云視頻技術在省級地震應急指揮系統中的應用探討

李敏+吳艷梅+李永強

摘要：視頻會議系統是各級地震應急指揮技術系統的重要組成部分。結合云技術主要特征，研究了云視頻技術在省級地震應急指揮系統的設計思路和應用方法，在云南省地震應急指揮技術平臺中建立了云視頻應用原型系統，并對該系統進行技術測試，探討了未來地震應急指揮云視頻平臺的建設思路。

關鍵詞：云視頻技術；應急指揮系統；原型系統

中圖分類號：P315-391文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2017）04-0655-06

0前言

“十五項目”建設以來，我國在地震應急指揮決策領域開展了包括地震應急指揮模式、應急指揮技術體系、地震應急管理、地震快速評估等方面的研究工作（姜立新等，2003）。在“中國數字地震觀測網絡工程”的推動下，建成了覆蓋國家、區域、重點城市、災害現場的4級應急指揮技術系統，促使應急指揮模式發生了較大變化，應急響應從傳統分散型的應急模式轉化為集現代計算機、網絡通訊、災害評估和指揮決策等技術為一體的綜合性應急體系工作，實現了地震震情、災情的應急指揮決策快速響應，災害損失的快速評估與動態跟蹤，輔助決策的信息服務和可視化指揮等系統工程。尤其是2006年全國地震應急視頻會議系統的建成，大大提升了地震應急處置能力，實現了震時指揮部與災區一個或多個現場指揮部節點之間的命令下達、災情上報，使救援工作高效、有序進行，最大限度減少人民群眾的生命和財產損失（楊仕升，2011），同時也為地震應急指揮提供了豐富的理論基礎和實踐經驗，大大提高了我國地震應急響應能力，在提高破壞性地震的快速響應、應急產出服務能力方面發揮了積極的作用（帥向華等，2009）。

視頻會議系統作為地震應急指揮主要通訊手段之一，它通過音頻、視頻條件提供現場指揮環境，實現在單網、雙網、多網和外網不同組網模式下的互聯互通（鄭樹平等，2016），隨著地震應急指揮體系開放性、共享性、互聯程度的不斷擴大，地震應急視頻會議系統逐漸成為各級地震應急技術平臺體系應用、運維的核心業務工作，以云南為例，截止2016年底已初步建成涵蓋1個省級中心、16個州市中心、102個縣區節點的三級地震應急視頻會議互聯互通系統。作為一種直觀、高效、及時的遠程溝通工具，系統投入使用后，為云南省各級地震應急指揮中心的地震應急指揮、日常會議保障、業務培訓交流等工作提供了良好的信息支撐平臺，在云南省歷次地震應急處置工作中發揮了強有力的科技保障作用。

1云南地震應急視頻會議系統現狀

在我國地震應急指揮領域，視頻會議系統已經歷了近10年的應用發展，系統的設計、建設和應用日臻完善，但隨著信息化建設的不斷深入，特別是近年來云計算技術的成熟以及網絡帶寬的不斷提升，基于傳統視頻會議體系的硬件系統已逐步顯現出一些問題，主要表現在以下幾個方面：

1.1建設成本較高，資源利用率低

一套完整的視頻會議系統包括多點控制單元（MCU）、視頻會議終端、網關（Gateway）、網閘（Gatekeeper）等幾個部分（于浩等，2016），并且需要專網進行連接，通過音視頻矩陣集成進入指揮中心應急指揮技術平臺。其中多點控制單元（MCU）和視頻終端設備等專用設備造價昂貴，尤其是具有大范圍多點互聯組會需求的省級、州市級指揮中心，其在視頻會議系統硬件資源方面的建設投入將更加巨大。

系統建成后，由于各級地震應急指揮機構的業務特點所限，除地震應急處置、日常會議培訓、應急演練聯調外，視頻會議設備日常多處于待機運行狀態，業務承載量較低，以云南地震災害應急指揮中心為例，2016年全年視頻會議系統月運行負載率均未超過15%，如圖1所示。

1.2異型設備互聯兼容性差，系統開放性差

目前而言，雖然全球各主流產商視頻會議設備均采用基于IP 的H.323和H.264標準體系的協議平臺，但其自身硬件系統還存在諸多的內部私有協議，這些私有協議的存在，使得不同產商視頻會議設備之間的互聯互通性大打折扣，這種情況，在進行大規模級聯組會和雙流操作時尤為明顯。同時，由于其部署結構的特殊性，對終端接入設備的支持較單一，系統開放性較差。

1.3缺乏有效容災備份機制，系統穩定性差

目前，全球各主流產商視頻會議均缺乏較好的安全防護手段，視頻會議系統在遭遇內部故障或外部環境侵害時極容易出現全面宕機的情況，除了建設造價高昂的多機熱備系統外，缺乏較理想的容災備份機制，系統遭遇故障后難以短時間內恢復運行，這給各級地震應急指揮機構的突發應急處置工作帶來隱患。

隨著全球互聯網應用技術的不斷發展，基于云環境的分布式、虛擬化計算模式在各領域受到了廣泛關注。云計算并不是一種新的技術，而是由集群計算、網格計算、效用計算、分布式計算等多種計算機技術演化而來的一個模型理念，云計算把硬件、平臺、軟件等當做資源提供給用戶，把客戶端的計算工作遷移到云服務器，而云服務器卻又是完全對用戶透明的服務網絡集群，云服務器承載用戶的具體應用計算任務，從而使得用戶面對的終端從設備到軟件都得到極大簡化（陳辛夷，2014）。云計算在業務創新、服務提供、資源優化等方面有顯著優勢（曹江輝等，2017），在國內，中國平安和中國聯通已先后建成了超大規模公有云視頻平臺，傳統固化、分散式、低利用率的視頻會議體系已無法緊跟大數據時代的發展需要，不過值得慶幸的是，有別于大多數破舊立新的系統升級方式，云視頻系統的建設并不需要拋棄傳統的視頻會議硬件資源，而是以現有資源為基礎，通過調整構架，革新機制的方式來最大限度發揮現有視頻會議體系的效能。

2云視頻技術原理

隨著Web2.0的興起，網絡帶寬不斷提高，具有多功能的軟件視頻會議已經逐漸占據主流位置，如Mikogo 、WebEx 、InterCall等。目前，隨著云計算的快速發展促使云計算環境下的視頻會議平臺的研究也已經得到廣泛關注（杜磊等，2013）。endprint

作為分布式、并行、網格計算的延續發展，云視頻技術是虛擬化、效用計算、基礎構架即服務IaaS，平臺即服務PaaS，軟件即服務SaaS 等概念混合演進的結果，如圖2，可以理解為一種分布在大規模數據中心的、可按需動態地部署、配置、重新配置以及取消的服務（李珊珊，2016）。

在系統構架上，云視頻會議系統與傳統視頻會議體系有著巨大區別，如圖3所示，云視頻會議系統拋棄了傳統的視頻會議系統通過MCU組會—節點終端參會的硬件架構，對原有的系統架構進行了創新，云資源池替代了原有的MCU設備，將MCU設備的功能分解為各個模塊，模塊之間互為耦合，并可進行靈活擴展，將傳統的MCU的并發瓶頸更新為動態資源池，從而打破了視頻會議系統的并發限制（郭建輝，2016）。簡單來說，云視頻系統由兩個部分組成：云視頻資源池和客戶接入端（即用戶端）。

云視頻的另一大特征是虛擬化部署，也就是將物理實體的服務器資源抽象成邏輯資源，從而實現將實體服務器變成多臺相互隔離的虛擬服務器，云視頻采用虛擬化部署方式，融合了面向服務的思想，利用了面向服務的架構，由云視頻服務提供機構組建計算中心，將傳統的硬件視頻處理資源變成可動態管理和分配的資源池，動態資源分配的實現機制和虛擬化部署類似。同時引入資源租用的概念，當某一終端發出虛擬會議室申請時，平臺通過云資源管理模塊實時判斷當前請求的并發處理需求，對當前的實時請求隊列分配合理的資源，對于高并發處理的請求分配更多的資源，對于低并發處理的請求分配較少的資源。通過動態資源分配，可實現平臺側資源池的動態調配，規避傳統方式下的單硬件環境（如單臺MCU）下存在的資源使用不均衡（系統使用時資源被單一業務占用，系統不使用時資源處于閑置狀態）。

綜上所述，云視頻相較于傳統視頻會議系統，其具有較明顯的優點：既能夠滿足不同終端用戶對于視頻信息的實時溝通和快速反應能力的要求，同時又完成了對現有視頻計算資源（主要指MCU）的整合和擴展，同時提供了優秀的資源動態分配機制，能夠有效地降低各級應急指揮機構的軟硬件建設和運行成本。

3云南地震應急云視頻原型系統的設計和實現3.1系統結構設計筆者根據云視頻構架基礎原理，將原型系統分為云平臺端和接入終端2部分來具體分析，由于接入終端通常是以單一硬件的形式存在，故本文主要考慮云平臺端的設計實現。

從組成結構上，云視頻平臺由多個數據處理和控制管理模塊共同組成，如圖4所示，一般來說，一套完整的云視頻平臺至少包含4個主要模塊：云資源管理器（監控、管理和配置資源池）、云資源計算器（音視頻的編解碼計算）、云協作控制器（通訊控制、級聯管理）以及安全接入網關（遠程訪問、媒體中繼）。

3.2原型系統實現

云結構從建設模型上又可分為公有云和私有云，采用公有云架構理論上可為所有網絡授權用戶提供云計算服務，可以充分發揮云計算超大規模的集群資源優勢，提升經濟效益，但正因為其開放性的特點，使得整個云平臺的安全性和穩定性存在一定的安全隱患。私有云構架則是出于對數據安全有著嚴格保密性而考慮的方案，在地震應急期內，通過視頻會議系統承擔了大量的前后方應急指揮調度工作，這個過程往往涉及諸多涉密數據和敏感決策信息的傳遞，因此，出于安全性考量，本原型系統設計在地震行業信息網內建立一個網內私有云平臺，行業網邊界防火墻、省級網絡中心二級防火墻以及平臺安全接入網關可為其提供了三重防護保障。在硬件組成上，筆者采用1套管理器、1套協作器和2套計算器組成云平臺端，云資源管理器負責整合現有指揮中心MCU資源，管理配置虛擬會議室，提供會議控制、監控調度服務；云協作控制器承擔各終端節點的訪問控制，連接管理。設備組成具體信息如表1所示。

為更好地模擬視頻會議系統實戰應用，筆者通過Ploycom RPRM管理組件為各接入終端規定了網絡帶寬和音視頻協議，如表2所示。

在網絡構架的選取上，考慮到原型系統穩定性和測試便捷性，使用一臺2層千兆交換機接入地震行業信息網，各終端通過分配的IP地址訪問云視頻資源池，其最終硬件構架連接如圖5所示。

連接建立后，筆者使用Ploycom RPRM管理組件添加了指揮中心現有的兩套RMX2000多點控制單元（MCU）作為云資源計算器，如圖6所示。

通過云協作服務器（DMA）進行SIP協議注冊和網閘管理，連接完成后，通過云協作服務器（DMA）可以實時監控云資源池中處理器的連接和負載情況，如圖7所示。至此，一個基礎的云視頻平臺便搭建完畢。

3.3系統測試

如圖7所示，該平臺為網內提供了包含240個標準720 P節點的組會連接服務。此時，對于各外部終端而言，無需關注云資源池的組成結構或運作方式，其接入操作與傳統多點視頻會議接入條件并無明顯區別。運行流程如圖8所示，當終端節點發起會議請求時，信令到達云資源管理器，由資源管理模塊根據當前信令請求的畫面模式、連接速率、并發容量等進行判斷，分配合理的視頻資源，加載當前信令所需的會議模板，建立虛擬會議空間；如需要多臺MCU協作計算時，由云協作控制器對承載虛擬會議空間的物理計算資源進行實時協同調度，分配從而實現自助式的信令請求—資源分配—按需組會的基本流程。

圖9為某次地震應急技術培訓會設備聯調測試，我們使用一個終端向云平臺申請1個滿載容量48個720 P標準節點的虛擬會議室，連接了云南省地震局2臺HDX測試終端、1臺黑龍潭實驗基地HDX測試終端以及5臺省內州市級指揮中心測試終端。在本系統中，除去已經分配的48節點視頻會議室，平臺還可為網內提供近200個720 P標準節點的視頻計算資源，其計算資源實現了靈活調度和動態整合，通過特定組件還可以對所有音視頻和帶寬資源實時跟蹤，指標量化顯示，該原型系統已具備了虛擬化、通用性、彈性服務等云計算技術的核心特征。

4結論和討論endprint

地震應急視頻會議系統是各級地震應急指揮技術系統的重要組成部分，是支持指揮部開展各項地震應急處置的重要科技支撐手段。筆者本次研究基于現有指揮中心視頻會議系統，構建了一套云南地震應急云視頻原型系統，實現了異地外部終端的云視頻接入驗證，為未來云視頻技術在地震應急指揮體系中的應用提供一定的技術原型和理論基礎。

受設備所限，原型系統所采用的系統架構方法未涉及安全接入網關，因此，本文未在視訊邊界服務和信息安全方面做過多探討，如果云視頻系統作為未來地震應急指揮體系的一個工程化建設方向，其對外部網絡的邊界穿越和訪問控制功能將對云視頻系統的擴展性和安全性提供極大的支持，需要重點考量。同時具備資源管理、資源計算、協同處理和邊界服務這4大模塊才能為一套成熟的云視頻平臺提供穩定、安全的公共資源服務。

基于云計算大規模、虛擬化、通用性的技術特點，使得云視頻技術在聯通性、低成本、高擴展以及資源優化方面的優勢是傳統的視頻會議系統無法比擬的。筆者認為，云視頻技術的應用符合未來大多數省級地震應急指揮視頻會議體系的發展思路，其未來在服務精確化、運行智能化的應用發展還大有可為，值得我們進行不斷地探索和研究。

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