智能切換系統的設計和應用

田晨光

（作者單位：寧夏廣播電視臺）

安全播出是廣播電視的生命線，近年來我國對于電視安全播出的質量要求越來越高，安全要求越來越嚴。傳統的電視安全播出主要依靠人工進行故障的判斷和應急處置，往往因為錯誤判斷和操作失誤，造成重大或特大安全播出事故，給廣播電視臺造成極大的負面影響。隨著廣播電視技術向著數字化、網絡化、智能化方向發展，單純依靠人力保證安全優質播出已不能適應當今廣播電視迅速發展的要求。通過對廣播電視技術的不斷探索和新技術的應用，設計建設電視智能應急自動切換系統，可以滿足電視安全播出的需求，為安全播出提供堅強有力的技術保障[1]。

《廣播電視和網絡視聽“十四五”發展規劃》（以下簡稱《“十四五”發展規劃》）強調，健全現代化安防播控體系，筑牢守好廣播電視和網絡視聽陣地，堅持總體國家安全觀，統籌發展，落實意識形態工作責任制和安全播出責任制，按照“字字千鈞、秒秒政治、天天考試”的要求，把好關口、守好陣地，強化安全播出，全面提升技術保障能力。不斷加強安全技術裝備，強化廣播電視安全播出應急演練，著力提升廣播電視系統的安全防護、運行維護、應急處置水平，筑牢安全播出屏障?！丁笆奈濉卑l展規劃》提出加強智慧廣電運維新技術研發應用，建立廣播電視智慧運維體系，不斷提升廣播電視各技術系統故障判斷、故障分析、應急處置、技術巡檢、遠程調控等自動化水平和工作效能；進一步推進安全播出新技術的應用，實現“以技術對技術，以技術管技術”的總體要求，強化廣播電視制播傳輸、安全管理、預警監測、應急處置系統能力，不斷提升數字化、網絡化、智能化和信息化水平[2]。

在電視播出系統中，傳統的電視播出監測系統主要是對電視播出信號進行監測，對于監測出的異常信號（黑場、靜音、靜幀等故障畫面）也只限于提供聲、光、電報警，并不能對異常信號進行自動應急處理和干預，完全要依靠人工方式進行故障判斷和應急處置。電視播出系統結構復雜，系統環節設備多，信號復用廣，導致電視播出信號輸出故障難以在短時間內被排查出來，給應急處置帶來了極大的困難和挑戰；人工應急處置對于值班人員的業務要求非常高，值班人員不僅要非常熟悉電視播出系統流程，時刻保持應急處置的工作狀態，更要在很短的時間內進行正確的應急處置。國家廣播電視總局將電視播出事故劃分為一般事故、重大事故和特大事故。重大事故界定為重保期的重點時段（省級上星頻道 ≥10 s）、非重保期的重點時段（省級上星頻道 ≥20 s）、重保期的日常時段（省級上星頻道 ≥45 s）、非重保期的日常時段（省級上星頻道≥1 s），以上因素都給值班工作帶來了不小的挑戰，傳統的人工應急處置方式已不能完全滿足現有的電視播出安全保障需求。

為切實做好電視安全播出工作，引入了智能應急自動切換系統，該系統的設計理念是將電視播出視音頻信號采集、監測、比對分析及自動應急切換功能匯集于一身，滿足電視播出安全化、智能化的要求。智能應急自動切換系統可以對電視播出系統主、備鏈路中各節點的視音頻信號進行實時異態監測，并對主、備鏈路中的同一視音頻信號進行一致性比對，完成邏輯分析判斷，通過預設策略機制和比對結果，可以實現對電視播出系統中主、備鏈路的故障信號進行自動控制切換，確保主、備鏈路信號播出正常。該系統提供自動/手動兩種應急切換模式，自動切換精度可達到毫秒級，并擁有配套報警機制，通過語音、聲光、圖像、文字等形式對值班人員進行全方位提示告警。

1 系統架構

根據現有電視播出系統架構，將智能切換系統植入電視播出系統中。首先，智能切換系統作為輔助系統，不會影響電視播出系統原有的整體架構和正常運行。智能應急切換系統首先對電視播出系統環節上主、備鏈路及各節點信號進行多路實時采集，并對分組后的信號內容進行異態檢測，實施一致性比對。其次，每組比對任務可完成多個監測節點之間的信號比對，通過一致性比對配置參數執行多個比對任務。再次，智能應急切換系統根據應急策略對主、備鏈路節點上同一視音頻信號進行一致性比對，并分析產生比對結果，如果出現單路節點比對異常，將觸發應急切換指令，如果出現雙路節點比對同時異常，將觸發報警機制，提請人工手動干預策略。

智能應急切換系統主要由智能匯總管理平臺、視音頻信號采集模塊、視音頻信號監測報警模塊、一致性比對分析模塊、智能切換模塊等部分構成。智能匯總管理平臺作為該系統的大腦，具有異常結果匯總過濾、比對結果匯總過濾、多組異態結果邏輯判斷、多組比對結果邏輯判斷、異態時長閾值判斷、比對不一致時長閾值判斷、應急面板指令發布、UI界面（用戶界面）告警結果推送、檢測結果數據庫記錄等功能。

視音頻信號采集模塊、視音頻信號監測報警模塊、一致性比對分析模塊為該系統核心應用模塊，主要負責電視播出系統信號的采集、信號異常監測、信號一致性比對分析，并將檢測結果發布給智能匯總管理平臺。視音頻信號監測報警模塊主要是對采集后的視音頻信號進行實行監測，對采集信號的監測范圍包括靜幀、黑場、彩場、彩條、信號丟失、靜音、左/右聲道音頻反相、幅型變換、臺標、高清時鐘、特定包裝圖案、底飛字幕等[3]。一致性比對分析模塊負責對主、備（或多組）視頻信號之間差異、延時、偏移進行分析，主要是基于視頻信號的圖像匹配，采用圖像內容匹配檢測、視頻信號延時測量和像素漂移檢測?？苫趫D像匹配方法，包括圖像內容匹配、像素漂移檢測。一致性比對分析模塊支持比對模板的創建，過濾不需要比對的區域，可以根據用戶的實際情況設置異常故障報警閾值和比對忽略閾值。

智能應急切換系統（見圖1）在進行信號監測的同時，將采集信號轉為IP流發送到客戶端工作站，為值班人員提供高質量、低延遲的IP信號預覽。智能匯總管理平臺通過串口線纜與應急切換面板連接，應急切換面板經通用接口（General Purpose Interface，GPI）與電視播出系統末級信號切換3選1倒換設備互接，通過邏輯分析和門限閾值，智能匯總管理平臺可控制3選1倒換設備來實現主路、備路、二備信號的應急切換，同時應急切換面板的狀態與客戶端顯示界面的信息保持同步一致，確保智能應急切換系統能夠穩定可靠運行。

圖1 智能應急切換系統關聯圖

2 核心技術模塊

智能應急切換系統的核心部分是由視音頻信號采集模塊、視音頻信號監測報警模塊、一致性比對分析模塊和智能控制切換模塊相互協同工作，共同完成電視播出信號的監測、報警、一致性比對分析和自動應急倒換。

2.1 視音頻信號采集模塊

智能應急切換系統采用專業視音頻采集服務器，配置嵌入式專業視音頻采集板卡，實現一機多卡、一卡多路的采集功能，滿足廣播電視系統標清（SD）或高清（HD-SDI）接口的視音頻信號采集，串行數字接口（Serial Digital Interface，SDI）是廣播電視專業通用標準接口。視音頻信號采集模塊對電視播出信號進行實時采集和編碼，并將視音頻信號轉為IP流推送至一致性比對分析服務器和客戶端工作站。

2.2 視音頻信號監測報警模塊

視音頻信號監測報警模塊主要采用的是逐幀檢測的方式，目的是以最快的速度發現異常情況，以達到最高的靈敏度。視音頻監測的異常范圍主要包括視頻丟失、黑場、靜幀、臺標異常、彩條、彩場、靜音、左/右聲道音頻反相等。

視音頻信號監測報警模塊配置異常監測報警門限，主要基于頻道等級、重要保障期、重點時段、報警持續時長、責任單位屬性來設定報警等級和判定規則。系統也可以根據選擇的報警頻道屬性和報警等級自動匹配報警參數，值班人員可以對報警結果進行審核。而在實際電視節目播出特效中經常會出現短暫的黑場、靜幀、靜音等內容，為避免系統頻繁出現誤報信息，提高監測的準確性，在此需要配置異常監測報警門限，并優化報警參數。異常監測報警門限設定主要依據是廣播電視專業技術指標和國家廣播電視總局界定的安全播出事故等級標準。

2.3 一致性比對分析模塊

傳統信號監測報警系統只能監測單一信號的狀態，不能對所監測的信號進行一致性比對和分析。一致性比對分析模塊主要負責電視播出系統中同一信號內容在主、備鏈路上的相關性比對，利用幀間提取特征值算法對信號進行比對分析。當電視播出系統主、備鏈路中出現了單路音視頻信號異態，該模塊根據比對信號分組進行比對分析，依據邏輯策略，快速定位。因為電視播出系統建有統一的同步系統，所以同一信號在經過不同鏈路和不同設備時，延時差異并不明顯，但是不同鏈路上各設備編解碼方式有所不同，所以視頻和音頻信號會有不同的細小差別，對于這種人眼無法識別的差異，一致性比對分析模塊也可以快速識別和判斷，為整個播出系統應急響應提供依據。

2.4 智能控制切換模塊

智能應急切換系統在滿足觸發條件時，能夠快速進行自動倒換，對即時性故障做到1 s內完成自動倒換（如信號丟失、黑場、彩場、彩條等），對于其他需要時間累積的故障（如靜幀、靜音等），系統能夠以最快的速度進行處理且時間不超過3 s，應急切換時間完全符合國家廣播電視總局界定的播出事故最小范圍。

智能控制切換模塊在系統中配置客戶端工作站、應急切換面板、3選1倒換設備、報警音箱、顯示器。客戶端工作站主要是為值班人員提供系統播出信號界面展示和聲光報警，負責人機交互，實現信號節點的畫面預覽、觸摸屏應急切換、文字報警提示、語音報警、自動倒換提示、日志查詢及系統運行狀態等功能。應急切換面板提供自動/手動兩種切換模式，在自動模式下，系統根據比對分析檢測結果，作出邏輯判斷，由應急切換面板通過GPI控制主、備鏈路3選1倒換設備，實現信號的倒換，并且在面板上可以實時反饋在播信號源的狀態。在特殊情況下，可以切換到手動模式，手動模式具備最高優先權。應急面板內置蜂鳴報警器，并具備面板鎖定功能，可有效避免人為誤操作。此外，應急切換面板配置心跳檢測接口，定期發送心跳監測數據給智能匯總管理服務器，服務器可以實時檢測其在線狀態，如發生意外掉電或設備故障，系統會及時發出報警提示。

3 相關技術

3.1 信號比對節點的選擇和數量

為確保比對分析結果的準確性，對信號比對節點的選擇就尤為重要，可以選擇主、備鏈路間不同設備的信號比對分析，主、備鏈路末級信號的比對分析，主、備信號源之間的比對分析[4]。一致性比對分析模塊能夠實現多組同一信號的比對和分析，并根據用戶需求選擇相應的策略、多種比對組合邏輯，適配不同應用場景、不同節目特性、不同時段，完成異態信號的比對分析。

信號節點的比對分析數量越多，比對關系任務越緊密，比對分析產生的結果越精確。比對分析節點的關系任務可根據實際情況進行手動調整。具體比對關系如圖2、圖3所示：

圖2 高清信號比對關系設計

圖3 高清—標清信號比對關系設計

3.2 一致性比對分析技術

一致性比對分析模塊作為系統的重要核心，主要是對視音頻信號的一致性進行比對分析，有效地測量主、備鏈路視音信號之間的差異、延時、偏移。一致性比對模塊通過特殊算法提取特征值來進行比對分析，特征值是一組能夠完全表征視頻圖像內容或音頻內容的關鍵數據。該模塊對采集后的視頻節目進行逐幀區域劃分，主要是尋找視頻圖像中的關鍵點及其坐標位置，以及關鍵點周圍的光照變化信息等。音頻特征值按照時間進行分割，對采集音頻脈沖編碼調制（Pulse Code Modulation，PCM）數據進行分幀處理，并對分幀處理后的每一幀數據進行特殊計算，將音頻數據從時域轉換為頻域數據，然后從頻譜分片獲取音頻特征值。在進行特征值提取時對每幀視頻特征值和音頻特征值賦予連續計數標識，可以作為比對同步的依據。

一致性比對分析模塊在比對環節中建立視音頻特征值緩沖區，在緩沖區內對視音頻信號進行初步同步，比對服務器在一個比對任務中會收集兩組特征值進行比對，假定其中“a1”和“b2”對應的畫面內容是一致的，“a2”和“b3”對應的畫面是一致的，以此類推，“a(N-1)”和“b(N)”對應的畫面是一致的，“a1”和“b2”在各自數組中的位置分別是第1個和第2個，1-2=-1，-1就是經過查找同步確定的幀差參數，初步建立同步關系[5]；此時，還須建立精確同步關系，當信號中出現轉場關鍵幀，可以利用轉場關鍵幀作為同步的判決條件，建立精確同步，直到比對關系結束。

3.3 觸摸屏技術

觸摸屏的設計是將屏幕監看和應急切換合而為一，以便捷的方式顯示“主路、備路、二備”當前可用信號的狀態，并提供在播信號的監看功能，還可以為用戶提供系統的運行模式、報警提示和播出日志信息等。觸摸屏擁有多種顯示布局模式，可以實現單個頻道監看，也可以同時劃分多個頻道的信號監看，每路監看信號可標識不同顏色來區分播出信號的狀態，為人工手動應急提供快速判斷和選擇。

觸摸屏作為應急切換面板的輔助設備，通過觸控屏按鍵提供快速人工手動應急切換，還可以實現一鍵多切和一鍵全切的應急操作模式，也支持多點觸摸，實現“組合鍵”操作設置，同時在保護模式下，可實現強制切換操作，從而有效提高觸摸屏使用的安全性[6]。

4 結語

智能應急切換系統的使用為電視播出系統的安全性帶來了保障，實現降低安全播出差錯率和事故等級，提高安全播出運行與管理水平的目標，減輕了一線值班人員的工作壓力，提高了電視播出安全保障能力，為智慧廣電轉型升級提供了新的思路，也是落實國家智慧廣電戰略的重要體現。