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云南地震应急视频互联技术的应用和研究

更新时间:2009-03-28

0 前言

地震是人类面临的主要自然灾害之一,其特有的瞬时突发性和巨大的破坏力使得地震难以避免地造成人员的大量伤亡和经济的巨大损失[1]。“十五项目”建设以来,我国在地震应急指挥模式、应急指挥技术体系、地震应急管理、地震快速评估等方面开展了较多的研究工作[2]。在“中国数字地震观测网络工程”的推动下,建成了覆盖国家、区域、重点城市、灾害现场的4级应急指挥技术系统,促使应急指挥模式发生了较大变化,应急响应从传统分散型的应急模式转化为集现代计算机、网络通讯、灾害评估和指挥决策等技术为一体的综合性应急体系[2],为地震应急指挥提供了丰富的理论基础和实践经验,大大提高了我国地震应急响应能力,在提高破坏性地震的快速响应、应急产出服务能力方面发挥了积极的作用[3]。尤其是自2006年全国地震应急视频会议系统建成以来,极大地提升了地震应急科技处置能力,实现了震时指挥部与灾区多个现场指挥部节点之间的命令下达、灾情上报,使救援工作高效、有序进行,最大限度减少人民群众的生命和财产损失[4]

云南位于青藏高原东南缘,受印度板块和欧亚板块的挤压,是全球地壳运动最激烈的地区之一[5],也是我国破坏性地震频繁发生、地质灾害特别严重的省份之一,由于受高原山地特殊地质构造环境的影响,云南地区破坏性地震的发生经常导致严重的次生地质灾害,造成交通和生命线工程中断,严重阻碍地震应急救援工作的开展。因此,发展具备大规模互联互通能力的可视化指挥平台,提高应急通讯保障能力,成为新世纪以来云南地震应急科技体系建设的重点。

1 视频会议系统的组成和工作原理

视频会议系统作为地震应急指挥主要通讯手段之一,它通过音、视频条件提供现场指挥环境,实现在单网、双网、多网和外网不同组网模式下的互联互通[6],随着地震应急指挥体系开放性、共享性、互联程度的不断扩大[7],地震应急视频会议系统逐渐成为各级地震应急技术平台体系应用、运维的核心业务工作。

1.1 视频会议系统的组成

视频会议系统又称为会议电视系统,是指两个或两个以上不同地方的个人或群体,通过传输线路及多媒体设备,将声音、影像及文件资料互传,实现即时且互动的沟通,以实现会议目的的系统设备。一套完整的视频会议系统包括多点控制单元(MCU)、视频会议终端、网关(Gateway)、网闸(Gatekeeper)等几个部分[8],基于H.32X协议系统进行专网连接,通过音视频矩阵集成进入指挥中心应急指挥技术平台。

1.2 视频会议系统的工作原理

H.32X(表1)是ITU-T(国际电信联盟)建立的一套音视频编码、同步技术的通讯协议标准,涵盖了音频、视频及数据在以IP包为基础的网络——LAN、INTRANET、EXTRANET和INTERNET上的通讯,允许不同产商的多媒体产品和应用能够互操作,解决了视频会议通讯过程中呼叫会话控制、多媒体与信道管理等诸多问题,是现今多媒体通讯领域的重要组成构件。

区域周边主要流域性水系有二河、苏北灌溉总渠、淮河入海水道、京杭运河,其中二河、总渠及入海水道为上游洪泽湖入沂、入海通道,京杭运河为南水北调主要调水通道。区域内主要排涝河道有柴米河、大治河,最终经古盐河地涵排入入海水道;主要灌溉渠道有蛇家坝干渠、运南干渠,以及蛇家坝干渠沿线四、五、六支渠等。

 

表1 H.32X标准

  

框架协议H.320H.322H.323适用网络ISDN.DDN有QOS分组交换网络无QOS分组交换网络视频标准H.261,H.263H.261,H.263H.261,H.263,H.264音频标准G.711,G722G.711,G722G.711,G722,G.718,G729,ACC_LD/LC复用标准H.221H.221H.225控制标准H.230,H.242H.230,H.242H.245多点协议H.231,H.243H.231,H.243H.323

2011年,云南地震灾害应急指挥中心依托“云南高原山地应急救援技术系统”项目建设,组建了具备全高清互联组网能力的地震应急视频会议平台,实现了云南区域分中心下属3个分会场的全高清实时视频通讯,并且可以通过二级MCU级联的模式,实现与国家地震应急指挥中心和其他省级地震应急指挥中心的同步连接。系统建成后,依托地震行业信息网,极大地提升了震时应急指挥部与灾区多个现场节点之间的互联互通能力,使得紧急救援工作的信息联动响应得以高效有序地开展,取得了较好的减灾实效。

目前雪龙船上设有诊疗室、药品储藏柜、简易手术室和单人病房;医疗设备主要有血压计、血糖仪、心电图机、除颤仪、心电监护仪、超声仪、无影灯、电刀、手术床及常规小手术器械。可胜任常规的健康体检及清创术等任务。目前尚缺少血常规、电解质检测仪及X线机等常规必备设备。

  

图1 视频会议系统工作原理

2 系统关键技术发展和研究

该系统基于H.323协议体系,通过VGA视频矩阵和音频矩阵完成了与地震应急指挥技术平台的无缝集成,由中央控制器进行音视频输入输出控制,通过接入地震行业信息网与国家中心、其他省级中心的实时视频通讯,实现了地震行业信息网内点对点的应急可视化指挥。整个网络以中国地震局指挥中心为核心,通过会议控制平台,实现中国地震局与各省级地震应急指挥中心、现场应急通讯车任意节点间的实时语音、视频和数据通讯服务[9],极大地加强了国家中心和省级中心的应急通讯水平。云南地震应急视频会议系统作为先期建设的主要节点之一,其成果在2008年攀枝花—会理M6.1地震中首次得到应用(图3)。

2.1 标清点对点视频互联集成应用

建立有效的监督和管理机制。首先是不断完善信息决策机制,政府应该有效提升自身的信息收集和听证能力,建立专门的意见处理中心和视频安全治理中心。其次应该不断加大食品安全监督力度,督促各地区食品监督机构及时购买先进的食品检测设备,保障食品检验技术的安全性和合理性。最后应该不断强化舆论监督职能,有效整合与食品安全相关的各类信息,从而建立科学的食品安全预警机制。

  

图2 点对点标清视频会议系统

自2005年起,随着视频互联技术的阶段性发展,基于H.32X协议标准建立的云南地震应急视频会议系统经历了3个阶段的建设和发展。

 
  

图3 在攀枝花—会理M6.1地震中的应用

2.2 全高清视频组网互联应用研究

在数字化进程中,数字信号的标准化是最重要的环节之一。美国电影电视工程师协会(SMPTE)最早提出和制定了1080P显示格式标准,作为高等级全高清数字电视的格式标准,它的出现是数字电影成像技术和计算机技术的完美融合,于2008年得到了行业的广泛关注,并推动了具备1080P编解码能力芯片产业的爆发式增长;其技术标准被迅速应用于视频会议技术领域,支持1080P全高清技术的视频会议系统,具有高清晰度的画质、高保真音效系统、高清动态双流技术等优点;得益于同时期优秀的视频编解码技术支持,其图像质量、兼容性、视频信号的可靠性和稳定性方面与传统标清视频技术相比都有了很大的提高[10](图4)。

  

图4 常见视频分辨率示意图

同时,为强化省级应急指挥中心应对区域破坏性地震的应急处置互联互通能力,系统引入了具备全高清组网和通讯管理能力的MCU设备。MCU实质上是一台基于国际电信联盟(ITU-T)的H.243和H.231标准协议的多媒体信息交换机,通常由多点控制器(MC)和多点处理器(MP)组成。MC提供多点会议控制功能,MP则负责处理音视频和数据码流,通过时钟通讯控制、码流编解复用和网络管理进行多点呼叫和连接,实现对网内音视频资源的切换、汇接或广播控制(图5)。

基于H.323标准体系的视频会议系统由发送端从输入设备(摄像机、拾音器等)获取音频和视频信号,经编码器压缩后,按照一定的格式封装为数据包,通过网络发送出去;在接收端,来自发送端的数据包经过解压缩,获取视频、音频压缩数据后,再按照一定的算法进行解码传递到音视频输出设备(显示器、扬声器等),音视频数据经过以上输入—编码—压缩—封装—传输—解压缩—解码—输出的运行流程,实现端点对端点的视频会议对话(图1)。

2.3 分布式多网段融合互联技术探索研究

2.3.2 计算效能优势

2.3.1 互联性优势

根据抽样调研方法,抽选样本数量的单位组成调研样本组。结合评估打分表对每个调研样本单位进行实地评估评分,评分采用百分制评判。对每个调研样本单位的最小一级评估指标评分后,对各单位的最小一级评估指标取算数平均值,作为评估目标的最小一级评估指标的最终评估得分。将最小一级评估指标的最终评估得分乘以该指标的权重,得出上一级评估指标得分,最终累加求和得到评估目标的整体得分。得到评估目标的整体得分后,设定消防安全风险等级判定标准,如表3:

具备多网融合组会能力的MCU系统采用了更为先进的分布式处理构架,其构架主要包括中央控制、高速数据交换、专用数字信号处理3个模块。这一构架将传统MCU的CPU、媒体处理板、通信接口板及电源系统结构整合成为一个独立的会议处理平台,实现多点会议的音视频处理。其中,CPU模块负责系统管理及通信,音视频由专门的DSP媒体模块处理。媒体板上的多个DSP处理芯片采用分布式处理、资源共享的模式,实现了系统资源的灵活分配,而每个系统又能和其他独立系统配合,组成多系统的分布式并行处理构架,相较于传统板卡式MCU系统具备更为强大的计算效能,能够最大限度地发挥现有视频会议体系的应用效能(图6)。

在“中国数字地震观测网络工程”的推动下,于2005年建成了基于H.323体系的标清点对点视频互联系统(图2),实现了从无到有的革新,走出了地震应急可视化指挥的关键一步。

随着“5·12汶川”地震后各部门对各类应急响应平台的建设不断强化深入,各类应急响应处置平台先后得到了补充和提高。“十五项目”期间,我们基于H.323体系建立了多点互联MCU系统,依托地震行业信息网互联互通,但因其不具备多网络互联功能,对于有强烈信息联动需求的电子政务网、公共互联网没有接入能力,在一定程度上限制了省级指挥中心与抗震救灾指挥部成员单位以及其他应急参与部门的横向应急信息协同水平。

目前全国高校的教学评价依旧沿用传统的期末考试方式,个别学校尝试实行“平时成绩+期末考试”的方式,但依旧强调“一考定终身”.这种方式使得大部分学生选择考前突击,对所考核的内容根本没有理解,甚至有的学生走出考场已经不记得考试的知识点了.这种突击式的瞬时记忆训练方式已经背离了教育的根本目的.

随着全球互联网应用技术的不断发展,大数据量、跨平台、分布式计算模式在各领域受到了广泛关注,特别是随着Web2.0的兴起,网络带宽不断提高,具有多网融合互联的视频会议技术已经逐渐占据市场的主流地位,相较原有的视频会议平台,具备多网融合组会能力的新型视频会议解决方案在开放性和互联性方面具有明显的技术优势。

半内藏式滚筒结构原理:特定轴承安装在凸出结构的法兰盘上,后置于滚筒内部,滚筒内一端附内有键槽的特制主轴,且主轴不伸出滚筒,特定的液压马达主轴深入滚筒主轴,通过键与其连接。

  

图5 MCU系统组网原理

  

图6 分布式双网MCU系统结构

云南地处高原,受山地特殊地质环境所限,具有次生灾害叠加效应明显,震时交通易发生瘫痪阻断应急救援,应急救援任务重难度大的特点[11],在很大程度上造成了高原山地环境下地震应急的特殊性和困难性。因此,具备分布式多网络融合组会能力的视频会议系统成为了承上启下,连接上级防震减灾机构和其他地方防震减灾部门的重要纽带。其多网络融合的特性,使得省级指挥中心应急技术系统“横向到边,纵向到底”的互联体系成为可能,即:纵向通过地震行业信息网实现国家中心—省级中心—州市中心—县区中心的四级视频联动;横向通过电子政务网实现与省政府应急指挥中心—省级横向抗震救灾指挥部联席单位的互联互通。视频会议系统最终连接形态是建立一个多网融合,支持语音、视频和数据互联的应急平台,能够充分发挥州市、县区地震部门抗震救灾“先锋队”的桥头堡作用,使其在震后第一时间能够广泛收集灾情,通过技术平台“上通下达”,将第一手灾情传递到上一级指挥部,以便于上级指挥部开展灾情评估,规划救援调度,同时也能极大提升与抗震救灾指挥部联席单位的应急协同能力,最终做出科学的指挥决策,服务于抗震救灾工作。

2012年,在云南省“全面加强预防和处置地震灾害能力建设10项重点工程”项目支持下,云南地震灾害应急指挥中心初步建成了具备分布式大数据处理能力的三网融合视频会议体系(图7)。

  

图7 分布式多网融合视频会议系统

系统在云南彝良5.7级地震中得到了实战应用,在破坏性地震应急响应中首次实现省政府指挥中心与国务院抗震救灾指挥部的实时通讯,并通过VSAT卫星系统将现场救援信号向后方进行了实时转播,为多级后方指挥部第一时间全面掌握前方灾情,协调沟通,传达救灾指令提供了强有力的技术保障,取得了较好的实战效果(图8)。

3 总结和讨论

地震应急视频会议系统是各级地震应急指挥技术系统的重要组成部分,是支持指挥部开展各项地震应急处置的重要科技支撑手段。云南作为地震频发区域,在地震应急通讯实战应用领域具有天然的优势。近年来随着通讯技术的不断革新,我们也在地震应急通讯领域开展了大量的工作和积极的探索,但随着全球信息化建设的不断深入,特别是近年来云计算技术的成熟以及网络带宽的不断提升,基于传统视频会议体系的硬件系统目前也逐步显现出一些问题:系统建设成本较高,资源利用率低,不同制造商设备互联兼容性差,系统开放性低,这些问题正在逐渐制约省级应急指挥中心视频通讯系统的应用和发展。

  

图8 M5.7地震两级指挥部跨网视频联动

随着全球互联网应用技术的不断发展,基于云环境的分布式、虚拟化计算模式在各领域受到了广泛关注和应用。基于云计算发展而来的云视频技术,采用虚拟化部署,通过云服务器承载用户的具体视频应用计算任务,从而使得用户面对的终端从设备到软件都得到极大简化[12],既能够满足不同终端用户对于视频计算资源的快速反应能力要求,同时又完成了对现有视频计算资源(主要指MCU)的整合和扩展,同时提供了优秀的资源动态分配机制,有效地降低各应急指挥机构的硬件、软件的开发和使用成本。在国内,中国平安和中国联通已先后建成了超大规模公有云视频平台,传统固化、分散式、低利用率的视频会议体系已无法紧跟大数据时代的发展需要。不过值得庆幸的是,有别于大多数破旧立新的系统升级方式,云视频系统的建设并不需要抛弃传统的视频会议硬件资源,而是以现有资源为基础,通过调整架构、革新机制的方式来最大限度发挥现有视频会议体系的效能。

云视频在联通性、低成本、高扩展以及资源优化方面具有优势,是传统的视频会议技术无法比拟的。作为在省级地震应急指挥技术平台中处于核心地位的视频会议系统,未来在大规模、通用性、虚拟化方面的应用发展还大有可为,值得我们进行不断地探索和研究。

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李敏,吴艳梅,李永强
《华北地震科学》 2018年第01期
《华北地震科学》2018年第01期文献

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