【摘要】 在播出系統中，基于安全和穩定要求，核心設備均是通過串口實現控制。本文介紹了虛擬串口在播出中的新應用，解決了多個技術問題，并對未來的播出控制架構作了探索性研究，與同行分享。
引言
虛擬串口，不是指虛擬機上的串口，而是指通過USB、IP等擴展得到的邏輯串口資源，在操作系統里看到的是端口(COM和LPT)資源，這種擴展在物理機和虛擬機中都可實現。虛擬串口存在的形式多樣，有近端的、遠端的，有硬件的、邏輯的，接口方式有RS485、RS422、RS232等。在實際使用中，虛擬串口并不局限于上述范疇，本文探討更加廣義的虛擬串口技術應用。隨著IP技術的發展和普及，基于IP協議的虛擬串口軟、硬件產品可選擇性較多，這類技術可統稱Serial over IP。
播出系統是全臺安全要求最高的系統，基于這個要求，核心設備如切換臺、視頻服務器等都只支持串口控制，對應的串口控制協議分別是Automation、VDCP。這是國際上電視播出的通常做法，事實證明串口控制是穩定、安全、實用的。
本文主要探討虛擬串口在遠程上載控制、播控軟件重大BUG排除、安全隔離、播出主備并行控制等方面的創新應用。
一．虛擬串口在遠程上載控制中的應用
我臺新聞中心搬遷到新址大樓后，新聞頻道的機構、人員、節目生產系統與當時的播出系統分別位于嘉陵江的兩岸，直線距離14公里。按照廣告管理職責要求，新聞頻道廣告送播人員每天需要對時段廣告進行上載更新，這項操作是在播出系統完成。另外，新聞頻道廣告送播人員還要負責新聞欄目插播廣告的更新及片段合成，這項操作在節目生產系統里完成。由于節目生產系統和播出系統距離遠，靠人員來回奔波顯然是不現實的。那么，如何才能解決新聞頻道的廣告上載問題呢？
新聞中心搬遷時，我臺現址的播出網絡已延伸到新址，用于新聞頻道節目、字幕編排，并且在兩地也有HD SDI鏈路互傳信號。我們采用的方案是將上載工作站部署到新聞制作機房，讓該頻道廣告送播人員遠程上載廣告到現址的播出網里。解決本次遠程上載的主要難點是視頻服務器的遠程控制，如果采用傳統的方法，除需購買特殊的設備，還要占用城域光纖資源，可行性較差。因此，我們采用基于網絡的虛擬串口技術，解決遠程控制問題，如圖1。
本方案中，虛擬串口采用MOXA Nport5430，該設備有4個串口，滿足本次應用。首先給5430分配一個IP地址，制作好RS422電纜、網線等。各設備離線開機，確保IP正確后，插上網線，調整各設備參數。登錄Nport5430 WEB 管理, 把所有port的運行模式Operation mode調整為實時串口realcom，并把串口參數設為VDCP常規參數：38400、8、1、O、n。在上載工作站上安裝MOXA驅動管理軟件，得到4個串口資源，在上載軟件的配置、操作習慣上，與本地上載沒有區別。上線調試成功，運行穩定，直到2017年4月播出也搬遷到新址后，該遠程上載停止使用。
需要注意的是，虛擬串口的通信參數的設置必須在串口盒子上操作，因為本地得到的串口資源是TCP/IP虛擬的，如果被控設備的參數有變化，也需要在串口盒子上修改。
二．虛擬串口在排除播出控制軟件BUG中的應用
我臺全頻道高清播總控于2016年底建成，2017年4月完成所有頻道向新播控系統的轉移，按照播控系統的運行規律，投入使用后的一年半時間內，都屬觀察期，出現BUG可能性較大。2018年初，值班人員在播出控制工作站上進行主備“接管”操作中，系統意外的停止了正在播出的節目，轉而播出下一條節目的現象，在播出中，這個叫“觸發”。最嚴重的是有一天，在間隔13分鐘的時間內，故障出現了兩次，這個BUG無疑是致命的。本次排除BUG的過程細節較多，但限于篇幅，本節只交流實驗原理，不作過多的配圖。
圖2 播出控制系統圖
播出控制系統如圖2，主備控制工作站經過兩個RS422倒換器連接主備切換臺、主備視頻服務器、特殊功能面板、字幕系統。我臺的播出控制模式是主、備完全控制，即在某時刻，由一臺工作站控制該頻道的所有設備，當在線工作站宕機后，自動倒換到另一臺工作站控制所有設備。在日常維護、處理播表時，也可以手動操作倒換，這個操作通過鼠標點擊“接管”按鈕或在特殊功能面板上按鍵執行。
經過詢問值班人員、調取監控等，發現無人為因素、無操作失誤等情況，我們把相關的編排和日志發給廠家，但廠家也未能定位原因。于是播控部成立專門的小組，組織力量攻克這個難題。
在對故障發生時的現象進行多次梳理后，發現了一個極其重要的突破點。在播出軟件用鼠標“觸發”時，在點擊“觸發”按鈕后，會彈出一個確認界面，確認后才會生效執行。但根據當班值班人員的描述和監控拍到的工作站屏幕，并沒有出現這類界面。在對系統的進一步實驗中，發現在特殊功能面板上執行“觸發”時，不需要確認。因此，我們認為，在進行“接管”操作時，特殊功能面板發送了“觸發”指令。這個假設看似荒謬，但有理有據，值得進一步驗證。
接下來的第一步，便是設法捕捉特殊功能面板發出的“觸發”指令。要捕捉特殊功能面板發出的“觸發”指令實屬不易，但方法總是有的，經過各種嘗試，我們采用最簡單的軟件方法，不改造線路，實施簡單、速度快。我們找到了一款串口監測軟件-Commonitor，可以非常簡單的捕捉串口數據，希望捕捉到“觸發”指令。Commonitor的操作非常簡單，只需注意，要先啟動端口監測，再打開播出軟件。于是開啟該軟件，對特殊功能面板對應的串口com7進行監測，手動操作“接管”按鈕，爭取盡早捕獲到“觸發”指令。在正常工作狀態和接管操作過程中，Commonitor捕捉到的是播出軟件與特殊功能面板每秒一次的握手信息，分別是16進制23、24。由于該事故的發生率為千分之一(事后總結的概率)很低，幾天后仍沒捕獲到。我們采用鼠標自動點擊軟件，在主備工作站上模擬人工操作。果然方法得當，效果不一樣，不到半天就出現了“觸發”節目的現象，并成功捕獲了一個“觸發”疑似指令：01 45 52 30 30 31 37 04。
接下來，將對疑似指令進行驗證。經過分析，仍然采用純軟件，用虛擬串口的方法。驗證要用到三款軟件，分別是TCP/UDP Debug、USER-COM、串口網絡通道轉發工具。采用TCP/IP協議虛擬串口，用TCP Server的多連接，在正常的通訊鏈路中，插入疑似指令，看是否觸發，如圖3。
系統中，用USER-COM虛擬一個串口---TCP Client管道，串口端為com20，供播出軟件調用，TCP Client則用于連接串口網絡轉發的TCP Server端。串口轉發工具是TCP Server---串口調用管道，TCP Server端與前一個管道的TCP Client連接，串口調用端則調用com7。這樣，播出軟件就能與特殊功能面板正常通訊。圖3的關鍵是串口轉發工具的TCP Server端，它接受多連接，TCP/UDP Debug聯上之后，便能向鏈路插入疑似指令。通過驗證，證實了01 45 52 30 30 31 37 04的確能觸發節目。但進一步的測試發現，真正的人工觸發，面板發出的指令是：01 54 4B 30 30 31 46 04。于是對特殊功能面板的8個按鍵依次測試，發現播出軟件只是識別面板的第4字節，來實現各種功能，巧的是疑似指令的第4字節與觸發指令的對應字節相同，“觸發”事故就發生了。
由于該面板實際使用中很少用，斷電即可解決這個問題。但實驗不能就此為止，為何會在倒換的時候發出“觸發指令”，這個指令是在工作站端口捕獲到的，在面板和工作站之間還有RS422倒換器。那到底是某個設備單獨導致的，還是有更加復雜的機理導致的呢？通過分析，發現RS422倒換器是簡單的繼電器倒換，原理和電路很簡單，沒什么可分析測試的，于是把重點放在特殊功能面板上。用閑置的特殊功能面板，與測試電腦搭建系統，模擬工作站與特殊功能面板的握手/應答，并用特殊的方法模擬RS422倒換器的通斷，就是用導線摩擦拉絲鋼板，利用拉絲鋼板的凹凸制造頻繁的通斷，同樣用commonitor捕獲“觸發指令”。因為通信速率低，捕捉很難。于是在串口收發數據的軟件上，提高握手頻率至每秒100次，很快便捕獲了“觸發指令”。通過仔細分析捕獲的數據，發現，是由于線路的通斷，切斷了字節，在切斷時，特殊功能面板沒有發出異常數據，但在后續數據恢復正常時，特殊功能面板會發出一個通訊恢復正常的消息。這個通訊恢復正常的消息，正式前面得到驗證的“觸發”指令。從上面的實驗看出，播出軟件、特殊功能面板、RS422倒換器三者共同作用，產生了“接管”變“觸發”的BUG。
事到如此，整個事故機理真相大白，與軟件廠商溝通后，得到進一步確認。廠家同意修改軟件，按全字段匹配來識別特殊功能面板。由于特殊功能面板實際很少使用，并且播出軟件運行穩定，因此我們對特殊功能面板直接斷電停用，而軟件不作更新，“接管”導致“觸發”節目的故障此后沒有再次發生。
三．虛擬串口在安全隔離中的應用
由于安全的要求，播出系統與其它網絡不能直接連接。然而，與其它業務系統連接的需求仍然存在，本節主要介紹，用虛擬串口模擬網閘功能，從辦公網獲取NTP時間，作為播出網的備用NTP服務授時，如圖4。
在大多數情況下，虛擬串口都當做實時串口使用REAL COM，但實際上，虛擬串口設備的工作模式較多。在本案例中，用了兩個虛擬串口服務器，分別以UDP服務器和UDP客戶機的方式出現。UDP客戶機的網口連接辦公網，在NPort5430 的web頁面設置目標NTP服務器的地址是阿里云120.25.115.20，端口設為123(NTP專用端口)，并將串口設為缺省設置9600、8、1、n、n。UDP服務器的網口連接播出網，在NPort5430的web頁面設置監聽端口為123，該通道就變為NTP 服務器,同時也將串口設為缺省設置9600、8、1、n、n。用RS422交叉線將兩個盒子對應的RS422連接，上線測試，成功。
在本應用中，播出網和辦公網之間采用RS422連接，沒有網絡及TCP/IP連接，黑客和病毒沒有入侵和傳播路徑。需要注意的是，NPort5430作為NTP Server授時，連接的終端數只有4個，需要用服務器二次授時，該方案實際使用中，穩定可靠。
四．虛擬串口技術在主備并行控制中的應用
根據國家廣電總局62令規定，省級臺的電視播出系統必須是雙鏈路，包括電源、視頻服務器、切換臺、控制工作站，不能有任何單點。在現實的情況下，播出系統的重要設備如切換臺、視頻服務器等都只支持串口控制，并且只允許一個串口控制。在以往的系統中，出現過三種控制模式，主備獨立控制、主備完全控制、主備混合控制。主備獨立控制模式中，主工作站控制主切換臺、主視頻服務器，備工作站控制備切換臺、備視頻服務器。該方式結構清晰，沒有倒換操作，缺點是一臺工作站宕機后，一半的設備失控。為了規避這個問題，廠商推出主備完全控制模式，主備切換臺、主備視頻服務器由一臺工作站控制，一臺工作站宕機后，自動倒換到另外一臺工作站，該模式規避了獨立控制模式的設備失控問題。但是，倒換操作如果發生在短節目時，可能會有丟失指令，而導致不切換、不播素材的現象。另外一個不容忽視的問題是，如果在線的工作站處于假死狀態，則不會自動倒換，就會主備全部停播，導致事故。混合主備模式是在主備完全控制的基礎上，把備RS422倒換器設定為手動倒換。正常工作時，主工作站控制主視頻服務器、主切換臺，當主工作站宕機后，自動倒換到備工作站。而備工作站，控制備切換臺、備視頻服務器，當備機宕機時，RS422不會自動倒換到主機，只能手動倒換。該控制模式中，主備工作站都能執行素材到位確認，并且任何一臺工作站假死時，都不會出現主備完全停播的情況。該模式的缺點是，結構不清晰，值班員判斷和執行倒換的時機不易把握，應急處置時，需要對信號切換和控制切換聯動操作。
主備播出并行控制模式，是我們一直在探討的課題，也是本文的重點，該模式如能成功推向應用，將改變RS422倒換器在播出控制中的歷史。該模式的主要思路是，用虛擬串口匯集主備工作站的控制指令，實現主備播出工作站對主備切換臺、主備視頻服務器的并行控制。該模式有兩個技術依據，第一是基于IP的虛擬串口對主備工作站的指令匯集作用。第二是，切換臺、視頻服務器對兩個時間緊挨著的、相同指令的正確響應。并行控制模式避免了工作站假死、倒換丟失指令、人工操作延誤時機等缺點，是完全無感知的主備并行控制模式，如圖5。該方案中，只需要對主備工作站添加相同的虛擬串口，如圖中com3，IP地址指向同一個Nport5430的同一個串口單元即可。由于Nport5430內沒有運行任何軟件，只需簡單的配置即可，因此，如果后期損壞，直接更換或替換別的產品即可。
我臺高清播總控系統建設中，我們對該模式進行了在線測試，證明是可行的，與軟件廠商進行了勾通，準備推向實用。在實測中，也發現些問題需要改進，比如由于軟件頻繁查詢視頻服務器，致使播短節目如5秒廣告時，播出會出現自動墊片的現象，需要優化代碼才能消除此類現象。另外、主備工作站的指令要同時到達切換臺、視頻服務器，對系統的授時精度、主備軟件的響應速度要求極高，否則會造成指令交叉，致使設備誤動作。
由于當時高清播出上線時間緊，所以沒有采納該模式。目前，我臺正在規劃4k播出頻道，播出工作站的控制模式又被提上議題。改進上述缺陷后，如能有效提高安全性、可靠性，就可在4k播出系統中推進應用。