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自台监控系统原理及创新应用

2023-08-22 何向晖 依马狮视听工场


【摘要】 自台监控系统广泛应用在广播电视播出、发射、IPTV、网络传输、监管等各个技术环节,是安全播出的重要保障手段,是未来智慧运维的重要组成部分,有着广泛的应用前景。自台监控系统技术复杂,是通信技术和计算机技术的完美结合。本文详细描述了自台监控系统的工作原理,并结合实践提出了自台监控系统的创新应用思路,对广播电视系统技术人员了解自台监控系统原理并拓展自台监控系统的用途有着很好的指导作用。

【关键词】 监控系统  多画面转码  监测报警系统  运维管理平台  创新应用

 

引言

按照2021年3月新修订的《广播电视安全播出管理规定》的要求,各大播出机构都要配置自台监控系统。自台监控系统除了能承担日常安全播出的信号和设备监测、报警、记录功能外,在播前审、系统验收、故障排查、远程监控、无人值守等方面都有广泛的用途,是未来智慧运维的重要组成部分。下面我就自台监控系统的原理和创新应用进行阐述。

 

一.自台监控系统的功能和原理

目前各广播电视台使用的主流自台监控系统主要是由监控系统、多画面转码监测报警系统和运维管理平台三部分组成(图一就是自台监控系统的方框图)。

 

自台监控系统原理及创新应用

 

1.自台监控系统主要能实现以下功能

1.1支持多种格式IP码流监测。支持UDP/RTSP/HLS/HTTP/RTMP等多格式IP码流接收,并可以对实时码流进行监测及故障报警,码流监测系统支持各种流的流媒体传输协议和封装格式,提供对IP码流传输的深入分析和流媒体质量监测,用于完成信源和末端节目的IP码流监测。

1.2支持多种格式信号监测。能实现DVB-C、DVB-S/S2、ABS-S、DTMB、SDI、ASI、AVS+/AVS2、FM/AM、AES/EBU和模拟视音频信号等主流信号的解码和显示、支持视音频转码和录制功能;同时可对视音频信号的多项异态指标进行监测,并将监测数据通过多种手段进行展现。

1.3能实现信号的异态报警和回看。能实现对所监测的信号进行多画面显示监测及故障报警,同时支持对所监测信号录像存储不少于一周,故障录像存储不少于一年;

1.4能实现动环和设备监测,是未来智慧运维的核心。通过安全运维管理平台对机房环境、对设备和节目信号进行统一管理和配置;

1.5对画面的显示布局可以自由调配。在多画面布局上,可根据需要对监控的画面进行自由组合,还可以通过节目画面轮巡系统实现重点节目实时固定窗口显示、普通节目轮巡显示;支持视频画面、标题栏、OSD、语音报警等多种实时报警展现方式。

2.自台监控系统的原理

自台监控系统的原理主要是将需要监控的信号IP化后,再通过交换机送到多画面转码监测系统,多画面转码监测系统对输入的IP信号进行解码,系统根据设定的报警参数对解码出来音视频信号进行分析,在视频方面能支持黑场、静帧、视频丢失、视频解码异常、彩场、彩条、马赛克等视频故障监测,在音频方面能支持音频丢失、音量过高、音量过低等音频故障监测。如果音视频信号出现问题,超过报警门限,监控系统一方面会通过语音报警平台播报故障信息,另一方面会通过报警弹窗在多画面窗口弹出明显的报警标志,在节目出现异常时,在多画面上会直接弹出报警节目的视频,在视频中央用红色字体显示具体的报警信息。从而实现声光同时报警,提醒值班人员注意节目出现了异常情况。如果没有及时发现报警信息,随后在监测日志上也能够查看到报警信息,并能调看相应的视频,便于后续的事故分析。

自台监控系统主要是由监测板卡、多画面转码监测报警等硬件系统和运维监控软件系统组成(图二为自台监控系统的原理图)。以下就这三部分的工作原理进行阐述:

 

自台监控系统原理及创新应用

 

2.1监测板卡部分

外部信号通过监测板卡接入自台监测系统,监测板卡可以接入的信号源主要分为四类:第一类是非压缩基带信号,如SDI信号等;第二类是编码后的信号,如ASI、AVS+等信号;第三类是射频信号,如DTMB、DVB-C、DVB-S/S2、ABS-S等信号;第四类是基于UDP、RTP、HTTP、RTMP、RTSP、HLS等主流流媒体协议的IP信号。以下就四类信号的监测原理进行阐述:

2.1.1非压缩基带信号的监测原理。以SDI监测板卡为例,监测板卡对输入的单节目或多节目高标清SDI信号进行H.264实时编码,编码后打包形成单节目TS流(SPTS)。编码码率可根据不同应用场合在1Mb/s~20Mb/s(高清)、500Kb/s~8Mb/s(标清)范围内设置。SPTS信号通过UDP打包输出IP信号,IP信号通过板卡上的千兆网口接入交换机,最后通过交换机将信号传入多画面监测报警系统(图三为多通道高标清SDI视音频编码卡的功能框图)。

 

自台监控系统原理及创新应用

图三

 

2.1.2编码压缩后的信号监测原理。以ASI监测板卡为例,ASI监测板卡对输入的多路信号进行打包,打包完成后形成一个完整的TS流。TS流分两路输出:一路TS流通过TS over IP输出IP信号,IP信号通过板卡上的千兆网口接入下游交换机,最后通过交换机将信号传入多画面监测报警系统,另一路对打包完成的信号进行TR101 290码流监测和分析,将分析的结果通过板卡上的百兆口送到运维平台实时呈现出来。(图四为多通道ASI码流监测卡的功能框图)

 

自台监控系统原理及创新应用

          

图四

 

2.1.3射频信号的监测原理。以DTMB监测板卡为例,该板卡对接收来的DTMB信号进行解调,将解调出来的多路信号进行打包,打包完成后形成一个完整的TS流。TS流分两路输出:一路信号送出单播或组播信号。该系统将TS流通过TS over IP输出IP信号,IP信号通过板卡上的千兆网口接入下游交换机;另一路信号打包完成的TS信号进行信道和TR101 290码流监测和分析,将分析的数据通过板卡上的百兆口送到运维平台,实时呈现出来。板卡可监测的信道指标有:信号锁定状态、信号功率、信号强度百分比、信噪比、误码率;为方便系统调试及故障定位,系统还可以指示当前信号的调制参数:载波模式(单载波、多载波)、帧头模式(可变、固定)、PN序列模式、前向纠错码率、符号映射方式、时域交织类型。(图五为DTMB地面数字电视监测卡框图)

 

自台监控系统原理及创新应用

图五

 

2.1.4IP码流信号监测原理。支持基于UDP的MPEG-2、H.264、AVS等多种格式封装的码流监测,IP码流监测有两种方式:一种方式是硬件方式。加扰后的IP码流直接接入IP码流监测卡,监测卡对IP流先进行解扰,然后进行全面的码流分析及监测报警。输入输出接口采用千兆以太网口,板卡不仅支持MDI(RFC4445)指标的实时测量,还支持TR101 290协议错误分析、支持码流表格的深度解析、支持数据广播和EPG信息的解析、支持总带宽、空包率、有效带宽、PID带宽统计;另一种方式是软件方式。IP码流直接接入交换机,通过交换机送到运维管理平台中的码流分析系统,在软件中完成码流在线分析和信道、码流故障的监测信息显示。(图六为IP码流硬件监测卡框图)

 

自台监控系统原理及创新应用

图六

 

2.2多画面转码监测报警系统

多画面转码监测报警系统,基于全IP架构,能实现IP码流的监测分析、视音频异态监测、内容转码录制、多画面合成输出和存储录像等功能。

2.2.1视音频异态监测

多画面报警系统支持视音频异态监测报警。视频方面支持黑场、静帧、视频丢失、视频解码异常、彩场、彩条等视频故障监测,音频方面支持音频丢失、音量过高、音量过低等音频故障监测。

视音频异态监测的原理是对监测板卡送来的IP信号进行解码,系统根据运维管理平台配置的报警任务、报警阈值、报警持续时间对解码后的信号进行分析。如果信号达到报警条件,运维管理平台一方面会触发异态存储功能,将异态信息记录下来,便于后续的回看和事故分析;另一方面会触发语音报警功能和多画面的报警弹窗,通过声光报警方式,提醒值班人员注意。

2.2.2多画面显示系统

在多画面显示方面,多画面显示系统的工作原理对多路解码后的信号进行图像拼接显示,可根据用户需求对监测信号的多画面显示任意组合,多画面组合信号可通过HDMI接口输出直接送到大屏显示。也可通过IP输出接口,配合画面云分布式显示控制系统,实现通过少量界面即可完成传统多画面监看。

2.2.3存储录像功能

监控系统支持两种节目录制方式:一种是所有节目全程录制,这主要是对转码后的IP码流进行全程录制,转码采用H.264格式,大大缩小了存储所需的空间。系统可对所有录制下来的节目信息的保存时间进行设定,按照新修订的《广播电视安全播出管理规定》:安全播出责任单位的技术配置,应当声音、图像、码流录制或者保存技术监测信息等方式对本单位播出、传输、发射的节目信号质量和效果,以及相关设备运行状况进行记录,记录信息应当保存一周以上,因此设定时长不得少于一周;另一种是触发录制方式。当监测系统监测到信号出现异态后,会触发录制系统将异态信号开始前的5秒到异态信号结束后的5秒信号这个区间的信号录制下来。系统可对异态节目记录信息的保存时间进行设定,按照新版《广播电视安全播出管理规定》,设定时长不得不少于一年。

2.3运维管理平台

运维管理平台是自台监控的核心,能够对信道指标、码流状况及解码后的音视频状况进行分析,对不同节目可以设置不同的报警内容、不同的报警门限和不同的报警时段,根据各个频道节目的特点实现最优化的报警效果。运维管理平台除了能实现信号监测存储功能外,还能对机房的设备、动力环境进行统一监测,并通过运行分析系统对信号、设备、环境的状况进行分析,做出智能化判断,准确定位故障点,通过配置合适的告警策略,对设备、环境、信号的原始告警信息进行过滤和存储,最后将分析结果通过统计报表、屏幕显示、语音播报、微信、APP推送等方式,实现报警信息的实时推送和事后回看。

 

二.自台监控的创新应用

1.在播前审核中的应用

将需要进行一比一提前播检测的信号接入自台监控系统,如果自台监控出现报警信息,值班人员可根据自台监控的报警内容,对送播信号进行逐级检查,可以准确定位报警信息出现的环节,然后针对不同的情况进行相应的处理。

2.在上下游责任界定中的应用

在日常播出和直转播过程中,经常会出现下游单位发现信号出现异常,而上游单位却坚称自己提供的信号是正常的情况。双方各执一词这种情况是很正常的,这种情况下,只要有下游一方能够调出故障信号的录制视频,而上游提供不了同时段的正常信号视频,就可判定责任在上游;如果上游能够提供同时段的正常信号视频,就可判定责任在中间环节,这时就可通过上下游事故界定协议来确定事故责任单位。

3.在系统验收和故障排查中的应用

一个系统或一项技改工作完成后,在试运行阶段,有些设备工作不稳定,有时会出现偶发的事故,在试运行阶段,人员比较紧张,值班人员很难发现瞬时偶发的事故。如果将该系统输出的信号接入自台监控系统,就能够及时准确的发现故障苗头,避免在正式播出中出现播出事故。我台在一个频道投入使用前,将该频道播出的信号接入自台监控系统监测,发现每隔3天左右主通道都会出现一次2-4秒且无台标的黑场事故,这种情况平时值班员是发现不了的,即使偶然看到了,也会认为是显示器问题。针对这种情况,我们将可能出现问题的几个节点都接入自台监控系统监测,后来发现是一块三选一的输出信号有问题,升级该设备后,故障消失。如果没有自台监测系统,这个问题要用很长时间。要付出很大代价才能解决。

4.在码流监测中的应用

日常我们一台码流分析仪只能接入一路码流进行分析,我们台输入输出有10多路ASI流,一台码流分析仪根本无法满足日常监测的需求。在自台监控系统中,可以同时对接入系统的多路码流进行同步实时监测分析,一块板卡最高可以接入16路码流,便于我们全面准确了解码流及设备的运行情况。有次中央一套卫星信号出现了2秒的闪断,我们在自台监控系统报警日志中查找,发现日志中同时段码流监测系统报同步丢失,因此准确定位信号闪断的原因是前端信号出现问题。在自台监控系统投入前,对于偶发的瞬时故障,由于涉及上下游众多环节,且故障时间很短,很难准确定位故障点,自台监控系统投入使用后,大大缩短了我们排查故障的时间,对确保安全播出起到了很大的作用。

5.在远程监控中的应用

自台监控系统除了能帮助值班员在机房内做好信号监测工作外,通过增加一些模块,还能将报警信息通过短信或APP的方式实时推送到管理者的移动客户端。A.短信报警功能。通过配备1块短信猫和1套短信报警软件,用于完成短信报警。当监测的节目及信号发生故障时,报警信息可以通过手机短信的形式推送给管理层。在报警软件中,可以根据不同的职责,设置不同等级的报警门限,系统根据报警信息触发的不同门限短信通知不同层级的管理者。B.微信报警功能。配置1套微信报警模块,配合监控平台微信公众号报警推送。便于管理者通过微信公众号在异地实时了解播出情况,出现故障时,即使在身在异地,也可以便捷的查看报警信息和故障视频录像。

6.在发射机房智慧运维中的应用

自台监控系统配合完备的设备信息采集、控制系统,就能够实现播出系统的智慧运维。智慧运维的原理主要是监控系统通过设备的SNMP、RS232、RS485或RJ45接口对设备信息进行采集,运维平台对采集来的信号进行分析,一旦采集到的故障信息达到触发相关设备倒换的门限后,平台就对倒换设备发出指令,对出故障的设备进行主备路的倒换。以电视发射机房智慧运维为例,信号采集主要采集链路系统、发射系统和辅助系统的主要运行信息。链路系统方面主要采集主备路接收机、编码复用器、切换器的工作状态;发射系统方面主要采集主备发射机、同轴倒换控制器的工作状态;辅助系统方面主要是采集电力、温湿度、摄像头、门禁、水浸、烟雾感应器的工作状态。当发现采样的信息达到报警门限时,就触发报警系统弹出报警信息并记录下来。对于无人值守机房,报警信息可以通过短信、APP、网络传输的方式传送到远端管理者的终端上去。便于管理者及时了解机房运行状况,及时做好相应的对策;如果达到倒换门限,除了执行报警功能外还会控制相应的倒换设备,完成主备通道、设备的切换,从而保证信号的完整传输。无人值守的运维模式,特别适合偏远地区的发射机房。

 

结束语

广电总局《关于促进智慧广电发展指导意见的通知》中指出力争用3-5年时间,广播电视在内容制作、分发传播、用户服务、技术支撑、生态建设以及运行管理等方面的智慧化发展协同推进。广电总局“十四五”发展规划中也指出要建立广播电视智慧运维体系,提升广播电视各技术系统故障判断、故障分析、应急处置、技术巡检、远程调控等自动化水平和工作效能。 上述文件对广播电视智慧运维的发展指明了方向,自台监控系统作为智慧运维体系的核心组成部分在未来广播电视技术运维中必将发挥重大作用。

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