地面数字广播电视自动监控系统设计与实现

2024-04-28王岩

电视技术 2024年3期

王岩

（山西广播电视无线管理中心，山西太原 030001）

0 引言

随着中央广播电视节目无线数字化覆盖工程的逐步实施，各地市开始新建地面数字广播电视传输网。作为无线信号传输的重要方式之一，除了进行发射台站日常运维等工作，还需要针对性完成系统的管理与维护，有效保障地面数字广播电视信号的稳定可靠传输，进而确保广播电视节目的安全播出。但是由于各地市建设时间的差异、建设方案的优劣以及建设标准的区别，导致无线发射台站对地面数字广播电视的播出要求越来越高，利用自动化系统设计完成信号监测、操作规范以及自主运维等需求越来越迫切[1]。文章依据《地面数字电视广播监测技术规程》（GB/T 28437—2012）和《数字电视地面广播发射机通用规范》（SJ/T 11574—2016），结合地面数字广播电视的建设现状，深入分析了自动监控系统的建设目标，设计实现一套功能齐全、自动化程度高的地面数字广播电视自动监控系统，并从硬件、软件两个层面探讨了系统实现方法，以期能够为相关人员的技术创新提供参考借鉴。

1 建设目标

数字化、网络化、高清化的广播电视台全台网的建设已经在全国范围内得到大规模的应用，有效提高了广播电视台的节目制作水平和制作效率[2]。为了应对新形势下的发展需要，满足广播电视台业务发展的各项要求，同时提高播出系统的安全保障水平，本次自动监控系统建设主要实现以下4个方面的目标。

第一，运用云计算、大数据等技术，集纳、整合和运用广播电视信号传输的过程性数据资源和生产类信息要素，推动数据互联、信息共享、资源融合等监控系统共建，建设集内容生产、信息集成和传输、管控、运维于一体的自动化监控系统，解耦用户对网络速度的依赖，支持在自动监控系统支撑下的多种传输模式，完成对信号、设备的监视和控制。

第二，提升广播电视节目内容的传输能力，加快地面数字广播电视传输网建设，优化内容制作存储、传输分发流程，重点通过监控系统提升大数据处理能力，实现对发射机状态和广播信号的实时监测，推动内容传输向实时化、数据化、互动化转型，提升用户服务体验。

第三，支持广电地面传输网络运营，加快数字电视技术的推广，大力开发基于智能终端的设备远程控制与预警服务。当广播电视台发射机工作出现异常时，系统经过分析、比对后，可以根据实际需求自动切换至备用机，保证地面数字广播电视的安全播出。

第四，加快推进地面数字多媒体广播（Digital Terrestrial Multimedia Broadcast，DTMB）的新建和改造[3]，支持物联网功能和业务的广播电视宽带网络，通过自动监控系统的建设和“1+1”主备模式的自主选择，拓宽系统工作范围，适应不同实际需求。

2 地面数字广播电视自动监控系统的设计

地面数字广播电视自动监控系统是一个数字化、网络化、集成化的综合管理系统，能够实时监测DTMB的前端、传输、各发射台站和用户端信号以及主要设备的工作状态等，发现故障能够实时报警，极大地提升系统运行的安全性、可维护性，提高系统的服务质量[4]。系统组成主要包括采集服务、数据库和客户端等，通过实时对接发射系统的信号源，完成对发射信号、设备状态的实时监测和控制，如图1所示。

图1 地面数字广播电视自动监控系统组成

信号采集主要对发射系统前端信号进行不定时采样，分析判断需要自动切换主备机模式的时机。采集服务主要完成对设备状态的采集与分析，根据逻辑判断实施自动指令执行的操作。数据库主要完成实时存储过程数据和操作记录，便于随时调取。客户端主要完成可视化界面的显示，包括异常状态预警、远程操作控制等[5]。自动监测系统平台运用先进的测量技术、云服务技术、嵌入式技术，能够管理和监测地面数字电视系统的全流程。

3 地面数字广播电视自动监控系统的实现

3.1 硬件部分

自动监控系统的硬件部分主要包括开关切换器、采集监控机、网络交换机和数据终端。

3.1.1 开关切换器

开关切换器主要指的是射频同轴转换开关，可以实现手动/自动主备发射机倒换、主备发射天线倒换。配合主备机自动切换控制器，可以实现主备发射机的自动切换。地面数字广播电视的发射机基本采用“1+1”主备部署[6]，转换开关通过面板接口与发射机、假负载连接，通过不定时采集发射信号并完成分析、对比和判断，利用RJ-45数据接口与采集监控机中的系统完成指令下达和接收。

3.1.2 采集监控机

采集监控机作为采集监控软件的工作载体，通过数据接口和网络交换机连接至开关切换器，实现数据的汇总和处理。将设备作为信息节点融入广播电视信息化管理中，实时、准确、自动地为整个信息系统提供及时、有效、真实的数据，以实现指挥层与执行层信息的交流和协同工作。通过HiNet智能网采用现场网络或无线网络进行生产设备的联网，构建一个广播电视信号生产现场综合数据交换平台，包括设备状态监控、报警推送、远程调试和数据报表等功能，满足生产、传输、管理、运维所需的数据采集、分析与管控需求，为远程自动控制夯实基础。此外，网关可以采集可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）数据，然后通过消息队列遥测传输（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）协议上传到监控系统后实现对发射机等设备状态和传输信号的监控。

第一，设备监控。技术人员可以通过各种类型网络远程对设备和产品的性能、运行状态进行全天候检测、预测和评估，实现前端、中台和后端设备的高质量运行，降低设备平均故障率，提升地面数字广播电视监控系统的稳定性。

第二，远程编程/调试。技术人员使用系统自带的远程连接软件登陆设备管理平台，即可调取平台中的采集单元。使用PLC编程软件（STEP-7、GX Developer等）及计算机上的虚拟串口/网口，即可远程下载对应的PLC程序，查看上传系统运行状态图[7]。如果广播电视台的局域网内存在多个PLC，只需使用交换机将模块和多个PLC及触摸屏组网即可，可以远程下载、调试任何一个PLC和人机接口（Human Machine Interface，HMI）。

第三，预警推送。技术人员预设警告触发条件并制定预警推送机制，通过网页、App、报警灯或短信等多种方式推送到指定端口。

第四，数据报表。采用灵活的报表设计机制，根据需要设计出满足不同需求的报表样式，以满足不同技术人员对数据分析的需求。

3.1.3 网络交换机

作为自动监控系统的关键设备之一，主要用于连接系统内部的各模块，如发射机、切换器、计算机等，是完成数据交互的关键环节。采用RGS6150-X汇聚交换机实现了云架构网络融合、虚拟化和灵活部署，并可根据业务需求部署在局域网、传输网等场景。结合高性能硬件架构和自主模块化软件平台开发，满足对传输网高密度接入和高性能汇聚的需求。

3.1.4 数据终端

数据终端作为软件运行的载体，主要用来接收自动监控涉及的各类信息，完成远程查询、调取监控数据等功能，并提供可视化界面。

3.2 软件部分

利用消息堆栈、信息队列等中间件完成监控系统的架构和内部设备的协同等代码开发。以数据为核心，链接各服务，实现数据交互。

3.2.1 网络健康监测

通过OpManager可以全面监控和管理网络设备，主要利用简单网络管理协议（Simple Network Management Protocol，SNMP）、命令行界面（Command Line Interface，CLI）、Telnet、安全外壳协议（Secure Shell，SSH）等协议监控采集器、工控机、交换机、防火墙、负载均衡器以及其他网络基础架构，便于技术人员深入了解监控系统的网络性能，如图2所示。例如，OpManager使用SNMP对网络交换机进行监控，检测交换机接口的流量、丢包率和出错率，同时监控交换机的中央处理器（Central Processing Unit，CPU）使用率、内存使用率、背板使用率等参数。当检测到某个接口有问题时，可通过OpManager暂时关闭相应端口，待问题解决之后再开启相应的端口[8]。

图2 网络健康监测的技术协议

3.2.2 IT工作流自动化

在信息技术（Information Technology，IT）工作流自动化模块，构建超过70个工作流程检查和动作，分别归类在9个分类下，包括VMware ESX动作，通过设计工作流规则，满足IT管理需求。对于按照标准流程进行的IT任务，如网络故障的一级检测、日常的维护任务，均可通过IT工作流自动化模块自动执行。

3.2.3 自动运维

在采集数据的基础上，使用自动化的脚本进行决策分析，然后利用机器学习方法做决策分析。根据Gartner Report，AIOps运维软件实现全面的自动监控功能，有助于监控地面数字广播电视信号传输的全过程，确保传输网络的性能，实时检测并及时排除网络故障，以防止网络中断。对于一些严重的故障，如数据库宕机、交换链路断开等，技术人员必须第一时间了解情况。当发生系统故障时，AIOps运维软件的告警模块可以通过短信等方式通知技术人员。

3.2.4 远程控制

中心服务器部署在数据中心。当分布式服务器部署在远程位置时，可以通过防火墙或代理服务器来连接中心服务器，并在网络中执行发现、映射、监视和检测任务，将结果报告给中心服务器。其中，信息的交互主要通过超文本传输协议（Hyper Text Transfer Protocol，HTTP）和超文本传输安全协议（Hypertext Transfer Protocol Secure，HTTPS）发送可扩展标记语言（Extensible Markup Language，XML）来实现，并显示在操控台上，本地技术人员可以访问服务器的Web控制台进行相关操作。