新一代全国天气预报视频会商系统的设计和建设_刘然.pdf

气象科技 第 卷第期 年月 ，新一代全国天气预报视频会商系统的设计和建设刘然陈永涛李小汝贺俊彦朱玲玲（国家气象信息中心，北京 ）摘要为解决全国天气预报视频会商系统在自由交互、应用场景和自动化操控等方面的不足，设计建设了新一代全国会商系统。该系统基于云计算和虚拟化技术建成了专有云部署的气象云会商平台，弥补了天气会商在互联网接入方面的短板，拓展了天气会商在公务出差、跨部门联动等场景中的应用。同时，通过将分布式技术应用于会商主控中心，实现基于 编解码的大容量信号交互和传输，与原有系统相比交互能力提升超过 倍，自动化会议操控技术的引入提升了会议管理和调度能力，也将操作复杂度显著降低。该系统于 年月正式启用以来，在国庆 周年等重大活动服务保障以及气象部门抗击新冠疫情工作中均发挥了巨大作用。关键词视频会商；天气预报；主控中心；编解码；运维保障中图分类号：文献标识码：气象科技国家气象信息中心山洪地质灾害防治气象保障工程 年信息系统支撑能力建设项目资助作者简介：刘然，男，年生，硕士，高级工程师，从事气象信息系统设计与运维，：收稿日期：年 月 日；定稿日期：年 月 日通信作者，：引言全国天气预报视频会商系统始建于 年，年月正式投入业务运行，多年来在台风等重大天气过程预报、重大活动气象服务、人工影响天气、预报技术研究等相关工作中均发挥了重要作用 。年全国会商系统首次将天气会商图像清晰度由过去的标清提升到了高清画质，同时也采用了当时先进的大容量视频矩阵设备和光纤通信技术对信号进行汇聚和传输，每年支撑的会商会议数量接近 次。但随着新的视讯技术不断出现，全国会商系统的局限性也愈发的明显，主要体现在以下方面：接入能力不足，应用场景受限。主要接入气象部门会商室，对桌面和互联网移动端应用难以支持。“钉钉”、“腾讯会议”等视频会议系统虽能满足移动端自由会议的需求，但因与传统会商系统在网络和系统层面异构明显，难以相互结合，无法参加天气会商。在场景方面主要支撑行政性电视电话会等对形式有固定要求的会议，不能自由发言，且多场会议同时召开能力有限。国省地县级交互能力不足。随着会商系统规模不断增大，仅省级会场数量就超过 个，传统依靠矩阵、光端机等组成的视频信号交换系统，面临着系统庞大、连接复杂的瓶颈，无法为中央气象台、局应急指挥大厅等会场提供大容量和低延迟的信号交互。因国省地县技术标准不统一，大量地市和县级会场无法与国家级视频互动。会议保障操作复杂，故障率高。会议中需对数百台设备进行操作控制，步骤复杂、繁琐，缺乏自动化技术支撑，导致会前准备耗时长，无法即时开会或多会议并发，且人工操作比例较高，出错几率大，导致故障率较高。为此，本文设计并建设了新一代全国天气预报视频会商系统，它通过视频融合技术解决了互联网异构视频会议系统接入问题，拓展了视频会商的应用范围，同时采用全新的分布式 编解码技术整合了气象部门视讯会议资源，并通过自动化操控技术显著提升了会议控制的集中化和自动化程度，提高了会议保障的效率和可靠性。系统设计 总体架构为提升全国气象部门会商接入能力，新一代全国会商系统在北京设置主控中心作为中枢节点，覆盖种通信网络，联通了 个国家级业务单位、个外部门会场及 余个省级业务单位会场，形成了通达国省地县级气象部门，天地一体化的全国会商一张网，图所示为全国会商系统的总体架构。同时，在北京主控中心配备了大容量的多点控制单元（）及音视频设备，负责多方并发会议的呼叫和控制。位于北京的各国家级业务单位通过高速局域网与主控中心连接，个省、余个地市和 多个县及香港和澳门气象部门则通过全国气象宽带地面网络（）连接。为满足应急通信、国际会议等接入需要，系统还支持卫星通信网和互联网的接入，同时也与部分部委和高校建立会商专线，用于支撑跨部门联动或局校合作。图全国会商系统总体架构 系统组成为满足国省地县联动需要，会商系统采取了级部署的方式，各级之间采用了上下互联的方式，并可以多级级联。除县级系统较为简单，只设置单独的会场外，其它各级均包括一个控制中心和若干会场，由主控中心负责级联和本级会场接入。县级以上会商系统的组成如图所示。其中国家级控制中心负责全国会议的调度和管理，省和地市级控制中心则只负责省内会议的控制，各级根据场地和设备规模，设置正规的会议室形和简易的非会议室形会场。主控中心由会议调度子系统、信号切换控制子系统、接入及传输子系统、显示及扩声子系统等部分组成，主要部署在气象局域网内，在互联网区域则部署视频会商云端平台。其中会议调度子系统包括多点控制单元（）、网守（）等设备，实现会议的发起、调度和控制。接入及传输子系统则实现会场内或各会场间视音频及计算机图像等视讯信号的双向交互。信号切换控制子系统实现视讯信号的分配、切换、监视监听及控制。会场则主要包括终端子系统和显示及扩声子系统，大型的会议室也会包含信号切换控制和接入传输的功能（如矩阵和拼接显示墙等），简易的会议室（如县级）则只需要使用电视、显示器、音箱等设备。为丰富系统应用场景，新一代会商系统支持会议室型终端、桌面型终端、软终端和移动终端种不同形式，其设备特征及应用场合如表所示。第期刘然等：新一代全国天气预报视频会商系统的设计和建设图县级以上各级会商系统组成表各类型会议终端特征对比终端类型设备特征应用场合会议室型终端标准服务器机柜安装，配置多输入输出接口，外接视频和音频设备会商或电视电话会，一般有多人参加桌面型终端小型嵌入式设备，集成视音频外设，带小型显示屏个人在 办 公 室 等 场合参加的内部会议软终端安装在台式电脑上的应用软件，使用电脑自带视音频外设一般用 于 非 正 式 会议，在居家情况下用于正式会议移动终端安装在手机等移动设备上的应用程序（），使用设备自身视音频外设一般用 于 非 正 式 会议，在 室 外、场 馆 内等不便 用 软 终 端 参会的情 况 下 用 于 正式会议 功能设计 多方并发接入具备至少个会议并发呼叫能力，并可共享高清晰度（）视频和计算机信号。通过云会商平台支持最大 方互联网并发呼叫，采用分层视频编码（编码）解决因互联网线路带宽不稳造成的视频质量下降问题，并通过视频融合实现互联网会场与气象局域网会场共同参会。具备会议呼叫的冗余热备份能力，除物理接入板卡之间相互备份，还设置多点控制单元 整机热备，主备机之间可以在 内完成会议呼入的自动倒换。气象科技第 卷 大容量信号交互及低延时传输通过标准的 和 协议接入多种类型视频终端，支持地市和县级会场跨级或以上级联方式接入。在同级系统中，由主控中心负责本级各会场的信号接入，并支持具备拼接大屏幕的专用会商室对多路会商信号的收看需求。传统会商主控中心一般采用多台大容量矩阵级联，搭配电视墙服务器和视音频光端机的架构 来实现主控中心与同级会场间的信号交互。但这种方式设备连接复杂，后期维护和操作难度较大。新一代会商系统采用基于 编解码的视音频传输技术，通过主控中心万兆网络交换机构建高速的视音频信号交换网络，形成国省视讯资源池，其组成结构如图所示。网络中的源端编码盒将高清图像发送到网络中，在网络中的任意节点都可以使用解码盒还原图像，且解码延迟低于 。图国省视讯资源池组成结构 自动化集中控制与监视通过 接口对接类 台设备，在一个屏幕上实现集中式会控操作。为尽量避免日常操作的繁琐 ，在设备控制过程中还引入自动化设计，进一步降低操作复杂度。利用视讯资源池实现对信号切换时的画面在线预览，做到“所见即所得”，通过鼠标的拖拽即完成信号的切换，最大限度减少出错可能。同时在主控中心搭建专用显示墙或拼接大屏幕，对各会场画面进行集中监控，单屏分辨率不低于 ，且拼接缝隙小于等于。整个屏幕可显示任意布局多画面，对重点会场能跨屏放大。为满足会商过程的点播和回放需要，通过直接解码会议码流方式对不少于个会议进行同步录制，较采用外置的采集卡录制方式 减少一次编解码过程，明显提升录像的质量，并将码流推送至移动 端，统一通过国家级气象业务内网对用户提供服务。网络设计新一代全国会商系统在建设时就考虑了新旧系统的平滑过渡。为此新的国家级主控中心选址与原址不同，并通过宽带网互联交换机对会商网络进行了延伸，其网络系统设计如图所示。该设计使得新旧系统可以同时在线，新系统边建设边测试，在条件具备后可即时投入使用，原有系统则可作为降级备份。为确保中央气象台会商室网络的双路由备份，会商室到新主控中心还建设了备份光缆，对于其他会场，也逐步利用中国气象局园区内的联络光 缆，建 立 各 分 会 场 到 新 主 控 的 备 份 光 缆路由。第期刘然等：新一代全国天气预报视频会商系统的设计和建设图国家级会商主控中心网络系统设计关键技术 基于专有云的云会商平台云会商平台是近年来互联网视频会议领域发展的热点 ，其特点是可以在云端基于软件部署实现 的主要功能。但市场上常见的云会商产品往往自成体系，可独立召开会议，却无法与全国天气会商系统这样传统的 视频会议系统进行对接。新一代全国会商系统建设的气象云会商平台，成功实现了互联网视频会议与气象专网会商的融合。它以国内自主研发的小鱼易连互联网视频会议产品为基础，在国家级进行了专有云部署，其系统结构如图所示。通过专门研制的 融合网关，可以主动将云会商平台上的会议室呼入全国会商，而反之后者则不被允许主动加入全国会商。同时，气象云会商平台支持硬件终端、电脑、手机 等多种载体，适用于会议室、办公室、居家等多种应用场景，使用户既可自由召开互联网会议，也可以随时接入全国天气会商并进行发言。同时，根据气象部门属地化管理的要求，气象云会商平台在用户注册和管理方面也进行了针对性设计。基于友好企业的跨平台用户信息互信机制，使得国省气象部门乃至应急管理部、水利部等部委之间各自建设的云会商平台可以组成一张虚拟的大网，用户只需在一个平台进行注册，即可参加大网内其他用户发起的会议，极大地便利了国省协同和部门联动。全 化的分布式视讯交换平台全 化的分布式视讯交换平台基于以太网络建设，与分布式计算机系统特点相似，具有良好的扩展性 ，较之矩阵级联方式可更好支撑各级主控中心大容量视讯信号的交互。根据系统架构的不同，分布式交换平台又分为有中心节点（星状）和无中心节点（网状）种形式。星状结构需中心服务器，负责接收编码盒码流，并向解码盒进行转发。码流转发可用组播也可用单播，更适于跨网段（如国省级之间）图像传输。中心服务器对所有图像进行预览和管理，管控能力强，但缺点是一旦瘫痪，平台将无法使用。而在网状系统中，解码盒直接向编码盒气象科技第 卷请求图像码流，规避了中心节点瘫痪的风险。但为减轻盒端的传输压力，网状系统一般只使用组播，这使其更适于单个楼宇或中国气象局园区内传输。图所示为星状和网状系统的对比示意图。图主控中心云会商平台组成结构图星状和网状结构分布式视讯交换平台对比在编解码时，可采用 或 等算法对图像进行深压缩编码，这种方式码速率最低可到 以下，虽图像还原时质量会有损失且有编解码延迟，但不影响主观感受，且对网络带宽和交换机能力要求低，建设较容易。如采用 、等算法进行浅压缩编码，单路图像的编码速率可以达到 以上，但需建设专网，并配置高性能的网络交换机，建设成本高。综合考虑后，国家级主控中心采用了深压缩结合星状结构的分布式平台，充分利用了现有全国会商网络，国家级采用组播交换，国省之间则采用单播交换，可实时交互信号超过 路，较原有系统提升超过 倍。第期刘然等：新一代全国天气预报视频会商系统的设计和建设 高度集中的综合会议管理平台会商主控中心的会议保障需要实时进行大量的控制操作。但以往这些操作分散在网页、客户端等多个页面，有些还需面板按钮操作，为保证操作及时性，分为会控、导播和音控个岗位同时操作。为此，本文开发了集中式的综合会议管理平台，通过 接口调用实现对 、视频终端、分布式平台、音频处理器等各类会商设备的集中控制，解决了原有操作界面分散的问题。同时，该系统针对可以贯序执行的操作采用一键式调用，缩减了大量操作步骤，也使值班岗位得以精简为个。正常情况下全部操作基本由主班岗人即可独立完成，副班岗只需登陆备用页面随时做好接替准备即可。图所示为改进前后会前调试阶段的操作流程对比，左侧为原有主控中心操作步骤，多达 项，改进后不仅减少个岗位，且操作步骤精简到 项，减幅超过。图主控中心操作流程改进前（）后（）对比应用情况新一代全国会商系统于 年月上线运行后，年支撑会议超过 场，保障时长近 ，较之前同比增加超过，近年来的年度会商保障数量如图所示。在台风“利奇马”、长江流域汛情等灾害性天气过程预报 以及国庆 周年、建党 周年、十四运、北京冬奥会等重大活动气象服务工作中均发挥了重要作用。基于 编解码技术建立的国省视讯资源池，使主控中心对上百路信号进行汇聚和监控，并在会场间灵活方便地进行交换。通过对视讯信号资源的整合，以中央气象台会商室为例，其在会商过程中可在资源池中选看多达八路画面，为指挥调度和综合研判提供了充足依据。同时，自图 年度会商保障数量统计动化程度较高的会议控制系统，也确保了高密度会商保障任务中的“零失误”。以 年国庆 周年气象服务保障为例，会商主控中心的会议调度和管理能力经受住了考验，累计保障各类会商 次，平气象科技第 卷均每日会商 次，均未出现故障。在系统功能上，新系统与旧系统相比，在交互能力、传输方式和自动化程度等方面也有了明显提升，其主要技术特征对比情况如表所示。表新旧系统技术特征对比接入能力信号交互方式会议操控方式会议录像能力原有系统最大同时召开组会议；无互联网交互能力视频矩阵级联方式，最大交互路信号，不支持自由选择分散控制页面，自动化程度低最大 录 制组 会 议，外置 采 集 卡 方 式，清晰度差新系统同时召开不少于组会议，互联网交互最大并发 路全 交换方式，在不少于 路信号中自由交互一屏控制全部设备，自动化程度超过 不少于组会议同时录制，码 流 直 接 解 码方式，清晰度高除此之外，主控中心建设的气象云会商平台因其自主建设、安全可控以及与现有天气会商系统深度融合等特点，在气象部门中也得到了广泛的应用。特别是自 年新冠疫情爆发后，云会商平台注册用户数已超过 人，使用量超过 人次，支撑会议超过 场。用户利用手机或电脑上的云会商 ，既可像普通即时通讯软件般随时随地召开视频会议，又能根据需要接入全国会商，破解了用户在疫情期间无法到会商场所现场参会的难题，也助力上百位外单位专家远程参加气象部门会商并发言。在疫情期间，云会商平台也成为了气象部门国省工作协同的重要手段，应用于评审、党建、巡视反馈、面试等多种场景。中国气象局机关多次通过云会商与省局开展线上工作讨论，极大缓解了因疫情无法开展公务出差对工作的影响。结论与讨论 年建成启用的新一代全国会商系统，首次实现了互联网软终端和移动终端的全国会商接入，不仅丰富了会商系统的应用场景，在新冠疫情期间为支撑各类会商和会议的正常召开发挥了巨大作用。同时，新系统在信号交互和传输方面也做了显著优化，将原有基于核心矩阵物理连接的信号交互方式演进为全部基于 编解码的可软件定义的信号交换系统，系统交互能力大幅提升。通过 接口开发和操作编排，新系统还实现了高度自动化的会议操控，对会议保障人员需求减幅超过一半，在面对并发会议和重大活动保障时也能做到零失误。在此基础上，未来气象部门的会商系统，除图像分辨率将提升到更加清晰的 画质，应用模式也将朝着 （，视频即服务）的方向发展。除了支撑现有的天气会商、行政性会议等场景，视频服务作为一种通用的组件，将更好的融入到指 挥 调 度、观 测、运 维 支 持、培 训 等 各 类 业务中 。参考文献雷小途中国台风联防与科研协作及其对中国台风学科发展的作用综述气象学报，（）：王以琳，李德生，刘诗军省市县三级人工影响天气作业指挥体制探讨气象科技，（）：任宏利，王润，翟盘茂超强厄尔尼诺事件海洋学特征分析与预测回顾气象学报，（）：矫梅燕 年全国天气形势预测中国防汛抗旱，（）：王令，丁青兰，卞素芬奥运气象服务中的短时预报及预警气象，：孟庆涛，张润福，李萍阳天气预报中试基地支撑环境设计及建设气象科技进展，（）：陈文琴，黄珣全国气象电视会商系统技术发展及应用研究气象科技进展，（）：高钰杰，张小琼 资源池在广西高清视频会商中的应用气象研究与应用，（）：梁小雨，陈永涛，黄珣多媒体通信技术在中国气象服务体系中的应用气象与环境学报，（）：腾迎建，于金源，马俊多点双流模式在全运会天气会商中的应用气象科技，（增刊）：龚贤创，谢从刚，邢丽平基于数字化集中控制的气象视频会议系统气象科技，（）：刘红梅，刘然，陈永涛天气预报电视会商系统运维管理软件设计实现电视技术，（）：刘红梅，李春来，陈永涛基于流媒体的天气预报电视会商 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