基于内容检测的发射台自动监控系统

杨开明，杨镜卉，杨 健，郑 平

（大理州苍山电视转播台，云南 大理 671003）

0 引 言

近年来，随着无线发射台站发射设备和转播节目的增多，依靠传统的人工监听监看、定时巡检抄表的纯人工监测方式已无法满足广播电视节目安全播出的需要。为此，国家广播电视总局提出加快建设以自动监控技术为基础的智慧发射台站[1]。大理州苍山电视转播台对此进行积极探索，建设了自台发射监控系统，对广播电视设备、信号进行播出全环节自动监测监控，减轻一线值机员工作强度，提高广播电视节目播出成功率，加快发射台管理模式向现代化转变。

1 建设目标

大理州苍山电视转播台是典型的艰苦高山无线发射台，信源前端机房位于大理古城，发射机房位于大理苍山小岑峰之巅，海拔4 092 m，一线值机人员轮流到发射机房值班值守。目前，大理州苍山电视转播台承担着地面数字电视（DS-13CH、DS-14CH、DS-36CH）、调频广播（FM91.0 MHz、FM87.8 MHz、FM101.2 MHz、FM102.7 MHz）以 及中国数字广播（Convergent Digital Radio，CDR）等共33 套广播电视节目的无线覆盖任务。自台自动监控系统将为4 套调频广播、3 套电视节目建立起完备的监测体系，从安全、质量、内容三个纬度对信号进行射频和码流层面分析，实现信号的实时自动监测与异常报警[2]。信源故障时可自动切换至备份信源，提供视音频内容一致性比对服务和插播、误播告警；系统对发射机进行实时状态监测和远程控制，发射机、天线故障时可自动倒备；系统完成发射机房内温湿度、烟雾、水浸及供电等各项参数的远程监测，所有报警信息、信号分析数据、抄表数据等存入数据库，具备报表统计和打印功能，进一步提高发射台自动化程度。

2 系统总体设计

基于模块化设计思想，自动监控系统分为信源智能切换、多画面监测报警、发射机监控以及机房动力环境监测共4 个子系统，采用浏览器/服务器（Browser/Server，B/S）和客户端/服务器（Client/Server，C/S）混合架构，通过统一监管平台整合各子系统。发射机数据采集部分采用分布式结构，采集控制器与监控主机分离[3]。在监测层面，用户通过浏览器进行远程维护、报警查询及数据分析等操作。以1 个频点CDR 广播节目、1 个频点3 套AVS+电视为例，自动监控系统的架构如图1 所示。

由图1 可知，自动监控系统基于TS over IP 技术构建，AVS+、数字广播、数字电视信号全部转为以太网IP 信号，信号的处理调度均在IP 网络上进行。核心交换机选用千兆交换机，满足网络带宽和通信容量方面的需求，高效稳定地为各子系统提供业务数据，并为将来监控设备的增加留出足够带宽。整个系统使用GPS 统一授时，确保设备时钟的一致性。

图1 大理州苍山电视转播台自动监控系统架构图

3 各子系统及技术要点

3.1 信源智能切换系统

3.1.1 功 能

信源智能切换系统由数字音频切换分配器、ASI 码流切换分配器以及数字音频处理器等组成，完成多路信号源监测和自动/手动切换。每套节目配置一台数字音频或者ASI 码流切换器，预留3 路信源输入通道（光纤、微波），通道1 信源定义为主信源，若主信源丢失，蜂鸣器报警，同时播出信源将被切换至备信源上（信源切换顺序为“主→备1 →备2”），一旦主信源恢复，播出信源又将被切换到主信源上。切换器的主通道具备断电直通功能，确保切换器断电后信号不间断[4]。考虑到节目信号的应急传输需求，在信号源与发射机之间的传输链路上配置数字音频跳线盘，当播出链路故障，可手动将任意一套节目的任意一路信号源跳转到发射机上，实现节目信号在紧急状态下的应急传输。

3.1.2 技术要点

3.1.2.1 信源状态判别

准确的信号状态判别是信源智能切换的前提。数字视/音频切换器首先检查接口信号，若没有检测到信号，说明物理链路断路，切换器将切换信源至备份信源上[5]。针对物理链路正常但中间环节故障的情况，比如复用器故障时依然会输出ASI 载波信号，此时，仅检测有无载波并不能准确判别信号状态，需要对TS 流信号的内容进行检测，如输入信源出现失锁、全空包、PAT 错误等任意一种情况，均会被视为信号异常。

3.1.2.2 信号链路全景展示

信号链路全景展示基于信源传输过程建立抽象链路模型，实时展示各监测节点的视音频画面，实现链路设备和信号的关联展示。如设备、链路显示红色表示信号报警，方便值机人员和技术维护人员直观地了解设备运行状态，迅速定位故障设备、故障通道、故障链路，为人工干预、抢险维修提供决策依据，提高维护效率。

3.2 多画面监控报警系统

3.2.1 功 能

AVS+和数字广播射频信号经过数字电视调谐器和数字广播调谐器解调转换为IP 组播流，进入多画面监控报警系统，按预设通道以一定的延时循环播放，完成广播电视节目的内容监测、自动报警、内容一致性比对以及转码录像等功能。

3.2.2 技术要点

3.2.2.1 信号质量监测

多画面监控报警系统的信号质量监测支持常见广播电视编码格式AVS+、H.265、H.264、MEPG-2、MPEG-4、调频、地面数字电视、常见音频编码格式MP2、MP3、AAV 等的节目监测。多画面分割显示内容灵活可配，监测信号可根据实际需要集中在同一台监测主机内显示，也可独立分开显示。视音频监测在视频显示区两边叠加动态音柱，标题栏显示节目名称、来源，具备无伴音报警功能，可区分双声道与立体声监测；音频信号的监测以动态柱形图显示，如图2 所示，为多画面监测报警系统对音频信号的监测图。

图2 音频信号的监测

3.2.2.2 报警管理

监测报警内容包括信号丢失、视频丢失、静帧、黑场、彩条、马赛克、音频丢失、音量过高、音量过低以及声道丢失等。用户可根据台站播出节目的实际情况，灵活设置报警时段和报警门限。报警内容三级可选，支持独立放大报警显示和多画面集中分屏显示，每个节目可独立设置非检测时段，避免因正常停播造成误报警。所有报警信息存入数据库，保存时长达一年。系统支持按报警时间、报警级别、节目名等多条件组合查询，并提供报警按时段统计和Excel 表格导出功能。

3.2.2.3 码流分析

TS 码流承载了诸多信息。对码流进行分析监测，便于在码流异常时及时加以处理。TS 码流分析模块提供码流的基本信息分析、PSI/SI 结构分析、PCR 监测、TR101-290 错误分析等功能，可完成对IP、ASI、DVB-C、DVB-S/S2、DTMB 等信号的监测。

（1）码流的基本结构分析。包括TS 流的信息构成、传输速率、视音频带宽、节目列表、PID 数量、网络ID 以及网络名称等。

（2）深度PSI/SI 信号解析，完成MPEG2 格式定义中的PSI 和DVB 所定义的SI 树图的显示和即时刷新。其中PSI分为PAT、PMT、CAT及NIT4类表格，SI 分 为SDT、EIT、TDT、TOT、BAT 及RST 等 其他表格。

（3）PCR 实时监测。展示当前TS 流的PCR 的详细信息，包括PCR 的精度量、PCR 信息到达的时间间隔、PCR_PID、所属节目、当前传送间隔、平均间隔、最大间隔、最小间隔、当前精度、平均精度、最大精度以及最小精度。

（4）TR101-290 监测。详细的TR101-290 实时检测错误信息，对监测结果进行三级报警。所有监测信息计入数据库，以便做进一步分析。

3.2.2.4 节目内容一致性比对服务

为了规避非法插播或误播所造成的安全播出事故，保证播出节目正确性，最有效的方式是对节目内容一致性进行比对。系统采用音频频谱信息和视频关键帧抽取技术，对广播节目通过快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）算法结合分帧处理技术，对电视节目采用视频指纹特征值算法配合逐帧检测方案，对空收信号和备份信源信号内容一致性进行智能运算检测，输出报警，减轻一线值机人员监听监看压力，实现快速分析和故障处理。

3.2.2.5 录像回放

录像回放为值机人员提供节目内容收录取证，主要功能包括接收TS over IP 组播、解码、叠加OSD、再编码、文件存储以及回放录像文件等，支持标清（720×576）、高清（1 920×1 080）节目的转码录制，提供定时录制、手动录制、报警录制等多种录制方式。视音频信号以AVS+格式转码存储，音频DRA 信号以mp3 格式转码存储。正常节目录制存储7 天，异常节目时形成的故障录像存储30 天。

3.3 发射机监控系统

3.3.1 功 能

发射机监控系统包括监控主机、发射机数据采集控制器、同轴开关等设备，主要完成发射机实时工作参数采集、监测，远程定时（手动）开、关发射机以及发射机、天线的自动倒换等功能。发射机监控系统的结构如图3 所示。

图3 发射机监控系统架构图

3.3.2 技术要点

3.3.2.1 发射机状态采集控制

采集控制器负责发射机工作数据采集工作，内含高精度时钟，可独立工作，其三路串行RS-232/RS-422/RS-485 通信口和一路以太网接口，可适应不同厂家、不同类型的发射机物理接口，同时完成对发射机主控单元、激励器的采集控制工作。目前，大多数发射机都预留了数字接口，按发射机厂家提供的通信协议完成参数和状态量的采集，通过发送数据命令的形式完成发射机的启/停、复位等操作。

3.3.2.2 发射机远程监测控制

系统以图形化方式实时展示发射机的工作数据，包括入射功率、反射功率、驻波比及载波频率等核心指标和播出的节目信息、发射机开关状态以及发射机与发射天线和假负载的位置关系等信息；可对发射机进行远程控制，包括开关发射机、升降输出功率、故障复位等操作，提供在线设置发射机状态采集控制器开关机时间、报警门限参数等功能。所有发射机状态量、模拟量和障碍报警信息全部存放在监控主机数据库。发射机工作数据保存时长3个月，故障报警数据保存12 个月。

3.3.2.3 发射机倒换控制

当监控主机监测到发射机输出功率低于预先设定的功率，系统将自动进行主备机倒换。倒换步骤为：监控主机首先发送关机命令，关闭主发射机，其次发送命令到同轴开关控制器控制同轴开关切换至备机，最后开启发射机备机，完成发射机倒换。倒换前关闭主备发射机，是为了避免高电压、大电流损坏设备。

3.3.2.4 天线倒换控制

当监控主机监测到主天线驻波比高于设定值，将自动进行主备天线倒换。倒换步骤类似发射机倒换过程，先关闭发射机，再倒换天线，最后开启发射机。

3.3.2.5 指标检测

为实现精准维修，发射机监控系统提供指标测试和故障诊断功能，可实时在线测试调频发射机的频偏、频率相应、失真度、左右信号分离度、信噪比和数字电视发射机的载波功率、带肩、载噪比、MER、误码率等指标，供技术人员排除安全隐患，提高故障处理的效率，减少因设备故障而引起的安全播出事故。

3.4 动力环境监测系统

南、北发射机房分别各加装1 个温湿度传感器、2 个烟雾传感器、2 个水浸传感器及2 个电力数据采集器，实时采集机房内温度、湿度、漏水以及配电的相电压、线电压、电流、功率、功率因数、频率等数据，以数字和图形方式在监测主机上实时显示并记录。系统设定各类传感器报警门限，当监测参数越界时告警通知相应人员，达到无人或少人值守，为机房高效的管理和安全运营提供有力的保证。

4 安全防护

系统建设参照了广播电视信息系统安全等级保护的基本要求，从3 个方面加强安全防护。

（1）在用户管理模块中对用户实施身份验证，采用严格的权限控制访问，防止用户越权访问数据和误操作，并对合法用户也合理地设置权限。用户所有操作都记录在日志中。

（2）对重点链路、设备进行冗余备份，选用可靠性、稳定性高的嵌入式监控设备，具备完善的数据备份和故障恢复机制，避免因故障导致的数据丢失损坏。

（3）考虑到发射机房处于雷电多发区，对设备进行防雷电措施保护。

5 结 语

高山无线发射台地处偏远高山地区，一般气候恶劣、工作条件有限。提高播控系统的自动化、智能化，是未来发展的必然选择。依托信号播出流程构建的发射自动监控系统，对节目传输设备、链路状况、节目流数据、信号流水、发射机状态以及机房动力环境进行实时监测告警，实现历史数据统计分析和信号、设备自动监测的统一管理，降低了一线值机员的监听监看压力，减少故障处理时间过长和人为误操作引发的安全播出事故，实现了故障的快速发现、定位，提高了维护效率，是实现无线发射台站智慧化运行维护的得力助手。