基于云边结合技术的电网智能视频云架构设计与测试

王 佳,吴任博,周小光,齐 锐

(广州供电局,广东 广州 510630)

随着电网视频监控系统的普及,电网输电、变电、配电、安保、安监及营业厅的视频监控规模迅速扩大,同时由于人工智能的发展,基于视频的智能应用越来越普遍。为了适应视频监控规模的迅速扩大、满足视频监控应用的灵活性,电网公司迫切需要统一建设视频联网、共享及应用平台[1]。现在的视频联网、共享及应用平台基于GB/T28181《安全防范视频监控联网系统信息传输、交换、控制技术要求》来实现,通过GB 28181协议实现视频监控设备的接入,并且按照该协议实现不同视频监控系统的级联、互联,同时基于GB 28181协议的RTSP视频流规范实现视频的传输、播放及应用。

文献[2]提出一种基于模糊算法的视频云平台控制方法,利用优化后的模糊算法建立视频云平台的云资源预测模型;通过该模型对视频云平台进行资源配置,实现对视频服务的优化管理,进而完成视频云平台控制。文献[3]提出一种基于云平台的海量教学视频资源管理方法,采用HDFS分布式结构,该云平台的功能层包含系统事务逻辑规则等处理功能,能够明确体现各相对独立目标的功能,主要包含用户模块、系统管理模块和教学视频资源管理模块。其中,用户模块可实现教学视频上传、下载、评价等相关功能;教学视频资源管理模块根据受限玻尔兹曼机推荐理论,通过训练数据集训练过程升级权重与偏好参数,得到用户对教学视频资源的预测评价,根据评价结果进行教学视频资源推荐。这几种方法虽然有一定的优势但是仍然无法满足电网的视频监控系统的接入及应用。为解决以上问题,本文提出基于云边结合的视频云平台架构,能够实现电网输电、变电、配电、安保、安监及营业厅的上万路的视频融合接入、共享、存储、分析及应用。

1 视频云发展现状

目前较为常用的视频云为多级多域视频云和视频直播云平台,下面对这两种视频云的发展和应用进行简要阐述。

1.1 多级多域视频云

多级多域视频云架构,该视频云架构常见于公安、铁路、电网等大型分布式视频应用。一般新建一套一级监控中心、多个二级及三级分控中心。一级监控中心采用集群方式部署若干台视频管理服务器及存储服务器,对整个系统对所有摄像点、媒体存储汇聚点、管理平台及监控中心进行管理,并对关键点位的视频图像数据可进行备份。二级分控中心部署媒体管理单元和媒体处理单元,实现对所管辖区域内的所有设备管理,录像存储。三级分控中心部署网络硬盘录像机,实现摄像机的接入及实时录像存储[4]。各级监控中心子系统部署PC控制终端、解码器和显示大屏,监控客户端内置电视墙控制模块,实现灵活的视频解码控制。

1.2 视频直播云平台

视频直播云平台架构如图1所示。

图1 视频直播云平台架构

由图1可知,视频直播云平台由内容提供方、CDN视频流接入、BGP链路、实时视频流处理、CDN直播分发,内容消费方等几个模块组成[5],视频直播云平台实现多源视频接入、统一视频处理以及多源视频直播功能。

2 云边结合的电网视频云平台架构

为了满足电网实际的视频接入需求、网络需求以及应用需求,结合多级多域的视频云架构及视频直播技术[6],本文提出了一种全新的云边结合的电网视频云平台架构,该平台的架构如图2所示。

图2 云边结合的电网视频云平台架构

由图2可知,电网视频云平台由电网视频云中心及多个视频云分布式节点组成。其中:电网视频云中心由后台管理平台、视频服务接口、web应用服务接口组成。

(1)后台管理平台负责视频设备管理,视频分组及应用场景管理,用户角色权限管理;

(2)视频服务接口为第三方应用系统提供视频数据服务,包括实时视频、录像回放、云台控制、语音对讲、视频分析、视图检索应用等;

(3)web应用服务接口,用于为web端或移动终端提供门户管理和门户呈现,并为web或移动端提供直播、点播、基础数据和业务数据服务[7]。

电网视频云分布式节点由视频融合接入网关、标准信令服务器、流媒体服务器、视频直播服务器以及视频分析服务器组成。

(1)视频融合接入网关由可扩展的视频协议库组成,视频协议库包括但不限于现有的各种视频监控协议,包括公共协议和厂家私有协议。视频融合接入网关可根据实际需要加载多种类型的视频协议,实现不同类型的视频监控设备接入、控制等,减少了构建系统所投入的软硬件资源,也提高了系统的稳定性和可维护性;

(2)标准信令服务器将视频融合接入网关与视频终端之间的交互协议转换为视频云中心与视频云分布式节点的标准协议,实现各种协议的视频监控设备混合接入;

3)流媒体服务器实现多种类型的视频流数据接入,并将视频流解析为标准的RTSP格式;

4)视频直播服务器将RTSP视频流转换为RTMP格式,同时接收视频云中心的视频直播指令,生成视频直播的url地址,并将RTMP视频流推送至客户端或第三方系统;

(5)视频分析服务器根据视频云中心下发的视频分析策略,获取视频直播服务器分发的视频流进行实时视频分析,并将分析的结果发送给视频云中心。

3 电网视频云平台中监控设备的接入和控制

3.1 视频监控设备的接入

视频监控设备接入流程图如图3所示。

图3 视频监控设备接入流程图

摄像机根据服务器IP及端口信息发送注册信息到电网视频云平台的分布式节点[8]。视频云分布式节点内的视频融合接入网关按照端口接收各类视频设备的多种协议注册信息,并将相关信息推送到标准信令服务器[9]。标准信令服务器将各类设备的私有协议解析并封装成视频云标准协议,并推动到视频云中心。通过视频云分布式节点的多源视频融合接入网关及标准信令服务器,电网视频云平台实现了多种视频监控设备,包括摄像机、执法仪、红外热成像、无人机、机器人、智能终端等多源的接入和统一管理。

3.2 视频监控设备的控制

视频监控设备的控制过程与接入过程类似,通过视频分布式云节点的标准信令服务器以及融合接入网关,实现对各类协议、各类视频监控设备的远程控制[11],具体的控制过程如图4所示。

图4 视频监控设备的控制过程图

4 基于电网视频云平台的视频调阅

4.1 视频直播架构简介

如图5所示为视频直播架构。

图5 视频直播架构

由图5可知,高性能的流媒体服务框架中流媒体的接入支持RTSP推流、RTMP推流、GB28181推流、RTSP拉流、RTMP拉流、HLS拉流、MP4文件点播、Ffmpeg拉流等。通过视频直播平台的视频格式转换服务,可提供RTSP直播,FLV直播、HLS直播、MP4录制、GB28181推流、RTSP推流、RTMP推流等视频服务方式。同时视频的播放已支持linux、macos、windows、ios、android平台,支持的编码格式包括H264、AAC、H265(仅rtsp支持H265);采用的模型是多线程IO多路复用非阻塞式编程(linux下采用epoll、其他平台采用select)。

该框架基于C++11开发,避免使用裸指针,减少内存拷贝,代码精简可靠,并发性能优异,在linux平台下,单一进程即可充分利用多核CPU的优势;最大限度地发挥CPU、网卡性能,轻松达到万兆网卡性能极限。同时也能在高性能的同时,做到极低延时,画面秒开。

4.2 视频调阅过程

图6为视屏调阅过程示意图。

图6 视屏调阅过程示意图

由图6可知,视频调阅过程主要是web客户端或者第三方平台根据API接口,向视频云中心发送摄像机视频请求信令,视频云中心将该请求信令下发到对应的视频云分布式节点,视频云分布式节点将信令转换为摄像机私有协议并将信令下发至摄像机。摄像机接收到视频调阅消息后,将视频流推送到视频云节点的直播服务器。客户端根据事先协商好的协议,从视频直播服务器中主动拉取或被动接收视频流。

电网视频云平台,通过在视频云分布式节点部署视频直播服务器,实现了流媒体的分布式调阅,大大降低了视频云中心的视频直播服务的处理器及网络带宽压力。

5 电网视频云平台性能测试

为验证所设计电网视频云平台的有效性,将其与文献[2]提出的基于模糊算法的视频云平台控制方法和文献[3]提出的基于云平台的海量教学视频资源管理方法进行对比实验,以抗干扰概率为指标,抗干扰概率越大,平台运行安全性越好,以绘制柱形图的形式呈现3种平台的抗干扰概率,测试结果如图7所示。

图7 不同平台抗干扰概率对比结果

由图7可知,文献[2]平台和文献[3]平台在第2次和第4次时出错概率趋势不稳定,且抗干扰概率持续保持在80%～85%,而本文平台的抗干扰概率趋势较为稳定,抗干扰概率持续保持在90%左右。上述对比结果表明,相比2种文献方法,本文平台抗干扰概率更高,平台运行安全性更好。另外,本文平台可以满足电网的视频监控系统的接入及应用,具有更大的应用优势。

6 结语

本文中所设计的云边结合的视频云平台,融合了多级多域的视频云架构以及目前行业内最先进的视频直播技术,实现了电网多源视频的联网、共享及分析服务,可以解决视频接入、存储、转发及分析业务数据量大,视频协议类型多、视频监控应用系统多、视频数据融合应用难点大等问题。将该技术方案应用到下一代电网智能视频监控系统中,能够为电网未来智能视频监控系统建设以及信息化建设提供新思路和参考依据。