卫星广播电视安全预警系统设计与实现

高志恒

国家新闻出版广电总局573台 北京市 102209

卫星广播电视安全预警系统设计与实现

高志恒

国家新闻出版广电总局573台 北京市 102209

本文简要介绍了卫星广播电视安全预警系统的构建背景，该监测预警系统建成后，其监测技术更先进，部署灵活性更高，业务使用和交互性更便捷和人性化，可扩展性更强，冗余性考虑更周密，为全国卫星广播电视安全覆盖播出业务的健康发展提供了强有力的保障。

NodeJS 多画面 码流录制 转码

引言

随着卫星广播电视监测工作业务量逐步上升，为了满足卫星广播电视飞速发展的现状和卫星广播电视安全播出工作的需要，构建了正在使用的广播电视安全预警系统。该系统在开发初期，听取了相关专业人员的建议，并充分考虑到系统在未来数年内的技术先进性和规模发展。该系统的建成，极大提高了工作效率，成为监测业务的核心系统。

1 系统技术架构

1.1 系统技术架构设计

全新上线的广播电视安全预警系统，采用当前主流的B/S+C/S混合架构，系统技术架构，如图1所示。

图1 系统技术架构

单独使用B/S架构的劣势：

个性化特点较低，较难实现个性化突出的功能；一旦页面动态刷新，响应速度明显降低；功能弱化，难以实现传统模式下的特殊功能要求。

单独使用C/S架构的劣势：

对于业务呈现及控制终端，需要安装专门的客户端程序；分布功能弱，网络用户群体，无法实现快速部署和配置；系统开发成本和维护成本高。

综合考虑以上因素，结合全国广播电视安全预警系统的需求以及系统规模和设备数量，本系统采用B/S+C/S混合架构搭建系统框架，对整个系统的不同部分具体分析，做出有针对性的架构和实施策略。

对位于应用与业务控制层面，需要支持分布式使用功能且处理流程相对较简单的应用子系统，采用B/S架构来实现，使得系统具备：（1）分布性特点，可以随时随地进行查询、浏览等业务处理；（2）业务扩展简单方便，通过增加网页即可增加服务功能；（3）维护简单方便，只需要改变网页，即可实现所有用户的同步更新。

对于显示与控制复杂的终端应用或系统底层处理层，如信道、频谱监测、天线控制、矩阵切换和服务器集群调度等，实时性要求高、计算量大、具备一定复杂度的子系统或模块，采用C/S架构实施，使得系统具备：（1）应用终端可使用客户端与服务器的直连，没有中间环节，响应速度快；（2）可定制复杂功能，操作界面漂亮、形式多样，充分满足个性化要求；（3）通过C/S结构较强的事务处理能力，高效地实现安全预警系统中复杂的业务处理流程。

1.2 WEB平台技术设计

WEB平台服务采用Node.JS技术框架，进行事件驱动和异步编程，为网络服务而设计。

Node.JS作为一个日趋成熟的后台语言，采用node来开发监测系统的后端系统，同样具备很多优势：（1）Node.JS是一个开放源代码，可以跨平台用于服务器端和网络应用的运行环境，只需要接入内网，任何操作系统和设备都可以接入监测系统；（2）Node.JS非常擅长实时交互的应用，十分适合通过对象数据库来查询数据，如本系统使用到的MONGODB数据库；（3）依赖于ChromeV8引擎，采用最新的编译技术，系统页面加载快速高效，满足值班员快速响应处理报警；（4）事件驱动，非常适合处理系统并发请求，多台控制台使用系统，系统依然能高效处理请求；（5）非阻塞I/O，Node.JS遇到I/O事件会创建一个线程去执行，然后主线程会继续往下执行，避免系统卡顿；（6）通过Nginx来实现负载均衡，Nginx在处理并发请求时表现优异，两台平台服务器都能以最优秀的状态响应控制台的请求。

全新上线的广播电视安全预警系统，搭配Node.JS使用MONGODB数据库性能优异，其优势包括：（1）MONGODB可以通达副本集以及分片来实现高可用，当主库遇到问题，无法继续提供服务时，副本集将选举出一个新的主库来继续提供服务，保证了监测系统的可靠稳定；（2）数据处理方式是基于内存，将热数据存储于物理内存中，从而达到高速读写的目的；（3）由于MONGODB采用Json存储格式，非常适合监测系统的数据存储与查询；（4）使用Mongoose操作数据库，不需考虑数据库的打开与关闭规则，从而保证监测系统数据库连接池的稳定性；（5）支持故障恢复，自动处理碎片和备份数据库，数据库性能稳定；（6）MONGODB支持建立索引，针对各类报警等大数据量，可以快速查询到所需数据。

2 技术原理

2.1 多画面技术

多画面技术主要分为：Communication Interface、Http Service、Manager、Alarm Process、Data Rev、Demux、AV Decoder、AV Inspect、AV Output和User Interface模块，如图2所示。

图2 多画面技术模块

由Data Rev接收码流；Demux负责对码流进行解复用，过滤掉其他信息取得视频信息和音频信息；AV Decoder负责对音、视频流进行解码；AV Inspect对节目信息进行监测，监测到的数据会送给报警模块进行分析处理；AV Output负责对解码后的数据流输出到用户界面User Interface，即显示系统。

2.2 码流录制技术

码流录制技术主要分为：User Interface、Http Interface、Manager、File Manager、Data rev、Data Record和Record Play等模块，各模块功能如图3所示。

图3 码流录制模块功能

User Interface是预留的交互界面。Http Interface模块负责与平台进行通信，接收平台下发的码流信息及录制任务，并上报记录的文件信息。Manager是码流记录的管理模块，负责给各个功能模块根据配置信息分配任务，记录日志等。File Manager负责对保存文件的目录进行管理，支持按照空间和时间两种方式。Data Rev负责接收码流及码流中断的检测。Data Record负责将接收到的码流进行录制和存储，支持常规录制和触发录制两种方式；对于保存的文件可以按照文件大小或时间进行保存。Record Play使用Http的方式播放指定时间段的录像。

2.3 转码技术

转码技术主要分为：Communication Interface、Http Service、Manager、Alarm Process、Data Rev、Demux、AV Decoder、Mosac、AV Inspect、AV Encoder和User Interface模块，结构如图4所示。

图4 转码技术结构

由Data Rev接收码流；Demux负责对码流进行解复用，过滤掉其他信息取得视频信息和音频信息；AV Decoder负责对音视频流进行解码；Mosac可以对界面进行马赛克合成；AV Inspect对节目信息进行监测，监测到的数据会送给报警模块进行分析处理；AV Encoder负责对解码后的数据流进行重新编码，编码格式可以由用户指定，编码后可以保存文件，也可直接以Http协议发布给用户实时观看；User Interface为预留的配置界面。

3 系统主要功能设计

3.1 码流模板比对

对于常规监测（频谱监测、信道监测、音视频质量监测）中无法监测到的载波中新增节目、新增PID、节目加扰状态变化（由加扰流变为清流）和节目码率变化等码流层面的问题，码流模板比对功能可以通过码流特征对比，监测码流特征比对仪的实时数据指标与系统所配门限的差异，可以监测的指标包括：

（1）码流层面信息：网络名称、总码率、PID数量、节目数量等；

（2）节目层面信息：节目ID、名称、类型、码率和ES流数量、PID、类型、码率等；

（3）加扰信息：CA系统ID、EMM数量、EMMPID、ECM数量、ECMPID、PID加扰状态、控制字变化状态等。

对于上述信息，系统使用模板快照比对的方式进行一对一的监测，以最快的速度发现码流特征的变化，并将报警信息上报控制台，以提醒值班员关注，有问题及时处理。

3.2 载波全景

信道全景监测主要监测纠错前误码率、纠错后误码率、功率(dBm)、载噪比和信道板卡锁定状态。若板卡对比报警门限，当超过报警门限并持续到对应报警的报警持续时长门限，那么该能量柱和背景色块将会有红色报警闪烁，并伴有报警提示音，同时上报控制台。每一个独立用户的信道全景，每一个位置所配置的信道，以及模板的行列比，都是在用户权限管理中的信道权限分配中配置的。

3.3 频谱全景

频谱全景监测主要监测载波的频谱状态。频谱状态是否异常，可以快速定位到各类频谱信道异态，例如单载波等，整个频谱块的背景会红色闪烁，并伴有报警提示音，同时上报控制台。若频谱中的信号产生信道报警，那么对应信号也会红色闪烁。每一个独立用户的频谱全景，每一个位置所配置的频谱，以及模板的行列比，都是在用户权限管理中的频谱权限分配中配置的。

3.4 控制台

控制台是整个系统中，值班员使用最多，处理业务最多的页面，系统大多功能最终都汇总到控制台显示，控制台集查询、配置、异态、交互、处理、巡查等功能于一身。控制台分为五大功能区，分别是：快捷操作按钮、控制台大屏、节目播放器、报警列表以及录像快速回查，如图5所示。

图5 控制台界面

3.5 异态处理

值班员通过控制台功能，首先需要通过报警录像回查、回看指标数据的方式，来判断报警是否是真实报警，报警是否有效。非有效报警，值班员可以直接非异态报警，若报警的确是异态，则通过电话核实相关部门，录入异态。

结束语

全新上线的广播电视安全预警系统，大大提升了界面操作易用性和合理性，为值班员提供更高效的操作与应急手段，并在上线初期进行了大量实践测试。目前，已经实现了对多颗卫星的百余个卫星载波、数百套电视和广播节目实时监测，以及对节目的录像录制回查，码流录制分析，视频比对任务等，并且为未来可预见到的业务量增加设计了冗余配置，保证了系统的先进性。

[1]NodeJS的异步非阻塞I/O研究[J]，《工业控制计算机》，2015（3）

[2]基于Docker、Swarm、Consul与Nginx构建高可用和可扩展Web服务框架的方法[J]，《电信技术》，2016年（11）

[3]PID码在复用与解复用中的作用[J]，《中国有线电视》，2010（9）

[4]浅析数字电视CA系统同密与多密技术[J]，《有线电视技术》，2013（7）期

[5]一种卫星频谱监测系统的设计与实现[J]，《数字通信世界》，2016（3）

审稿人：赵 峰 内蒙古新闻出版广播影视科研所正高级工程师

责任编辑：王学敏

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2096-0751（2017）03-0029-04

高志恒 国家新闻出版广电总局573台 高级工程师