高志恒

國家新聞出版廣電總局573臺 北京市 102209

衛(wèi)星廣播電視安全預警系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

高志恒

國家新聞出版廣電總局573臺 北京市 102209

本文簡要介紹了衛(wèi)星廣播電視安全預警系統(tǒng)的構建背景，該監(jiān)測預警系統(tǒng)建成后，其監(jiān)測技術更先進，部署靈活性更高，業(yè)務使用和交互性更便捷和人性化，可擴展性更強，冗余性考慮更周密，為全國衛(wèi)星廣播電視安全覆蓋播出業(yè)務的健康發(fā)展提供了強有力的保障。

NodeJS 多畫面 碼流錄制 轉碼

引言

隨著衛(wèi)星廣播電視監(jiān)測工作業(yè)務量逐步上升，為了滿足衛(wèi)星廣播電視飛速發(fā)展的現(xiàn)狀和衛(wèi)星廣播電視安全播出工作的需要，構建了正在使用的廣播電視安全預警系統(tǒng)。該系統(tǒng)在開發(fā)初期，聽取了相關專業(yè)人員的建議，并充分考慮到系統(tǒng)在未來數(shù)年內的技術先進性和規(guī)模發(fā)展。該系統(tǒng)的建成，極大提高了工作效率，成為監(jiān)測業(yè)務的核心系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)技術架構

1.1 系統(tǒng)技術架構設計

全新上線的廣播電視安全預警系統(tǒng)，采用當前主流的B/S+C/S混合架構，系統(tǒng)技術架構，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)技術架構

單獨使用B/S架構的劣勢：

個性化特點較低，較難實現(xiàn)個性化突出的功能；一旦頁面動態(tài)刷新，響應速度明顯降低；功能弱化，難以實現(xiàn)傳統(tǒng)模式下的特殊功能要求。

單獨使用C/S架構的劣勢：

對于業(yè)務呈現(xiàn)及控制終端，需要安裝專門的客戶端程序；分布功能弱，網絡用戶群體，無法實現(xiàn)快速部署和配置；系統(tǒng)開發(fā)成本和維護成本高。

綜合考慮以上因素，結合全國廣播電視安全預警系統(tǒng)的需求以及系統(tǒng)規(guī)模和設備數(shù)量，本系統(tǒng)采用B/S+C/S混合架構搭建系統(tǒng)框架，對整個系統(tǒng)的不同部分具體分析，做出有針對性的架構和實施策略。

對位于應用與業(yè)務控制層面，需要支持分布式使用功能且處理流程相對較簡單的應用子系統(tǒng)，采用B/S架構來實現(xiàn)，使得系統(tǒng)具備：（1）分布性特點，可以隨時隨地進行查詢、瀏覽等業(yè)務處理；（2）業(yè)務擴展簡單方便，通過增加網頁即可增加服務功能；（3）維護簡單方便，只需要改變網頁，即可實現(xiàn)所有用戶的同步更新。

對于顯示與控制復雜的終端應用或系統(tǒng)底層處理層，如信道、頻譜監(jiān)測、天線控制、矩陣切換和服務器集群調度等，實時性要求高、計算量大、具備一定復雜度的子系統(tǒng)或模塊，采用C/S架構實施，使得系統(tǒng)具備：（1）應用終端可使用客戶端與服務器的直連，沒有中間環(huán)節(jié)，響應速度快；（2）可定制復雜功能，操作界面漂亮、形式多樣，充分滿足個性化要求；（3）通過C/S結構較強的事務處理能力，高效地實現(xiàn)安全預警系統(tǒng)中復雜的業(yè)務處理流程。

1.2 WEB平臺技術設計

WEB平臺服務采用Node.JS技術框架，進行事件驅動和異步編程，為網絡服務而設計。

Node.JS作為一個日趨成熟的后臺語言，采用node來開發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)的后端系統(tǒng)，同樣具備很多優(yōu)勢：（1）Node.JS是一個開放源代碼，可以跨平臺用于服務器端和網絡應用的運行環(huán)境，只需要接入內網，任何操作系統(tǒng)和設備都可以接入監(jiān)測系統(tǒng)；（2）Node.JS非常擅長實時交互的應用，十分適合通過對象數(shù)據庫來查詢數(shù)據，如本系統(tǒng)使用到的MONGODB數(shù)據庫；（3）依賴于ChromeV8引擎，采用最新的編譯技術，系統(tǒng)頁面加載快速高效，滿足值班員快速響應處理報警；（4）事件驅動，非常適合處理系統(tǒng)并發(fā)請求，多臺控制臺使用系統(tǒng)，系統(tǒng)依然能高效處理請求；（5）非阻塞I/O，Node.JS遇到I/O事件會創(chuàng)建一個線程去執(zhí)行，然后主線程會繼續(xù)往下執(zhí)行，避免系統(tǒng)卡頓；（6）通過Nginx來實現(xiàn)負載均衡，Nginx在處理并發(fā)請求時表現(xiàn)優(yōu)異，兩臺平臺服務器都能以最優(yōu)秀的狀態(tài)響應控制臺的請求。

全新上線的廣播電視安全預警系統(tǒng)，搭配Node.JS使用MONGODB數(shù)據庫性能優(yōu)異，其優(yōu)勢包括：（1）MONGODB可以通達副本集以及分片來實現(xiàn)高可用，當主庫遇到問題，無法繼續(xù)提供服務時，副本集將選舉出一個新的主庫來繼續(xù)提供服務，保證了監(jiān)測系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定；（2）數(shù)據處理方式是基于內存，將熱數(shù)據存儲于物理內存中，從而達到高速讀寫的目的；（3）由于MONGODB采用Json存儲格式，非常適合監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據存儲與查詢；（4）使用Mongoose操作數(shù)據庫，不需考慮數(shù)據庫的打開與關閉規(guī)則，從而保證監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據庫連接池的穩(wěn)定性；（5）支持故障恢復，自動處理碎片和備份數(shù)據庫，數(shù)據庫性能穩(wěn)定；（6）MONGODB支持建立索引，針對各類報警等大數(shù)據量，可以快速查詢到所需數(shù)據。

2 技術原理

2.1 多畫面技術

多畫面技術主要分為：Communication Interface、Http Service、Manager、Alarm Process、Data Rev、Demux、AV Decoder、AV Inspect、AV Output和User Interface模塊，如圖2所示。

圖2 多畫面技術模塊

由Data Rev接收碼流；Demux負責對碼流進行解復用，過濾掉其他信息取得視頻信息和音頻信息；AV Decoder負責對音、視頻流進行解碼；AV Inspect對節(jié)目信息進行監(jiān)測，監(jiān)測到的數(shù)據會送給報警模塊進行分析處理；AV Output負責對解碼后的數(shù)據流輸出到用戶界面User Interface，即顯示系統(tǒng)。

2.2 碼流錄制技術

碼流錄制技術主要分為：User Interface、Http Interface、Manager、File Manager、Data rev、Data Record和Record Play等模塊，各模塊功能如圖3所示。

圖3 碼流錄制模塊功能

User Interface是預留的交互界面。Http Interface模塊負責與平臺進行通信，接收平臺下發(fā)的碼流信息及錄制任務，并上報記錄的文件信息。Manager是碼流記錄的管理模塊，負責給各個功能模塊根據配置信息分配任務，記錄日志等。File Manager負責對保存文件的目錄進行管理，支持按照空間和時間兩種方式。Data Rev負責接收碼流及碼流中斷的檢測。Data Record負責將接收到的碼流進行錄制和存儲，支持常規(guī)錄制和觸發(fā)錄制兩種方式；對于保存的文件可以按照文件大小或時間進行保存。Record Play使用Http的方式播放指定時間段的錄像。

2.3 轉碼技術

轉碼技術主要分為：Communication Interface、Http Service、Manager、Alarm Process、Data Rev、Demux、AV Decoder、Mosac、AV Inspect、AV Encoder和User Interface模塊，結構如圖4所示。

圖4 轉碼技術結構

由Data Rev接收碼流；Demux負責對碼流進行解復用，過濾掉其他信息取得視頻信息和音頻信息；AV Decoder負責對音視頻流進行解碼；Mosac可以對界面進行馬賽克合成；AV Inspect對節(jié)目信息進行監(jiān)測，監(jiān)測到的數(shù)據會送給報警模塊進行分析處理；AV Encoder負責對解碼后的數(shù)據流進行重新編碼，編碼格式可以由用戶指定，編碼后可以保存文件，也可直接以Http協(xié)議發(fā)布給用戶實時觀看；User Interface為預留的配置界面。

3 系統(tǒng)主要功能設計

3.1 碼流模板比對

對于常規(guī)監(jiān)測（頻譜監(jiān)測、信道監(jiān)測、音視頻質量監(jiān)測）中無法監(jiān)測到的載波中新增節(jié)目、新增PID、節(jié)目加擾狀態(tài)變化（由加擾流變?yōu)榍辶鳎┖凸?jié)目碼率變化等碼流層面的問題，碼流模板比對功能可以通過碼流特征對比，監(jiān)測碼流特征比對儀的實時數(shù)據指標與系統(tǒng)所配門限的差異，可以監(jiān)測的指標包括：

（1）碼流層面信息：網絡名稱、總碼率、PID數(shù)量、節(jié)目數(shù)量等；

（2）節(jié)目層面信息：節(jié)目ID、名稱、類型、碼率和ES流數(shù)量、PID、類型、碼率等；

（3）加擾信息：CA系統(tǒng)ID、EMM數(shù)量、EMMPID、ECM數(shù)量、ECMPID、PID加擾狀態(tài)、控制字變化狀態(tài)等。

對于上述信息，系統(tǒng)使用模板快照比對的方式進行一對一的監(jiān)測，以最快的速度發(fā)現(xiàn)碼流特征的變化，并將報警信息上報控制臺，以提醒值班員關注，有問題及時處理。

3.2 載波全景

信道全景監(jiān)測主要監(jiān)測糾錯前誤碼率、糾錯后誤碼率、功率(dBm)、載噪比和信道板卡鎖定狀態(tài)。若板卡對比報警門限，當超過報警門限并持續(xù)到對應報警的報警持續(xù)時長門限，那么該能量柱和背景色塊將會有紅色報警閃爍，并伴有報警提示音，同時上報控制臺。每一個獨立用戶的信道全景，每一個位置所配置的信道，以及模板的行列比，都是在用戶權限管理中的信道權限分配中配置的。

3.3 頻譜全景

頻譜全景監(jiān)測主要監(jiān)測載波的頻譜狀態(tài)。頻譜狀態(tài)是否異常，可以快速定位到各類頻譜信道異態(tài)，例如單載波等，整個頻譜塊的背景會紅色閃爍，并伴有報警提示音，同時上報控制臺。若頻譜中的信號產生信道報警，那么對應信號也會紅色閃爍。每一個獨立用戶的頻譜全景，每一個位置所配置的頻譜，以及模板的行列比，都是在用戶權限管理中的頻譜權限分配中配置的。

3.4 控制臺

控制臺是整個系統(tǒng)中，值班員使用最多，處理業(yè)務最多的頁面，系統(tǒng)大多功能最終都匯總到控制臺顯示，控制臺集查詢、配置、異態(tài)、交互、處理、巡查等功能于一身?？刂婆_分為五大功能區(qū)，分別是：快捷操作按鈕、控制臺大屏、節(jié)目播放器、報警列表以及錄像快速回查，如圖5所示。

圖5 控制臺界面

3.5 異態(tài)處理

值班員通過控制臺功能，首先需要通過報警錄像回查、回看指標數(shù)據的方式，來判斷報警是否是真實報警，報警是否有效。非有效報警，值班員可以直接非異態(tài)報警，若報警的確是異態(tài)，則通過電話核實相關部門，錄入異態(tài)。

結束語

全新上線的廣播電視安全預警系統(tǒng)，大大提升了界面操作易用性和合理性，為值班員提供更高效的操作與應急手段，并在上線初期進行了大量實踐測試。目前，已經實現(xiàn)了對多顆衛(wèi)星的百余個衛(wèi)星載波、數(shù)百套電視和廣播節(jié)目實時監(jiān)測，以及對節(jié)目的錄像錄制回查，碼流錄制分析，視頻比對任務等，并且為未來可預見到的業(yè)務量增加設計了冗余配置，保證了系統(tǒng)的先進性。

[1]NodeJS的異步非阻塞I/O研究[J]，《工業(yè)控制計算機》，2015（3）

[2]基于Docker、Swarm、Consul與Nginx構建高可用和可擴展Web服務框架的方法[J]，《電信技術》，2016年（11）

[3]PID碼在復用與解復用中的作用[J]，《中國有線電視》，2010（9）

[4]淺析數(shù)字電視CA系統(tǒng)同密與多密技術[J]，《有線電視技術》，2013（7）期

[5]一種衛(wèi)星頻譜監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J]，《數(shù)字通信世界》，2016（3）

審稿人：趙 峰 內蒙古新聞出版廣播影視科研所正高級工程師

責任編輯：王學敏

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2096-0751（2017）03-0029-04

高志恒 國家新聞出版廣電總局573臺 高級工程師