【摘要】 以系统运维人员视角，从系统总体设计要求、信号异态检测和比对功能设置、一致性比对检测服务器配置、4×1切换器遥控面板配置、自动应急切换功能实现、智能应急系统软件功能模块配置等方面，介绍扬州广电总台在线播出智能应急系统设计和建设体会。
【关键词】在线播出 智能应急系统 信号异态检测和比对 一致性比对检测服务器 4×1切换器遥控面板 自动应急切换
如何有效解决电视播出一线值机工作的痛点和难点问题，改变安全播出和应急处置过多依靠人工操作的模式，开启在线播出智能应急和无人值守播出模式，降低播出差错或事故发生的概率，提高安全播出技术保障水平，一直是电视播出系统运维人员孜孜以求的研究课题和实现目标，扬州广播电视总台启动设计并建设在线播出智能应急系统，就是一项具体的实践和有益的尝试。
一．系统总体设计要求
1．应急处置智能化要求
智能应急系统需具备四个频道在播高清/标清SDI信号实时采集、分析、判断处理和应急切换能力，通过采集比对主路/备路、高清/标清播出通道末级4×1切换器输入端的SDI信号，通过智能分析手段，实现播出信号应急选择和处置的自动化和智能化。通过逻辑算法由计算机自动实现逻辑判断，根据判断结果给出预警提示，提醒值班人员进行应急操作，实现对4×1切换器的智能应急控制以及主路 /备路播出信号的智能应急处置，简化应急操作内容，提高应急操作效率和工作质量，将值机人员的应急操作模式转变为故障恢复模式，减轻播出一线值机人员的工作量和精神压力，以便于增加值机人员所负责的频道数量。
2．在播信号异态自动发现与精准报警要求
智能应急系统应通过全面的信号分析和智能算法以便使异态报警精准有效，应能过滤掉绝大多数虚警。通过改进播出信号传统监视和检测方法，突破人工主观判断能力的限制，改变电视播出值机应急处理的传统操作模式，实现对播出信号异态的自动和智能发现、快速和精准报警，及时和有效处理，极大地提高播出过程的安全性。
3．自动切换与手动控制要求
智能应急系统需通过对主路/备路高清/标清播出通道末级4×1切换器输入端信号进行智能检测和比对，当判断主路信号异常时，应立即报警并控制4×1切换器进行自动切换，播出值机人员也可通过4×1切换器遥控面板进行手动切换，且人工手动控制的优先级高于自动控制的优先级，以确保任何异常情况尽在人的掌控之中。在根据信号检测、比对结果进行智能判断时，要求其判断条件灵活可调配，以便于应对不同的应用场景需求。
4．系统响应时间要求
对于智能应急系统整体的应急过程耗时指标，从信号采集、信号处理、逻辑运算分析、展现及自动操作，到人机交互（不含人的反应和动作时间），最终到系统响应生效，要求满负荷运转时系统响应总时间应≤2秒钟。
5．系统运行稳定性要求
智能应急系统应支持7×24小时连续稳定运转，且系统例行维护时间间隔应≥30天。
6．系统故障恢复模式要求
智能应急系统应采用模块化结构，与电视播出系统采取松耦合并联方式，智能应急系统本身发生故障时不会影响电视播出系统正常运行。智能应急系统本身应支持单点故障单点解决的故障恢复模式，该系统中任何一个独立的软硬件设备发生故障，只需要恢复该设备的正常运行即可恢复整个系统的正常工作，无需对其他相关设备进行联动操作或离线重启。
7．系统扩展性要求
智能应急系统的模块化结构，以及与电视播出系统之间的松耦合并联方式，使得智能应急系统既可适应播出应用环境，满足播出业务智能检测、报警和应急处置需要，也可支持系统规模和业务的平滑扩展。要求单台设备支持8对（16路）高清/标清SDI信号的智能检测，通过增加智能检测设备的数量，即可提供更多路高清/标清SDI信号的异态智能检测和更多组比对，以便覆盖高清/标清播出通道中更多关键节点SDI信号的智能检测和比对。
二．信号异态检测和比对功能设置
1．信号异态检测指标设置
对4个频道在播高清/标清（HD/SD）SDI信号的实时异态检测，应可针对不同异态或故障类型分别设置报警阈值，避免误报，支持根据实际播出业务场景的需要对每一路信号的检测指标及其报警阈值进行独立配置。视频信号异态检测项涵盖：同步失锁、黑场、静帧、彩条、彩场、单色、马赛克、拉条、信号中断、台标异常等指标。音频信号异态检测项涵盖：左右声道静音、电平过低、电平过高、立体声左右声道的电平差异过大、反向、单音频，以及主路/备路HD/SD-SDI信号嵌入音频信号之间相似度比较等指标。
2．一致性比对信号链路节点设置
针对HD/SD-SDI信号一致性比对信号链路节点的设置，我们选定在每个频道主备16×2（或16×4）高清SDI切换器的PGM输出端处（即高清4×1切换器输入端处），以及每个频道主备PGM/HD-SDI下变换器的输出端处（即标清4×1切换器输入端处），这样，需要比对的HD/SD-SDI信号总共就有4对（8路）高清PGM/HD-SDI信号和4对（8路）标清PGM/SD-SDI信号。那么，对于每个频道主路/备路、高清/标清播出通道末级4×1切换器智能应急切换的应用场景，一致性比对设备可支持智能检测、比对、应急切换、人工干预等业务流程，并能够实现每个频道主路/备路、高清/标清播出通道末级4×1切换器智能应急处置的一键全切，使智能应急操作比传统应急操作更加快捷、更加直观、更加人性化。
图1 智能应急系统一致性比对信号链路节点设置示意图
3．信号比对检测功能设置
智能应急系统应能同时对8对（16路）高清/标清SDI信号进行一致性比对、异常检测、可用性智能鉴别，自动选出并切换正常信号，弥补人工判断易出错等短板，以应对多个频道播出信号同时出现故障情况下的高效和可靠应急处置问题。
系统在对每对（2路）高清/标清SDI信号进行实时检测和一致性比对时，应能及时发现信号之间的差异，对常见的劣播异态情况作出及时报警。2路SDI信号一致性比对检测项包括亮度比对、图像比对、音频各声道比对、主备路同步比对、主备路画幅比比对，比对可达像素级高精度，支持一帧精度检测，逐帧比对；支持比对模板创建，并过滤不需要比对的区域；支持图像位移比对，可设置检测位移的偏移量阈值；支持信号延迟量的设置，适应不同延迟值环境下的信号比对；支持高精度比对组的自动延迟、缓冲处理，容许比对信号之间出现一定的延迟抖动，避免误报，延迟阈值可设置；也可支持忽略阈值的设置，这些可忽略阈值包括像素点数最大允许误差阈值、亮度差阈值等。
三．一致性比对检测服务器配置
智能应急系统配置了1台16路HD/SD-SDI信号一致性比对检测服务器，由一台服务器即可完成高标清同播电视播出系统在播的8对（16路）SDI信号的一致性比对、信号异态检测、故障判断、报警/切换命令发送等任务，该服务器采用线程级通讯以规避通讯延迟和丢失风险，可保证故障判断子系统的准确性、稳定性。服务器本地也部署有报警客户端，可以多画面形式显示画面、音柱，当前路SDI信号质态及报警异态。同时，该服务器支持控制高
清4×1切换器、标清4×1切换器的手动/自动联动切换和分别切换。
该一致性比对检测服务器采用CPU+IO卡技术，采用广电专业级IO卡和8通道RS-422/485多串口卡；基于DELL R740企业级服务器平台，采用Windows Server 2012 R2操作系统；配置2颗Intel Xeon Silver4210十核@2.2 GHz CPU，配备可热插拔的冗余双电源模块；主板载有4个千兆以太网端口；可实现8对（16路）HD/SD-SDI信号（嵌入音频）实时检测和比对，并提供迅速、准确的报警，从而提高在线播出应急响应的速度。
四．4×1切换器遥控面板配置
配置8只一致性比对遥控面板，担当4×1切换器遥控面板的角色，用于遥控8只4×1主备高清切换器和8只4×1主备标清切换器。每只一致性比对遥控面板为双路面板，并配备冗余双电源，可以控制2只4×1切换器，这样8只一致性比对遥控面板可控制16只4×1切换器。单只一致性比对遥控面板具备1组RS422控制接口和2组GPIO控制接口，可以控制主流周边厂家的N×1开关类切换器产品，同时支持自动切换和手动切换工作模式。
一致性比对检测服务器通过RS422与一致性比对遥控面板进行双向通讯，一致性比对遥控面板通过GPIO与4×1切换器进行双向通讯，可以获取4×1切换器设备的状态，可同步显示当前4×1切换器的切换路由状态，确定其是否正确切换，切换状态返回信息归入日志记录。遥控面板掉电时，依然可以通过GPIO触发4×1切换器。智能应急系统的软件系统关闭时，也不影响一致性比对遥控面板的手动操作。软件系统掉线或者4×1切换器掉线，遥控面板会立刻进行声光报警。每只遥控面板具备5个按钮，前4个按钮可分别或者同时手动/自动控制对应的高清/标清、主路/备路共4路SDI信号进行切换，第5个按钮用于激活/释放手动控制权，人工手动控制的优先级高于自动控制的优先级。每只遥控面板可同时控制主备两个4×1切换器，遥控面板可锁定，锁定后遥控面板按键操作将无效。一致性比对遥控面板采用可编程按键，可通过编程自定义每个按钮的颜色，并控制按键闪烁。
五．自动应急切换功能实现
智能应急系统的高清/标清SDI信号实时检测和一致性比对以及自动切换功能具备快速响应能力，对于帧级故障或异态（如彩条）的自动切换任务，可以实现1秒内完成故障检测以及自动切换。对于延迟生效的自动切换任务（如黑场），可以实现2秒内完成故障检测及自动切换，或根据预设的检测判断阈值和切换阈值进行自动切换。智能应急系统设备支持7×24小时稳定可靠运行，对四个频道在线播出的高清/标清SDI信号链路上采集的高清/标清、主路/备路SDI信号进行视音频指标实时检测和一致性比对，并控制主备4×1切换器进行自动切换或者指导值机人员进行手动切换，智能应急系统对所有报警信息及自动切换和手动切换操作均具有详细完整的日志记录以供查询，以实现安全播出业务的闭环管理。
六．智能应急系统软件功能模块配置
图2 智能应急系统软件功能模块逻辑依赖关系示意图
智能应急系统的软件功能模块主要配置了信号采集、信号分析、应急控制和综合管理等模块。
1．信号采集模块
信号采集模块可提供各频道高标清主备通道在播SDI信号的状态和异态报警数据，以供后台比对分析与逻辑判断调用。智能应急系统通过信号采集模块在采集电视播出系统中主路/备路、高清/标清播出通道链路节点在播SDI信号的内容和状态时，由于信号采集点选在了电视播出系统相关环节信号分配器之后，因此不会对电视播出系统产生影响。按照每个频道实现2对（4路）（2路高清、2路标清） SDI信号实时检测，可满足4个频道共8对（16路）末前级HD/SD-SDI信号（嵌入音频）的检测报警需求；支持对信号异态或故障进行实时报警并叠加文字；可自行设定输出码流码率参数和清晰度指标；支持热插拔、即插即用，支持采集板卡自身状态的反馈呈现。
2．信号分析模块
信号分析模块通过调用信号采集模块提供的在播SDI信号状态和异态报警数据，并进行后台比对分析与逻辑判断，从而为应急控制模块提供后台判断逻辑。支持16路HD/SD-SDI信号（嵌入音频）实时比对和智能报警；支持对主路、备路信号自动对齐同步，能够实时比对主路、备路视频和主路、备路音频指标的一致性程度；智能应急系统所有软件功能模块的异常数据和操作记录均记入系统日志、写入数据库，且采集、分析、控制、管理的信息均写入数据库，支持日志数据分析与查询；能对信号异态或故障进行及时、准确判断；可实现对画面任意区域的检测，支持比对模板的创建和技审模板的创建，可过滤不需要比对的区域，比如台标、角标、左飞区域，还原真实异态类型；可自动判断各路信号是否正常，并依据信号异态报警信息进行应急处置提示。
3．应急控制模块
应急控制模块支持对所有16只4×1切换器的设备状态及切换状态进行实时反馈呈现至可视化界面，可满足4个频道主备高清4×1切换器、主备标清4×1切换器的控制需求。各种切换逻辑可通过后台管理界面进行配置，当智能应急系统出现故障或应急控制模块出现故障时，能够自动屏蔽智能应急系统对4×1切换器的所有控制指令，但是不会影响人工通过4×1切换器的遥控面板（也即一致性比对遥控面板）完成手动应急操作，同时具备防止误操作的保护机制。应急控制模块支持播出值机人员人工手动控制的优先级高于自动控制的优先级，以确保任何异常尽在人的掌控之中。
4．综合管理模块
综合管理模块采用集中式管理方式和分布式备份方式，完成智能应急系统中各功能模块配置，配置信息可保存至数据库；配置信息支持模板功能，能够实现批量添加和修改；支持通过WEB页面设置配置信息，查询报警信息；支持采用多画面集中展示平台展现16路参与检测和比对的高清/标清SDI信号（嵌入音频），能够动态展示视频图像和VU/PPM音柱。借助综合管理模块，智能应急系统可具备各个功能模块上下游交互和全局性视角，能够自动识别播出系统相关环节的信号异常和4×1切换器的状态，并进行智能关联分析和状态结果反馈呈现。
七．结语
扬州广播电视总台设计并建设在线播出智能应急系统，其终极目标是要将这类智能应急系统建设成为能够担当播出业务流程智慧化的事故隐患“先知”、播控值机 “哨兵”、应急处置“参谋”、故障处理“导师”等角色，从而极大地提高安全播出技术保障水平。应该说这类系统项目的建设必然需要经历一个不断完善和持续改进的过程，希望本文所介绍的在线播出智能应急系统设计和建设体会，能够给业内同行带来些许有益的启发。B&P