梁靜 唐作其

摘要：無線寬帶多媒體通信平臺是城市應(yīng)急系統(tǒng)的一個基礎(chǔ)平臺，為上層應(yīng)用提供了良好的支撐環(huán)境。在工程實踐中，一種專用網(wǎng)絡(luò)平臺被研制，包括移動終端、中心站、H.264視頻編碼板、Amr-NB音頻編碼板、GPS接收機、GIS/WebGIS和流媒體服務(wù)器等主要模塊。專用平臺解決了傳輸?shù)母邘挕oS、高可靠性等問題，同時結(jié)合商用3G網(wǎng)絡(luò)，解決了低投入、大范圍覆蓋等問題。該平臺增強了應(yīng)急過程的可視化和實時互動。

關(guān)鍵詞：無線寬帶多媒體；城市應(yīng)急系統(tǒng)；H.264；3G網(wǎng)絡(luò)；GIS/WebGIS

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）06-1317-04

Application of Wireless Broadband Multimedia in Urban Emergency Response System

LIANG Jing1， TANG Zuo-qi2

（1. Electronics and Information Engineering， Guizhou University， Guiyang 550025，China ；2.College of Computer Science and Information， Guizhou University， Guiyang 550025，China）

Abstract： In the Urban Emergency Response System， Wireless Broadband Multimedia plays an important part， it is the infrastructure. The special network platform is developed in engineering practice， which includes many mobile terminals， a central station， 1-channel H.264 video coding modules， 1-channel Amr-NB Audio coding modules， a GPS receiver， GIS/WebGIS and streaming media servers. Special platform was adopted to resolve some problems， such as high bandwidth， QoS， high reliability effectively. Commercial 3G network was adopted to resolve some problems， such as low investment and wide coverage. This platform increased the emergency process visualization， real-time interactive.

Key words： Wireless Broadband Multimedia； Urban Emergency Response System （UERS）； H.264； 3G； GIS/WebGIS

1 概述

城市應(yīng)急系統(tǒng)（UERS）是一個大型的、復(fù)雜的信息集成系統(tǒng)[1-2]。城市應(yīng)急系統(tǒng)，從技術(shù)角度來看，城市應(yīng)急系統(tǒng)是保障城市公共安全的綜合救援體系及集成平臺、是集通信、計算機、網(wǎng)絡(luò)、地理信息系統(tǒng)（GIS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、圖形圖像、視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)庫等多種技術(shù)為一體的綜合通信、信息處理及指揮系統(tǒng)平臺[3]。

隨著3G網(wǎng)絡(luò)的商用，公用移動通信網(wǎng)絡(luò)在用戶數(shù)較少的地區(qū)可實現(xiàn)較高幀率、較高圖像質(zhì)量的視頻數(shù)據(jù)傳輸需求。專用無線寬帶多媒體通信平臺和商用3G網(wǎng)絡(luò)[4]是城市應(yīng)急系統(tǒng)支撐基礎(chǔ)平臺，為突發(fā)公共安全事件現(xiàn)場提供視頻、語音、位置信息的采集、編碼、通過該平臺實時傳輸?shù)綉?yīng)急指揮中心，用戶可以在中心獲取現(xiàn)場的語音、視頻、GPS位置信息。

本文著重研究了雙模（專用和商用）無線寬帶多媒體通信技術(shù)在城市應(yīng)急系統(tǒng)中應(yīng)用的關(guān)鍵問題，系統(tǒng)典型應(yīng)用場景、硬件設(shè)計、軟件架構(gòu)設(shè)計等；重點闡述了視頻H.264硬件編碼[5]、語音編碼、視頻監(jiān)控中心、城域網(wǎng)GIS/WebGIS監(jiān)控平臺，多媒體傳輸策略等技術(shù)的應(yīng)用。

2 城市應(yīng)急系統(tǒng)

2.1 指揮調(diào)度系統(tǒng)

該系統(tǒng)包括的主要模塊有調(diào)度處警模塊、GPS信息接收模塊、通信監(jiān)控模塊、監(jiān)控控制模塊、顯示控制模塊、數(shù)字錄音模塊、現(xiàn)場圖像傳輸控制模塊、處置部門信息通信模塊、GIS模塊、信息管理及查詢模塊和模擬演練模塊、應(yīng)急培訓(xùn)模塊等[3]。

系統(tǒng)在接到重大突發(fā)事件以后，可以利用電子地圖系統(tǒng)快速確定位置，得到周圍道路、交通情況等基礎(chǔ)信息，根據(jù)處置力量情況為指揮人員提供該位置的應(yīng)急預(yù)設(shè)預(yù)案，并根據(jù)處置力量的分布情況計算出車輛的最佳行進(jìn)路線，供指揮人員進(jìn)行參考。與此同時還可以通過處置信息數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)檢索出該位置的詳細(xì)資料，以便根據(jù)實際情況確定相應(yīng)的措施。方案確定以后，指揮系統(tǒng)可以通過計算機網(wǎng)絡(luò)（或其他通信手段）將出車命令直接下達(dá)到各個現(xiàn)場。

2.2 移動指揮系統(tǒng)（現(xiàn)場系統(tǒng)）

系統(tǒng)配置的設(shè)備主要有無線通信設(shè)備、移動警情終端臺、現(xiàn)場圖像傳輸設(shè)備、現(xiàn)場實況攝像和錄像設(shè)備、衛(wèi)星通信設(shè)備、GSM通信設(shè)備、文字傳真設(shè)備、輔助設(shè)備（天線、電源）等。災(zāi)情現(xiàn)場多媒體信息和視頻會議多媒體信息是數(shù)字化的圖像和聲音數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量較大，由實時記錄子系統(tǒng)負(fù)責(zé)這些信息的記錄和處理，包括：記錄的開始、結(jié)束控制，記錄的格式，對記錄后的數(shù)據(jù)的預(yù)處理，多媒體數(shù)據(jù)的入庫與查詢播放。災(zāi)情現(xiàn)場和視頻會議多媒體信息傳到指揮中心后，同時送到中心控制與實時記錄兩個子系統(tǒng)。中心控制子系統(tǒng)負(fù)責(zé)實時顯示控制，實時記錄子系統(tǒng)負(fù)責(zé)記錄、處理與查詢等。

2.3 現(xiàn)場系統(tǒng)由以下子系統(tǒng)組成

1） 指揮中心子系統(tǒng)：由中心信息服務(wù)模塊、中心信息傳輸模塊（與指揮車通信）、指揮車跟蹤及路況顯示模塊組成。本子系統(tǒng)向指揮車發(fā)出調(diào)度命令，從數(shù)據(jù)總庫中提取出相關(guān)信息，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸給指揮車，同時監(jiān)視行車路線，接收指揮車傳回的關(guān)于現(xiàn)場的文字和圖像信息。

2） 通信子系統(tǒng)：現(xiàn)場信息傳輸?shù)墓δ埽合蛑笓]中心傳輸現(xiàn)場信息、向市政府傳輸現(xiàn)場信息、向應(yīng)急聯(lián)動中心傳輸現(xiàn)場信息、向應(yīng)急部傳輸現(xiàn)場信息。

3） 指揮車子系統(tǒng)：由出車單接收模塊、信息查詢模塊、指揮車信息傳輸模塊（與中心通信）、GPS接收模塊、靜態(tài)信息更新模塊、現(xiàn)場圖像顯示模塊、現(xiàn)場廣播系統(tǒng)、現(xiàn)場照明、車載大屏幕、車載手機組成。

3 應(yīng)急通信中的移動無線網(wǎng)絡(luò)

3.1 移動無線寬帶專用中心站系統(tǒng)

中心站的系統(tǒng)硬件邏輯圖如圖1所示，采用多天線及軟件無線電技術(shù)。從邏輯架構(gòu)上看，中心站通過全以太的千兆交換網(wǎng)將以下幾個部分連接起來：

1） 收發(fā)單元群組：包含N個收發(fā)單元，主要完成無線信號的覆蓋、多天線分集以及調(diào)制解調(diào)功能。每個收發(fā)單元接1根天線，完成射頻模擬信號與基帶數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)換工作。基帶數(shù)字信號封裝成MAC包通過1000Base-T接口與千兆以太交換網(wǎng)連接起來。

2） 處理單元群組：包含M個處理單元，主要完成物理層協(xié)議和MAC層協(xié)議。每個處理單元由CPU實現(xiàn)處理功能，通過1000Base-T與千兆交換網(wǎng)連接起來。

3） 業(yè)務(wù)終端群組：包含各種類型的業(yè)務(wù)終端，如硬件實現(xiàn)的視頻服務(wù)器、數(shù)據(jù)終端（電腦、無線AP等）、以及其它業(yè)務(wù)終端。每個業(yè)務(wù)終端對應(yīng)特定的遠(yuǎn)端用戶，用IP地址進(jìn)行標(biāo)識，通過100Base-T與千兆交換網(wǎng)連接起來。

3） 監(jiān)控單元：整個系統(tǒng)由統(tǒng)一的監(jiān)控單元進(jìn)行集中控制，提供人機交互界面，對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)度管理。監(jiān)控單元一般由一臺工作站負(fù)責(zé)實現(xiàn)管理功能，通過100Base-T與千兆交換網(wǎng)連接起來。在網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)和調(diào)度方式固定的條件下，系統(tǒng)通過預(yù)置網(wǎng)絡(luò)調(diào)度參數(shù)，也可以在沒有人為干預(yù)的情況下獨立工作。

圖1 專用無線移動網(wǎng)中心站邏輯圖

系統(tǒng)工作時，處理單元群組處理收發(fā)單元的基帶數(shù)字信號，并向業(yè)務(wù)終端群組提供透明的以太網(wǎng)傳輸。監(jiān)控單元向處理單元群組發(fā)送指令，控制遠(yuǎn)端站的注冊、接入、掛斷等過程。為了提高傳輸效率，系統(tǒng)還提供了總線接口的視頻編碼器到收發(fā)單元，使視頻信號在空中傳輸時不必再封裝成以太包，減少系統(tǒng)開銷。

3.2 中心站主要功能模塊

中心站硬件邏輯圖如2（a）所示，由收發(fā)單元、處理單元和解碼單元組成，之間采用以太網(wǎng)連接。

（a） （b）

圖2 專用移動臺硬件邏輯圖

收發(fā)單元由Modem板和RF前端組成，RF前端功能為收發(fā)切換、輸出功放和輸入低噪功放，對外有天饋系統(tǒng)接口。Modem板與RF前端有射頻信號連接，主要完成數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換和調(diào)制解調(diào)工作。整個收發(fā)單元要求時鐘同源，Modem板與自己的RF前端之間通過總線傳遞時鐘信號，兩塊Modem板之間有秒脈沖作為同步信號。收發(fā)單元接2套天饋系統(tǒng)，每套天饋系統(tǒng)對應(yīng)一個1000Base-T接口到處理單元。

處理單元完成所有的傳輸算法、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、調(diào)度監(jiān)控等功能，其中視頻業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)以以太包形式通過100Base-T接口與解碼單元連接，通過網(wǎng)線與PC機相連實現(xiàn)監(jiān)控。

解碼單元完成視頻信號的解壓縮，完成音頻與視頻解碼輸出。

3.3 專用網(wǎng)移動臺系統(tǒng)組成

移動臺如圖2（b）所示，采用單天線，嵌入式系統(tǒng)。前面板有按鈕、液晶顯示和業(yè)務(wù)輸入輸出接口。移動臺內(nèi)部包括主板、RF前端模塊、視頻編碼模塊、前面板四個主要的硬件模塊。

3.4 公用 3G網(wǎng)的系統(tǒng)組成

公用3G網(wǎng)絡(luò)的移動臺主要由專用工業(yè)級的車載電腦組成?？梢灾苯哟钶d3種類型的上網(wǎng)卡，也可以與3G無線路由器集成。外設(shè)主要有GPS模塊、視頻輸入設(shè)備、音頻輸入設(shè)備和各種專用傳感器等組成。

中心站服務(wù)器群可以架設(shè)在具有固定IP地址的固定網(wǎng)絡(luò)中，由流媒體服務(wù)器、GIS服務(wù)器、認(rèn)證服務(wù)器等組成。中心站服務(wù)群一端連接公網(wǎng)，一端連接到內(nèi)網(wǎng)中。在內(nèi)網(wǎng)中主要部署視頻監(jiān)控系統(tǒng)、指揮系統(tǒng)、GIS/WebGIS系統(tǒng)等。

圖3 典型應(yīng)用場景

如圖3所示的應(yīng)用場景，移動臺主要完成音頻、視頻、GPS信號的采集、編碼工作，通過三大運營商的3G網(wǎng)絡(luò)傳輸。在網(wǎng)絡(luò)中傳輸采用基于純IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，遵循流媒體協(xié)議規(guī)范。在中心站部署流媒體網(wǎng)關(guān)組件和符合3GPP標(biāo)準(zhǔn)流媒體服務(wù)器組件，在中心站管理機上完成音視頻監(jiān)控。

在專用網(wǎng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合3G（中國移動TD-SCDMA、中國電信 CDMA- EVDO、 中國聯(lián)通WCDMA）通信技術(shù)實現(xiàn)的應(yīng)急系統(tǒng)中多媒體通信系統(tǒng)。公共網(wǎng)3G提供相應(yīng)的帶寬保障（室外384kbps、行車144kbps），專用網(wǎng)數(shù)據(jù)速率（峰值）上行2.8Mbps，下行50kbps。

4 軟件架構(gòu)分析與實現(xiàn)

系統(tǒng)中心站平臺采用B/S結(jié)構(gòu)與C/S結(jié)構(gòu)相結(jié)合的混合模式，采用B/S結(jié)構(gòu)的客戶通過工作電腦登陸管理中心服務(wù)器，取得訪問認(rèn)證許可和設(shè)備的地址后使用瀏覽器和IE端控件即可方便、快捷地訪問自己所需要的頁面和瀏覽實時視頻圖像；采用C/S的客戶端軟件，可以支持更為強大的專業(yè)功能，如輸出到電視墻、本地存儲錄像、視頻轉(zhuǎn)發(fā)等。中心站主要具有多級權(quán)限集中管理、安全認(rèn)證和設(shè)備管理功能。

移動臺平臺操作系統(tǒng)采用基于X86架構(gòu)Windows XPE操作系統(tǒng)。編碼板采用ARM-Linux 2.6操作系統(tǒng)作為嵌入式服務(wù)器軟件的承載平臺。在ARM-Linux操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過Vide04Linux（V4L）接口采集的視頻圖像交由GM8180片內(nèi)的H.264編碼引擎進(jìn)行壓縮編碼；音頻上，通過OSS接口采集PCM數(shù)據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)多速率窄帶語音（AdaptiveMulti-Rate Narrowband，AMRNB）編碼。

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)

其軟件架構(gòu)如圖4所示?？蛻舳艘卜Q移動臺，主要完成以下功能： H.264的視頻硬件編碼板、GPS模塊接收模塊、語音模塊、雙模網(wǎng)絡(luò)切換模塊、用戶認(rèn)證模塊、支持RTSP/RTCP/SIP傳輸協(xié)議等模塊。從移動臺到中心站之間通過公用3G網(wǎng)，采用單播的方式，從中心站調(diào)試服務(wù)器到內(nèi)網(wǎng)，采用組播方式。中心服務(wù)器完成用戶認(rèn)證鑒權(quán)后，進(jìn)行業(yè)務(wù)調(diào)度，分離相應(yīng)的H.264視頻、語音、GPS信息、分別交給視頻監(jiān)控器、語音呼叫中心、GIS/WebGIS系統(tǒng)處理。網(wǎng)絡(luò)管理模塊主要負(fù)責(zé)故障管理、配置管理、性能管理和安全管理功能。

圖4 軟件架構(gòu)圖

4.2中心站調(diào)度與監(jiān)控模塊

該模塊主要實現(xiàn)移動臺動態(tài)在線狀態(tài)實時顯示功能，實現(xiàn)語音呼叫，語音應(yīng)答和語音掛斷功能，移動臺視頻帶寬和數(shù)據(jù)帶寬分配功能，對用戶認(rèn)證鑒權(quán)功能。中心站通過UDP包與系統(tǒng)進(jìn)行交互，配置系統(tǒng)物理層和MAC層參數(shù)，得到系統(tǒng)的一些運行狀態(tài)。

4.3 GPS/GIS模塊

移動臺GPS接收器接收到信號后，通信提取日期時間、經(jīng)緯度、速度等信息，通過網(wǎng)絡(luò)定時上傳到中心站GIS服務(wù)器，完成獲勝移動移動臺定位、軌跡跟蹤、自動導(dǎo)航等功能。

中心站將這些GPS信息保存到MySQL數(shù)據(jù)庫中，采用PHP編程環(huán)境，來與MySQL數(shù)據(jù)庫交互信息，讀取其中的GPS信息。通過調(diào)用MapGuide二次開發(fā)API接口，新建一個臨時圖層，將GPS信息中的點，作為GIS要素增加到臨時圖層，添加到現(xiàn)有的地圖上。用戶通過瀏覽器訪問Web服務(wù)器就能得到包含當(dāng)前終端所在位置的地圖網(wǎng)頁。

4.4視頻模塊

移動臺主要完成對現(xiàn)場視頻的采集、編碼、存儲、顯示及上傳功能，同時移動臺用戶可以播放實時視頻和存儲實時視頻到本地磁盤等功能。使用硬件編碼板轉(zhuǎn)換成h.264的碼流，打包成UDP數(shù)據(jù)包，通過RTP、RTSP/RSTP協(xié)議封裝，推送到中心站的流媒體服務(wù)器。中心站服務(wù)分離出視頻部分后，把視頻通過電視墻顯示出來。在網(wǎng)絡(luò)切換時，專用網(wǎng)絡(luò)上傳標(biāo)清視頻，商用3G網(wǎng)絡(luò)上專h.264編碼的QCIF格式的視頻。

4.5語音模塊

移動臺語音系統(tǒng)，主要完成對現(xiàn)場語音的采集、編碼、存儲、上傳以及通話呼叫、通話掛斷等，實現(xiàn)實時通話和錄音等功能。核心功能是調(diào)用libamrnbf庫把原始語音碼流變換成amrnb格式的碼流，打包成UDP包，上傳到中心站服務(wù)器上。中心站主要實現(xiàn)語音調(diào)度、單呼、組呼、群呼等功能。

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)可根據(jù)實際行業(yè)用戶的需求進(jìn)行修改，廣泛地應(yīng)用于自然災(zāi)害、事故災(zāi)難、公共衛(wèi)生事件和社會安全事件應(yīng)急處置中，在平安城市建設(shè)中具有重要意義。

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