李敏+吳艷梅+李永強(qiáng)
摘要:視頻會(huì)議系統(tǒng)是各級(jí)地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)的重要組成部分。結(jié)合云技術(shù)主要特征,研究了云視頻技術(shù)在省級(jí)地震應(yīng)急指揮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和應(yīng)用方法,在云南省地震應(yīng)急指揮技術(shù)平臺(tái)中建立了云視頻應(yīng)用原型系統(tǒng),并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)測試,探討了未來地震應(yīng)急指揮云視頻平臺(tái)的建設(shè)思路。
關(guān)鍵詞:云視頻技術(shù);應(yīng)急指揮系統(tǒng);原型系統(tǒng)
中圖分類號(hào):P315-391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1000-0666(2017)04-0655-06
0前言
“十五項(xiàng)目”建設(shè)以來,我國在地震應(yīng)急指揮決策領(lǐng)域開展了包括地震應(yīng)急指揮模式、應(yīng)急指揮技術(shù)體系、地震應(yīng)急管理、地震快速評(píng)估等方面的研究工作(姜立新等,2003)。在“中國數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡(luò)工程”的推動(dòng)下,建成了覆蓋國家、區(qū)域、重點(diǎn)城市、災(zāi)害現(xiàn)場的4級(jí)應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng),促使應(yīng)急指揮模式發(fā)生了較大變化,應(yīng)急響應(yīng)從傳統(tǒng)分散型的應(yīng)急模式轉(zhuǎn)化為集現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通訊、災(zāi)害評(píng)估和指揮決策等技術(shù)為一體的綜合性應(yīng)急體系工作,實(shí)現(xiàn)了地震震情、災(zāi)情的應(yīng)急指揮決策快速響應(yīng),災(zāi)害損失的快速評(píng)估與動(dòng)態(tài)跟蹤,輔助決策的信息服務(wù)和可視化指揮等系統(tǒng)工程。尤其是2006年全國地震應(yīng)急視頻會(huì)議系統(tǒng)的建成,大大提升了地震應(yīng)急處置能力,實(shí)現(xiàn)了震時(shí)指揮部與災(zāi)區(qū)一個(gè)或多個(gè)現(xiàn)場指揮部節(jié)點(diǎn)之間的命令下達(dá)、災(zāi)情上報(bào),使救援工作高效、有序進(jìn)行,最大限度減少人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)損失(楊仕升,2011),同時(shí)也為地震應(yīng)急指揮提供了豐富的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),大大提高了我國地震應(yīng)急響應(yīng)能力,在提高破壞性地震的快速響應(yīng)、應(yīng)急產(chǎn)出服務(wù)能力方面發(fā)揮了積極的作用(帥向華等,2009)。
視頻會(huì)議系統(tǒng)作為地震應(yīng)急指揮主要通訊手段之一,它通過音頻、視頻條件提供現(xiàn)場指揮環(huán)境,實(shí)現(xiàn)在單網(wǎng)、雙網(wǎng)、多網(wǎng)和外網(wǎng)不同組網(wǎng)模式下的互聯(lián)互通(鄭樹平等,2016),隨著地震應(yīng)急指揮體系開放性、共享性、互聯(lián)程度的不斷擴(kuò)大,地震應(yīng)急視頻會(huì)議系統(tǒng)逐漸成為各級(jí)地震應(yīng)急技術(shù)平臺(tái)體系應(yīng)用、運(yùn)維的核心業(yè)務(wù)工作,以云南為例,截止2016年底已初步建成涵蓋1個(gè)省級(jí)中心、16個(gè)州市中心、102個(gè)縣區(qū)節(jié)點(diǎn)的三級(jí)地震應(yīng)急視頻會(huì)議互聯(lián)互通系統(tǒng)。作為一種直觀、高效、及時(shí)的遠(yuǎn)程溝通工具,系統(tǒng)投入使用后,為云南省各級(jí)地震應(yīng)急指揮中心的地震應(yīng)急指揮、日常會(huì)議保障、業(yè)務(wù)培訓(xùn)交流等工作提供了良好的信息支撐平臺(tái),在云南省歷次地震應(yīng)急處置工作中發(fā)揮了強(qiáng)有力的科技保障作用。
1云南地震應(yīng)急視頻會(huì)議系統(tǒng)現(xiàn)狀
在我國地震應(yīng)急指揮領(lǐng)域,視頻會(huì)議系統(tǒng)已經(jīng)歷了近10年的應(yīng)用發(fā)展,系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建設(shè)和應(yīng)用日臻完善,但隨著信息化建設(shè)的不斷深入,特別是近年來云計(jì)算技術(shù)的成熟以及網(wǎng)絡(luò)帶寬的不斷提升,基于傳統(tǒng)視頻會(huì)議體系的硬件系統(tǒng)已逐步顯現(xiàn)出一些問題,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
1.1建設(shè)成本較高,資源利用率低
一套完整的視頻會(huì)議系統(tǒng)包括多點(diǎn)控制單元(MCU)、視頻會(huì)議終端、網(wǎng)關(guān)(Gateway)、網(wǎng)閘(Gatekeeper)等幾個(gè)部分(于浩等,2016),并且需要專網(wǎng)進(jìn)行連接,通過音視頻矩陣集成進(jìn)入指揮中心應(yīng)急指揮技術(shù)平臺(tái)。其中多點(diǎn)控制單元(MCU)和視頻終端設(shè)備等專用設(shè)備造價(jià)昂貴,尤其是具有大范圍多點(diǎn)互聯(lián)組會(huì)需求的省級(jí)、州市級(jí)指揮中心,其在視頻會(huì)議系統(tǒng)硬件資源方面的建設(shè)投入將更加巨大。
系統(tǒng)建成后,由于各級(jí)地震應(yīng)急指揮機(jī)構(gòu)的業(yè)務(wù)特點(diǎn)所限,除地震應(yīng)急處置、日常會(huì)議培訓(xùn)、應(yīng)急演練聯(lián)調(diào)外,視頻會(huì)議設(shè)備日常多處于待機(jī)運(yùn)行狀態(tài),業(yè)務(wù)承載量較低,以云南地震災(zāi)害應(yīng)急指揮中心為例,2016年全年視頻會(huì)議系統(tǒng)月運(yùn)行負(fù)載率均未超過15%,如圖1所示。
1.2異型設(shè)備互聯(lián)兼容性差,系統(tǒng)開放性差
目前而言,雖然全球各主流產(chǎn)商視頻會(huì)議設(shè)備均采用基于IP 的H.323和H.264標(biāo)準(zhǔn)體系的協(xié)議平臺(tái),但其自身硬件系統(tǒng)還存在諸多的內(nèi)部私有協(xié)議,這些私有協(xié)議的存在,使得不同產(chǎn)商視頻會(huì)議設(shè)備之間的互聯(lián)互通性大打折扣,這種情況,在進(jìn)行大規(guī)模級(jí)聯(lián)組會(huì)和雙流操作時(shí)尤為明顯。同時(shí),由于其部署結(jié)構(gòu)的特殊性,對(duì)終端接入設(shè)備的支持較單一,系統(tǒng)開放性較差。
1.3缺乏有效容災(zāi)備份機(jī)制,系統(tǒng)穩(wěn)定性差
目前,全球各主流產(chǎn)商視頻會(huì)議均缺乏較好的安全防護(hù)手段,視頻會(huì)議系統(tǒng)在遭遇內(nèi)部故障或外部環(huán)境侵害時(shí)極容易出現(xiàn)全面宕機(jī)的情況,除了建設(shè)造價(jià)高昂的多機(jī)熱備系統(tǒng)外,缺乏較理想的容災(zāi)備份機(jī)制,系統(tǒng)遭遇故障后難以短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)運(yùn)行,這給各級(jí)地震應(yīng)急指揮機(jī)構(gòu)的突發(fā)應(yīng)急處置工作帶來隱患。
隨著全球互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展,基于云環(huán)境的分布式、虛擬化計(jì)算模式在各領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。云計(jì)算并不是一種新的技術(shù),而是由集群計(jì)算、網(wǎng)格計(jì)算、效用計(jì)算、分布式計(jì)算等多種計(jì)算機(jī)技術(shù)演化而來的一個(gè)模型理念,云計(jì)算把硬件、平臺(tái)、軟件等當(dāng)做資源提供給用戶,把客戶端的計(jì)算工作遷移到云服務(wù)器,而云服務(wù)器卻又是完全對(duì)用戶透明的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)集群,云服務(wù)器承載用戶的具體應(yīng)用計(jì)算任務(wù),從而使得用戶面對(duì)的終端從設(shè)備到軟件都得到極大簡化(陳辛夷,2014)。云計(jì)算在業(yè)務(wù)創(chuàng)新、服務(wù)提供、資源優(yōu)化等方面有顯著優(yōu)勢(曹江輝等,2017),在國內(nèi),中國平安和中國聯(lián)通已先后建成了超大規(guī)模公有云視頻平臺(tái),傳統(tǒng)固化、分散式、低利用率的視頻會(huì)議體系已無法緊跟大數(shù)據(jù)時(shí)代的發(fā)展需要,不過值得慶幸的是,有別于大多數(shù)破舊立新的系統(tǒng)升級(jí)方式,云視頻系統(tǒng)的建設(shè)并不需要拋棄傳統(tǒng)的視頻會(huì)議硬件資源,而是以現(xiàn)有資源為基礎(chǔ),通過調(diào)整構(gòu)架,革新機(jī)制的方式來最大限度發(fā)揮現(xiàn)有視頻會(huì)議體系的效能。
2云視頻技術(shù)原理
隨著Web2.0的興起,網(wǎng)絡(luò)帶寬不斷提高,具有多功能的軟件視頻會(huì)議已經(jīng)逐漸占據(jù)主流位置,如Mikogo 、WebEx 、InterCall等。目前,隨著云計(jì)算的快速發(fā)展促使云計(jì)算環(huán)境下的視頻會(huì)議平臺(tái)的研究也已經(jīng)得到廣泛關(guān)注(杜磊等,2013)。endprint
作為分布式、并行、網(wǎng)格計(jì)算的延續(xù)發(fā)展,云視頻技術(shù)是虛擬化、效用計(jì)算、基礎(chǔ)構(gòu)架即服務(wù)IaaS,平臺(tái)即服務(wù)PaaS,軟件即服務(wù)SaaS 等概念混合演進(jìn)的結(jié)果,如圖2,可以理解為一種分布在大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的、可按需動(dòng)態(tài)地部署、配置、重新配置以及取消的服務(wù)(李珊珊,2016)。
在系統(tǒng)構(gòu)架上,云視頻會(huì)議系統(tǒng)與傳統(tǒng)視頻會(huì)議體系有著巨大區(qū)別,如圖3所示,云視頻會(huì)議系統(tǒng)拋棄了傳統(tǒng)的視頻會(huì)議系統(tǒng)通過MCU組會(huì)—節(jié)點(diǎn)終端參會(huì)的硬件架構(gòu),對(duì)原有的系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了創(chuàng)新,云資源池替代了原有的MCU設(shè)備,將MCU設(shè)備的功能分解為各個(gè)模塊,模塊之間互為耦合,并可進(jìn)行靈活擴(kuò)展,將傳統(tǒng)的MCU的并發(fā)瓶頸更新為動(dòng)態(tài)資源池,從而打破了視頻會(huì)議系統(tǒng)的并發(fā)限制(郭建輝,2016)。簡單來說,云視頻系統(tǒng)由兩個(gè)部分組成:云視頻資源池和客戶接入端(即用戶端)。
云視頻的另一大特征是虛擬化部署,也就是將物理實(shí)體的服務(wù)器資源抽象成邏輯資源,從而實(shí)現(xiàn)將實(shí)體服務(wù)器變成多臺(tái)相互隔離的虛擬服務(wù)器,云視頻采用虛擬化部署方式,融合了面向服務(wù)的思想,利用了面向服務(wù)的架構(gòu),由云視頻服務(wù)提供機(jī)構(gòu)組建計(jì)算中心,將傳統(tǒng)的硬件視頻處理資源變成可動(dòng)態(tài)管理和分配的資源池,動(dòng)態(tài)資源分配的實(shí)現(xiàn)機(jī)制和虛擬化部署類似。同時(shí)引入資源租用的概念,當(dāng)某一終端發(fā)出虛擬會(huì)議室申請(qǐng)時(shí),平臺(tái)通過云資源管理模塊實(shí)時(shí)判斷當(dāng)前請(qǐng)求的并發(fā)處理需求,對(duì)當(dāng)前的實(shí)時(shí)請(qǐng)求隊(duì)列分配合理的資源,對(duì)于高并發(fā)處理的請(qǐng)求分配更多的資源,對(duì)于低并發(fā)處理的請(qǐng)求分配較少的資源。通過動(dòng)態(tài)資源分配,可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)側(cè)資源池的動(dòng)態(tài)調(diào)配,規(guī)避傳統(tǒng)方式下的單硬件環(huán)境(如單臺(tái)MCU)下存在的資源使用不均衡(系統(tǒng)使用時(shí)資源被單一業(yè)務(wù)占用,系統(tǒng)不使用時(shí)資源處于閑置狀態(tài))。
綜上所述,云視頻相較于傳統(tǒng)視頻會(huì)議系統(tǒng),其具有較明顯的優(yōu)點(diǎn):既能夠滿足不同終端用戶對(duì)于視頻信息的實(shí)時(shí)溝通和快速反應(yīng)能力的要求,同時(shí)又完成了對(duì)現(xiàn)有視頻計(jì)算資源(主要指MCU)的整合和擴(kuò)展,同時(shí)提供了優(yōu)秀的資源動(dòng)態(tài)分配機(jī)制,能夠有效地降低各級(jí)應(yīng)急指揮機(jī)構(gòu)的軟硬件建設(shè)和運(yùn)行成本。
3云南地震應(yīng)急云視頻原型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)筆者根據(jù)云視頻構(gòu)架基礎(chǔ)原理,將原型系統(tǒng)分為云平臺(tái)端和接入終端2部分來具體分析,由于接入終端通常是以單一硬件的形式存在,故本文主要考慮云平臺(tái)端的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。
從組成結(jié)構(gòu)上,云視頻平臺(tái)由多個(gè)數(shù)據(jù)處理和控制管理模塊共同組成,如圖4所示,一般來說,一套完整的云視頻平臺(tái)至少包含4個(gè)主要模塊:云資源管理器(監(jiān)控、管理和配置資源池)、云資源計(jì)算器(音視頻的編解碼計(jì)算)、云協(xié)作控制器(通訊控制、級(jí)聯(lián)管理)以及安全接入網(wǎng)關(guān)(遠(yuǎn)程訪問、媒體中繼)。
3.2原型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
云結(jié)構(gòu)從建設(shè)模型上又可分為公有云和私有云,采用公有云架構(gòu)理論上可為所有網(wǎng)絡(luò)授權(quán)用戶提供云計(jì)算服務(wù),可以充分發(fā)揮云計(jì)算超大規(guī)模的集群資源優(yōu)勢,提升經(jīng)濟(jì)效益,但正因?yàn)槠溟_放性的特點(diǎn),使得整個(gè)云平臺(tái)的安全性和穩(wěn)定性存在一定的安全隱患。私有云構(gòu)架則是出于對(duì)數(shù)據(jù)安全有著嚴(yán)格保密性而考慮的方案,在地震應(yīng)急期內(nèi),通過視頻會(huì)議系統(tǒng)承擔(dān)了大量的前后方應(yīng)急指揮調(diào)度工作,這個(gè)過程往往涉及諸多涉密數(shù)據(jù)和敏感決策信息的傳遞,因此,出于安全性考量,本原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)在地震行業(yè)信息網(wǎng)內(nèi)建立一個(gè)網(wǎng)內(nèi)私有云平臺(tái),行業(yè)網(wǎng)邊界防火墻、省級(jí)網(wǎng)絡(luò)中心二級(jí)防火墻以及平臺(tái)安全接入網(wǎng)關(guān)可為其提供了三重防護(hù)保障。在硬件組成上,筆者采用1套管理器、1套協(xié)作器和2套計(jì)算器組成云平臺(tái)端,云資源管理器負(fù)責(zé)整合現(xiàn)有指揮中心MCU資源,管理配置虛擬會(huì)議室,提供會(huì)議控制、監(jiān)控調(diào)度服務(wù);云協(xié)作控制器承擔(dān)各終端節(jié)點(diǎn)的訪問控制,連接管理。設(shè)備組成具體信息如表1所示。
為更好地模擬視頻會(huì)議系統(tǒng)實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用,筆者通過Ploycom RPRM管理組件為各接入終端規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)帶寬和音視頻協(xié)議,如表2所示。
在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的選取上,考慮到原型系統(tǒng)穩(wěn)定性和測試便捷性,使用一臺(tái)2層千兆交換機(jī)接入地震行業(yè)信息網(wǎng),各終端通過分配的IP地址訪問云視頻資源池,其最終硬件構(gòu)架連接如圖5所示。
連接建立后,筆者使用Ploycom RPRM管理組件添加了指揮中心現(xiàn)有的兩套R(shí)MX2000多點(diǎn)控制單元(MCU)作為云資源計(jì)算器,如圖6所示。
通過云協(xié)作服務(wù)器(DMA)進(jìn)行SIP協(xié)議注冊(cè)和網(wǎng)閘管理,連接完成后,通過云協(xié)作服務(wù)器(DMA)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控云資源池中處理器的連接和負(fù)載情況,如圖7所示。至此,一個(gè)基礎(chǔ)的云視頻平臺(tái)便搭建完畢。
3.3系統(tǒng)測試
如圖7所示,該平臺(tái)為網(wǎng)內(nèi)提供了包含240個(gè)標(biāo)準(zhǔn)720 P節(jié)點(diǎn)的組會(huì)連接服務(wù)。此時(shí),對(duì)于各外部終端而言,無需關(guān)注云資源池的組成結(jié)構(gòu)或運(yùn)作方式,其接入操作與傳統(tǒng)多點(diǎn)視頻會(huì)議接入條件并無明顯區(qū)別。運(yùn)行流程如圖8所示,當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)起會(huì)議請(qǐng)求時(shí),信令到達(dá)云資源管理器,由資源管理模塊根據(jù)當(dāng)前信令請(qǐng)求的畫面模式、連接速率、并發(fā)容量等進(jìn)行判斷,分配合理的視頻資源,加載當(dāng)前信令所需的會(huì)議模板,建立虛擬會(huì)議空間;如需要多臺(tái)MCU協(xié)作計(jì)算時(shí),由云協(xié)作控制器對(duì)承載虛擬會(huì)議空間的物理計(jì)算資源進(jìn)行實(shí)時(shí)協(xié)同調(diào)度,分配從而實(shí)現(xiàn)自助式的信令請(qǐng)求—資源分配—按需組會(huì)的基本流程。
圖9為某次地震應(yīng)急技術(shù)培訓(xùn)會(huì)設(shè)備聯(lián)調(diào)測試,我們使用一個(gè)終端向云平臺(tái)申請(qǐng)1個(gè)滿載容量48個(gè)720 P標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)的虛擬會(huì)議室,連接了云南省地震局2臺(tái)HDX測試終端、1臺(tái)黑龍?zhí)秾?shí)驗(yàn)基地HDX測試終端以及5臺(tái)省內(nèi)州市級(jí)指揮中心測試終端。在本系統(tǒng)中,除去已經(jīng)分配的48節(jié)點(diǎn)視頻會(huì)議室,平臺(tái)還可為網(wǎng)內(nèi)提供近200個(gè)720 P標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)的視頻計(jì)算資源,其計(jì)算資源實(shí)現(xiàn)了靈活調(diào)度和動(dòng)態(tài)整合,通過特定組件還可以對(duì)所有音視頻和帶寬資源實(shí)時(shí)跟蹤,指標(biāo)量化顯示,該原型系統(tǒng)已具備了虛擬化、通用性、彈性服務(wù)等云計(jì)算技術(shù)的核心特征。
4結(jié)論和討論endprint
地震應(yīng)急視頻會(huì)議系統(tǒng)是各級(jí)地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)的重要組成部分,是支持指揮部開展各項(xiàng)地震應(yīng)急處置的重要科技支撐手段。筆者本次研究基于現(xiàn)有指揮中心視頻會(huì)議系統(tǒng),構(gòu)建了一套云南地震應(yīng)急云視頻原型系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了異地外部終端的云視頻接入驗(yàn)證,為未來云視頻技術(shù)在地震應(yīng)急指揮體系中的應(yīng)用提供一定的技術(shù)原型和理論基礎(chǔ)。
受設(shè)備所限,原型系統(tǒng)所采用的系統(tǒng)架構(gòu)方法未涉及安全接入網(wǎng)關(guān),因此,本文未在視訊邊界服務(wù)和信息安全方面做過多探討,如果云視頻系統(tǒng)作為未來地震應(yīng)急指揮體系的一個(gè)工程化建設(shè)方向,其對(duì)外部網(wǎng)絡(luò)的邊界穿越和訪問控制功能將對(duì)云視頻系統(tǒng)的擴(kuò)展性和安全性提供極大的支持,需要重點(diǎn)考量。同時(shí)具備資源管理、資源計(jì)算、協(xié)同處理和邊界服務(wù)這4大模塊才能為一套成熟的云視頻平臺(tái)提供穩(wěn)定、安全的公共資源服務(wù)。
基于云計(jì)算大規(guī)模、虛擬化、通用性的技術(shù)特點(diǎn),使得云視頻技術(shù)在聯(lián)通性、低成本、高擴(kuò)展以及資源優(yōu)化方面的優(yōu)勢是傳統(tǒng)的視頻會(huì)議系統(tǒng)無法比擬的。筆者認(rèn)為,云視頻技術(shù)的應(yīng)用符合未來大多數(shù)省級(jí)地震應(yīng)急指揮視頻會(huì)議體系的發(fā)展思路,其未來在服務(wù)精確化、運(yùn)行智能化的應(yīng)用發(fā)展還大有可為,值得我們進(jìn)行不斷地探索和研究。
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