一种基于网络技术的热备音视频集中控制系统

2019-09-13赵家凤

网络安全技术与应用 2019年9期

◆武攀赵家凤

◆武攀1赵家凤2

（1.中国电子科技集团公司第二十八研究所江苏 210007；2.北京兆科恒兴科技有限公司北京 100190）

本文针对会议场所、指挥控制中心的音视频集中控制系统的建设需求，在商用中控主机的基础上，结合网络技术，设计热备音视频中控系统，以提高音视频中控系统的可靠性与容灾性能，并进一步提出改进措施，为会议场所、指挥控制中心的音视频集中控制系统的设计与建设提供参考。

音视频控制系统；网络技术；热备

在现代会议场所、指挥控制中心，音视频系统在多媒体展示、远程协商、远程会议、视频指挥等应用中发挥的作用越来越重要。基于信息的可视化展现要求，如何在会议中心、指挥控制中心、交通管制中心等场所中展现音视频信息显得越来越重要。音视频系统作为信息展现的重要环节，向指挥人员、参会人员提供直观明了的视觉和听觉信息。大型信息系统中音视频系统的设计难点在于使用需求多样化且需展现的信息量丰富。[1]虽然音视频设备都具有控制面板或遥控器，操作人员如果逐个控制设备，则效率太低、不能实现复杂操作，且容易出错。因此，音视频系统一般都包含集中控制系统，方便操作人员在集中控制台位上统一管控系统中的摄像头、LED大屏、液晶显示屏、视频切换矩阵、拼接处理器、音频处理器等设备。在大型指挥信息系统中，音视频集中控制系统更是不可或缺的部分。

随着系统规模的增加，需要控制的音视频设备也越来越多，音视频系统担负的保障任务也越来越重，常常要求7×24小时工作。相应地，对集中控制系统的要求也随之提高。因此，在设计音视频控制系统时，不仅要将集中控制系统与各音视频设备的有机结合，还需考虑提高集中控制系统可靠性、抗毁性等问题。

1 非热备系统设计

音视频集中控制系统通常以综合控制主机（也称中控主机）为核心，连接各个受控设备。以Crestron的产品为例，综合控制主机是包括串口（包括RS232、RS422、RS485）、红外、继电器、数字I/O、专用总线接口、网口等多种接口的可编程设备。构建音视频集中控制系统时，综合控制主机上的各种接口连接受控设备上对应的控制接口。综合控制主机运行事先编译、存储在其中的程序，操作人员在控制终端上访问综合控制主机，控制终端上显示人机交互界面。综合控制主机根据操作人员的动作，通过控制接口向受控的音视频设备发出相应的指令，控制设备的工作，例如：通过RS422接口控制摄像头的转动、变焦、预设位置、调用位置；通过红外接口控制液晶显示屏的开关、输入信号源转换、模式调用；通过网口控制LED大屏的开关[2]；通过RS232接口控制视频矩阵的切换、触控屏开关；通过RS232接口或网口图像拼接处理器的场景调用，音频处理设备的音频路由、功能调用；通过继电器接口控制灯光调节等。这样，操作人员只需面对控制终端或触控屏上的按钮，即可有条不紊地控制整个音视频系统。通过编写复杂的程序，可以使综合控制主机执行一系列复杂操作，实现操作人员用音视频设备自带的面板或遥控器无法完成的工作。

典型的，以单台中控主机为核心构建的音视频集中控制系统如图1所示：

图1 无备份的音视频集中控制系统

在图1中，集中控制台、中控主机接入音视频局域网络，系统中受控制的音视频设备直接与综合控制主机连接或通过网络连接。系统中的中控主机为关键设备，一旦中控主机发生单点故障，就会影响整个系统的运行。因此，需考虑中控主机的备份，以增强系统可靠性。

2 冷备系统设计

为提高系统可靠性，可增设一台中控主机，构建冷备份的集中控制系统。

冷备份中控主机的思路是：主、备中控主机设置同样的IP地址，装载同样的程序。当主用机发生故障时，需手动将备用机替换主用机，并将连接至主用机上的线缆均转接至备用机上，花费的时间较多。因此，为了减少系统恢复时间，需增设总线分配器，将受控设备通过总线分配器和接口模块转接至中控主机。这样，替换主备机时，只需转接网线、总线，而无需将连接各受控设备的线缆逐个拔插，大大降低恢复系统所耗的时间。

冷备份中控主机的集中控制系统如图2所示。

图2 冷备份中控主机的集中控制系统

在图2中，中控主机不再通过串口、红外口、继电器口等直接连接受控设备，而是经由总线分配器、接口模块连接受控设备。由于总线分配器仅是分配线路的器件，出现故障的概率较低，而接口模块仅连接部分受控设备，这样即使出现故障也不会影响全系统的运行。相比图1所示的系统，冷备份中控主机的系统便于更换出现故障中控主机，可以减少系统的恢复时间。

3 热备系统设计

上述图2所示的冷备份中控主机的音视频集中控制系统同图1所示的系统相比，虽然设法降低了系统的恢复时间，但是仍需要间断系统运行，在某些应用场合可能会造成巨大的损失。参考信息系统、音频系统、视频系统提高可靠性的设计方法寻找音视频集中控制系统的热备份设计思路：信息系统中的服务器通过内存换页同步、双机故障检测以及双机状态切换，进而实现主备机的无缝衔接[3]，甚至通过安全服务资源池化、安全服务器集群化和专用安全资源按需保障等措施，实现高可靠性和高性能的安全服务平台[4]；音频系统可采用音频处理器双机的方法增强系统可靠性[3]；视频系统采用双链路传输提高系统的抗毁性[4]。而音视频集中控制系统有其自身的特点：中控主机的功能相对简单，数据传输速率、吞吐量较低，不具备心跳线，难以实现内存同步，也不能像音频处理器那样处理心跳询问数据包；通过串口受控的音视频设备，不能同时接收和响应来自两条链路的控制指令，从控制指令的发送端到接收端，传输控制信号的线路不能像视频系统那样采用双链路的方法。因此，设计的思路是借鉴双机热备的做法，避免因单台中控主机失效而使音视频控制系统暂停运行，从而提高系统的可用性。

为系统设置两台中控主机，配置不同的IP地址，装载相同的程序（配置参数略有差别），将它们同时接入网络，构成热备份中控主机的集中控制系统，如图3所示。

图3 热备份中控主机的集中控制系统

相比图2所示冷备份中控主机的系统，热备系统中还增加了一台总线切换器，其功能类似于二选一的多路选择器，使得在任一时刻两台中控主机中只有一台取得总线控制权，以避免产生冲突。通过串口、红外口、继电器口受控制的设备仍通过接口模块、总线分配器与中控通信，接收中控发出的控制指令；通过网络受控的设备仍接入网络。两台中控主机分别有一根控制线连接总线切换器。在集中控制台上访问某一台中控主机时，被访问的中控主机发送一个控制信号将总线切换器的连接通道切换至本机，以获得总线控制权。当某一台中控主机失效时，无须拔插线缆即可使用另一台中控主机操控音视频系统，保证系统运行的连贯性，使前台使用者察觉不到故障的发生，同时给予后台人员充足的时间维修、更换故障主机。

采用热备份和冷备份中控主机的方法对比如表1所示。

表1 热备份与冷备份对比