高清播出系統第三備視頻服務器的設計與應用研究

葉 茂

（作者單位：揚州廣播電視傳媒集團）

隨著高清技術的普及和廣播電視行業的快速發展，高清播出系統的穩定性和可靠性成為行業關注的重點。在高清播出系統中，視頻服務器扮演著至關重要的角色，尤其是在多頻道、高并發的播出環境下，視頻服務器的備份與冗余設計更是關鍵。本文將以揚州廣電總臺基于“ IP+SDI”（網際互聯協議+串行數字接口）架構的高清播出總控系統為背景，探討第三備視頻服務器的設計、實現及其在高清播出系統中的重要性。

1 高清播出系統概述

高清播出系統是一個復雜的系統工程，涉及信號采集、處理、存儲、傳輸和播出等多個環節。其中，視頻服務器作為核心設備之一，負責存儲、管理和播出節目素材，傳統的高清播出系統通常采用主、備視頻服務器架構，即主視頻服務器和備視頻服務器相互備份，以確保節目的連續播出。第三備視頻服務器是指在主、備視頻服務器架構的基礎上，增加一臺獨立的視頻服務器作為第三備份。當主、備視頻服務器出現故障或異常情況時，第三備視頻服務器可以迅速接管服務，保證節目的連續播出。第三備視頻服務器的引入為高清播出系統提供了額外的容錯空間，進一步提高了系統的穩定性和可靠性。同時，第三備視頻服務器還可以承擔部分負載，減輕主、備視頻服務器的壓力，提高系統的整體性能。因此，構建多層次的備份系統，對于保障高清播出的連續性和穩定性至關重要[1]50。

2 第三備視頻服務器的設計和實現

揚州廣電總臺的高清播出總控系統以“ IP+SDI”架構為核心，其中視頻服務器的設計與實現尤為關鍵。為了確保播出系統的穩定性和可靠性，第三備視頻服務器的設計包括以下幾個方面：

2.1 系統架構設計

在高清播出系統中，第三備視頻服務器的架構設計需充分考慮系統的穩定性、可靠性和擴展性。一般而言，第三備視頻服務器的架構設計應遵循冗余熱備份的原則，同時為了方便管理和維護，第三備視頻服務器的架構設計還應考慮與主、備視頻服務器的兼容性和統一性。第三備視頻服務器與主、備服務器共用相同的數據庫，也采用了相同的播出控制軟件，同步同時播出相同的文件素材。當主、備視頻服務器出現故障時，第三備視頻服務器能夠迅速接管服務，保證節目的連續播出。使用相同的播出軟件可以確保主、備服務器和第三備服務器在處理視頻文件和播出流程等方面具有一致性。這種一致性有助于減少因軟件差異導致的潛在問題隱患，提高了整個播出系統的穩定性和可靠性。對于值機員來說，相同的播出軟件簡化了他們的日常工作，降低了學習成本，減少了學習時間。在緊急情況下，這種熟悉的操作環境也有助于值機員更快的反應。在切換系統中將第三備視頻服務器信號切換到預調的矩陣輸出，實現快速接管播出任務，保證視頻信號不間斷播出。

2.2 服務器配置

在進行第三備視頻服務器的配置規劃與選型時，確保系統具備出色的性能、卓越的穩定性和高度的兼容性至關重要。首先，為保證節目素材能夠高效的實時處理和流暢播出，該服務器配備了頂級規格的硬件配置，采用的是正奇FMS-3 SDI系列主機，搭載了Intel Xeon Silver 4210系列處理器，這款10核心20線程的中央處理器（Central Processing Unit, CPU）擁有強大的數據處理能力，能夠輕松應對高強度的工作負載。內存方面，選擇了大容量的隨機存取存儲器（Random Access Memory, RAM）以支持高速緩存和并行任務處理，從而有效提升整體運行效率和響應速度。存儲方案上，服務器內置了1個由6塊6 TB熱插拔硬盤組成的磁盤陣列（Redundant Arrays of Independent Disks,RAID）陣列，不僅提供了海量的數據存儲空間，還確保了數據的安全冗余及高可用性。網絡連接層面，該服務器裝備了4個千兆以太網接口，無縫集成到存儲網絡中，滿足高帶寬的數據傳輸需求。功能特性上，它全面支持多種主流視頻格式如MXF和MPG，同時兼容MPEG-2和H.264編解碼標準，能夠靈活適應不同分辨率和碼率的視頻內容同步播出。盡管在絕對性能上略低于主、備視頻服務器，但第三備視頻服務器憑借其優化的軟解碼技術和較高的性價比優勢，依然能夠在保障高標清視頻流暢播出的同時，有效地節約運營成本，確保業務連續性和穩定性，是構建多級容災備份體系的理想選擇。

2.3 分控系統配置

管理系統與控制系統作為第三備份視頻服務器播出系統的中樞，其核心涵蓋上級計算機、節目單上傳設備、主備播控單元、第三備播控單元、共享控制工作平臺與同步遷移服務器等多個關鍵組件。這些組件通過先進的網絡架構緊密銜接，共同確保播出流程的平穩運行。該控管系統以實際的節目播出單為參照基準，對第三備份視頻服務器執行諸如文件整理準備、播出精確調控及信號調度等一系列核心任務操作。與此同時，第三備播控機依據接收到的節目單信息，獨立的對第三備份視頻服務器播出流程進行有效控制。共享控制工作站則根據播控機發出的操作指令，精密控制著共享矩陣的動作。另外，系統中的同步遷移服務器扮演著“文件管理專家”的角色，其主要職責在于執行視頻服務器內節目文件的遷移、刪除等關鍵性管理工作，從而確保整個文件管理體系的有序高效運作[2]。

高清播出系統配置了一組共計8臺的切換設備，其中4臺為主力切換器，另外4臺為備用切換器，所有設備均為16輸入通道至2輸出通道的高清SDI靜止畫面切換器。這一系列切換器的核心任務是對4個高清頻道（包括新聞綜合、城市生活、生活服務和邗江頻道）的主備播出HD-SDI信號進行實時切換操作。此外，系統配備了8臺高清規格的4輸入至1輸出SDI靜止畫面切換開關。這些切換開關旨在提供靈活便捷的主備播出HD-SDI信號互換功能，服務于上述4個高清頻道。為了滿足HD-SDI信號下變換為SD-SDI信號后的切換需求，系統中還設置8臺具備高清處理能力但實際應用于標清環境的2輸入至1輸出SDI靜止畫面切換開關，確保在不同信號格式間的平滑倒換[1]51。

每個頻道的分控視音頻系統接收多種HD-SDI信號源：主、備視頻服務器各一路，第三備視頻服務器一路，以及兩路高清P2放像機應急播出信號。這些信號經過分控高清多畫面分割器處理后，精準地進入主備切換器。主備16×2高清SDI切換器的節目（Program, PGM）輸出信號，經過主備響度控制器板卡的處理后，被精準地輸出至主備高清鍵混器。為了確保音頻質量的穩定，系統還配備了8塊高清響度控制器板卡，用于實時控制這4個高清頻道的主備8路末級高清PGM/SDI信號的音頻響度，從而確保觀眾能夠享受到高質量的視聽體驗[3]。

第三備視頻服務器作為高清播出系統的冗余組件，其作用在于提高系統的容錯能力和服務的連續性。當主、備視頻服務器出現故障時，第三備視頻服務器能夠快速接替其作用，保證系統不中斷地播出高清信號。第三備視頻服務器與常規的主、備服務器不同，它獨立于主、備服務器之外，通過專用網絡與其相連。正常情況下，第三備服務器不參與播出任務，僅在主、備服務器全部故障時，再由切換系統切換至預調度的矩陣輸出接管播出任務，完成第三備視頻服務器作為備份信號源的替換過程。這種工作方式可最大限度減少第三備服務器的加載，保證其穩定可靠。

3 第三備視頻服務器的應用效果分析

3.1 播出穩定性提升

在傳統的雙路備份策略中，主、備視頻服務器若遭遇故障或突發意外情況，將可能引發播出中斷問題，這不僅會影響觀眾的連續觀看體驗，更可能對廣播電視臺或流媒體平臺的整體服務質量造成負面影響。然而，隨著第三備視頻服務器的引入，整個系統架構的冗余性和穩定性得到了顯著強化。該設計使得高清播出系統具備了三重保障機制，在實際運行過程中，即使面臨主、備視頻服務器同時出現故障或異常狀況的極端情況，第三備視頻服務器也能迅速響應并無縫接管服務，確保節目內容的不間斷播出。這種精心設計的三重備份方案，有效地降低了單點故障導致的風險概率，極大提升了系統的穩健性及可靠性，從而大幅減少了潛在的播出中斷風險，有力地保障了觀眾能夠享受到流暢、無間斷的高品質觀看體驗。

3.2 容錯能力增強

第三備視頻服務器的引入不僅提升了播出穩定性，還增強了系統的容錯能力。在傳統的雙路備份架構中，當主、備視頻服務器同時出現故障時，系統將面臨播出中斷的風險。而引入第三備視頻服務器后，即使其中主備兩路服務器出現故障，剩余的第三備服務器仍能保障節目的連續播出。這種設計使得系統在面對突發狀況時能夠更加從容應對，避免了單點故障導致的播出中斷。

3.3 系統可靠性提升

通過引入第三備視頻服務器和智能監控與報警系統，高清播出系統的可靠性得到了顯著提升。智能監控與報警系統能夠實時監控服務器的狀態和性能，及時發現并處理潛在的故障隱患。這種主動式的故障處理方式比傳統的被動式處理方式更加及時和有效，進一步提高了系統的可靠性。同時，第三備視頻服務器的引入還為系統提供了額外的容錯空間，使得系統在面對復雜多變的運行環境時更加穩定可靠。

4 第三備視頻服務器的應急案例

揚州廣播電視總臺于2021年下半年開始全面將標清升級為高清播出系統，用于傳輸4條高清信號到各地面站，以實現全市范圍內的高清覆蓋。該高清播出系統已連續運行兩年多，主、備視頻服務器及第三備視頻服務器保持著良好的穩定性。在2023年下半年，生活頻道的值機員在播出過程中遭遇了一個罕見的技術問題：主、備路信號同時黑場，但第三備信號保持正常。得益于三選一應急切換開關，第三備信號被迅速切入，確保了節目的順利播出。

工作人員在事后分析中發現問題的根源在于該視頻文件的封裝格式異常，未遵循MXF標準，這一格式上的不匹配導致主、備視頻服務器在解碼和容錯能力上的不足，使得該系列素材無法正常解碼和播出。然而，在這關鍵時刻，異構的第三備播出服務器展現出了其卓越的軟件解碼能力。它不僅能夠容錯處理這類非標準素材文件，還能在緊急情況下接管高清信號的播出任務。這次快速而準確的應急響應，有效避免了潛在的播出事故，確保了電視節目在面臨突發故障時能夠保持無縫、安全的播出，第三備視頻服務器的應用顯著提升了高清播出系統的整體穩定性。

5 第三備視頻服務器的必要性、重要性和可靠穩定性分析

5.1 必要性分析

隨著高清播出系統規模的不斷擴大和復雜性的不斷提高，任何一環的故障都可能導致播出中斷或質量下降。因此，提高系統的穩定性和可靠性成為業內的迫切需求，第三備視頻服務器的引入正是為了滿足這一需求而設計的。通過為系統提供額外的容錯空間，可以大大降低播出中斷的風險，提高觀眾的觀看體驗。因此，從提升播出質量和觀眾體驗的角度來看，引入第三備視頻服務器是十分必要的。

5.2 重要性分析

在高清播出系統中，視頻服務器扮演著至關重要的角色。它負責存儲、管理和播出節目素材，是確保節目連續播出的關鍵環節。然而，傳統的雙路備份架構在面對某些極端情況時仍可能存在播出中斷的風險。因此，引入第三備視頻服務器對于提高系統的穩定性和可靠性具有重要意義。通過為系統提供額外的容錯能力，第三備視頻服務器可以確保在主、備視頻服務器出現故障時仍能保持節目的連續播出。因此，從提高系統穩定性和可靠性的角度來看，第三備視頻服務器的重要性不言而喻。

5.3 可靠穩定性分析

第三備視頻服務器的可靠穩定性是確保其在高清播出系統中發揮作用的關鍵因素。為了實現高可靠穩定性，第三備視頻服務器需采用成熟的技術和經過嚴格測試的硬件設備。同時，在軟件設計方面，采用模塊化、冗余和容錯等設計思路，確保軟件的高可用性和穩定性。此外，還需建立完善的維護和保障機制，定期對服務器進行巡檢、維護和升級，確保其長期穩定運行。通過這些措施的實施，可以大大提高第三備視頻服務器的可靠穩定性，為高清播出系統的穩定運行提供有力保障[4-5]。

6 結語

通過對揚州廣電總臺基于“ IP+SDI”架構的高清播出總控系統中第三備視頻服務器的應用研究，可以看到第三備視頻服務器在電視播出系統中應用具有極高的必要性、重要性和可靠性，是確保電視播出穩定、高質量、合規的關鍵因素之一。同時，智能監控與報警系統的引入也進一步提高了系統的可靠性和故障處理效率。這些改進措施為廣播電視臺提供了更加穩定、可靠的播出環境，也為觀眾帶來了更佳的觀看體驗。

然而，隨著技術的不斷發展和應用需求的不斷增加，第三備視頻服務器在未來仍將面臨諸多挑戰和機遇。首先，在技術方面，隨著云計算、大數據和人工智能等技術的不斷發展，第三備視頻服務器的設計和實現需要更加注重智能化和自動化。例如，通過引入機器學習和數據分析技術，可以實現對服務器性能的自動優化和故障預警。其次，在應用需求方面，隨著觀眾對節目質量和觀看體驗要求的不斷提升，高清播出系統需要具有更高的穩定性和可靠性。因此，工作人員需要通過不斷優化和改進第三備視頻服務器，進一步提高高清播出系統的穩定性和可靠性，為觀眾帶來更佳的觀看體驗。同時，工作人員在設計和實施備份方案時需要全面考慮系統的架構、性能和運維需求，確保備份方案能夠有效地發揮作用，為高清播出系統的穩定運行提供堅實的保障。