基于云邊結合技術的電網智能視頻云架構設計與測試

王 佳,吳任博,周小光,齊 銳

(廣州供電局,廣東 廣州 510630)

隨著電網視頻監控系統的普及,電網輸電、變電、配電、安保、安監及營業廳的視頻監控規模迅速擴大,同時由于人工智能的發展,基于視頻的智能應用越來越普遍。為了適應視頻監控規模的迅速擴大、滿足視頻監控應用的靈活性,電網公司迫切需要統一建設視頻聯網、共享及應用平臺[1]?，F在的視頻聯網、共享及應用平臺基于GB/T28181《安全防范視頻監控聯網系統信息傳輸、交換、控制技術要求》來實現,通過GB 28181協議實現視頻監控設備的接入,并且按照該協議實現不同視頻監控系統的級聯、互聯,同時基于GB 28181協議的RTSP視頻流規范實現視頻的傳輸、播放及應用。

文獻[2]提出一種基于模糊算法的視頻云平臺控制方法,利用優化后的模糊算法建立視頻云平臺的云資源預測模型;通過該模型對視頻云平臺進行資源配置,實現對視頻服務的優化管理,進而完成視頻云平臺控制。文獻[3]提出一種基于云平臺的海量教學視頻資源管理方法,采用HDFS分布式結構,該云平臺的功能層包含系統事務邏輯規則等處理功能,能夠明確體現各相對獨立目標的功能,主要包含用戶模塊、系統管理模塊和教學視頻資源管理模塊。其中,用戶模塊可實現教學視頻上傳、下載、評價等相關功能;教學視頻資源管理模塊根據受限玻爾茲曼機推薦理論,通過訓練數據集訓練過程升級權重與偏好參數,得到用戶對教學視頻資源的預測評價,根據評價結果進行教學視頻資源推薦。這幾種方法雖然有一定的優勢但是仍然無法滿足電網的視頻監控系統的接入及應用。為解決以上問題,本文提出基于云邊結合的視頻云平臺架構,能夠實現電網輸電、變電、配電、安保、安監及營業廳的上萬路的視頻融合接入、共享、存儲、分析及應用。

1 視頻云發展現狀

目前較為常用的視頻云為多級多域視頻云和視頻直播云平臺,下面對這兩種視頻云的發展和應用進行簡要闡述。

1.1 多級多域視頻云

多級多域視頻云架構,該視頻云架構常見于公安、鐵路、電網等大型分布式視頻應用。一般新建一套一級監控中心、多個二級及三級分控中心。一級監控中心采用集群方式部署若干臺視頻管理服務器及存儲服務器,對整個系統對所有攝像點、媒體存儲匯聚點、管理平臺及監控中心進行管理,并對關鍵點位的視頻圖像數據可進行備份。二級分控中心部署媒體管理單元和媒體處理單元,實現對所管轄區域內的所有設備管理,錄像存儲。三級分控中心部署網絡硬盤錄像機,實現攝像機的接入及實時錄像存儲[4]。各級監控中心子系統部署PC控制終端、解碼器和顯示大屏,監控客戶端內置電視墻控制模塊,實現靈活的視頻解碼控制。

1.2 視頻直播云平臺

視頻直播云平臺架構如圖1所示。

圖1 視頻直播云平臺架構

由圖1可知,視頻直播云平臺由內容提供方、CDN視頻流接入、BGP鏈路、實時視頻流處理、CDN直播分發,內容消費方等幾個模塊組成[5],視頻直播云平臺實現多源視頻接入、統一視頻處理以及多源視頻直播功能。

2 云邊結合的電網視頻云平臺架構

為了滿足電網實際的視頻接入需求、網絡需求以及應用需求,結合多級多域的視頻云架構及視頻直播技術[6],本文提出了一種全新的云邊結合的電網視頻云平臺架構,該平臺的架構如圖2所示。

圖2 云邊結合的電網視頻云平臺架構

由圖2可知,電網視頻云平臺由電網視頻云中心及多個視頻云分布式節點組成。其中:電網視頻云中心由后臺管理平臺、視頻服務接口、web應用服務接口組成。

(1)后臺管理平臺負責視頻設備管理,視頻分組及應用場景管理,用戶角色權限管理;

(2)視頻服務接口為第三方應用系統提供視頻數據服務,包括實時視頻、錄像回放、云臺控制、語音對講、視頻分析、視圖檢索應用等;

(3)web應用服務接口,用于為web端或移動終端提供門戶管理和門戶呈現,并為web或移動端提供直播、點播、基礎數據和業務數據服務[7]。

電網視頻云分布式節點由視頻融合接入網關、標準信令服務器、流媒體服務器、視頻直播服務器以及視頻分析服務器組成。

(1)視頻融合接入網關由可擴展的視頻協議庫組成,視頻協議庫包括但不限于現有的各種視頻監控協議,包括公共協議和廠家私有協議。視頻融合接入網關可根據實際需要加載多種類型的視頻協議,實現不同類型的視頻監控設備接入、控制等,減少了構建系統所投入的軟硬件資源,也提高了系統的穩定性和可維護性;

(2)標準信令服務器將視頻融合接入網關與視頻終端之間的交互協議轉換為視頻云中心與視頻云分布式節點的標準協議,實現各種協議的視頻監控設備混合接入;

3)流媒體服務器實現多種類型的視頻流數據接入,并將視頻流解析為標準的RTSP格式;

4)視頻直播服務器將RTSP視頻流轉換為RTMP格式,同時接收視頻云中心的視頻直播指令,生成視頻直播的url地址,并將RTMP視頻流推送至客戶端或第三方系統;

(5)視頻分析服務器根據視頻云中心下發的視頻分析策略,獲取視頻直播服務器分發的視頻流進行實時視頻分析,并將分析的結果發送給視頻云中心。

3 電網視頻云平臺中監控設備的接入和控制

3.1 視頻監控設備的接入

視頻監控設備接入流程圖如圖3所示。

圖3 視頻監控設備接入流程圖

攝像機根據服務器IP及端口信息發送注冊信息到電網視頻云平臺的分布式節點[8]。視頻云分布式節點內的視頻融合接入網關按照端口接收各類視頻設備的多種協議注冊信息,并將相關信息推送到標準信令服務器[9]。標準信令服務器將各類設備的私有協議解析并封裝成視頻云標準協議,并推動到視頻云中心。通過視頻云分布式節點的多源視頻融合接入網關及標準信令服務器,電網視頻云平臺實現了多種視頻監控設備,包括攝像機、執法儀、紅外熱成像、無人機、機器人、智能終端等多源的接入和統一管理。

3.2 視頻監控設備的控制

視頻監控設備的控制過程與接入過程類似,通過視頻分布式云節點的標準信令服務器以及融合接入網關,實現對各類協議、各類視頻監控設備的遠程控制[11],具體的控制過程如圖4所示。

圖4 視頻監控設備的控制過程圖

4 基于電網視頻云平臺的視頻調閱

4.1 視頻直播架構簡介

如圖5所示為視頻直播架構。

圖5 視頻直播架構

由圖5可知,高性能的流媒體服務框架中流媒體的接入支持RTSP推流、RTMP推流、GB28181推流、RTSP拉流、RTMP拉流、HLS拉流、MP4文件點播、Ffmpeg拉流等。通過視頻直播平臺的視頻格式轉換服務,可提供RTSP直播,FLV直播、HLS直播、MP4錄制、GB28181推流、RTSP推流、RTMP推流等視頻服務方式。同時視頻的播放已支持linux、macos、windows、ios、android平臺,支持的編碼格式包括H264、AAC、H265(僅rtsp支持H265);采用的模型是多線程IO多路復用非阻塞式編程(linux下采用epoll、其他平臺采用select)。

該框架基于C++11開發,避免使用裸指針,減少內存拷貝,代碼精簡可靠,并發性能優異,在linux平臺下,單一進程即可充分利用多核CPU的優勢;最大限度地發揮CPU、網卡性能,輕松達到萬兆網卡性能極限。同時也能在高性能的同時,做到極低延時,畫面秒開。

4.2 視頻調閱過程

圖6為視屏調閱過程示意圖。

圖6 視屏調閱過程示意圖

由圖6可知,視頻調閱過程主要是web客戶端或者第三方平臺根據API接口,向視頻云中心發送攝像機視頻請求信令,視頻云中心將該請求信令下發到對應的視頻云分布式節點,視頻云分布式節點將信令轉換為攝像機私有協議并將信令下發至攝像機。攝像機接收到視頻調閱消息后,將視頻流推送到視頻云節點的直播服務器?？蛻舳烁鶕孪葏f商好的協議,從視頻直播服務器中主動拉取或被動接收視頻流。

電網視頻云平臺,通過在視頻云分布式節點部署視頻直播服務器,實現了流媒體的分布式調閱,大大降低了視頻云中心的視頻直播服務的處理器及網絡帶寬壓力。

5 電網視頻云平臺性能測試

為驗證所設計電網視頻云平臺的有效性,將其與文獻[2]提出的基于模糊算法的視頻云平臺控制方法和文獻[3]提出的基于云平臺的海量教學視頻資源管理方法進行對比實驗,以抗干擾概率為指標,抗干擾概率越大,平臺運行安全性越好,以繪制柱形圖的形式呈現3種平臺的抗干擾概率,測試結果如圖7所示。

圖7 不同平臺抗干擾概率對比結果

由圖7可知,文獻[2]平臺和文獻[3]平臺在第2次和第4次時出錯概率趨勢不穩定,且抗干擾概率持續保持在80%～85%,而本文平臺的抗干擾概率趨勢較為穩定,抗干擾概率持續保持在90%左右。上述對比結果表明,相比2種文獻方法,本文平臺抗干擾概率更高,平臺運行安全性更好。另外,本文平臺可以滿足電網的視頻監控系統的接入及應用,具有更大的應用優勢。

6 結語

本文中所設計的云邊結合的視頻云平臺,融合了多級多域的視頻云架構以及目前行業內最先進的視頻直播技術,實現了電網多源視頻的聯網、共享及分析服務,可以解決視頻接入、存儲、轉發及分析業務數據量大,視頻協議類型多、視頻監控應用系統多、視頻數據融合應用難點大等問題。將該技術方案應用到下一代電網智能視頻監控系統中,能夠為電網未來智能視頻監控系統建設以及信息化建設提供新思路和參考依據。