数字经济时代大型视频汇聚网络平台设计方法研究
邹汉铮，杨杰波，韩家俊
（中国移动通信集团云南有限公司，云南 昆明 650228）
1.1 研究背景
随着我国经济不断发展，视频监控已应用到各行各业。相关需求日益增加，传统监控系统已无法满足视频汇聚、分级处理及统一管理等视频监控需求，从而产生运用新型技术的视频汇聚网络平台。该平台根据对当前各行业应用场景分析，采用组网分级、协议转换、全云架构及数据分析等数字化技术，既保持原有视频监控系统的完整性，又保证汇聚平台的可靠性，实现了平台汇聚、资源共享和统一管理等功能。
1.2 视频汇聚主要困难
（1）承载网络不互通问题。视频汇聚平台在因应用场景不同，所使用的承载网络也不同[1]。主要的承载网络包括有线网络、无线网络和混合型网络。因此，如何统一规划合理布局网络环境，是实现大型视频汇聚网络平台网络互联互通的首要解决难题。
（2）对接标准与转码不统一问题。基于当前各行业需求，主要的接口标准有国标GB/T28181标准和其他自定义标准。要实现视频汇聚，除了把不同接口标准进行统一，也要解决视频源转码问题，从而减少平台互联互通成本，保障平台规范汇聚统一管理。
（3）跨厂商设备难管理问题。视频汇聚面临新建系统与存量系统的融合汇聚和多厂商的硬件管理问题[1]。不同厂商的硬件编码格式标准不一致，导致维护管理效率低。因此，统一调度管理和规范化标识跨厂商设备，也是亟须解决的难题。
（4）视频汇聚应用平台难设计问题。行业特性、应用场景和功能需求差异性是在设计视频汇聚平台时必要考虑的前提。只有结合生产环境，才能合理有效地规划设计出高效可靠的视频汇聚平台。
1.3 研究目标
视频汇聚网络平台发展至今，为以上问题提供了解决思路和方法。该平台中运用如云计算、云存储、大数据等核心技术，不仅解决了传统监控系统的延迟延迟、误报和孤立等缺陷，同时也实现了区域间的视频联网、资源共享、分级设计和视频汇聚的功能。
本文通过研究视频汇聚网络平台组网方式、互联汇聚和平台设计，构建出一套视频汇聚网络平台通用解决方案，充分体现了平台跨区域汇聚、统一规划和统一管理的特点，为在数智化治理中设计、实现、应用大型视频汇聚网络平台提供通用的思路。
视频汇聚网络平台设计，主要从三个方面进行规划设计：一是分层组网；
二是平台接入设计；
三是规划建设汇聚管理平台。
2.1 分层组网
在视频汇聚网络平台网络架构设计，主要从业务安全和稳定传输的角度出发，使用运营商PTN传输技术以及VPN专用网络或互联网、网关服务器和防火墙等技术实现。不同区域间的互联组网设计按照省、市、县三级分层互联，确保平台的完整性和一致性。
2.2 视频接入
在设计过程中视频接入，依据GB/T28181标准设计。对于支持GB/T28181标准的设备，通过视频专网将数据汇聚至视频汇聚平台；
对于不支持GB/T28181标准的设备，在视频接入网关对接入设备提供SDK或API接口进行二次开发，再汇聚至平台。在视频转码接入方面，根据平台使用场景和资源灵活选择解码方式。
2.3 平台汇聚
在平台汇聚方面，从解决接入资源分散孤立、组网多样复杂以及统一管理共享等角度思考[2]，采用以数据驱动的SOA体系为主体的总体架构，实现资源整合汇聚、平台分析处理和组网多样适应能力的平台要求。
本文以层次递进、标准规范和体系设计为总体设计思路，保障了视频资源的有序汇聚，对实现规模化、具体化和行业化的视频汇聚设计提供参考设计思路和方案。
3.1 视频网络架构设计
大型视频汇聚网络平台涉及省、市、县三级视频流汇聚[3]，为确保端到端的有效连接，一二级组网采用PTN传输技术。考虑到视频监控传输质量和传输时延，省市互联采用不小于200 Mbps的数据专网线路，市县互联采用不小于100 Mbps的数据专网线路。应用平台内部和平台间互联的网络性能指标遵循GB/T28181—2016中规定的服务质量等级，视频专网IP地址规划由省级机构统一规划制定，再由各市级中心分配使用，避免造成IP冲突。视频网络架构设计是大型视频汇聚网络平台规划设计阶段的关键点，也是减少实施构建平台时的重要工序。
大型视频汇聚网络拓扑设计如图1所示。省级系统通过省级核心交换机和视频汇聚平台服务器互联传输数据，实现对市级指挥中心视频资源的调用和共享。市级系统通过市级汇聚交换机和市级汇聚平台服务器连接，实现对县级前端视频信息的存储和资源调用。县级汇聚平台通过接入交换机与县级汇聚平台连接，保证前端视频资源的稳定传输和快速调用。
图1 大型视频汇聚网络应用平台网络拓扑图
3.2 一级二级网络
一级和二级网络组网，主要是为了实现视频资源的汇聚、存储及资源调度。通过省级核心交换机和市级汇聚交换机横向接入运营商PTN省干、市网络业务专网，并承载传输汇聚的视频资源。
3.3 末梢接入网络
末梢三级网络组网，通过运营商有线网络、无线网络直接对接到末端设备。其中，有线网络传输是常见的接入方式，它具有较强抗干扰和较小光衰特点；
对于传输环境空旷、距离超长和不具备实施布线条件的场景，采用微波传输接入方式；
针对传输距离较远和对视频实时性要求不高的场景，通过远程监控软件和4G网络传输接入方式实现。
大型视频汇聚网络应用平台通过如上分层分级组网，实现网络互联关系明确、层次分明、兼容组网类型和清晰定位问题的功能，方便各行各业依据自身场景需求扩展业务。
跨平台接入和对接设计，主要从不同设备硬件管理及编码方式和不同标准视频码率的解码转码两个方面进行规划设计。
4.1 平台标准接入
平台标准接入的统一和规范设计从国标标准、非标设计和编码规划三个方面考虑，是实现视频汇聚的基石。
（1）标准接入设计。平台接入标准主要分为国标平台级联和非国标平台级联。为了实现资源整合、统一管理和规范运行，视频汇聚平台需统一为国标接入。对市级中心视频汇聚平台，采用国标GB/T28181—2016与省级中心视频汇聚平台进行级联[1]。其他建设时间较早或利旧接入平台及设备在采用非标平台标准化的模式通过国标改造或增加国标网关，以实现国标化接入。若无法提供满足以上对接要求，则可以考虑替换平台，或者采用直接设备接入的方式进行接入。
（2）非标接入设计。针对无视频汇聚平台或平台不支持对接的场景，以摄像机是否支持GB/T28181标准设计非标接入方式[2]。对于支持GB/T28181标准的摄像头，以专网传输形式将设备通过国标协议接入省平台，再由省平台直接对设备汇聚的数据进行管理。对于无视频汇聚平台且前端摄像机不支持GB/T28181标准的，由摄像机厂家提供SDK或API接口进行二次开发，实现非标转化。
（3）设备编码统一。规范设备编码在平台展示中对设备统一管理起到重要作用。在规划时要考虑平台未来对外共享时编码的一致性，通过参考GB/T28181—2016的编码规定和实际场景对网络等信息进行收集分析和统一编码，达到省市县多区域的有效管理和控制的目的。
4.2 视频转码接入
设计视频汇聚应用平台的视频转码部分时，需结合平台规模和平台节点，保障在有限带宽下传输更高质量的网络视频的前提下，尝试不同编码参数设置和编码效果，以达到业务场景需求。
当前主流的解码方式有软解码和硬解码两种。
（1）软解码方式。它是由CPU负责解码并直接播放的方式，其优点是不受视频格式限制、画质略好于硬解码，但存在高清视频流畅性没有硬解码好和对CPU性能要求高的缺点。
（2）硬解码方式。它是由显卡核心GPU对视频解码的方式，优点是CPU占用率很低、播放流畅和功耗低，但存在受视频格式限制、画质一般的缺点。
因此，在多平台视频码率解码过程，对于CPU资源充足的场景，采用软解码方式；
对于CPU资源有限且视频格式符合硬解码的场景，采用硬解码方式。
视频汇聚的应用平台设计主要从数据汇聚方式和应用平台设计方式两方面研讨，运用核心技术能力实现平台资源整合、分析处理和组网多样适应的高可靠性和高可用性[3]。
5.1 视频数据汇聚
视频数据汇聚的实现是本文研究核心所在。在视频汇聚平台方案设计中，按照省市县三级设立不同功能的子系统，以实现视频数据流的源端采集、中心汇聚和终端管理的联动交互功能。视频汇聚平台由以下功能子系统组成。
设备接入网关用于接入国标或非国标的摄像机，实现摄像机和平台的媒体流与信令流的传输。流媒体服务器，实现对流媒体内容进行采集、缓存、调度和传输播放。视频存储服务器存储从前端摄像机采集的视频。平台中心管理系统提供汇聚平台的人机交互和资源管理等基础功能。视频质量诊断子系统保障前端摄像机采集的视频质量。通过以上结构，实现平台数据应用、分析、可视化展示以及监管的功能，为大型视频汇聚网络平台管理提供完备的业务系统信息化覆盖。
5.2 视频汇聚应用平台设计
大型视频汇聚网络平台需要具备处理TB级别以上的视频汇聚流能力，因此在设计时采用主流的全云架构。该架构中运用云计算、云存储、大数据等核心技术，构建起全栈云化、全境智能、全云协同的解决能力，实现软件与硬件、数据与应用的全面解耦，提升视频资源的互联互通和视频智能分析的应用效果，高效整合视频资源。
视频汇聚平台采用ARM平台基于容器云平台，利用高性能分布式计算、存储框架，结合Web Services接口定义不同的Web组件，实现共同操作的消息收发框架。同时为用户提供高密动态弹性的共享资源池，实现跨平台支持多级视频管理联网和智能跨域协同的能力。
本文对如何构建省市县大型视频汇聚网络平台提供通用方法。一是在省市县视频网络建设方面，通过分层分级实现互联互通和网络汇聚。二是在省市县编码结构方面，构建统一标准编码规范，有效管理设备资源，提升视频汇聚网络平台建设、改造和升级能力。三是在视频汇聚平台建设方面，以汇聚为核心构建出完整可靠且可迭代的视频汇聚网络平台。
根据以上方案，实现以下视频汇聚应用五大核心能力①汇聚：实现视频监控资源的汇聚接入，保障视频监控管理平台数据统一、规范和共享。②监控：实现实时视频流和视频录像等多方式查询浏览。③控制：实现对前端视频监控设备的分权控制。④管理：实现对各类接入设备的管理和控制。⑤应用：实现对行业视频资源的智能化解析应用。
本文为大型视频汇聚网络平台构建提供了设计方法与思路，可推广应用到智慧城市、公安、交通、消防、林业、农业、应急等各行各业，以视频能力构建起社会数字化治理的全新模式。■
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