數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代大型視頻匯聚網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)設(shè)計(jì)方法研究

鄒漢錚，楊杰波，韓家俊

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)云南有限公司，云南 昆明 650228）

1 背景及目標(biāo)

1.1 研究背景

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，視頻監(jiān)控已應(yīng)用到各行各業(yè)。相關(guān)需求日益增加，傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)已無(wú)法滿足視頻匯聚、分級(jí)處理及統(tǒng)一管理等視頻監(jiān)控需求，從而產(chǎn)生運(yùn)用新型技術(shù)的視頻匯聚網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。該平臺(tái)根據(jù)對(duì)當(dāng)前各行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景分析，采用組網(wǎng)分級(jí)、協(xié)議轉(zhuǎn)換、全云架構(gòu)及數(shù)據(jù)分析等數(shù)字化技術(shù)，既保持原有視頻監(jiān)控系統(tǒng)的完整性，又保證匯聚平臺(tái)的可靠性，實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)匯聚、資源共享和統(tǒng)一管理等功能。

1.2 視頻匯聚主要困難

（1）承載網(wǎng)絡(luò)不互通問(wèn)題。視頻匯聚平臺(tái)在因應(yīng)用場(chǎng)景不同，所使用的承載網(wǎng)絡(luò)也不同[1]。主要的承載網(wǎng)絡(luò)包括有線網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和混合型網(wǎng)絡(luò)。因此，如何統(tǒng)一規(guī)劃合理布局網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)大型視頻匯聚網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通的首要解決難題。

（2）對(duì)接標(biāo)準(zhǔn)與轉(zhuǎn)碼不統(tǒng)一問(wèn)題。基于當(dāng)前各行業(yè)需求，主要的接口標(biāo)準(zhǔn)有國(guó)標(biāo)GB/T28181標(biāo)準(zhǔn)和其他自定義標(biāo)準(zhǔn)。要實(shí)現(xiàn)視頻匯聚，除了把不同接口標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一，也要解決視頻源轉(zhuǎn)碼問(wèn)題，從而減少平臺(tái)互聯(lián)互通成本，保障平臺(tái)規(guī)范匯聚統(tǒng)一管理。

（3）跨廠商設(shè)備難管理問(wèn)題。視頻匯聚面臨新建系統(tǒng)與存量系統(tǒng)的融合匯聚和多廠商的硬件管理問(wèn)題[1]。不同廠商的硬件編碼格式標(biāo)準(zhǔn)不一致，導(dǎo)致維護(hù)管理效率低。因此，統(tǒng)一調(diào)度管理和規(guī)范化標(biāo)識(shí)跨廠商設(shè)備，也是亟須解決的難題。

（4）視頻匯聚應(yīng)用平臺(tái)難設(shè)計(jì)問(wèn)題。行業(yè)特性、應(yīng)用場(chǎng)景和功能需求差異性是在設(shè)計(jì)視頻匯聚平臺(tái)時(shí)必要考慮的前提。只有結(jié)合生產(chǎn)環(huán)境，才能合理有效地規(guī)劃設(shè)計(jì)出高效可靠的視頻匯聚平臺(tái)。

1.3 研究目標(biāo)

視頻匯聚網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)發(fā)展至今，為以上問(wèn)題提供了解決思路和方法。該平臺(tái)中運(yùn)用如云計(jì)算、云存儲(chǔ)、大數(shù)據(jù)等核心技術(shù)，不僅解決了傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的延遲延遲、誤報(bào)和孤立等缺陷，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了區(qū)域間的視頻聯(lián)網(wǎng)、資源共享、分級(jí)設(shè)計(jì)和視頻匯聚的功能。

本文通過(guò)研究視頻匯聚網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)組網(wǎng)方式、互聯(lián)匯聚和平臺(tái)設(shè)計(jì)，構(gòu)建出一套視頻匯聚網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)通用解決方案，充分體現(xiàn)了平臺(tái)跨區(qū)域匯聚、統(tǒng)一規(guī)劃和統(tǒng)一管理的特點(diǎn)，為在數(shù)智化治理中設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、應(yīng)用大型視頻匯聚網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)提供通用的思路。

2 總體的設(shè)計(jì)思路

視頻匯聚網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)設(shè)計(jì)，主要從三個(gè)方面進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)：一是分層組網(wǎng)；二是平臺(tái)接入設(shè)計(jì)；三是規(guī)劃建設(shè)匯聚管理平臺(tái)。

2.1 分層組網(wǎng)

在視頻匯聚網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)，主要從業(yè)務(wù)安全和穩(wěn)定傳輸?shù)慕嵌瘸霭l(fā)，使用運(yùn)營(yíng)商PTN傳輸技術(shù)以及VPN專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)關(guān)服務(wù)器和防火墻等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。不同區(qū)域間的互聯(lián)組網(wǎng)設(shè)計(jì)按照省、市、縣三級(jí)分層互聯(lián)，確保平臺(tái)的完整性和一致性。

2.2 視頻接入

在設(shè)計(jì)過(guò)程中視頻接入，依據(jù)GB/T28181標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。對(duì)于支持GB/T28181標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備，通過(guò)視頻專(zhuān)網(wǎng)將數(shù)據(jù)匯聚至視頻匯聚平臺(tái)；對(duì)于不支持GB/T28181標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備，在視頻接入網(wǎng)關(guān)對(duì)接入設(shè)備提供SDK或API接口進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，再匯聚至平臺(tái)。在視頻轉(zhuǎn)碼接入方面，根據(jù)平臺(tái)使用場(chǎng)景和資源靈活選擇解碼方式。

2.3 平臺(tái)匯聚

在平臺(tái)匯聚方面，從解決接入資源分散孤立、組網(wǎng)多樣復(fù)雜以及統(tǒng)一管理共享等角度思考[2]，采用以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的SOA體系為主體的總體架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)資源整合匯聚、平臺(tái)分析處理和組網(wǎng)多樣適應(yīng)能力的平臺(tái)要求。

本文以層次遞進(jìn)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和體系設(shè)計(jì)為總體設(shè)計(jì)思路，保障了視頻資源的有序匯聚，對(duì)實(shí)現(xiàn)規(guī)模化、具體化和行業(yè)化的視頻匯聚設(shè)計(jì)提供參考設(shè)計(jì)思路和方案。

3 區(qū)域內(nèi)分層級(jí)組網(wǎng)設(shè)計(jì)

3.1 視頻網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

大型視頻匯聚網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)涉及省、市、縣三級(jí)視頻流匯聚[3]，為確保端到端的有效連接，一二級(jí)組網(wǎng)采用PTN傳輸技術(shù)?？紤]到視頻監(jiān)控傳輸質(zhì)量和傳輸時(shí)延，省市互聯(lián)采用不小于200 Mbps的數(shù)據(jù)專(zhuān)網(wǎng)線路，市縣互聯(lián)采用不小于100 Mbps的數(shù)據(jù)專(zhuān)網(wǎng)線路。應(yīng)用平臺(tái)內(nèi)部和平臺(tái)間互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)遵循GB/T28181—2016中規(guī)定的服務(wù)質(zhì)量等級(jí)，視頻專(zhuān)網(wǎng)IP地址規(guī)劃由省級(jí)機(jī)構(gòu)統(tǒng)一規(guī)劃制定，再由各市級(jí)中心分配使用，避免造成IP沖突。視頻網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)是大型視頻匯聚網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的關(guān)鍵點(diǎn)，也是減少實(shí)施構(gòu)建平臺(tái)時(shí)的重要工序。

大型視頻匯聚網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)如圖1所示。省級(jí)系統(tǒng)通過(guò)省級(jí)核心交換機(jī)和視頻匯聚平臺(tái)服務(wù)器互聯(lián)傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)市級(jí)指揮中心視頻資源的調(diào)用和共享。市級(jí)系統(tǒng)通過(guò)市級(jí)匯聚交換機(jī)和市級(jí)匯聚平臺(tái)服務(wù)器連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)縣級(jí)前端視頻信息的存儲(chǔ)和資源調(diào)用?？h級(jí)匯聚平臺(tái)通過(guò)接入交換機(jī)與縣級(jí)匯聚平臺(tái)連接，保證前端視頻資源的穩(wěn)定傳輸和快速調(diào)用。

圖1 大型視頻匯聚網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3.2 一級(jí)二級(jí)網(wǎng)絡(luò)

一級(jí)和二級(jí)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，主要是為了實(shí)現(xiàn)視頻資源的匯聚、存儲(chǔ)及資源調(diào)度。通過(guò)省級(jí)核心交換機(jī)和市級(jí)匯聚交換機(jī)橫向接入運(yùn)營(yíng)商PTN省干、市網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)專(zhuān)網(wǎng)，并承載傳輸匯聚的視頻資源。

3.3 末梢接入網(wǎng)絡(luò)

末梢三級(jí)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，通過(guò)運(yùn)營(yíng)商有線網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)直接對(duì)接到末端設(shè)備。其中，有線網(wǎng)絡(luò)傳輸是常見(jiàn)的接入方式，它具有較強(qiáng)抗干擾和較小光衰特點(diǎn)；對(duì)于傳輸環(huán)境空曠、距離超長(zhǎng)和不具備實(shí)施布線條件的場(chǎng)景，采用微波傳輸接入方式；針對(duì)傳輸距離較遠(yuǎn)和對(duì)視頻實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)景，通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件和4G網(wǎng)絡(luò)傳輸接入方式實(shí)現(xiàn)。

大型視頻匯聚網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用平臺(tái)通過(guò)如上分層分級(jí)組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)關(guān)系明確、層次分明、兼容組網(wǎng)類(lèi)型和清晰定位問(wèn)題的功能，方便各行各業(yè)依據(jù)自身場(chǎng)景需求擴(kuò)展業(yè)務(wù)。

4 跨平臺(tái)接入與對(duì)接設(shè)計(jì)

跨平臺(tái)接入和對(duì)接設(shè)計(jì)，主要從不同設(shè)備硬件管理及編碼方式和不同標(biāo)準(zhǔn)視頻碼率的解碼轉(zhuǎn)碼兩個(gè)方面進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。

4.1 平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)接入

平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)接入的統(tǒng)一和規(guī)范設(shè)計(jì)從國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)、非標(biāo)設(shè)計(jì)和編碼規(guī)劃三個(gè)方面考慮，是實(shí)現(xiàn)視頻匯聚的基石。

（1）標(biāo)準(zhǔn)接入設(shè)計(jì)。平臺(tái)接入標(biāo)準(zhǔn)主要分為國(guó)標(biāo)平臺(tái)級(jí)聯(lián)和非國(guó)標(biāo)平臺(tái)級(jí)聯(lián)。為了實(shí)現(xiàn)資源整合、統(tǒng)一管理和規(guī)范運(yùn)行，視頻匯聚平臺(tái)需統(tǒng)一為國(guó)標(biāo)接入。對(duì)市級(jí)中心視頻匯聚平臺(tái)，采用國(guó)標(biāo)GB/T28181—2016與省級(jí)中心視頻匯聚平臺(tái)進(jìn)行級(jí)聯(lián)[1]。其他建設(shè)時(shí)間較早或利舊接入平臺(tái)及設(shè)備在采用非標(biāo)平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化的模式通過(guò)國(guó)標(biāo)改造或增加國(guó)標(biāo)網(wǎng)關(guān)，以實(shí)現(xiàn)國(guó)標(biāo)化接入。若無(wú)法提供滿足以上對(duì)接要求，則可以考慮替換平臺(tái)，或者采用直接設(shè)備接入的方式進(jìn)行接入。

（2）非標(biāo)接入設(shè)計(jì)。針對(duì)無(wú)視頻匯聚平臺(tái)或平臺(tái)不支持對(duì)接的場(chǎng)景，以攝像機(jī)是否支持GB/T28181標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)非標(biāo)接入方式[2]。對(duì)于支持GB/T28181標(biāo)準(zhǔn)的攝像頭，以專(zhuān)網(wǎng)傳輸形式將設(shè)備通過(guò)國(guó)標(biāo)協(xié)議接入省平臺(tái)，再由省平臺(tái)直接對(duì)設(shè)備匯聚的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。對(duì)于無(wú)視頻匯聚平臺(tái)且前端攝像機(jī)不支持GB/T28181標(biāo)準(zhǔn)的，由攝像機(jī)廠家提供SDK或API接口進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)非標(biāo)轉(zhuǎn)化。

（3）設(shè)備編碼統(tǒng)一。規(guī)范設(shè)備編碼在平臺(tái)展示中對(duì)設(shè)備統(tǒng)一管理起到重要作用。在規(guī)劃時(shí)要考慮平臺(tái)未來(lái)對(duì)外共享時(shí)編碼的一致性，通過(guò)參考GB/T28181—2016的編碼規(guī)定和實(shí)際場(chǎng)景對(duì)網(wǎng)絡(luò)等信息進(jìn)行收集分析和統(tǒng)一編碼，達(dá)到省市縣多區(qū)域的有效管理和控制的目的。

4.2 視頻轉(zhuǎn)碼接入

設(shè)計(jì)視頻匯聚應(yīng)用平臺(tái)的視頻轉(zhuǎn)碼部分時(shí)，需結(jié)合平臺(tái)規(guī)模和平臺(tái)節(jié)點(diǎn)，保障在有限帶寬下傳輸更高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)視頻的前提下，嘗試不同編碼參數(shù)設(shè)置和編碼效果，以達(dá)到業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求。

當(dāng)前主流的解碼方式有軟解碼和硬解碼兩種。

（1）軟解碼方式。它是由CPU負(fù)責(zé)解碼并直接播放的方式，其優(yōu)點(diǎn)是不受視頻格式限制、畫(huà)質(zhì)略好于硬解碼，但存在高清視頻流暢性沒(méi)有硬解碼好和對(duì)CPU性能要求高的缺點(diǎn)。

（2）硬解碼方式。它是由顯卡核心GPU對(duì)視頻解碼的方式，優(yōu)點(diǎn)是CPU占用率很低、播放流暢和功耗低，但存在受視頻格式限制、畫(huà)質(zhì)一般的缺點(diǎn)。

因此，在多平臺(tái)視頻碼率解碼過(guò)程，對(duì)于CPU資源充足的場(chǎng)景，采用軟解碼方式；對(duì)于CPU資源有限且視頻格式符合硬解碼的場(chǎng)景，采用硬解碼方式。

5 視頻匯聚應(yīng)用平臺(tái)設(shè)計(jì)

視頻匯聚的應(yīng)用平臺(tái)設(shè)計(jì)主要從數(shù)據(jù)匯聚方式和應(yīng)用平臺(tái)設(shè)計(jì)方式兩方面研討，運(yùn)用核心技術(shù)能力實(shí)現(xiàn)平臺(tái)資源整合、分析處理和組網(wǎng)多樣適應(yīng)的高可靠性和高可用性[3]。

5.1 視頻數(shù)據(jù)匯聚

視頻數(shù)據(jù)匯聚的實(shí)現(xiàn)是本文研究核心所在。在視頻匯聚平臺(tái)方案設(shè)計(jì)中，按照省市縣三級(jí)設(shè)立不同功能的子系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)流的源端采集、中心匯聚和終端管理的聯(lián)動(dòng)交互功能。視頻匯聚平臺(tái)由以下功能子系統(tǒng)組成。

設(shè)備接入網(wǎng)關(guān)用于接入國(guó)標(biāo)或非國(guó)標(biāo)的攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)和平臺(tái)的媒體流與信令流的傳輸。流媒體服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)流媒體內(nèi)容進(jìn)行采集、緩存、調(diào)度和傳輸播放。視頻存儲(chǔ)服務(wù)器存儲(chǔ)從前端攝像機(jī)采集的視頻。平臺(tái)中心管理系統(tǒng)提供匯聚平臺(tái)的人機(jī)交互和資源管理等基礎(chǔ)功能。視頻質(zhì)量診斷子系統(tǒng)保障前端攝像機(jī)采集的視頻質(zhì)量。通過(guò)以上結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)數(shù)據(jù)應(yīng)用、分析、可視化展示以及監(jiān)管的功能，為大型視頻匯聚網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)管理提供完備的業(yè)務(wù)系統(tǒng)信息化覆蓋。

5.2 視頻匯聚應(yīng)用平臺(tái)設(shè)計(jì)

大型視頻匯聚網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)需要具備處理TB級(jí)別以上的視頻匯聚流能力，因此在設(shè)計(jì)時(shí)采用主流的全云架構(gòu)。該架構(gòu)中運(yùn)用云計(jì)算、云存儲(chǔ)、大數(shù)據(jù)等核心技術(shù)，構(gòu)建起全棧云化、全境智能、全云協(xié)同的解決能力，實(shí)現(xiàn)軟件與硬件、數(shù)據(jù)與應(yīng)用的全面解耦，提升視頻資源的互聯(lián)互通和視頻智能分析的應(yīng)用效果，高效整合視頻資源。

視頻匯聚平臺(tái)采用ARM平臺(tái)基于容器云平臺(tái)，利用高性能分布式計(jì)算、存儲(chǔ)框架，結(jié)合Web Services接口定義不同的Web組件，實(shí)現(xiàn)共同操作的消息收發(fā)框架。同時(shí)為用戶提供高密動(dòng)態(tài)彈性的共享資源池，實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)支持多級(jí)視頻管理聯(lián)網(wǎng)和智能跨域協(xié)同的能力。

6 研究結(jié)論

本文對(duì)如何構(gòu)建省市縣大型視頻匯聚網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)提供通用方法。一是在省市縣視頻網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面，通過(guò)分層分級(jí)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通和網(wǎng)絡(luò)匯聚。二是在省市縣編碼結(jié)構(gòu)方面，構(gòu)建統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)編碼規(guī)范，有效管理設(shè)備資源，提升視頻匯聚網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)建設(shè)、改造和升級(jí)能力。三是在視頻匯聚平臺(tái)建設(shè)方面，以匯聚為核心構(gòu)建出完整可靠且可迭代的視頻匯聚網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。

根據(jù)以上方案，實(shí)現(xiàn)以下視頻匯聚應(yīng)用五大核心能力①匯聚：實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控資源的匯聚接入，保障視頻監(jiān)控管理平臺(tái)數(shù)據(jù)統(tǒng)一、規(guī)范和共享。②監(jiān)控：實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻流和視頻錄像等多方式查詢(xún)?yōu)g覽。③控制：實(shí)現(xiàn)對(duì)前端視頻監(jiān)控設(shè)備的分權(quán)控制。④管理：實(shí)現(xiàn)對(duì)各類(lèi)接入設(shè)備的管理和控制。⑤應(yīng)用：實(shí)現(xiàn)對(duì)行業(yè)視頻資源的智能化解析應(yīng)用。

本文為大型視頻匯聚網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)構(gòu)建提供了設(shè)計(jì)方法與思路，可推廣應(yīng)用到智慧城市、公安、交通、消防、林業(yè)、農(nóng)業(yè)、應(yīng)急等各行各業(yè)，以視頻能力構(gòu)建起社會(huì)數(shù)字化治理的全新模式?！?/p>