地面數字電視自動化監測平臺設計與應用

楊鏡卉，吳崇峰，韓 黎，楊開明

（大理州蒼山電視轉播臺，云南 大理 671003）

0 引言

為進一步構建現代公共文化服務體系，完善廣播電視公共服務職能，國家廣播電視總局于2015 年啟動中央廣播電視節目無線數字化覆蓋工程。該工程將傳統的模擬電視信號轉換為數字信號，并通過無線方式傳輸到全國各地，以提供更加清晰、穩定和高質量的廣播電視節目。針對云南山高谷低的地形地貌，廣播電視節目傳輸采用無線覆蓋的方式具有不可替代的優勢。2015 年11 月，在云南省廣播電視局的統一部署下，大理白族自治州（以下簡稱大理州）投資1 900 余萬元啟動了中央廣播電視節目無線數字化覆蓋工程。大理州蒼山電視轉播臺由于特殊地理位置成為項目建設的重要組成部分，負責面向大理市轉播中央電視臺12 套數字電視節目和3 套數字廣播節目（閱讀之聲、鄉村之聲、老年廣播）。近年來，隨著轉播的廣播電視節目增多，發射臺站面臨的工作壓力逐漸增大。為緩解臺站的工作壓力，降低運維成本，進一步提升節目信號的覆蓋效果，2019 年大理州又組織實施地面數字電視自動化監測平臺建設，實現了中央廣播電視節目自動監測監控。

1 設計思路

發射臺站的地面數字電視自動化監測平臺分為發射機集中監管平臺和多畫面監測報警系統兩部分。發射機監管平臺是臺站運維管理的核心，提供臺站信息維護和發射機、動力環境、鏈路設備運行狀態監測功能，為值機員提供設備實時狀態參數，確保廣播電視節目信號正常播發。多畫面監測報警系統基于TS Over IP 技術，獲取局域網中用戶數據報協議（User Datagram Protocol，UDP）組播碼流[1]。平臺具備對多樣高清、標清節目的解碼能力，提供精確的視音頻內容監測和報警服務，支持實時監測重點節目和對普通節目進行輪巡監測。系統預分配磁盤空間存儲節目錄像，支持轉碼錄像和原始碼流錄像，用戶可選擇手動錄像和觸發錄像兩種錄像方式，以滿足不同需求。

2 系統總體架構

面向臺站的地面數字電視自動化監測平臺架構如圖1 所示。

圖1 臺站地面數字電視自動化監測平臺架構

系統主要由匯聚交換機、衛星接收機、多通道異步串行接口（Asynchronous Serial Interface，ASI）碼流監測卡、多通道地面數字多媒體廣播（Digital Terrestrial Multimedia Broadcasting，DTMB）解調監測卡及多畫面監測服務器等組成。

多通道ASI 碼流監測卡實現ASI 信號向網際互連協議（Internet Protocol，IP）數據報的轉換，同時負責監測TS 碼流傳輸環節中的丟包、重復數據、延遲和帶寬狀況等問題。它對TS 碼流內部結構（如碼流PID、節目信息以及音視頻數據）的合規性和有效性進行全面檢查，并在必要時發出報警。碼流監測卡自帶兩個網口，一個用于傳輸碼流，另一個傳輸分析數據，保證監測系統的高效運行和快速響應。

多通道DTMB 解調監測卡為嵌入式設計，支持單通道、多通道的單播或組播輸出，具備290 一級、290 二級、290 三級錯誤以及PID 帶寬信道參數監測和報警能力，可通過1004 協議（DVB-CI 協議）配置報警開關、報警門限各項參數，搭配多畫面監測軟件實現DTMB 信號信道和碼流監測報警。模塊化設計保證單通道故障不會對其他模塊產生影響。

3 發射機集中監管平臺

發射機集中監管平臺的目標是全面提高發射臺站運維效率。平臺集成了多個關鍵模塊，包括臺站監測、發射機監測、值班臺管理、查詢統計、信號切換、監測配置和發射機倒換等。通過實時采集設備的運行狀態和數據指標，平臺實現了監測報警、值班管理和指揮調度等多功能，為后續的運維提供必要的技術支持。此外，發射臺集中監管平臺具備設備控制、用戶管理等關鍵功能，用戶可遠程監控和管理發射設備和鏈路，及時響應故障，縮短修復時間，有效維護系統安全性，提高運維效率。其軟件結構如圖2 所示。

圖2 發射機集中監管平臺軟件結構

監管平臺整合資源與數據，直觀地展示前端采集的關鍵指標，為用戶提供監控視圖。平臺代理是監管平臺與監測前端后臺的通信樞紐，負責實時查詢和監測數據的入庫操作。綜合監測前端處理軟件負責匯總監測前端采集的指標，上報至平臺代理[2]。監測前端處理軟件直接獲取下位機的狀態和指標，響應平臺指令，將處理后的結果報告給綜合監測前端處理軟件。這種系統架構保障了監管平臺與監測前端之間的信息流暢傳遞，確保監測系統的協調運作。

3.1 全景監測

系統采用柱狀圖和餅狀圖的形式展示臺站發射機詳細統計信息，包括發射機數量、在線狀態以及故障等級，使統計信息一目了然。通過不同顏色標識前端設備報警等級，為運維人員提供直觀、詳盡的發射機運行狀況概覽。

3.2 臺站監測

臺站監測模塊展示各臺站基本信息，監測臺站傳輸鏈路、動力環境及安防監控等設備的指標和運行狀態。

在傳輸鏈路監測方面，系統提供發射機、適配器、切換器和衛星接收機等設備的實時指標展示功能。點擊相應設備，可顯示該設備詳細狀態信息，便于用戶發現設備潛在的問題，有效降低設備故障的風險。

針對機房動力環境，系統采集顯示電力、不間斷電源（Uninterrupted Power Supply，UPS）、環境、空調、溫濕度傳感器、水浸、煙感傳感器指標及其狀態，讓用戶全面了解機房運行環境，確保設備的可靠性和穩定性。

在安防監控方面，系統可調取攝像頭監控視頻以及紅外、門禁等設備的狀態信息，提供機房安全性的全方位監測。

3.3 發射機監測

發射機監測模塊集中展示發射機指標及運行狀態，通過采集并顯示臺站發射機的關鍵參數，如發射頻率、入射功率、反射功率及駐波比等，為用戶提供全面的發射機運行狀態信息。當發射機指標超出設定的報警門限時，系統會以面板變紅的方式進行提示，提醒值機員及時干預，確保播出安全。用戶可通過系統直接調整發射頻率和功率，從而更精確地控制發射效果。用戶通過點擊發射機面板可實時查看該發射機頻點下的節目，使得廣播電視內容監管變得更加直觀和便捷。發射機實時監測數據如圖3 所示。

圖3 發射機實時監測

系統提供快速定位監控發射機的功能，可按照發射機運行狀態（包括開機、關機、前端離線、指標超時、未知）和信號類型（地面數字電視、地面數字廣播）篩選展示發射機。用戶還可以選擇只查看報警發射機，以便快速定位正在報警的發射機。點擊面板上任一發射機，系統詳細顯示發射機的各項指標和工作狀態。用戶鼠標懸浮于某一指標項上時，系統會顯示該指標的報警門限。這一功能的引入不僅提升了用戶的使用體驗，也有效解決了監測過程中的煩瑣問題，提高了整體的監控效率。

3.4 查詢統計

查詢統計模塊具備強大的數據分析和信息檢索能力，為用戶提供發射機、動力環境設備指標、故障信息以及用戶日志、設備運行日志、停播率等統計數據。用戶可靈活組合篩選條件進行查詢，且查詢結果可導出為Excel 文件。該模塊旨在協助用戶迅速定位設備故障和原因，深度分析信號切換過程，為優化信號切換策略、調整設備配置提供詳細依據。用戶可以通過該模塊評估設備的性能表現，及時發現并解決可能導致停播的問題。模塊還具備對用戶操作記錄的追蹤和審查功能，為播出系統的安全監管提供切實有效支持。

3.5 信號切換

信號切換是保障廣播電視節目安全播出的重要手段之一。所謂信號切換，指當主路發射機信號發生故障時，系統將信號平穩切換到備路或輔路，以持續不斷輸出正常信號的功能。

系統為每個切換設備配備主、備、輔三路通道，分別用黃、綠、灰顏色標識信號通道的狀態，同時用紅、綠、灰標識通道信號的運行狀態。用戶只需通過鼠標點擊某個設備的某個通道，即可直接實現通道的切換。系統引入發射機分組切換功能，用戶可以通過頻率類型、功率級別、服務類型及設備型號等對發射機進行分組。在分組切換中，信號的切換將以分組形式進行，當同一分組下的某一設備切換到備路時，該組其他設備也會自動同步切換到備路。通道優先級依次為主＞備＞輔，僅支持主、備、輔通道之間的切換，即由主路到備路、備路到輔路、主路到輔路的切換，反之切換將無效。另外，系統提供了“一鍵到主、一鍵到備、一鍵到輔”切換功能，以提高操作的便捷性和效率，使用戶能夠在緊急情況下快速完成信號切換。

所有信號切換過程都將作為日志被詳細記錄，以供日后查詢和審閱，為故障分析和系統維護提供重要的參考依據。

3.6 值班臺管理

值班臺是發射機集中監管平臺的用戶接口。用戶借助平臺提供的值班臺完成設備的實時監測任務，接收處理告警信息，及時發現問題，響應異常并協調技術人員進行故障處理。系統提供值班臺管理功能，用戶可根據實際值班需求定制值班臺的展示信息，可將發射機、動環、安防及日志等內容整合在一個頁面上，使值班監測變得一目了然。值班臺的配置可保存為模塊，以便后續添加相同值班臺時選擇，提高了操作效率。

3.7 發射機倒備

若發射臺配置了主備發射機，并在系統前端進行了主備類型配置，當其中一臺發射機發生故障時，系統可以實現發射機的自動倒換。用戶只需選擇需要進行倒換的發射機，點擊“倒換”按鈕，即可觸發系統執行發射機倒換操作。系統完成倒機后，故障發射機進入假負載狀態，備機啟動并將信號傳輸至天線。

4 多畫面監測報警系統

多畫面監測報警系統負責地面數字電視信源綜合監測，包括節目內容監測、多畫面組合展示和（碼流）錄制、信號解密解擾及傳輸信道碼流監測等功能。

4.1 音視頻內容監測

音視頻內容監測旨在捕捉廣播電視節目傳輸過程中出現的畫面或聲音異常，便于值機員和技術維護人員及時干預，以維護信號傳輸的穩定性和完整性。系統監測內容涵蓋視頻解碼異常、黑場、靜幀、視頻丟失、音頻丟失、音量過高過低、馬賽克以及傳輸參數變更等多方面。顯示畫面布局可手動配置，提供多種接口和高分辨率輸出。用戶可設置輸出畫面的編碼方式、分辨率、碼率、輸出組播地址/端口以及輸出網口。廣播電視節目播出內容監測畫面如圖4 所示。

圖4 廣播電視節目內容監測畫面

4.2 碼流監測

多畫面監測報警系統支持UDP、超文本傳輸協議（Hyper Text Transfer Protocol，HTTP）、實時消息傳輸協議（Real Time Messaging Protocol，RTMP）、實時傳輸協議（Real-time Transport Protocol，RTP）等傳輸協議和TS、FLV 等多媒體文件封裝格式，具備MPEG-2、MPEG-4、H.264、AVS、H.265、AVS+以及MP2、MP3、AC3、AAC、DRA 等多種視頻和音頻編碼標準解碼能力[3]，可監測廣播電視數字信號中的節目和音視頻包標識符（Packet IDentifier，PID）、幀率、碼率、時鐘同步、錯誤檢測和糾錯等關鍵指標，確保信號的穩定傳輸和解碼質量。系統支持4K 節目圖形處理器（Graphics Processing Unit，GPU）硬件解碼和高標清節目軟件獨立進程解碼，某個節目解碼崩潰時不影響其他監測節目的正常運行，可自適應PID 及編碼方式變化，碼流中節目發生變化時仍能正常解碼和展示畫面[4]。

4.3 監測配置

用戶可根據需要手動進行監測項門限配置，以滿足不同監測場景和應用。當節目狀態觸發門限值時出現報警，系統提供日志報警、標題欄報警、屏幕菜單調節方式（On-Screen Display，OSD）報警、語音報警、簡單網絡管理協議（Simple Network Management Protocol，SNMP）及切換器報警等報警方式，詳細的日志記錄和監測數據數據庫入庫為后續數據分析和故障診斷提供支持[5]。系統具備報警人工確認與忽略功能，值機員或運維人員可手動暫停節目監測，適時進行報警控制。允許用戶按故障類型設置運行圖，靈活地調整監測策略，便于系統更有針對性地進行監測，提高對特定故障類型的敏感性和準確性。

4.4 節目（碼流）錄像

對廣播電視播出節目或傳輸碼流進行錄像，是后期故障診斷分析和證據收集的關鍵。多畫面監測報警系統提供碼流錄制和節目錄制功能。節目錄制和碼流錄制的區別是碼流錄制時復用碼流中所有節目將全部被錄制。錄像時，用戶可靈活選擇碼率、分辨率，配置編碼方式和錄像時段，可根據實際需要設定錄像開始和結束的時間。在錄像查詢方面，系統的多級索引和免拼接技術可實現對任意時長錄像的快速定位，提升了錄像的檢索和調用效率。

5 系統實現

大理州蒼山電視轉播臺地面數字電視自動監測平臺于2019年完成建設，至今穩定運行超過4年。該監測平臺極大地提升了臺站廣播電視安全播出能力，保障了中央廣播電視節目的高質量無線覆蓋，在提高用戶滿意度的同時減輕了值機和維護人員工作強度，降低了臺站運維成本，顯著提升了臺站管理效率，為推進機房自動化管理，實現臺站工作規范化、標準化和智能化建設提供了堅實的基礎。

6 結語

臺站地面數字電視自動監測平臺搭建完成基本的監控功能，下一步可考慮引入更強大的數據分析工具，以對監測數據進行深入分析，為系統運行和效能提供更有針對性的反饋。通過分析歷史數據，系統可以更好地預測潛在故障并提供運維優化建議。