一種基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的熱備音視頻集中控制系統(tǒng)

◆武 攀 趙家鳳

一種基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的熱備音視頻集中控制系統(tǒng)

◆武 攀1趙家鳳2

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所 江蘇 210007；2.北京兆科恒興科技有限公司 北京 100190）

本文針對會(huì)議場所、指揮控制中心的音視頻集中控制系統(tǒng)的建設(shè)需求，在商用中控主機(jī)的基礎(chǔ)上，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)熱備音視頻中控系統(tǒng)，以提高音視頻中控系統(tǒng)的可靠性與容災(zāi)性能，并進(jìn)一步提出改進(jìn)措施，為會(huì)議場所、指揮控制中心的音視頻集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建設(shè)提供參考。

音視頻控制系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；熱備

在現(xiàn)代會(huì)議場所、指揮控制中心，音視頻系統(tǒng)在多媒體展示、遠(yuǎn)程協(xié)商、遠(yuǎn)程會(huì)議、視頻指揮等應(yīng)用中發(fā)揮的作用越來越重要?；谛畔⒌目梢暬宫F(xiàn)要求，如何在會(huì)議中心、指揮控制中心、交通管制中心等場所中展現(xiàn)音視頻信息顯得越來越重要。音視頻系統(tǒng)作為信息展現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)，向指揮人員、參會(huì)人員提供直觀明了的視覺和聽覺信息。大型信息系統(tǒng)中音視頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于使用需求多樣化且需展現(xiàn)的信息量豐富。[1]雖然音視頻設(shè)備都具有控制面板或遙控器，操作人員如果逐個(gè)控制設(shè)備，則效率太低、不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜操作，且容易出錯(cuò)。因此，音視頻系統(tǒng)一般都包含集中控制系統(tǒng)，方便操作人員在集中控制臺(tái)位上統(tǒng)一管控系統(tǒng)中的攝像頭、LED大屏、液晶顯示屏、視頻切換矩陣、拼接處理器、音頻處理器等設(shè)備。在大型指揮信息系統(tǒng)中，音視頻集中控制系統(tǒng)更是不可或缺的部分。

隨著系統(tǒng)規(guī)模的增加，需要控制的音視頻設(shè)備也越來越多，音視頻系統(tǒng)擔(dān)負(fù)的保障任務(wù)也越來越重，常常要求7×24小時(shí)工作。相應(yīng)地，對集中控制系統(tǒng)的要求也隨之提高。因此，在設(shè)計(jì)音視頻控制系統(tǒng)時(shí)，不僅要將集中控制系統(tǒng)與各音視頻設(shè)備的有機(jī)結(jié)合，還需考慮提高集中控制系統(tǒng)可靠性、抗毀性等問題。

1 非熱備系統(tǒng)設(shè)計(jì)

音視頻集中控制系統(tǒng)通常以綜合控制主機(jī)（也稱中控主機(jī)）為核心，連接各個(gè)受控設(shè)備。以Crestron的產(chǎn)品為例，綜合控制主機(jī)是包括串口（包括RS232、RS422、RS485）、紅外、繼電器、數(shù)字I/O、專用總線接口、網(wǎng)口等多種接口的可編程設(shè)備。構(gòu)建音視頻集中控制系統(tǒng)時(shí)，綜合控制主機(jī)上的各種接口連接受控設(shè)備上對應(yīng)的控制接口。綜合控制主機(jī)運(yùn)行事先編譯、存儲(chǔ)在其中的程序，操作人員在控制終端上訪問綜合控制主機(jī)，控制終端上顯示人機(jī)交互界面。綜合控制主機(jī)根據(jù)操作人員的動(dòng)作，通過控制接口向受控的音視頻設(shè)備發(fā)出相應(yīng)的指令，控制設(shè)備的工作，例如：通過RS422接口控制攝像頭的轉(zhuǎn)動(dòng)、變焦、預(yù)設(shè)位置、調(diào)用位置；通過紅外接口控制液晶顯示屏的開關(guān)、輸入信號源轉(zhuǎn)換、模式調(diào)用；通過網(wǎng)口控制LED大屏的開關(guān)[2]；通過RS232接口控制視頻矩陣的切換、觸控屏開關(guān)；通過RS232接口或網(wǎng)口圖像拼接處理器的場景調(diào)用，音頻處理設(shè)備的音頻路由、功能調(diào)用；通過繼電器接口控制燈光調(diào)節(jié)等。這樣，操作人員只需面對控制終端或觸控屏上的按鈕，即可有條不紊地控制整個(gè)音視頻系統(tǒng)。通過編寫復(fù)雜的程序，可以使綜合控制主機(jī)執(zhí)行一系列復(fù)雜操作，實(shí)現(xiàn)操作人員用音視頻設(shè)備自帶的面板或遙控器無法完成的工作。

典型的，以單臺(tái)中控主機(jī)為核心構(gòu)建的音視頻集中控制系統(tǒng)如圖1所示：

圖1 無備份的音視頻集中控制系統(tǒng)

在圖1中，集中控制臺(tái)、中控主機(jī)接入音視頻局域網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)中受控制的音視頻設(shè)備直接與綜合控制主機(jī)連接或通過網(wǎng)絡(luò)連接。系統(tǒng)中的中控主機(jī)為關(guān)鍵設(shè)備，一旦中控主機(jī)發(fā)生單點(diǎn)故障，就會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。因此，需考慮中控主機(jī)的備份，以增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性。

2 冷備系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為提高系統(tǒng)可靠性，可增設(shè)一臺(tái)中控主機(jī)，構(gòu)建冷備份的集中控制系統(tǒng)。

冷備份中控主機(jī)的思路是：主、備中控主機(jī)設(shè)置同樣的IP地址，裝載同樣的程序。當(dāng)主用機(jī)發(fā)生故障時(shí)，需手動(dòng)將備用機(jī)替換主用機(jī)，并將連接至主用機(jī)上的線纜均轉(zhuǎn)接至備用機(jī)上，花費(fèi)的時(shí)間較多。因此，為了減少系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間，需增設(shè)總線分配器，將受控設(shè)備通過總線分配器和接口模塊轉(zhuǎn)接至中控主機(jī)。這樣，替換主備機(jī)時(shí)，只需轉(zhuǎn)接網(wǎng)線、總線，而無需將連接各受控設(shè)備的線纜逐個(gè)拔插，大大降低恢復(fù)系統(tǒng)所耗的時(shí)間。

冷備份中控主機(jī)的集中控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 冷備份中控主機(jī)的集中控制系統(tǒng)

在圖2中，中控主機(jī)不再通過串口、紅外口、繼電器口等直接連接受控設(shè)備，而是經(jīng)由總線分配器、接口模塊連接受控設(shè)備。由于總線分配器僅是分配線路的器件，出現(xiàn)故障的概率較低，而接口模塊僅連接部分受控設(shè)備，這樣即使出現(xiàn)故障也不會(huì)影響全系統(tǒng)的運(yùn)行。相比圖1所示的系統(tǒng)，冷備份中控主機(jī)的系統(tǒng)便于更換出現(xiàn)故障中控主機(jī)，可以減少系統(tǒng)的恢復(fù)時(shí)間。

3 熱備系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上述圖2所示的冷備份中控主機(jī)的音視頻集中控制系統(tǒng)同圖1所示的系統(tǒng)相比，雖然設(shè)法降低了系統(tǒng)的恢復(fù)時(shí)間，但是仍需要間斷系統(tǒng)運(yùn)行，在某些應(yīng)用場合可能會(huì)造成巨大的損失。參考信息系統(tǒng)、音頻系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)提高可靠性的設(shè)計(jì)方法尋找音視頻集中控制系統(tǒng)的熱備份設(shè)計(jì)思路：信息系統(tǒng)中的服務(wù)器通過內(nèi)存換頁同步、雙機(jī)故障檢測以及雙機(jī)狀態(tài)切換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)主備機(jī)的無縫銜接[3]，甚至通過安全服務(wù)資源池化、安全服務(wù)器集群化和專用安全資源按需保障等措施，實(shí)現(xiàn)高可靠性和高性能的安全服務(wù)平臺(tái)[4]；音頻系統(tǒng)可采用音頻處理器雙機(jī)的方法增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性[3]；視頻系統(tǒng)采用雙鏈路傳輸提高系統(tǒng)的抗毀性[4]。而音視頻集中控制系統(tǒng)有其自身的特點(diǎn)：中控主機(jī)的功能相對簡單，數(shù)據(jù)傳輸速率、吞吐量較低，不具備心跳線，難以實(shí)現(xiàn)內(nèi)存同步，也不能像音頻處理器那樣處理心跳詢問數(shù)據(jù)包；通過串口受控的音視頻設(shè)備，不能同時(shí)接收和響應(yīng)來自兩條鏈路的控制指令，從控制指令的發(fā)送端到接收端，傳輸控制信號的線路不能像視頻系統(tǒng)那樣采用雙鏈路的方法。因此，設(shè)計(jì)的思路是借鑒雙機(jī)熱備的做法，避免因單臺(tái)中控主機(jī)失效而使音視頻控制系統(tǒng)暫停運(yùn)行，從而提高系統(tǒng)的可用性。

為系統(tǒng)設(shè)置兩臺(tái)中控主機(jī)，配置不同的IP地址，裝載相同的程序（配置參數(shù)略有差別），將它們同時(shí)接入網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成熱備份中控主機(jī)的集中控制系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 熱備份中控主機(jī)的集中控制系統(tǒng)

相比圖2所示冷備份中控主機(jī)的系統(tǒng)，熱備系統(tǒng)中還增加了一臺(tái)總線切換器，其功能類似于二選一的多路選擇器，使得在任一時(shí)刻兩臺(tái)中控主機(jī)中只有一臺(tái)取得總線控制權(quán)，以避免產(chǎn)生沖突。通過串口、紅外口、繼電器口受控制的設(shè)備仍通過接口模塊、總線分配器與中控通信，接收中控發(fā)出的控制指令；通過網(wǎng)絡(luò)受控的設(shè)備仍接入網(wǎng)絡(luò)。兩臺(tái)中控主機(jī)分別有一根控制線連接總線切換器。在集中控制臺(tái)上訪問某一臺(tái)中控主機(jī)時(shí)，被訪問的中控主機(jī)發(fā)送一個(gè)控制信號將總線切換器的連接通道切換至本機(jī)，以獲得總線控制權(quán)。當(dāng)某一臺(tái)中控主機(jī)失效時(shí)，無須拔插線纜即可使用另一臺(tái)中控主機(jī)操控音視頻系統(tǒng)，保證系統(tǒng)運(yùn)行的連貫性，使前臺(tái)使用者察覺不到故障的發(fā)生，同時(shí)給予后臺(tái)人員充足的時(shí)間維修、更換故障主機(jī)。

采用熱備份和冷備份中控主機(jī)的方法對比如表1所示。

表1 熱備份與冷備份對比

序號對比項(xiàng)熱備份冷備份 1技術(shù)特點(diǎn)兩臺(tái)中控配置不同的IP地址，同時(shí)接入網(wǎng)絡(luò)，中控發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)切換兩臺(tái)中控配置相同或不同的IP地址，主用中控發(fā)生故障時(shí)手動(dòng)拔插線纜至備用中控上 2配套設(shè)備總線切換器、總線分配器總線分配器（可選） 3切換時(shí)間毫秒級分鐘級

采用熱備份中控主機(jī)的方法，避免了因單臺(tái)中控主機(jī)故障，造成系統(tǒng)運(yùn)行間斷而帶來損失，大大提高音視頻集中控制系統(tǒng)的可用性。進(jìn)一步地，可設(shè)置多個(gè)集中控制臺(tái)構(gòu)成熱備增強(qiáng)可靠性。此外，在使用中控主機(jī)的智能家居、智能樓宇等應(yīng)用場合中也可以采用相似的設(shè)計(jì)以提高系統(tǒng)可靠性。

4 小結(jié)

音視頻集中控制系統(tǒng)已向網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展。本文基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和現(xiàn)有中控主機(jī)自身的特點(diǎn)，構(gòu)建的熱備音視頻集中控制系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的可用性、抗毀性。此設(shè)計(jì)已用于音視頻系統(tǒng)的工程實(shí)踐中，可作為大型會(huì)議場所、指揮控制中心的音視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建設(shè)的參考。

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[2]武攀，趙振凱.一種基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的LED大屏顯控系統(tǒng)[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2018（02）.

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[4]金剛，鄭志蓉.面向云計(jì)算環(huán)境的安全服務(wù)平臺(tái)[J].指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2016（12）.

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[6]武攀，趙振凱，趙家鳳.基于光纖和IP流技術(shù)的視頻雙鏈路熱備傳輸系統(tǒng)[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2018（10）.