智能切换系统的设计和应用

田晨光

（作者单位：宁夏广播电视台）

安全播出是广播电视的生命线，近年来我国对于电视安全播出的质量要求越来越高，安全要求越来越严。传统的电视安全播出主要依靠人工进行故障的判断和应急处置，往往因为错误判断和操作失误，造成重大或特大安全播出事故，给广播电视台造成极大的负面影响。随着广播电视技术向着数字化、网络化、智能化方向发展，单纯依靠人力保证安全优质播出已不能适应当今广播电视迅速发展的要求。通过对广播电视技术的不断探索和新技术的应用，设计建设电视智能应急自动切换系统，可以满足电视安全播出的需求，为安全播出提供坚强有力的技术保障[1]。

《广播电视和网络视听“十四五”发展规划》（以下简称《“十四五”发展规划》）强调，健全现代化安防播控体系，筑牢守好广播电视和网络视听阵地，坚持总体国家安全观，统筹发展，落实意识形态工作责任制和安全播出责任制，按照“字字千钧、秒秒政治、天天考试”的要求，把好关口、守好阵地，强化安全播出，全面提升技术保障能力。不断加强安全技术装备，强化广播电视安全播出应急演练，着力提升广播电视系统的安全防护、运行维护、应急处置水平，筑牢安全播出屏障。《“十四五”发展规划》提出加强智慧广电运维新技术研发应用，建立广播电视智慧运维体系，不断提升广播电视各技术系统故障判断、故障分析、应急处置、技术巡检、远程调控等自动化水平和工作效能；进一步推进安全播出新技术的应用，实现“以技术对技术，以技术管技术”的总体要求，强化广播电视制播传输、安全管理、预警监测、应急处置系统能力，不断提升数字化、网络化、智能化和信息化水平[2]。

在电视播出系统中，传统的电视播出监测系统主要是对电视播出信号进行监测，对于监测出的异常信号（黑场、静音、静帧等故障画面）也只限于提供声、光、电报警，并不能对异常信号进行自动应急处理和干预，完全要依靠人工方式进行故障判断和应急处置。电视播出系统结构复杂，系统环节设备多，信号复用广，导致电视播出信号输出故障难以在短时间内被排查出来，给应急处置带来了极大的困难和挑战；人工应急处置对于值班人员的业务要求非常高，值班人员不仅要非常熟悉电视播出系统流程，时刻保持应急处置的工作状态，更要在很短的时间内进行正确的应急处置。国家广播电视总局将电视播出事故划分为一般事故、重大事故和特大事故。重大事故界定为重保期的重点时段（省级上星频道 ≥10 s）、非重保期的重点时段（省级上星频道 ≥20 s）、重保期的日常时段（省级上星频道 ≥45 s）、非重保期的日常时段（省级上星频道≥1 s），以上因素都给值班工作带来了不小的挑战，传统的人工应急处置方式已不能完全满足现有的电视播出安全保障需求。

为切实做好电视安全播出工作，引入了智能应急自动切换系统，该系统的设计理念是将电视播出视音频信号采集、监测、比对分析及自动应急切换功能汇集于一身，满足电视播出安全化、智能化的要求。智能应急自动切换系统可以对电视播出系统主、备链路中各节点的视音频信号进行实时异态监测，并对主、备链路中的同一视音频信号进行一致性比对，完成逻辑分析判断，通过预设策略机制和比对结果，可以实现对电视播出系统中主、备链路的故障信号进行自动控制切换，确保主、备链路信号播出正常。该系统提供自动/手动两种应急切换模式，自动切换精度可达到毫秒级，并拥有配套报警机制，通过语音、声光、图像、文字等形式对值班人员进行全方位提示告警。

1 系统架构

根据现有电视播出系统架构，将智能切换系统植入电视播出系统中。首先，智能切换系统作为辅助系统，不会影响电视播出系统原有的整体架构和正常运行。智能应急切换系统首先对电视播出系统环节上主、备链路及各节点信号进行多路实时采集，并对分组后的信号内容进行异态检测，实施一致性比对。其次，每组比对任务可完成多个监测节点之间的信号比对，通过一致性比对配置参数执行多个比对任务。再次，智能应急切换系统根据应急策略对主、备链路节点上同一视音频信号进行一致性比对，并分析产生比对结果，如果出现单路节点比对异常，将触发应急切换指令，如果出现双路节点比对同时异常，将触发报警机制，提请人工手动干预策略。

智能应急切换系统主要由智能汇总管理平台、视音频信号采集模块、视音频信号监测报警模块、一致性比对分析模块、智能切换模块等部分构成。智能汇总管理平台作为该系统的大脑，具有异常结果汇总过滤、比对结果汇总过滤、多组异态结果逻辑判断、多组比对结果逻辑判断、异态时长阈值判断、比对不一致时长阈值判断、应急面板指令发布、UI界面（用户界面）告警结果推送、检测结果数据库记录等功能。

视音频信号采集模块、视音频信号监测报警模块、一致性比对分析模块为该系统核心应用模块，主要负责电视播出系统信号的采集、信号异常监测、信号一致性比对分析，并将检测结果发布给智能汇总管理平台。视音频信号监测报警模块主要是对采集后的视音频信号进行实行监测，对采集信号的监测范围包括静帧、黑场、彩场、彩条、信号丢失、静音、左/右声道音频反相、幅型变换、台标、高清时钟、特定包装图案、底飞字幕等[3]。一致性比对分析模块负责对主、备（或多组）视频信号之间差异、延时、偏移进行分析，主要是基于视频信号的图像匹配，采用图像内容匹配检测、视频信号延时测量和像素漂移检测。可基于图像匹配方法，包括图像内容匹配、像素漂移检测。一致性比对分析模块支持比对模板的创建，过滤不需要比对的区域，可以根据用户的实际情况设置异常故障报警阈值和比对忽略阈值。

智能应急切换系统（见图1）在进行信号监测的同时，将采集信号转为IP流发送到客户端工作站，为值班人员提供高质量、低延迟的IP信号预览。智能汇总管理平台通过串口线缆与应急切换面板连接，应急切换面板经通用接口（General Purpose Interface，GPI）与电视播出系统末级信号切换3选1倒换设备互接，通过逻辑分析和门限阈值，智能汇总管理平台可控制3选1倒换设备来实现主路、备路、二备信号的应急切换，同时应急切换面板的状态与客户端显示界面的信息保持同步一致，确保智能应急切换系统能够稳定可靠运行。

图1 智能应急切换系统关联图

2 核心技术模块

智能应急切换系统的核心部分是由视音频信号采集模块、视音频信号监测报警模块、一致性比对分析模块和智能控制切换模块相互协同工作，共同完成电视播出信号的监测、报警、一致性比对分析和自动应急倒换。

2.1 视音频信号采集模块

智能应急切换系统采用专业视音频采集服务器，配置嵌入式专业视音频采集板卡，实现一机多卡、一卡多路的采集功能，满足广播电视系统标清（SD）或高清（HD-SDI）接口的视音频信号采集，串行数字接口（Serial Digital Interface，SDI）是广播电视专业通用标准接口。视音频信号采集模块对电视播出信号进行实时采集和编码，并将视音频信号转为IP流推送至一致性比对分析服务器和客户端工作站。

2.2 视音频信号监测报警模块

视音频信号监测报警模块主要采用的是逐帧检测的方式，目的是以最快的速度发现异常情况，以达到最高的灵敏度。视音频监测的异常范围主要包括视频丢失、黑场、静帧、台标异常、彩条、彩场、静音、左/右声道音频反相等。

视音频信号监测报警模块配置异常监测报警门限，主要基于频道等级、重要保障期、重点时段、报警持续时长、责任单位属性来设定报警等级和判定规则。系统也可以根据选择的报警频道属性和报警等级自动匹配报警参数，值班人员可以对报警结果进行审核。而在实际电视节目播出特效中经常会出现短暂的黑场、静帧、静音等内容，为避免系统频繁出现误报信息，提高监测的准确性，在此需要配置异常监测报警门限，并优化报警参数。异常监测报警门限设定主要依据是广播电视专业技术指标和国家广播电视总局界定的安全播出事故等级标准。

2.3 一致性比对分析模块

传统信号监测报警系统只能监测单一信号的状态，不能对所监测的信号进行一致性比对和分析。一致性比对分析模块主要负责电视播出系统中同一信号内容在主、备链路上的相关性比对，利用帧间提取特征值算法对信号进行比对分析。当电视播出系统主、备链路中出现了单路音视频信号异态，该模块根据比对信号分组进行比对分析，依据逻辑策略，快速定位。因为电视播出系统建有统一的同步系统，所以同一信号在经过不同链路和不同设备时，延时差异并不明显，但是不同链路上各设备编解码方式有所不同，所以视频和音频信号会有不同的细小差别，对于这种人眼无法识别的差异，一致性比对分析模块也可以快速识别和判断，为整个播出系统应急响应提供依据。

2.4 智能控制切换模块

智能应急切换系统在满足触发条件时，能够快速进行自动倒换，对即时性故障做到1 s内完成自动倒换（如信号丢失、黑场、彩场、彩条等），对于其他需要时间累积的故障（如静帧、静音等），系统能够以最快的速度进行处理且时间不超过3 s，应急切换时间完全符合国家广播电视总局界定的播出事故最小范围。

智能控制切换模块在系统中配置客户端工作站、应急切换面板、3选1倒换设备、报警音箱、显示器。客户端工作站主要是为值班人员提供系统播出信号界面展示和声光报警，负责人机交互，实现信号节点的画面预览、触摸屏应急切换、文字报警提示、语音报警、自动倒换提示、日志查询及系统运行状态等功能。应急切换面板提供自动/手动两种切换模式，在自动模式下，系统根据比对分析检测结果，作出逻辑判断，由应急切换面板通过GPI控制主、备链路3选1倒换设备，实现信号的倒换，并且在面板上可以实时反馈在播信号源的状态。在特殊情况下，可以切换到手动模式，手动模式具备最高优先权。应急面板内置蜂鸣报警器，并具备面板锁定功能，可有效避免人为误操作。此外，应急切换面板配置心跳检测接口，定期发送心跳监测数据给智能汇总管理服务器，服务器可以实时检测其在线状态，如发生意外掉电或设备故障，系统会及时发出报警提示。

3 相关技术

3.1 信号比对节点的选择和数量

为确保比对分析结果的准确性，对信号比对节点的选择就尤为重要，可以选择主、备链路间不同设备的信号比对分析，主、备链路末级信号的比对分析，主、备信号源之间的比对分析[4]。一致性比对分析模块能够实现多组同一信号的比对和分析，并根据用户需求选择相应的策略、多种比对组合逻辑，适配不同应用场景、不同节目特性、不同时段，完成异态信号的比对分析。

信号节点的比对分析数量越多，比对关系任务越紧密，比对分析产生的结果越精确。比对分析节点的关系任务可根据实际情况进行手动调整。具体比对关系如图2、图3所示：

图2 高清信号比对关系设计

图3 高清—标清信号比对关系设计

3.2 一致性比对分析技术

一致性比对分析模块作为系统的重要核心，主要是对视音频信号的一致性进行比对分析，有效地测量主、备链路视音信号之间的差异、延时、偏移。一致性比对模块通过特殊算法提取特征值来进行比对分析，特征值是一组能够完全表征视频图像内容或音频内容的关键数据。该模块对采集后的视频节目进行逐帧区域划分，主要是寻找视频图像中的关键点及其坐标位置，以及关键点周围的光照变化信息等。音频特征值按照时间进行分割，对采集音频脉冲编码调制（Pulse Code Modulation，PCM）数据进行分帧处理，并对分帧处理后的每一帧数据进行特殊计算，将音频数据从时域转换为频域数据，然后从频谱分片获取音频特征值。在进行特征值提取时对每帧视频特征值和音频特征值赋予连续计数标识，可以作为比对同步的依据。

一致性比对分析模块在比对环节中建立视音频特征值缓冲区，在缓冲区内对视音频信号进行初步同步，比对服务器在一个比对任务中会收集两组特征值进行比对，假定其中“a1”和“b2”对应的画面内容是一致的，“a2”和“b3”对应的画面是一致的，以此类推，“a(N-1)”和“b(N)”对应的画面是一致的，“a1”和“b2”在各自数组中的位置分别是第1个和第2个，1-2=-1，-1就是经过查找同步确定的帧差参数，初步建立同步关系[5]；此时，还须建立精确同步关系，当信号中出现转场关键帧，可以利用转场关键帧作为同步的判决条件，建立精确同步，直到比对关系结束。

3.3 触摸屏技术

触摸屏的设计是将屏幕监看和应急切换合而为一，以便捷的方式显示“主路、备路、二备”当前可用信号的状态，并提供在播信号的监看功能，还可以为用户提供系统的运行模式、报警提示和播出日志信息等。触摸屏拥有多种显示布局模式，可以实现单个频道监看，也可以同时划分多个频道的信号监看，每路监看信号可标识不同颜色来区分播出信号的状态，为人工手动应急提供快速判断和选择。

触摸屏作为应急切换面板的辅助设备，通过触控屏按键提供快速人工手动应急切换，还可以实现一键多切和一键全切的应急操作模式，也支持多点触摸，实现“组合键”操作设置，同时在保护模式下，可实现强制切换操作，从而有效提高触摸屏使用的安全性[6]。

4 结语

智能应急切换系统的使用为电视播出系统的安全性带来了保障，实现降低安全播出差错率和事故等级，提高安全播出运行与管理水平的目标，减轻了一线值班人员的工作压力，提高了电视播出安全保障能力，为智慧广电转型升级提供了新的思路，也是落实国家智慧广电战略的重要体现。