地震時(shí)應(yīng)急通訊的保障。建議給出3種方案，最優(yōu)方案為協(xié)調(diào)當(dāng)?shù)仉娦挪块T準(zhǔn)備3條50 M的光纖，1條用于保障視頻會(huì)議，1條用于上傳下載資料，1條用于現(xiàn)場(chǎng)工作的保障。折中方案為協(xié)調(diào)當(dāng)?shù)仉娦挪块T準(zhǔn)備2條50 M的光纖，1條用于保障視頻會(huì)議，1條用于上傳下載資料。最差的方案為主內(nèi)1條50 M的光纖用于保障視頻會(huì)議。若確實(shí)無法獲得足夠的網(wǎng)絡(luò)資源，應(yīng)對(duì)有限的網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行劃分，首先優(yōu)先保障視頻會(huì)議互聯(lián)互通。

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