一種基于網絡技術的熱備音視頻集中控制系統

◆武 攀 趙家鳳

一種基于網絡技術的熱備音視頻集中控制系統

◆武 攀1趙家鳳2

（1.中國電子科技集團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）

本文針對會議場所、指揮控制中心的音視頻集中控制系統的建設需求，在商用中控主機的基礎上，結合網絡技術，設計熱備音視頻中控系統，以提高音視頻中控系統的可靠性與容災性能，并進一步提出改進措施，為會議場所、指揮控制中心的音視頻集中控制系統的設計與建設提供參考。

音視頻控制系統；網絡技術；熱備

在現代會議場所、指揮控制中心，音視頻系統在多媒體展示、遠程協商、遠程會議、視頻指揮等應用中發揮的作用越來越重要。基于信息的可視化展現要求，如何在會議中心、指揮控制中心、交通管制中心等場所中展現音視頻信息顯得越來越重要。音視頻系統作為信息展現的重要環節，向指揮人員、參會人員提供直觀明了的視覺和聽覺信息。大型信息系統中音視頻系統的設計難點在于使用需求多樣化且需展現的信息量豐富。[1]雖然音視頻設備都具有控制面板或遙控器，操作人員如果逐個控制設備，則效率太低、不能實現復雜操作，且容易出錯。因此，音視頻系統一般都包含集中控制系統，方便操作人員在集中控制臺位上統一管控系統中的攝像頭、LED大屏、液晶顯示屏、視頻切換矩陣、拼接處理器、音頻處理器等設備。在大型指揮信息系統中，音視頻集中控制系統更是不可或缺的部分。

隨著系統規模的增加，需要控制的音視頻設備也越來越多，音視頻系統擔負的保障任務也越來越重，常常要求7×24小時工作。相應地，對集中控制系統的要求也隨之提高。因此，在設計音視頻控制系統時，不僅要將集中控制系統與各音視頻設備的有機結合，還需考慮提高集中控制系統可靠性、抗毀性等問題。

1 非熱備系統設計

音視頻集中控制系統通常以綜合控制主機（也稱中控主機）為核心，連接各個受控設備。以Crestron的產品為例，綜合控制主機是包括串口（包括RS232、RS422、RS485）、紅外、繼電器、數字I/O、專用總線接口、網口等多種接口的可編程設備。構建音視頻集中控制系統時，綜合控制主機上的各種接口連接受控設備上對應的控制接口。綜合控制主機運行事先編譯、存儲在其中的程序，操作人員在控制終端上訪問綜合控制主機，控制終端上顯示人機交互界面。綜合控制主機根據操作人員的動作，通過控制接口向受控的音視頻設備發出相應的指令，控制設備的工作，例如：通過RS422接口控制攝像頭的轉動、變焦、預設位置、調用位置；通過紅外接口控制液晶顯示屏的開關、輸入信號源轉換、模式調用；通過網口控制LED大屏的開關[2]；通過RS232接口控制視頻矩陣的切換、觸控屏開關；通過RS232接口或網口圖像拼接處理器的場景調用，音頻處理設備的音頻路由、功能調用；通過繼電器接口控制燈光調節等。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音視頻系統。通過編寫復雜的程序，可以使綜合控制主機執行一系列復雜操作，實現操作人員用音視頻設備自帶的面板或遙控器無法完成的工作。

典型的，以單臺中控主機為核心構建的音視頻集中控制系統如圖1所示：

圖1 無備份的音視頻集中控制系統

在圖1中，集中控制臺、中控主機接入音視頻局域網絡，系統中受控制的音視頻設備直接與綜合控制主機連接或通過網絡連接。系統中的中控主機為關鍵設備，一旦中控主機發生單點故障，就會影響整個系統的運行。因此，需考慮中控主機的備份，以增強系統可靠性。

2 冷備系統設計

為提高系統可靠性，可增設一臺中控主機，構建冷備份的集中控制系統。

冷備份中控主機的思路是：主、備中控主機設置同樣的IP地址，裝載同樣的程序。當主用機發生故障時，需手動將備用機替換主用機，并將連接至主用機上的線纜均轉接至備用機上，花費的時間較多。因此，為了減少系統恢復時間，需增設總線分配器，將受控設備通過總線分配器和接口模塊轉接至中控主機。這樣，替換主備機時，只需轉接網線、總線，而無需將連接各受控設備的線纜逐個拔插，大大降低恢復系統所耗的時間。

冷備份中控主機的集中控制系統如圖2所示。

圖2 冷備份中控主機的集中控制系統

在圖2中，中控主機不再通過串口、紅外口、繼電器口等直接連接受控設備，而是經由總線分配器、接口模塊連接受控設備。由于總線分配器僅是分配線路的器件，出現故障的概率較低，而接口模塊僅連接部分受控設備，這樣即使出現故障也不會影響全系統的運行。相比圖1所示的系統，冷備份中控主機的系統便于更換出現故障中控主機，可以減少系統的恢復時間。

3 熱備系統設計

上述圖2所示的冷備份中控主機的音視頻集中控制系統同圖1所示的系統相比，雖然設法降低了系統的恢復時間，但是仍需要間斷系統運行，在某些應用場合可能會造成巨大的損失。參考信息系統、音頻系統、視頻系統提高可靠性的設計方法尋找音視頻集中控制系統的熱備份設計思路：信息系統中的服務器通過內存換頁同步、雙機故障檢測以及雙機狀態切換，進而實現主備機的無縫銜接[3]，甚至通過安全服務資源池化、安全服務器集群化和專用安全資源按需保障等措施，實現高可靠性和高性能的安全服務平臺[4]；音頻系統可采用音頻處理器雙機的方法增強系統可靠性[3]；視頻系統采用雙鏈路傳輸提高系統的抗毀性[4]。而音視頻集中控制系統有其自身的特點：中控主機的功能相對簡單，數據傳輸速率、吞吐量較低，不具備心跳線，難以實現內存同步，也不能像音頻處理器那樣處理心跳詢問數據包；通過串口受控的音視頻設備，不能同時接收和響應來自兩條鏈路的控制指令，從控制指令的發送端到接收端，傳輸控制信號的線路不能像視頻系統那樣采用雙鏈路的方法。因此，設計的思路是借鑒雙機熱備的做法，避免因單臺中控主機失效而使音視頻控制系統暫停運行，從而提高系統的可用性。

為系統設置兩臺中控主機，配置不同的IP地址，裝載相同的程序（配置參數略有差別），將它們同時接入網絡，構成熱備份中控主機的集中控制系統，如圖3所示。

圖3 熱備份中控主機的集中控制系統

相比圖2所示冷備份中控主機的系統，熱備系統中還增加了一臺總線切換器，其功能類似于二選一的多路選擇器，使得在任一時刻兩臺中控主機中只有一臺取得總線控制權，以避免產生沖突。通過串口、紅外口、繼電器口受控制的設備仍通過接口模塊、總線分配器與中控通信，接收中控發出的控制指令；通過網絡受控的設備仍接入網絡。兩臺中控主機分別有一根控制線連接總線切換器。在集中控制臺上訪問某一臺中控主機時，被訪問的中控主機發送一個控制信號將總線切換器的連接通道切換至本機，以獲得總線控制權。當某一臺中控主機失效時，無須拔插線纜即可使用另一臺中控主機操控音視頻系統，保證系統運行的連貫性，使前臺使用者察覺不到故障的發生，同時給予后臺人員充足的時間維修、更換故障主機。

采用熱備份和冷備份中控主機的方法對比如表1所示。

表1 熱備份與冷備份對比

序號對比項熱備份冷備份 1技術特點兩臺中控配置不同的IP地址，同時接入網絡，中控發生故障時自動切換兩臺中控配置相同或不同的IP地址，主用中控發生故障時手動拔插線纜至備用中控上 2配套設備總線切換器、總線分配器總線分配器（可選） 3切換時間毫秒級分鐘級

采用熱備份中控主機的方法，避免了因單臺中控主機故障，造成系統運行間斷而帶來損失，大大提高音視頻集中控制系統的可用性。進一步地，可設置多個集中控制臺構成熱備增強可靠性。此外，在使用中控主機的智能家居、智能樓宇等應用場合中也可以采用相似的設計以提高系統可靠性。

4 小結

音視頻集中控制系統已向網絡化、智能化方向發展。本文基于網絡技術和現有中控主機自身的特點，構建的熱備音視頻集中控制系統，提高了系統的可用性、抗毀性。此設計已用于音視頻系統的工程實踐中，可作為大型會議場所、指揮控制中心的音視頻系統設計與建設的參考。

[1]武攀，許桂明.一種大容量一體化音視頻系統的安全控制方法研究[J].網絡安全技術與應用，2015（07）.

[2]武攀，趙振凱.一種基于網絡技術的LED大屏顯控系統[J].網絡安全技術與應用，2018（02）.

[3]陳琛.基于內存同步雙機熱備系統[J]，指揮信息系統與技術，2012（06）.

[4]金剛，鄭志蓉.面向云計算環境的安全服務平臺[J].指揮信息系統與技術，2016（12）.

[5]李光.一種基于網絡技術的雙機熱備音頻系統[J].網絡安全技術與應用，2018（05）.

[6]武攀，趙振凱，趙家鳳.基于光纖和IP流技術的視頻雙鏈路熱備傳輸系統[J].網絡安全技術與應用，2018（10）.