【精品】地市级空中课堂互动直播平台设计与实现

  本文介绍了如何基于推流集群和多屏互动系统建设一种空中课堂互动直播平台的设计思路和方案框架，具体包括平台的业务架构、方案设计和建设经验等。作为空中课堂平台的地市版，平台向用户更好的提供基础教育课程点播、新形式公开课电视直播、远程互动式视频通话三大应用，为广大师生用户打造一个能共享教育资源且支持互动学习交流的综合平台，借此进一步提升在网用户黏着力，挖掘教育市场潜在用户，促进增值业务发展。

  当今社会，教育领域怪象频出。学校掐尖录取，提前招生，教育学习管理机关择优辅导，开办花式升学衔接等各种培训班，让无数家长不胜烦扰而又趋之若鹜。以上种种无一不折射出基础教育资源配置的失衡，极度影响基础教育的公平和普及。为了缓解教育资源配置失衡，促进教育公平，江苏省教育厅携手江苏有线，共同提出省空中课堂电视平台的顶层设计蓝图，于2018年底完成省平台建设和发布工作，获得了政府、教育和社会其它领域的广泛关注。

  通过充分吸收省平台的推广经验，笔者开展了系统的前期调研工作，发现本土教育市场庞大、家校需求旺盛、需求场景多样灵活。为此，地市公司通过将广电网络的传输优势和教育部门的媒资优势相结合，立足本地教育行情和师生的实际关切，合力构建空中课堂平台本地版，旨在将本土教育媒资通过电视平台和广电网络营销推广出去。此举不但可以有效增强广电在网用户的黏着力，也能更加进一步开发教育潜在用户，收获巨大的社会效益和经济效益。

  地市互动直播电视平台为广大师生用户搭建了一个特色基础教育课程互学共享的电视平台，依托地市推流集群和多屏互动视频会议系统来进行开发，与地市教育局、电教馆等单位实现数据互通，实时共享全市的优质基础教育媒资，向广大有线电视用户更好的提供基础教育课程点播、新形式网络公开课电视直播、远程视频通话互动三大应用，能够有效培养用户使用电视平台学习的习惯，切实提高有线电视特定群体用户数量。

  平台按照业务逻辑分为外围接入层和核心处理层，外围接入层对接各种功能的信号采集前端和传输设备；核心处理层则是汇集了媒资处理、信令处理、负载均衡调度、视频推流、互动服务云承载等核心功能，负责处理外围传输过来的各种信号并通过推流服务器集群向机顶盒、手机等终端进行推流。系统业务逻辑如图1所示。

  按照业务逻辑架构的分类对应说明平台的硬件架构，详细系统硬件架构原理图如图2所示。

  外围接入层的作用是为系统平台提供多种信源接入，包括直播rtmp/rtsp流信号，udp组播流信号，视频会议音视频信号，监控视频信号等，信号由其对应的视频处理前端提供。

  按照功能细分，外围接入层由媒资同步系统、直播编转码回传系统、视频会议接入系统共同组成。

  通过部署FTP服务器用于教育课程媒资的实时同步，在CP方（内容提供方）和分公司之间搭建双向媒资数据传输专网，方便同步最新的教育课程媒资，打造地市特色的课程媒资库。

  另一方面，FTP服务器采用双网卡+缺省路由配置，一路用于FTP数据同步，另一路则用于定期向省平台同步地市课程，充实全省范围的优质课程媒资。

  为了适应不一样的直播场景，编转码传输系统根据不同的需求来做设计，系统部署方式分移动型和固定型。

  移动型直播场景选用移动SDI/HDMI直播编码器和ONU（光网络单元）灵活搭建直播前端，现场直播源经过编码器处理后输出rtsp或rtmp流，再经ONU由广电光纤专网回传至系统平台；

  演播室、会场等拥有固定网络接入的场地则采用固定型模式部署，利用汇聚交换机汇集多路udp组播流后经光纤专网传输给中心机房，再经过固定机架式（解）编码器将组播流处理后接入核心推流集群。

  此系统由各种支持语音摄像头功能的终端构成。例如手机、PAD、带摄像头的PC机、广电机顶盒专用摄像头等终端，各类型终端通过无线网和有线网均可实现互动课程的接入，方便各种场景下开展视频互动课程。

  优课媒资库汇集了地市教育部门的优质基础教育媒资，课程范围涵盖小学一年级到高中三年级。课程媒资按照区域、年级进行分类划分，同时又对不同学科的课程采取颜分，方便用户精准快速地定位所需的媒资进行点播。

  本地核心推流服务器集群承载全市海量用户的互动点播业务，具备高性能的数据处理能力、视频推流能力、存储和缓存能力等。集群支持最高4.6万的点播并发量，视频切换时间0.59け0.8秒，用户点播体验良好。信源经平台转码处理后推送，为广大师生用户更好的提供课程媒资点播和实时课程直播。

  视频会议接入云是互动视频课的承载云，接入方式可由用户的所处环境自由选择。接入云服务器提供内网和公网接入方式，例如机顶盒用户通过机顶盒专用APK和摄像头就可以快速进入云课程，针对手机用户或其它外网用户，只需将接入地址改成公网云IP地址，也可以便捷接入云课程，灵活方便。

  系统前端的灵活性保证了平台对各种传输协议的信号拥有非常良好的接入适应性，兼容当今主流的互联网直播rtmp推流信号，广电udp组播流信号以及监控rtsp推流信号等，不论输入信号源是何种格式，前端都可以将其处理成平台兼容的信号源，以下简要说明几个常见的模式：

  1.公网CDN对接模式：播出环境不利于直播前端系统部署，选用此模式对接。在机房架设代理访问服务器用于对接公网CDN下发的rtmp直播视频流，经转码服务器处理后由推流集群播发，多用于网络页面直播。

  2. 前端编码回传模式：播出环境有广电光纤接入，可通过光网络终端（ONU）和编码器搭建简易直播前端编码回传系统，将输入的HDMI或SDI信号编码后通过ONU经光纤专网回传给核心集群进行转码处理和推流分发。

  3. 非标udp组播信号对接模式：播出环境为多路直播场景，CP方按照其udp规划生成组播地址，但这些地址是非广电标准的组播地址，需要将其处理成广电标准的组播地址才能够最终靠广电的直播DCM平台播出去。

  系统平台采用软硬件双重负载均衡技术，软件负载均衡使用Nginx（反向代理）技术，通过动态DNS解析定位检测服务器内部故障，还可异步处理网络请求以减轻节点服务器的负载压力；而硬件负载均衡设备则接入了目前教育平台所有的点播信令和推流信号，通过负载交换策略合理调配资源，缓解推流压力，达到集群的最佳承载性能。

  用户使用机顶盒、手机、电脑或PAD等终端安装视频课程APK或APP，通过IP设置绑定视频互动云服务器，内网用户选择内网接入服务器，移动网及互联网用户选择公网接入服务器。输入用户名、对应的课程编号和密码口令，即可通过各终端进入视频互动课，有线网、无线网均可随时随地便捷接入，音视频同步性好，网络时延低。

  地市版本的空中课堂栏目以聚合页面形式呈现，汇集省、市、区三级高清点播课栏目入口、新形式高清直播课栏目入口、远程多屏互动课栏目入口和周边活动栏目入口等，依据市场推广策略，聚合页面的内容和相关素材可以灵活调整和修改，如图3所示。

  用户通过聚合页面上的不同入口进入对应的页面。例如2020年3月 “抗疫助学”期间，市教育局“锡慧在线”、区教育局“梁溪名师”、“惠山空课”等点播栏目相继在平台上线，用户可依据自己情况进入对应区属栏目对应学校的课程页面进行课程学习和收看，如图4所示。

  除了以上课程点播栏目外，平台还提供新形式的公开课直播栏目，通过直播现场的编码回传系统将视频信号送至平台，再灵活选用WEB页面（单路直播）或DCM组播（多路直播）方式来进行课程实况直播。下图所示为江苏省某知名高中分享公开课的录制播出场景，如图5所示。

  用户通过机顶盒应用APK、手机APP或PC客户端均可进入视频会议登陆页面，选择对应会议或课程名称，键入用户名或会议课程号，输入密码后即可进入互动课程的交流学习，此场景可用于课后答疑，师生交流等需要实时互动的场景，如图6所示。

  地市级空中课堂互动直播平台的建设自2019年底开始，历时四个多月，基本完成平台雏形建设并不断丰富平台内容。期间，项目团队成功打造了地市级的特色课程媒资库，成功进行了多次公开课直播和视频互动课试点。此外还通过与教育部门的协同宣传，最大限度提升平台的认知度，获得了广泛的社会认可。

  在此次平台建设中，项目团队经过认真总结和系统分析，对项目中积累的经验教训总结如下：

  1. 走自上而下的推广发展路线，紧密联系地市级教育局和电教馆等教育部门，争取最大限度的政策支持和资源支持，以广电网络的传输优势和教育部门的媒资优势相结合，形成“政策+媒资+传输”的互惠推广态势，收获“1+12”的宣传效果。

  2. 提升本地课程媒资库的质量，持续丰富媒资库内容，加强与社会团体、培训机构的交流合作，拓宽媒资获取渠道，切实增强课程媒资库的多样性和可看性，形成地市宣传特色教育媒资新名片。

  3. 根据自建直播前端系统灵活对接开展各类型的教育直播类业务，目前前端系统架构基本符合大多数场景需求，但数据回传设备的架设受地理位置影响较大，广电专网敷设盲点和无固定网络接入的场馆地区，直播业务不便开展，具体可参考网络直播模式，采购移动式网络直播回传设备，支持编码后的信号经过4G/5G移动网回传至推流集群。

  4. 目前的视频会议系统已具备课程交互的一般基本功能，但要想更符合教师和学生的使用习惯，还需对此系统来进行定向的功能开发，例如教师点名、出勤率统计等附加功能；另一方面，视频会议系统的并发承载力受接入服务器、授权license和宽带出口限制，对超过百人同时接入的场景还不能很好的承载，后期需依据业务发展状况酌情考虑进行系统扩容以提升互动体验。

  对接AI智能语音系统，实时将课程媒资信息同步给语音平台。机顶盒用户通过语音遥控器说出课程名称，就可以完成课程的语音搜索和快速呈现；点播课程播放完毕后，系统平台会按照每个用户点播的课程标签进行智能检索和推荐，呈现在下方供用户便捷选择，优化用户体验。

  平台通过基础课程的公益免费点播积攒人气，树立口碑，后续将着手进行付费VIP精品课程栏目的打造。拟引入幼小衔接、升学辅导、名校专题课等精品媒资，用户以单包、包年级、包栏目等多种形式进行订购。

  为形成线上学习“学+练”的闭环，拟建设课后练习版块，作为“VIP精品课程”的衍伸，将实现电视手机大小屏的互动，用户可通过手机扫描二维码，下载打印习题试卷，订购并收看试卷讲解。

  后期平台将集成并上线用户注册和用户积分功能，用户进入聚合页面之前会弹出基础信息注册界面，用户填写联系方式、学校和年级信息后完成注册进入页面，用户个人信息可用于后续精准推广和营销。

  后续平台拟新增积分制度，根据学生浏览页面和点播课程的具体行为，大数据服务器能够直接进行积分的统计和累加，用户都能够使用积分兑换VIP课程或相应奖品。

  空中课堂互动直播电视平台的建设获得地市教育局的政策支持和信息化管理服务中心的媒资支持，结合地方广电的传输优势，通过电视大屏为全市师生用户更好的提供“公平又有质量的教育”，具备良好的社会效益及示范作用。

  此外，地市互动直播电视平台作为教育资源互学共享的重要阵地，为用户更好的提供课程点播、直播和视频互动服务，可大范围的应用在电视授课、校园公开课直播、课后互动辅导、通告发布等领域，使用户得到满足多样性的学习需求。通过整合全市的优质课程媒资内容来吸引广大新老用户，不仅仅可以有效黏着在网有线电视用户，还能够由此发掘教育行业的大量潜在用户，培养用户通过电视学习的习惯，为广电拓展教育领域业务打开新局面。

  [1]刘涛.广播电台融合媒体互动直播平台设计与实现[J].广播电视信息,2019(12):10.

  [3]上海艾瑞市场咨询有限公司.中国直播互动教育行业研究报告[C].艾瑞咨询系列研究报告，2017(8):205-267.