云計算技術在電力應急視頻會商中的應用

朱立楠，劉鴻雁，孫麗麗

（國網(wǎng)山東省電力公司信息通信公司，山東 濟南 250001）

0 引言

傳統(tǒng)的電力應急處置方式往往需要工作人員到現(xiàn)場進行解決，處理效率不高。視頻溝通有其無法替代的優(yōu)勢，指揮中心通過可視化通話，可以快速實現(xiàn)遠程協(xié)助、遠程指導、遠程會商等。視頻通信、統(tǒng)一通信等技術的發(fā)展為應急處理提供了各種通信手段，推動了應急通信的發(fā)展。研究各類應急通信手段的融合應用，可為應急指揮帶來高效而實用的解決方案。

云計算通過網(wǎng)絡“云”將巨大的數(shù)據(jù)計算處理程序分解為無數(shù)個小程序，由相應的系統(tǒng)進行處理和分析，并將結(jié)果返回給用戶［1］。通過云計算技術可在較短的時間內(nèi)完成數(shù)以萬計的數(shù)據(jù)處理，為用戶提供強大的網(wǎng)絡支撐服務。

本文基于云計算技術搭建了整合多種視頻會商方式的平臺，在現(xiàn)有機動應急視頻會商的基礎上，融合各種視頻通信技術，提高機動應急視頻會商能力，實現(xiàn)各種網(wǎng)絡狀況下經(jīng)濟而靈活的接入，獲得可靠的高清視頻圖像，便于指揮中心及時了解現(xiàn)場以快速進行處置。

1 電力應急視頻會商系統(tǒng)現(xiàn)狀

電力應急通信系統(tǒng)的應急視頻會議采用基于傳統(tǒng)MCU（Multi Control Unit，簡稱MCU）架構，以省公司為核心、各市縣公司為分會場，按固定點方式接入，功能和形式相對單一。應急處置現(xiàn)場的突發(fā)性和不確定性，使得應急事件的現(xiàn)場處置具有一定的滯后性。專業(yè)人員及專家無法即時到達現(xiàn)場進行事故評估和處置，容易錯失應急處置的最佳時機，使得損失進一步擴大。因此，現(xiàn)場多方會商顯得尤為重要。需要一些外部專家遠程協(xié)助、移動視頻會商等接入形式，來提高應急處置現(xiàn)場的指揮調(diào)度和應急處置能力。

視頻通信基于通信技術和視頻編碼技術，從E1專線的H.320到IP方式的H.323，以及以SIP協(xié)議為基礎的統(tǒng)一通信，都向應用為導向的協(xié)作發(fā)展。視頻編碼技術從H.263到H.264 AVC（Advanced Video Coding，簡稱 AVC）、H.264 SVC（Scalable Video Coding，簡稱SVC）分層編碼等，提高了圖像質(zhì)量和編碼效率。視頻通信架構和模式的更新推動了視頻通信的發(fā)展［2］。

現(xiàn)有視頻通信的體系架構仍基于傳統(tǒng)的編碼體系，傳統(tǒng)的H.264抗丟包率不高，只有3%～5%，降低了視頻質(zhì)量。應急通信網(wǎng)絡多種多樣，通信往往需要跨網(wǎng)絡傳輸，包括ADSL撥號、E1專線、3G網(wǎng)絡、Wifi、衛(wèi)星等，網(wǎng)絡的QoS保障參差不齊，網(wǎng)絡適應性差，從而使得視頻溝通嚴重受制于網(wǎng)絡。傳統(tǒng)視頻通信對網(wǎng)絡的適應能力較差，使得移動及跨網(wǎng)絡應用大為受限。網(wǎng)絡延時較大、丟包率大、視頻效果差、經(jīng)常性的馬賽克現(xiàn)象都制約了視頻通信在應急通信中的應用。

本文將云計算、SVC分層編碼、協(xié)議轉(zhuǎn)換及編碼轉(zhuǎn)換等多種技術，與機動應急通信系統(tǒng)的視頻會議系統(tǒng)有機結(jié)合起來，利用基于云計算部署的高清視頻會商平臺，建立新的視頻會商模式，以提高應急處置現(xiàn)場視頻會商的靈活性和可靠性。

2 研究目標和依據(jù)

2.1 研究目標

1）建設云計算技術與機動應急通信高清視頻會議系統(tǒng)相融合的平臺。在現(xiàn)有機動電力應急通信系統(tǒng)的基礎上，研究基于云計算的高清視頻會商技術，以云計算架構進行部署，快速構建一個視頻云平臺，將各類用戶及資源納入統(tǒng)一資源池進行管理與分配，具有快速部署、統(tǒng)一管理、靈活接入及較強的兼容性和可靠性。

2）提高機動應急通信車視頻會議系統(tǒng)音視頻質(zhì)量。研究SVC分層編碼及視頻路由器等技術，使該平臺具備帶寬動態(tài)自適應和20%的網(wǎng)絡抗丟包率能力，解決現(xiàn)有機動應急通信車通過公共網(wǎng)絡召開視頻會商過程中，帶寬不穩(wěn)定所帶來的圖像卡滯及出現(xiàn)馬賽克等問題，提高視頻會商系統(tǒng)圖像傳輸質(zhì)量。

3）將傳統(tǒng)視頻會商更新為多方專家遠程協(xié)同視頻會商的模式。該模式將多種視頻會商方式整合，具有3G視頻、移動平板、智能手機及互聯(lián)網(wǎng)等多種跨網(wǎng)絡平臺的視頻會商接入能力，既保留現(xiàn)有機動應急車軟視頻會議和單兵視頻接入方式，又能滿足應急處置現(xiàn)場的專家遠程桌面協(xié)助、應急研判、多人會商等即時高清視頻會商接入需求，實現(xiàn)隨時隨地、多地域、跨平臺、低延時、多應用的應急高清視頻會商。

4）研究視頻云平臺與第三方視頻通信及軟交換系統(tǒng)的兼容性，建立標準轉(zhuǎn)換網(wǎng)關。利用SIP協(xié)議和多種編碼轉(zhuǎn)換技術，實現(xiàn)與傳統(tǒng)視頻會議、軟交換系統(tǒng)對接，實現(xiàn)音視頻的統(tǒng)一通信，提高應急響應和處置水平。

2.2 理論依據(jù)

1）采用云計算架構方式，改變傳統(tǒng)視頻通信的MCU架構部署模式；利用云計算分布部署、集中管理的理念，實現(xiàn)按需擴展、經(jīng)濟接入。

2）考慮跨網(wǎng)絡及網(wǎng)絡適應性問題，研究SVC分層編碼技術，提高跨網(wǎng)絡及網(wǎng)絡動態(tài)變化過程中的視頻傳輸可靠性，采用視頻路由器技術代替?zhèn)鹘y(tǒng)MCU架構，中心沒有編碼處理時延，提高視頻傳輸?shù)募磿r性。

3）考慮開放性及兼容性特點，可以與現(xiàn)有視頻通信及傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)對接，以SIP協(xié)議為基礎，適應現(xiàn)有軟交換機統(tǒng)一通信的整體架構及發(fā)展趨勢，并可以過渡到可視化調(diào)度管理。

3 技術方案

3.1 融合多種視頻源的智能調(diào)度平臺

為進一步提升應急指揮調(diào)度能力，構建統(tǒng)一信息通信和應急指揮調(diào)度平臺，將各通信子系統(tǒng)相融合，實現(xiàn)互聯(lián)互通和統(tǒng)一音視頻指揮、聯(lián)動等功能，并實現(xiàn)各種應用終端的擴展，以提高行業(yè)應對突發(fā)事件的指揮調(diào)度和執(zhí)行能力，其系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構示意圖

由圖1可見，平臺采用多級分布式架構，輔以機動應急調(diào)度終端實現(xiàn)機動性的現(xiàn)場應急指揮調(diào)度功能，將現(xiàn)有單兵、軟視頻、集群系統(tǒng)等音視頻信號接入系統(tǒng)。主站服務系統(tǒng)部署在總部，提供設備注冊認證和集中管理，并可配以獨立分布存儲系統(tǒng)進行本地存儲，實現(xiàn)統(tǒng)一存儲管理功能，也可獨立進行應急指揮工作，以實現(xiàn)多級應急響應。

3.2 基于云計算技術的高清視頻會商平臺

以服務為應用導向，采用分布式部署、統(tǒng)一管理的方式進行系統(tǒng)搭建，建立全網(wǎng)統(tǒng)一的視頻資源池管理和用戶管理，可按需擴展，通過統(tǒng)一的平臺和各種網(wǎng)絡為用戶提供與網(wǎng)絡及平臺無關的視頻會商服務。能在任意應急處置現(xiàn)場機動靈活、迅速建立臨時指揮中心，實現(xiàn)多地域的機動應急會商功能。無論是固定、第三方視頻會商系統(tǒng)，還是3G/平板視頻會商等移動平臺視頻會商形式，均改變之前僅能實現(xiàn)單一固定會商的模式。

3.3 SVC分層編碼技術的應用

采用SVC分層編碼技術，可實現(xiàn)對視頻流的交換與分發(fā)。

H.264 SVC視頻編解碼協(xié)議是由ITU-T批準的H.264 SVC可分級視頻編碼標準。H.264 SVC具有高效的編碼算法、優(yōu)異的抗丟包抗誤碼能力、良好的網(wǎng)絡適應能力等優(yōu)點，提供低帶寬下優(yōu)異的視頻通信效果［3］。

H.264 SVC利用了AVC編解碼器的各種高效算法工具，在編碼產(chǎn)生的編碼視頻幀率、分辨率上可進行擴展，產(chǎn)生不同幀速率、分辨率或質(zhì)量等級的解碼視頻。

具備H.264 SVC編碼的視頻會議系統(tǒng)，在保證高效視頻壓縮性能的基礎上，視頻廣播端可以通過分流方法允許系統(tǒng)動態(tài)調(diào)整。由視頻路由器技術作為中心路由轉(zhuǎn)發(fā)和控制視頻流，以適應不斷變化的網(wǎng)絡條件、視頻源和接收終端不同的顯示及處理能力，獲得平穩(wěn)的圖像質(zhì)量，有效減少視頻會議系統(tǒng)中復雜的轉(zhuǎn)碼。

無論與會者身在何處，系統(tǒng)都可以提供高品質(zhì)的視頻會議體驗。數(shù)據(jù)包丟失通常發(fā)生在作為增強層低可靠的通道里，在高可靠性通道中傳送的視頻流一般完好無損。當包丟失率達到5%時，基于H.264 AVC的視頻會議系統(tǒng)會崩潰，而基于H.264 SVC的視頻會議系統(tǒng)網(wǎng)絡丟包率達20%時還可具有良好的視頻效果。

使用最新的H.264 SVC技術，能解決低帶寬下的視頻通信能力、丟包率等問題，可不用進行網(wǎng)絡改造、不用關心網(wǎng)絡間的傳輸可靠性、不用擔心圖像出現(xiàn)馬賽克［4］。最新的SVC協(xié)議H.264 SVC與傳統(tǒng)視頻協(xié)議H.264 AVC的區(qū)別如表1所示。

表1 H.264 SVC與H.264 AVC的區(qū)別

3.4 云計算架構

為適應分布式部署及統(tǒng)一管理的要求，研究云計算技術在視頻通信中的應用。按需擴展、靈活部署、經(jīng)濟接入是云計算的優(yōu)勢，可改變現(xiàn)有視頻通信各自獨立的局面。建立視頻云，實現(xiàn)資源池管理，解決視頻會議遠程訪問、系統(tǒng)擴容、容災備份等難題。完成視頻云的搭建，實現(xiàn)視頻資源池管理，可以按域和跨區(qū)調(diào)度。

根據(jù)實際需求靈活部署為私有云或公共云，以地市為一個小云，再構成一個省級云，每個云中資源靈活分配、調(diào)用，實現(xiàn)低成本的本地化流量和多點并發(fā)連接擴展功能，使終端用戶能夠充分利用云基礎設施，實現(xiàn)用戶的按需索取服務。

3.5 建立標準轉(zhuǎn)換網(wǎng)關

支持H.323和SIP標準，并支持兩種協(xié)議間的互轉(zhuǎn)；支持H.263、H.264等編碼體系，并支持兩種編碼間的互轉(zhuǎn)；支持HD720P30、SD、CIF等多種分辨率的視頻轉(zhuǎn)碼，并支持IP音頻接入。與軟交換系統(tǒng)對接，實現(xiàn)音視頻的融合和擴展應用，以提高電力各種應急現(xiàn)場音視頻信號的互通性，將該平臺打造為一個統(tǒng)一的視頻會商平臺［5］。

3.6 與機動應急通信系統(tǒng)視頻業(yè)務的對接

與機動應急通信系統(tǒng)視頻業(yè)務對接如圖2所示。

圖2 視頻業(yè)務對接示意圖

1）軟視頻系統(tǒng)。機動應急通信系統(tǒng)軟視頻業(yè)務通過H.323協(xié)議接入視頻協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關。

2）單兵視頻系統(tǒng)。單兵視頻業(yè)務一般不支持SIP協(xié)議和SVC分層編碼格式，無法直接對接，可通過視頻接入網(wǎng)關連接應急指揮智能調(diào)度平臺，實現(xiàn)統(tǒng)一的視頻調(diào)用和顯示。應急指揮智能調(diào)度平臺通過對接單兵視頻系統(tǒng)可以直接遠程調(diào)用任意單兵視頻圖像。

機動應急通信系統(tǒng)單兵及軟視頻業(yè)務，通過應急指揮智能調(diào)度平臺或視頻協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關，利用SIP協(xié)議以及最新的H.264 SVC分層編碼標準，完成H.264 AVC與SVC分層編碼格式的互轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了基于云計算的高清視頻會商系統(tǒng)與機動應急通信系統(tǒng)的有機融合，提高了應急處置現(xiàn)場高度靈活、可靠的音視頻通信保障的能力。

4 結(jié)語

本文搭建了基于云計算的機動應急通信高清視頻會商平臺。該平臺可在任意應急處置現(xiàn)場機動靈活、迅速地建立臨時指揮中心，將各種應急移動視頻接入方式進行整合，實現(xiàn)多地域的機動應急會商功能。任意應急處置現(xiàn)場可在第一時間與應急指揮中心進行實時連線，實現(xiàn)多方高清可視會商，有助于專家及時了解現(xiàn)場動態(tài)和現(xiàn)場應急處置全過程，為指揮人員的決策和分析研判提供全面的支撐，提高應急會商的即時性、易用性、便捷性和高效性，提高應急響應和處置的效率。