基于云邊結(jié)合技術(shù)的電網(wǎng)智能視頻云架構(gòu)設(shè)計(jì)與測(cè)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(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的普及,電網(wǎng)輸電、變電、配電、安保、安監(jiān)及營(yíng)業(yè)廳的視頻監(jiān)控規(guī)模迅速擴(kuò)大,同時(shí)由于人工智能的發(fā)展,基于視頻的智能應(yīng)用越來(lái)越普遍。為了適應(yīng)視頻監(jiān)控規(guī)模的迅速擴(kuò)大、滿足視頻監(jiān)控應(yīng)用的靈活性,電網(wǎng)公司迫切需要統(tǒng)一建設(shè)視頻聯(lián)網(wǎng)、共享及應(yīng)用平臺(tái)[1]。現(xiàn)在的視頻聯(lián)網(wǎng)、共享及應(yīng)用平臺(tái)基于GB/T28181《安全防范視頻監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)信息傳輸、交換、控制技術(shù)要求》來(lái)實(shí)現(xiàn),通過GB 28181協(xié)議實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控設(shè)備的接入,并且按照該協(xié)議實(shí)現(xiàn)不同視頻監(jiān)控系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)、互聯(lián),同時(shí)基于GB 28181協(xié)議的RTSP視頻流規(guī)范實(shí)現(xiàn)視頻的傳輸、播放及應(yīng)用。

文獻(xiàn)[2]提出一種基于模糊算法的視頻云平臺(tái)控制方法,利用優(yōu)化后的模糊算法建立視頻云平臺(tái)的云資源預(yù)測(cè)模型;通過該模型對(duì)視頻云平臺(tái)進(jìn)行資源配置,實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻服務(wù)的優(yōu)化管理,進(jìn)而完成視頻云平臺(tái)控制。文獻(xiàn)[3]提出一種基于云平臺(tái)的海量教學(xué)視頻資源管理方法,采用HDFS分布式結(jié)構(gòu),該云平臺(tái)的功能層包含系統(tǒng)事務(wù)邏輯規(guī)則等處理功能,能夠明確體現(xiàn)各相對(duì)獨(dú)立目標(biāo)的功能,主要包含用戶模塊、系統(tǒng)管理模塊和教學(xué)視頻資源管理模塊。其中,用戶模塊可實(shí)現(xiàn)教學(xué)視頻上傳、下載、評(píng)價(jià)等相關(guān)功能;教學(xué)視頻資源管理模塊根據(jù)受限玻爾茲曼機(jī)推薦理論,通過訓(xùn)練數(shù)據(jù)集訓(xùn)練過程升級(jí)權(quán)重與偏好參數(shù),得到用戶對(duì)教學(xué)視頻資源的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià),根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行教學(xué)視頻資源推薦。這幾種方法雖然有一定的優(yōu)勢(shì)但是仍然無(wú)法滿足電網(wǎng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的接入及應(yīng)用。為解決以上問題,本文提出基于云邊結(jié)合的視頻云平臺(tái)架構(gòu),能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)輸電、變電、配電、安保、安監(jiān)及營(yíng)業(yè)廳的上萬(wàn)路的視頻融合接入、共享、存儲(chǔ)、分析及應(yīng)用。

1 視頻云發(fā)展現(xiàn)狀

目前較為常用的視頻云為多級(jí)多域視頻云和視頻直播云平臺(tái),下面對(duì)這兩種視頻云的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述。

1.1 多級(jí)多域視頻云

多級(jí)多域視頻云架構(gòu),該視頻云架構(gòu)常見于公安、鐵路、電網(wǎng)等大型分布式視頻應(yīng)用。一般新建一套一級(jí)監(jiān)控中心、多個(gè)二級(jí)及三級(jí)分控中心。一級(jí)監(jiān)控中心采用集群方式部署若干臺(tái)視頻管理服務(wù)器及存儲(chǔ)服務(wù)器,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)對(duì)所有攝像點(diǎn)、媒體存儲(chǔ)匯聚點(diǎn)、管理平臺(tái)及監(jiān)控中心進(jìn)行管理,并對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)位的視頻圖像數(shù)據(jù)可進(jìn)行備份。二級(jí)分控中心部署媒體管理單元和媒體處理單元,實(shí)現(xiàn)對(duì)所管轄區(qū)域內(nèi)的所有設(shè)備管理,錄像存儲(chǔ)。三級(jí)分控中心部署網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī),實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)的接入及實(shí)時(shí)錄像存儲(chǔ)[4]。各級(jí)監(jiān)控中心子系統(tǒng)部署PC控制終端、解碼器和顯示大屏,監(jiān)控客戶端內(nèi)置電視墻控制模塊,實(shí)現(xiàn)靈活的視頻解碼控制。

1.2 視頻直播云平臺(tái)

視頻直播云平臺(tái)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 視頻直播云平臺(tái)架構(gòu)

由圖1可知,視頻直播云平臺(tái)由內(nèi)容提供方、CDN視頻流接入、BGP鏈路、實(shí)時(shí)視頻流處理、CDN直播分發(fā),內(nèi)容消費(fèi)方等幾個(gè)模塊組成[5],視頻直播云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)多源視頻接入、統(tǒng)一視頻處理以及多源視頻直播功能。

2 云邊結(jié)合的電網(wǎng)視頻云平臺(tái)架構(gòu)

為了滿足電網(wǎng)實(shí)際的視頻接入需求、網(wǎng)絡(luò)需求以及應(yīng)用需求,結(jié)合多級(jí)多域的視頻云架構(gòu)及視頻直播技術(shù)[6],本文提出了一種全新的云邊結(jié)合的電網(wǎng)視頻云平臺(tái)架構(gòu),該平臺(tái)的架構(gòu)如圖2所示。

圖2 云邊結(jié)合的電網(wǎng)視頻云平臺(tái)架構(gòu)

由圖2可知,電網(wǎng)視頻云平臺(tái)由電網(wǎng)視頻云中心及多個(gè)視頻云分布式節(jié)點(diǎn)組成。其中:電網(wǎng)視頻云中心由后臺(tái)管理平臺(tái)、視頻服務(wù)接口、web應(yīng)用服務(wù)接口組成。

(1)后臺(tái)管理平臺(tái)負(fù)責(zé)視頻設(shè)備管理,視頻分組及應(yīng)用場(chǎng)景管理,用戶角色權(quán)限管理;

(2)視頻服務(wù)接口為第三方應(yīng)用系統(tǒng)提供視頻數(shù)據(jù)服務(wù),包括實(shí)時(shí)視頻、錄像回放、云臺(tái)控制、語(yǔ)音對(duì)講、視頻分析、視圖檢索應(yīng)用等;

(3)web應(yīng)用服務(wù)接口,用于為web端或移動(dòng)終端提供門戶管理和門戶呈現(xiàn),并為web或移動(dòng)端提供直播、點(diǎn)播、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)服務(wù)[7]。

電網(wǎng)視頻云分布式節(jié)點(diǎn)由視頻融合接入網(wǎng)關(guān)、標(biāo)準(zhǔn)信令服務(wù)器、流媒體服務(wù)器、視頻直播服務(wù)器以及視頻分析服務(wù)器組成。

(1)視頻融合接入網(wǎng)關(guān)由可擴(kuò)展的視頻協(xié)議庫(kù)組成,視頻協(xié)議庫(kù)包括但不限于現(xiàn)有的各種視頻監(jiān)控協(xié)議,包括公共協(xié)議和廠家私有協(xié)議。視頻融合接入網(wǎng)關(guān)可根據(jù)實(shí)際需要加載多種類型的視頻協(xié)議,實(shí)現(xiàn)不同類型的視頻監(jiān)控設(shè)備接入、控制等,減少了構(gòu)建系統(tǒng)所投入的軟硬件資源,也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可維護(hù)性;

(2)標(biāo)準(zhǔn)信令服務(wù)器將視頻融合接入網(wǎng)關(guān)與視頻終端之間的交互協(xié)議轉(zhuǎn)換為視頻云中心與視頻云分布式節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,實(shí)現(xiàn)各種協(xié)議的視頻監(jiān)控設(shè)備混合接入;

3)流媒體服務(wù)器實(shí)現(xiàn)多種類型的視頻流數(shù)據(jù)接入,并將視頻流解析為標(biāo)準(zhǔn)的RTSP格式;

4)視頻直播服務(wù)器將RTSP視頻流轉(zhuǎn)換為RTMP格式,同時(shí)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(tǒng);

(5)視頻分析服務(wù)器根據(jù)視頻云中心下發(fā)的視頻分析策略,獲取視頻直播服務(wù)器分發(fā)的視頻流進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻分析,并將分析的結(jié)果發(fā)送給視頻云中心。

3 電網(wǎng)視頻云平臺(tái)中監(jiān)控設(shè)備的接入和控制

3.1 視頻監(jiān)控設(shè)備的接入

視頻監(jiān)控設(shè)備接入流程圖如圖3所示。

圖3 視頻監(jiān)控設(shè)備接入流程圖

攝像機(jī)根據(jù)服務(wù)器IP及端口信息發(fā)送注冊(cè)信息到電網(wǎng)視頻云平臺(tái)的分布式節(jié)點(diǎn)[8]。視頻云分布式節(jié)點(diǎn)內(nèi)的視頻融合接入網(wǎng)關(guān)按照端口接收各類視頻設(shè)備的多種協(xié)議注冊(cè)信息,并將相關(guān)信息推送到標(biāo)準(zhǔn)信令服務(wù)器[9]。標(biāo)準(zhǔn)信令服務(wù)器將各類設(shè)備的私有協(xié)議解析并封裝成視頻云標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,并推動(dòng)到視頻云中心。通過視頻云分布式節(jié)點(diǎn)的多源視頻融合接入網(wǎng)關(guān)及標(biāo)準(zhǔn)信令服務(wù)器,電網(wǎng)視頻云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了多種視頻監(jiān)控設(shè)備,包括攝像機(jī)、執(zhí)法儀、紅外熱成像、無(wú)人機(jī)、機(jī)器人、智能終端等多源的接入和統(tǒng)一管理。

3.2 視頻監(jiān)控設(shè)備的控制

視頻監(jiān)控設(shè)備的控制過程與接入過程類似,通過視頻分布式云節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)信令服務(wù)器以及融合接入網(wǎng)關(guān),實(shí)現(xiàn)對(duì)各類協(xié)議、各類視頻監(jiān)控設(shè)備的遠(yuǎn)程控制[11],具體的控制過程如圖4所示。

圖4 視頻監(jiān)控設(shè)備的控制過程圖

4 基于電網(wǎng)視頻云平臺(tái)的視頻調(diào)閱

4.1 視頻直播架構(gòu)簡(jiǎn)介

如圖5所示為視頻直播架構(gòu)。

圖5 視頻直播架構(gòu)

由圖5可知,高性能的流媒體服務(wù)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(diǎn)播、Ffmpeg拉流等。通過視頻直播平臺(tái)的視頻格式轉(zhuǎn)換服務(wù),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(wù)方式。同時(shí)視頻的播放已支持linux、macos、windows、ios、android平臺(tái),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(fù)用非阻塞式編程(linux下采用epoll、其他平臺(tái)采用select)。

該框架基于C++11開發(fā),避免使用裸指針,減少內(nèi)存拷貝,代碼精簡(jiǎn)可靠,并發(fā)性能優(yōu)異,在linux平臺(tái)下,單一進(jìn)程即可充分利用多核CPU的優(yōu)勢(shì);最大限度地發(fā)揮CPU、網(wǎng)卡性能,輕松達(dá)到萬(wàn)兆網(wǎng)卡性能極限。同時(shí)也能在高性能的同時(shí),做到極低延時(shí),畫面秒開。

4.2 視頻調(diào)閱過程

圖6為視屏調(diào)閱過程示意圖。

圖6 視屏調(diào)閱過程示意圖

由圖6可知,視頻調(diào)閱過程主要是web客戶端或者第三方平臺(tái)根據(jù)API接口,向視頻云中心發(fā)送攝像機(jī)視頻請(qǐng)求信令,視頻云中心將該請(qǐng)求信令下發(fā)到對(duì)應(yīng)的視頻云分布式節(jié)點(diǎn),視頻云分布式節(jié)點(diǎn)將信令轉(zhuǎn)換為攝像機(jī)私有協(xié)議并將信令下發(fā)至攝像機(jī)。攝像機(jī)接收到視頻調(diào)閱消息后,將視頻流推送到視頻云節(jié)點(diǎn)的直播服務(wù)器。客戶端根據(jù)事先協(xié)商好的協(xié)議,從視頻直播服務(wù)器中主動(dòng)拉取或被動(dòng)接收視頻流。

電網(wǎng)視頻云平臺(tái),通過在視頻云分布式節(jié)點(diǎn)部署視頻直播服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)了流媒體的分布式調(diào)閱,大大降低了視頻云中心的視頻直播服務(wù)的處理器及網(wǎng)絡(luò)帶寬壓力。

5 電網(wǎng)視頻云平臺(tái)性能測(cè)試

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)電網(wǎng)視頻云平臺(tái)的有效性,將其與文獻(xiàn)[2]提出的基于模糊算法的視頻云平臺(tái)控制方法和文獻(xiàn)[3]提出的基于云平臺(tái)的海量教學(xué)視頻資源管理方法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),以抗干擾概率為指標(biāo),抗干擾概率越大,平臺(tái)運(yùn)行安全性越好,以繪制柱形圖的形式呈現(xiàn)3種平臺(tái)的抗干擾概率,測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同平臺(tái)抗干擾概率對(duì)比結(jié)果

由圖7可知,文獻(xiàn)[2]平臺(tái)和文獻(xiàn)[3]平臺(tái)在第2次和第4次時(shí)出錯(cuò)概率趨勢(shì)不穩(wěn)定,且抗干擾概率持續(xù)保持在80%～85%,而本文平臺(tái)的抗干擾概率趨勢(shì)較為穩(wěn)定,抗干擾概率持續(xù)保持在90%左右。上述對(duì)比結(jié)果表明,相比2種文獻(xiàn)方法,本文平臺(tái)抗干擾概率更高,平臺(tái)運(yùn)行安全性更好。另外,本文平臺(tái)可以滿足電網(wǎng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的接入及應(yīng)用,具有更大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

6 結(jié)語(yǔ)

本文中所設(shè)計(jì)的云邊結(jié)合的視頻云平臺(tái),融合了多級(jí)多域的視頻云架構(gòu)以及目前行業(yè)內(nèi)最先進(jìn)的視頻直播技術(shù),實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)多源視頻的聯(lián)網(wǎng)、共享及分析服務(wù),可以解決視頻接入、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)及分析業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量大,視頻協(xié)議類型多、視頻監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)多、視頻數(shù)據(jù)融合應(yīng)用難點(diǎn)大等問題。將該技術(shù)方案應(yīng)用到下一代電網(wǎng)智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)中,能夠?yàn)殡娋W(wǎng)未來(lái)智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)以及信息化建設(shè)提供新思路和參考依據(jù)。