江門市廣播電視臺播控系統高清化改造及應用

劉 超

（作者單位：江門市廣播電視臺）

根據《國家新聞出版廣電總局關于加快推進高清電視發展的通知》（新廣電發〔2017〕250 號）和《廣東電視頻道高清化規劃方案》等相關文件的要求，江門市廣播電視臺于2019年開始籌劃播控系統高清化改造項目，2020年完成播控系統的設計、采購施工與調試，目前系統運行正常。

1 高清播控系統的總體設計

本次播控系統高清化改造能夠滿足江門綜合、公共、教育三個自辦頻道的高清化播出要求，系統由視頻服務器、數據庫服務器、信號比對服務器、備播管理服務器、全媒體信號監測儀、二級存儲、播控工作站、編單工作站、IP流編碼器等設備組成。在系統設計中充分考慮安全性，播出通道核心環節上的設備、服務器原則上使用1∶1熱備工作方式，減少單一故障點，保障系統不會因為某一設備或服務器出現故障而導致全部或部分癱瘓。通過信號比對服務器、全媒體信號監測儀等設備組成的信號內容一致性比對監控平臺，實現高清頻道播出主、備信號的視音頻內容一致性比對與異態監測等功能，當播出信號產生不一致或有單路播出故障時，監控平臺會根據故障現象產生相應的語音報警、大屏畫面顯示、自動切換至備路等多種應急處理，進一步減少因人為因素導致的安全播出事故，從而實現系統長期穩定、不間斷運行。系統整體方案[1]如圖1所示。

圖1 高清播控系統整體方案

2 高清播控系統主要功能介紹

2.1 播控工作站

播控工作站將控制倒換器作為橋梁，通過直連控制倒換器對視頻服務器、視頻切換矩陣進行控制。一方面通過受控GPI卡（GPI為設備間的一種并行連接方案）實現主、備播控工作站自動倒換，當主播控工作站出現死機、斷電、播控軟件異常退出等故障時，可自動倒換至備播控工作站，備播控軟件接管播出控制；另一方面通過DB-9F接口直連視頻服務器、視頻切換矩陣，支持播控工作站使用RS-422協議遠程控制視頻服務器、視頻切換矩陣，播控工作站控制方案如圖2所示，這樣的設計架構優點是安全可靠、簡潔實用，當高清播控系統數據服務器或網絡發生故障時，播控工作站可以脫離數據庫、網絡環境繼續運行，保障播出安全。

圖2 播控工作站控制方案

2.2 視頻服務器

系統配備了2臺XOR Media Server C系列廣播級視頻服務器，分別作為主、備視頻服務器，同時播出相同的節目視頻，以達到安全播出要求。視頻服務器支持4路高清/標清（HD-SDI/SD）通道輸出，通道1、2、3分別對應江門綜合、公共、教育三個自辦頻道，通道4配置為應急審看通道，每日的《江門新時空》《新聞共同睇》等重點新聞節目及重要播出視頻素材均可通過應急審看通道進行播前檢查。視頻服務器內置10×2TB存儲陣列，配置RAID6保護，可容忍兩塊硬盤同時損壞，安全性較高。

視頻服務器具備三大功能軟件：一是SMG Lite軟件，在素材文件傳輸至MSVC的E:/Cache目錄后，負責生成支持播放素材文件所必需的PD文件和VIX文件；二是Exdutil軟件，一個基于Windows的監測、配置、測試和操作程序，是視頻服務器主要的管理工具，且當播控工作站或播控軟件出現故障，無法給視頻服務器發送控制指令時，可應急操作Exdutil軟件，手動添加節目，使視頻服務器緊急播出；三是SuperDoctor5軟件，圖形化顯示風扇、電壓、中央處理器（Central Processing Unit，CPU）溫度、機箱溫度、內存、電源、硬盤的具體狀態，有利于技術人員及時發現硬件故障[2]。

2.3 數據庫服務器

數據庫服務器是整個高清播控系統的核心，負責播控系統節目單、視頻素材等重要數據信息的存儲和管理，為播控系統的應用軟件提供統一的數據調用和數據交互服務。為保障數據庫穩定、安全、高效運行，數據庫服務器采用主、備雙機熱備設計，合理配置數據庫服務器備份計劃任務，并通過集群軟件實現主、備數據庫的數據同步與自動倒換，防止數據庫服務器故障導致丟失數據庫，致使高清播控系統癱瘓，從而造成安全播出事故。

主數據庫服務器和備數據庫服務器上安裝的軟件 為 Oracel-OraDb11g、PlusWell HA V8.0和 PlusWell Mirror。Pluswell Mirror 是數據實時備份軟件，選擇“網絡帶日志備份”配置模式，將主數據庫服務器的E盤以鏡像實時備份至備數據庫服務器E盤，實時比對主、備數據庫服務器E盤大小，并進行數據整體性覆蓋，使兩臺服務器E盤數據隨時保持一致，且具有數據恢復功能，利用4個歷史數據歸檔文件，可以進行相應的數據恢復。PlusWell HA V8.0是熱備份軟件，具備自動提供錯誤檢測和現場恢復功能，通過三根心跳線（一根串口線、兩根網線）將主數據庫服務器和備數據庫服務器相連，不同介質的心跳線和足夠的冗余能夠保證播出系統數據庫的連續性與不間斷性。當PlusWell HA V8.0自動檢測到主數據服務器出現故障時，會在軟件界面紅色報警提示，并在短時間內將數據庫自動切換到備數據庫服務器。

2.4 二級存儲

本次高清播控系統采用的是同有科技研發的ACS 5000系列二級存儲，單盤存儲容量為6 TB，24個盤位，總存儲容量達到了100 TB以上，采用RAID6磁盤陣列模式，存儲系統為iSCSI掛載存儲方式，iSCSI的基本思想是在傳輸控制協議/互聯網協議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）網絡上傳輸小型計算機系統接口（Small Computer System Interface，SCSI）組。它采用客戶—服務器體系結構，其實現形式是作為一個設備驅動程序安裝在操作系統中，是一種基于TCP/IP的傳輸協議，通過在標準的TCP/IP網絡上傳輸SCSI請求和應答，SCSI命令、響應和數據都被封裝在TCP/IP組中傳輸，最終實現二級存儲作為iSCSI服務端映射為一個存儲空間提供給已連接認證后的客戶端（即直送遷移服務器）[3]。同有科技二級儲存系統中主、備控制器同時接入主、備直送遷移服務器，互為備份；具有硬件監控、磁盤管理、數據備份等功能，實時圖形化顯示控制器電壓和溫度、機箱電源模塊和風扇模塊、閃存模塊、硬盤等的健康信息，并對有故障的硬盤、風扇等硬件進行故障預警，播控技術人員依據預警能夠快速發現硬件故障并及時維護處理，很好地保障二級存儲正常運行。

2.5 遷移服務器

系統中遷移服務器分為主、備直送遷移服務器與主、備同步遷移服務器，新聞中心、節目中心等制作部門通過隔離網關將MXF格式（MXF是一種通用的文件交換格式，主要用于設備之間的文件交換）的播出文件傳輸至二級存儲共享區[4]，直送遷移服務器負責將播出文件從二級存儲共享區遷移至二級存儲；同步遷移服務器負責將已經完成人工復審的播出文件按照播出節目單從二級存儲同步遷移至主、備播出視頻服務器。

2.6 編單工作站

編單工作站主要實現對自辦頻道節目單的編輯、發送，主要功能特點是多種信號源混合編輯、節目單的細化編輯、節目單的邏輯校驗，實時檢測節目單錯誤，有效降低編單出錯的概率，支持多頻道共享播出編單，支持共享工作站編單；本系統采用“主+備+共享”的編單架構，備編單工作站布置在總編室，供編單人員日常開展頻道編單業務；主編單工作站布置在播控值班室，保障編單業務模塊功能正常，且可用于應急修改節目單；共享工作站用于編單人員與播控人員共同修改頻道當日在播節目單，且各編單工作站可以互為備機，頻道節目單會同時發送給數據庫、主備播控工作站保存，安全性和穩定性極高。

2.7 人工復審工作站

人工復審工作站負責對播控系統所有電視頻道播出節目的播前審核，對整個播出系統中二級整備素材的技審信息、入出點編輯、內容審看等方面進行人工復審確認，確保播出素材的格式、內容、出入點正確，保證播出的安全性，二級存儲中的素材必須經過人工復審，才能進入三級備播流程。

2.8 值班工作站

值班工作站主要用于播控值班人員對高清播控系統素材管理、遷移任務等環節的日常檢查，由值班客戶端與備播檢查模塊組成，值班客戶端主要負責匯聚頻道的節目單播出、設備控制信息、影響頻道播出的服務模塊（例如消息服務器、共享設備控制等）的狀態信息，并對頻道的播出節目單和日志進行管理。節目單管理包括直播信號管理、節目信息管理，當頻道即將播出的節目出現素材缺失的情況時，會通過值班客戶端發出報警信息，提醒值班人員應急處理；日志管理可以對播出頻道日志進行安全審計，及時發現問題并發出預警。備播檢查模塊由任務監控、直送管理、素材管理等組成，可以實時監控播出節目的直送遷移、同步遷移等相關狀態，可以按播出日期、頻道名稱、節目單類型、檢查模式等查詢節目的備播狀態，值班人員通過值班工作站能夠方便快捷地完成日常播出檢查工作。

2.9 衛星授時系統

衛星授時系統主要架構是由青島廣播電視科學研究所研發的TVZ6100型北斗2代/GPS雙模衛星校時鐘、TVZ3100Ⅱ型GPS衛星校時鐘作為主、備母鐘，接收GPS、北斗衛星時鐘信號，經過TVZ3002時碼選擇器、GS-2B型高穩時鐘、TVZ3612FⅡ型時碼分配器、TVZ3400Ⅱ型時碼發生器將時鐘信號傳輸至高清播控系統。衛星校時鐘接收天線安裝于廣電大樓22層樓頂，空間開闊，無干擾，北斗衛星接收星顆數穩定在9個，GPS接收衛星顆數穩定在11個，能夠很好地提供準確、穩定的時鐘信號。

2.10 同步系統

為充分保證同步信號的安全和可靠，同步系統設計為主、備不同品牌同步發生器加自動倒換的主體架構，主Tektronix SPG600 同步發生器、備奧視BG50D同步發生器分別提供兩路BB信號至同步信號倒換器，倒換器輸出的同步信號再經過模擬視分卡分配到各個播出設備，完成高清播控系統同步。

3 信號內容一致性比對監控平臺

高清播控系統的信號內容一致性比對監控平臺硬件應用架構方案如圖3所示，主要由全媒體信號監測儀、信號比對服務器、內容比對管理平臺組成，具備高清自辦頻道關鍵節點的信號幀級異態監測、多通道信號節點之間的內容一致性信號比對、主備路間信號自動倒換控制、IP信號收錄與監測、報警通知等功能，能夠有效幫助播控技術人員自動分析信號異態，并報警語音提示、大屏顯示，若是主備路信號出現故障可實現自動倒換，進一步降低因單鏈路故障、素材問題、人為因素導致的安全播出事故發生的概率。

圖3 監控平臺硬件應用架構方案

3.1 全媒體信號監測儀

信號內容一致性比對監控平臺支持對綜合、公共、教育播出頻道的異態監測和信號比對，采用的是北京維鯨視界科技有限公司研發的AD988AM全媒體信號監測儀，其機箱為3RU工業機架式機箱，內置6塊監測采集板卡，每個頻道配置兩塊監測采集板卡，主要負責對播出頻道主、備切換器輸出后監測節點信號、末級視分輸出監測節點信號的基礎信息采集處理，自辦頻道的信號比對監測節點架構方案如圖4所示。基礎信息采集處理包括信號的接收，提取視頻和音頻信息的特征值，同時進行視頻和音頻特定異態的監測，并將視頻和音頻的特征值數據和監測到的異態信息發送給信號比對服務器。監測采集板卡采用受控執行的工作方式，受監控管理平臺的控制，按平臺下發的配置參數，執行相關的異態檢測任務，在運行過程中定期與平臺進行心跳檢測。全媒體信號監測儀對播出信號的視音頻異態監測采用逐幀檢測的方式，目的是以最快速度發現異態，達到最高靈敏度。異態監測分兩類：一是視頻異態檢測項目有靜幀、信號丟失、黑場、主區域黑場、彩場、彩條、熊貓眼、主區域彩條等；二是音頻異態檢測項目有靜音、音量過高過低、噪聲檢測等，異態監測項目的開關和門限值通過管理后臺進行策略配置，并下發至監測采集板卡，系統是按頻道配置的報警策略，報警門限分為秒和幀兩種精度，管理平臺檢測到視音頻質量或者比對異態超過預設的門限時，會以語音、大屏顯示、日志等方式報警提示播控值班人員，同時報警信息也會存入數據庫，通過管理平臺進行報警信息的查詢和處理。

圖4 頻道信號比對監測節點架構方案

3.2 信號內容一致性比對管理平臺

管理平臺采用“BS+CS”架構設計，安裝于信號比對服務器，其中 BS 客戶端主要用于管理平臺配置工作，包括異態監測項目配置、信號比對策略配置、用戶權限配置等，同時系統管理員可在客戶端界面查詢歷史的異態和比對告警事件、運行的比對任務信息、系統設備資源告警等相關數據。CS客戶端主要給播控值班人員日常使用，能夠實時展現自辦頻道的監測報警信息，包括以圖文、語音、大屏顯示等方式對傳輸信號鏈路以及二選一的工作狀態實時展現，具有傳輸信號鏈路倒換開關控制、報警記錄查詢等功能。

3.3 信號比對服務器

AD988AM全媒體信號監測儀通過頻道監測節點實現視音頻異態檢測的同時，完成特征值提取，并通過網絡將特征值輸出到信號比對服務器，為信號比對提供數據支撐。信號內容一致性比對的實現通過三個步驟：特征值提取、比對關系建立、信號比對報警與自動倒換。具體過程如下：一是特征值提取。首先全媒體監測儀采集板卡對播出信號進行識別，判斷信號是否為高清，視頻格式是否為PAL，接著對信號進行區域劃分，用專利算法對每一個區域的特性進行逐幀提取計算并生成代表該區域的特征值，確保信號比對的精度。二是比對關系的建立。管理平臺依據播出頻道主備切換器輸出信號、末級視分輸出信號3個監測節點配置信號比對策略，并下發信號比對任務給信號比對服務器。三是信號比對報警與自動倒換。信號比對服務器接受管理平臺下發的比對任務，對提取到的信號特征值進行逐幀比對，對3個監測節點相互之間進行視音頻內容一致性比對，當出現視頻比對不一致、音頻比對不一致、輔助區域（臺標、字幕）不一致等異態時，信號比對監控大屏界面會出現紅色報警，觸發語音實時報警提醒，記錄故障日志并用文字顯示[5]。當信號比對服務器對異態監測、內容一致性比對以及監測節點的關系進行綜合處理與判斷后，發現頻道主路信號故障（例如黑場、彩條、彩場）而備路信號正常時，會觸發控制3選1倒換器，做到1 s內完成自動應急倒換至備路，實現播出主備路的自動倒換。

4 結語

本文主要對江門市廣播電視臺播控系統高清化改造及應用進行了詳細介紹。本次改造實現了江門自辦頻道的高清化播出，且通過應用信號內容一致性比對、異態監測等新技術，提升了設備、人員、信號監控多方協調聯動的能力，有效幫助播控技術人員及時主動發現信號異常，快速定位到故障點，并在主路信號故障而備路信號正常時實現主、備路自動倒換，進一步減少因人為因素導致的安全播出事故。