通信設(shè)施智能巡檢系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

祁瑞麗，周子臣，林立忠，柴忠良，滑斌杰，李瑗

（1.石家莊學(xué)院計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊050035；2.66172部隊司令部，河北石家莊050200）

通信設(shè)施智能巡檢系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

祁瑞麗1，周子臣2，林立忠1，柴忠良1，滑斌杰1，李瑗1

（1.石家莊學(xué)院計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊050035；2.66172部隊司令部，河北石家莊050200）

針對通訊運營商的基站設(shè)備、IPRAN和天饋系統(tǒng)等自由資源的巡檢，提出了基于移動終端的巡檢方案，以Eclipse為開發(fā)平臺，MySQL作為后臺數(shù)據(jù)庫，采用智能終端作為巡檢工具，運用定位技術(shù)實現(xiàn)巡檢線路實時監(jiān)控、巡檢軌跡合理規(guī)劃；將采集到的抱桿和天線圖像，采用圖像自適應(yīng)濾波技術(shù)和圖像分割技術(shù)進(jìn)行處理得到特征圖像，進(jìn)而得到機(jī)械下傾角，并提出了以天線掛高和采集距離作為修正參數(shù)得到測量修正值；最后，對歷史巡檢數(shù)據(jù)從區(qū)域、運維專業(yè)、故障類型、處理平均時長等多個維度進(jìn)行統(tǒng)計和分析，形成直觀趨勢圖，實現(xiàn)巡檢系統(tǒng)預(yù)警和對代維單位及巡檢人員的綜合測評.系統(tǒng)解決基礎(chǔ)工參更新實時性差、準(zhǔn)確性低的問題，還可以自動統(tǒng)計基站斷站時長.目前系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于某通信公司的日?；狙矙z，取得了較好的效果.

巡檢；通信設(shè)施；移動終端；定位；圖像識別；數(shù)據(jù)挖掘

0 引言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展以及智能終端的廣泛普及，手機(jī)成為人們?nèi)粘９ぷ骱蜕畈豢苫蛉钡墓ぞ撸纱硕鴣?，運營商的通信設(shè)施維護(hù)和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作就變得至關(guān)重要.為了保障網(wǎng)絡(luò)正常運行，運營商的首要任務(wù)就是通過巡檢和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化確保通信設(shè)施安全、可靠運行.網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施主要包括基站、抱桿、電纜、管井、天饋系統(tǒng)、基帶設(shè)備等，它們所處的地理位置和外部環(huán)境千差萬別，這就造成了巡檢任務(wù)重，工作繁雜，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和及時性難以保證.傳統(tǒng)的巡檢方式是人工填寫巡檢記錄，待巡檢結(jié)束后，對工作薄上的內(nèi)容進(jìn)行整理并上交[1]，這就不可避免會帶來錯檢、漏檢現(xiàn)象，致使巡檢質(zhì)量不高、效率低下.因此，建立起一套科學(xué)、規(guī)范、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难矙z系統(tǒng)，對于通信設(shè)施、線路實現(xiàn)量化、動態(tài)管理來說就成了重中之重.

近來，移動通訊技術(shù)和GPS設(shè)備迅速發(fā)展，基于無線終端的移動巡檢方式被越來越多地應(yīng)用于各個領(lǐng)域.移動巡檢是一種利用現(xiàn)代移動終端技術(shù)、移動通訊技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)等高新技術(shù)實現(xiàn)在移動中完成巡檢任務(wù)的方法[2].文獻(xiàn)[3]提出了一種基于Android的智能巡檢系統(tǒng)，在移動終端上實現(xiàn)現(xiàn)場巡檢、信息查詢、巡視導(dǎo)航的功能，因其缺乏具體參數(shù)，所以無法直接應(yīng)用于某領(lǐng)域；文獻(xiàn)[4]提出了一種基于ZigBee和UHF的智能巡檢系統(tǒng)，但是受到數(shù)據(jù)傳輸距離限制，隨著傳輸距離的增大，數(shù)據(jù)丟包率明顯增加.

鐵塔公司成立以來，運營商巡檢重點發(fā)生巨大變化.巡檢重點轉(zhuǎn)移到基站設(shè)備、線路、天饋系統(tǒng)等自有資源上；對于隸屬鐵塔公司的共享站址資源，只需通過斷站率考核鐵塔公司對機(jī)房、鐵塔以及相關(guān)配套的維護(hù)力度.但現(xiàn)有系統(tǒng)對自有資源精細(xì)管理不到位，不能全面反映自有資源運行狀態(tài).

鑒于此，提出了一種通信設(shè)施移動巡檢系統(tǒng)，不僅滿足新形式下日常巡檢需求，而且形成了成熟的針對LTE天饋工參維護(hù)實時性差、準(zhǔn)確性低的解決方案.該系統(tǒng)以移動性、及時性、高效性為鮮明特征，真正實現(xiàn)了巡檢效率高、管理智能化的目的[5]，并在河北某通信公司建設(shè)優(yōu)化中成功應(yīng)用.

1 關(guān)鍵技術(shù)

巡檢人員能否按時按工單指定線路巡檢，是保證巡檢工作效率的前提條件.根據(jù)室內(nèi)外不同環(huán)境選用合適的定位技術(shù)，是監(jiān)控巡檢軌跡的重要基礎(chǔ).目前的定位技術(shù)主要分為3種類型：GPS定位、基站定位和混合定位技術(shù)[6].

在室外空間應(yīng)用最多的是衛(wèi)星定位即GPS定位技術(shù)[6].該方法通過終端上的GPS模塊向后臺發(fā)送其位置信息來實現(xiàn)定位，其定位精確度主要取決于衛(wèi)星信號的強(qiáng)弱和有無，一般室外效果好，室內(nèi)或弱覆蓋區(qū)則差強(qiáng)人意.基站定位實現(xiàn)簡單，適合于對定位精度要求不高的場合，但當(dāng)基站分布稀疏，覆蓋半徑較小時，該方式定位誤差明顯增大.混合定位是一種利用GPS和基站的綜合定位模式，它將終端接收定位衛(wèi)星發(fā)來的定位數(shù)據(jù)和通過基站定位獲得的移動目標(biāo)定位數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)融合后產(chǎn)生地理位置坐標(biāo)數(shù)據(jù).

系統(tǒng)從定位精度、外界環(huán)境和經(jīng)濟(jì)成本等多方面出發(fā)，合理選擇定位技術(shù).室外無阻擋時，優(yōu)先選用GPS技術(shù)實現(xiàn)精確定位；在無信號的室內(nèi)或建筑物遮擋較嚴(yán)重的區(qū)域則轉(zhuǎn)為混合定位方式.現(xiàn)場工程人員通過手機(jī)APP接單，采用合適的定位技術(shù)，現(xiàn)場采集基帶設(shè)備、通信線路、天饋系統(tǒng)的圖片和配置參數(shù)，實時上傳后臺數(shù)據(jù)庫.設(shè)備維護(hù)人員驗收新開站點天饋系統(tǒng)，對照工程人員采集的經(jīng)緯度、圖片和參數(shù)，若合格歸檔入庫，若不合格重新執(zhí)行.通過傳回服務(wù)器的位置坐標(biāo)，實現(xiàn)對巡檢軌跡的實時監(jiān)控.同時，根據(jù)小區(qū)經(jīng)緯度與移動客戶端記錄的經(jīng)緯度信息自動計算距離，實現(xiàn)巡檢人員的精確調(diào)度.通過巡檢系統(tǒng)，促使運營商建設(shè)、維護(hù)和優(yōu)化工作的深度融合.

系統(tǒng)采用圖像處理技術(shù)，首先采集抱桿和天線圖像，然后采用圖像自適應(yīng)濾波技術(shù)和圖像分割技術(shù)進(jìn)行處理得到特征圖像，機(jī)械下傾角由計算抱桿和天線邊緣特征直線夾角得到.針對正拍和仰拍兩種圖像采集場景，提出了以天線掛高和采集距離作為修正參數(shù)得到測量修正值，可以得到誤差范圍在±1.2度的測量結(jié)果.

系統(tǒng)按區(qū)域、運維專業(yè)、故障類型、處理平均時長等多個維度對歷史巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和分析，形成直觀趨勢圖，利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)實現(xiàn)對歷史巡檢數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計，接近或超出閾值時進(jìn)行實時報警，做到防患于未然.同時根據(jù)分析結(jié)果對代維單位和巡檢人員進(jìn)行綜合測評，根據(jù)測評結(jié)果采取獎罰措施，形成一套公平、完善的激勵機(jī)制，提高人員工作的積極性.

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成：巡檢人員通過巡檢APP查看系統(tǒng)管理員派發(fā)的巡檢任務(wù)，之后利用智能移動終端的定位和拍照功能采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并通過3G、4G或Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)上報到WEB服務(wù)器；服務(wù)器端則對上報的位置信息，利用GIS技術(shù)將二維行列數(shù)據(jù)平面化，實現(xiàn)人員定位和事件定位；利用圖像處理技術(shù)[7，8]對報送的圖片進(jìn)行處理，得到其特征圖像，進(jìn)而由抱桿和天線邊緣特征直線夾角得到機(jī)械下傾角；同時，利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)[9，10]，從多個維度對歷史巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和分析，形成直觀趨勢圖.巡檢示意圖如圖1所示.

圖1 巡檢示意圖

2.2 巡檢業(yè)務(wù)流程

根據(jù)上述分析，結(jié)合通訊行業(yè)巡檢工作的業(yè)務(wù)流程和實際需求，將巡檢系統(tǒng)分為客戶端和服務(wù)器端兩部分，巡檢業(yè)務(wù)流程如圖2所示.

原巡檢系統(tǒng)沒有考慮到對于共享資源和自有資源的差異化巡檢，而是對屬于鐵塔公司的共享站址資源和運營商的自有資源一視同仁，導(dǎo)致鐵塔公司的巡檢和運營商的巡檢交叉重疊，加重巡檢負(fù)擔(dān)，浪費人員精力，降低巡檢效率.另外，對自有資源管理不夠精細(xì)，不能全面監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài).對此，本系統(tǒng)對運營商核心的基站設(shè)備、管線、天饋系統(tǒng)有所側(cè)重，天線是否有裂痕、方位角是否有阻擋、下傾角設(shè)置是否合理等都將列入巡檢范圍.對于隸屬鐵塔公司的共享站址資源，則只通過斷站率考核鐵塔公司對機(jī)房、鐵塔以及相關(guān)配套的維護(hù)力度.

服務(wù)器端主要功能：按不同方案制定巡檢任務(wù)，依據(jù)客戶端發(fā)送的位置信息跟蹤巡檢線路，發(fā)現(xiàn)潛在隱患點，根據(jù)上報數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析和數(shù)據(jù)挖掘形成報表，以及設(shè)備、傳輸、線路土建、代維人員檔案等基礎(chǔ)信息的維護(hù)和管理.如圖3所示.

客戶端主要功能包括：巡檢人員登陸后，完成巡檢任務(wù)的接單、處理和回單，若巡檢任務(wù)不合理可以拒接任務(wù).按照接收的巡檢工單完成定位、數(shù)據(jù)采集、故障拍照和上傳功能，支持故障的實時處理和轉(zhuǎn)派.

圖2 巡檢業(yè)務(wù)流程圖

圖3 服務(wù)器端功能結(jié)構(gòu)圖

圖4 系統(tǒng)平臺框架圖

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

該系統(tǒng)選用C/S模式，客戶端在Android平臺上實現(xiàn)，通過3G、4G或Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器通信.服務(wù)器端基于開源J2EE跨平臺技術(shù)架構(gòu)，以MySQL做為后臺數(shù)據(jù)庫.系統(tǒng)平臺框架如圖4所示.

系統(tǒng)采用了Struts+Spring+Hibernate集成框架，架構(gòu)模式自上而下分為四層：表示層、業(yè)務(wù)層、持久層和數(shù)據(jù)層[11].表示層主要通過手機(jī)終端和系統(tǒng)管理界面實現(xiàn)與用戶的交互，采用Struts完成MVC的分離；業(yè)務(wù)層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和分析，并為其完整性提供支持；持久層是上層與數(shù)據(jù)庫成功交互的重要保證；數(shù)據(jù)層則存儲和管理系統(tǒng)所需的重要數(shù)據(jù).

3.1 巡檢系統(tǒng)服務(wù)器端

1）工單管理

工單管理是以工單處理流程為依據(jù)建立起來的，從工單發(fā)起，到審批、下發(fā)、執(zhí)行、上報，最后驗收合格后工單完結(jié).圖5是工單處理流程圖.

首先，各地市的派單人員根據(jù)巡檢任務(wù)制定日?；蛘呔o急工單，根據(jù)基站類型、代維公司類別、緊急程度進(jìn)行區(qū)分.選擇基站類型，確定不同的巡檢條目，明確巡檢站點和巡檢對象.根據(jù)不同的代維公司選擇其下屬的巡檢人員，分工明確，權(quán)責(zé)清晰.根據(jù)任務(wù)的緊急程度制定回單期限，督促職員按單巡檢，提高工作效率.工單制定完成后，需要經(jīng)過所處地市相關(guān)部門領(lǐng)導(dǎo)審批，確保每一條工單的合理性、權(quán)威性和完備性.

然后，工單審批完成后通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給接收人即巡檢人員，若巡檢任務(wù)不合理可以拒接任務(wù)，若合理巡檢人員按照工單執(zhí)行任務(wù)，完成后通過終端上報工單.根據(jù)完成日期與回單期限判斷為按時完成工單或者超時完成工單.發(fā)起工單頁面如圖6所示.

2）巡檢實況管理

每條工單派單人可實時查看工單狀態(tài)，實現(xiàn)對工單的實時跟蹤，提高監(jiān)管力度，加強(qiáng)巡檢過程管控.主要包括線路跟蹤、隱患點管理和工單跟蹤.服務(wù)器根據(jù)客戶端上報的巡檢數(shù)據(jù)以及圖片和位置信息，提供巡檢線路跟蹤及障礙點、隱患點查詢和設(shè)置.圖7為某員工巡檢軌跡.

3）巡檢數(shù)據(jù)挖掘

圖5 工單處理流程圖

圖6 發(fā)起工單頁面

圖7 員工巡檢軌跡

利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，從資源統(tǒng)計、異常數(shù)據(jù)、考核管理、告警預(yù)測等維度對巡檢數(shù)據(jù)展開分析，生成報表和趨勢圖.如圖8所示.

系統(tǒng)采用簡潔、高效、應(yīng)用廣泛的K-means聚類法實現(xiàn)巡檢數(shù)據(jù)挖掘.該方法使用巡檢數(shù)據(jù)點集合D和需要的聚類數(shù)目K，根據(jù)已有樣本特征向量對樣本進(jìn)行類別劃分，根據(jù)距離函數(shù)將數(shù)據(jù)點劃分成K類，迭代以上過程，直到滿足停止條件，最后得到劃分結(jié)果[12].

資源統(tǒng)計：按照密集市區(qū)、市區(qū)、郊區(qū)、縣城、平原農(nóng)村、山區(qū)農(nóng)村等場景統(tǒng)計天線掛高、下傾角、站點密度，然后結(jié)合DT/CQT、MR數(shù)據(jù)分場景分析穿透損耗、網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況.對于農(nóng)村場景，天線掛高過低、下傾角過大都會影響網(wǎng)絡(luò)覆蓋，若天線安裝于鐵塔第一平臺，需要建設(shè)部門提高新塔高度，若天線安裝于鐵塔第二、三平臺，需要維護(hù)部門溝通解決天線平臺過低問題.按照責(zé)任主體、站點類型、C/L是否共站、站點配套、等級、斷服次數(shù)和時長統(tǒng)計基站綜合能力，提高應(yīng)對極端天氣、緊急事件的能力.

異常數(shù)據(jù)：系統(tǒng)采用圖像識別技術(shù)完成對于天線機(jī)械下傾角的識別，對塔工上報的機(jī)械下傾角度進(jìn)行驗正，若角度相差過大，責(zé)令代維重新上塔測量，也可用于運營商春季巡檢、秋季巡檢.首先讀取巡檢人員上報的抱桿和天線圖像，然后通過圖像自適應(yīng)濾波技術(shù)和圖像分割技術(shù)處理得到特征圖像，再由抱桿和天線邊緣特征直線夾角得到下傾角，基本上滿足網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化對下傾角測量的精度要求.如圖9和圖10所示.

考核管理：根據(jù)巡檢數(shù)據(jù)對代維單位和人員進(jìn)行綜合業(yè)務(wù)打分，使得運營商客觀掌握代維能力，為下一年的代維招標(biāo)提供決策參考.

斷站預(yù)測：根據(jù)巡檢結(jié)果中的業(yè)主糾紛、市電和蓄電池能力、管線、設(shè)備老化等數(shù)據(jù)生成站點的時間和斷站發(fā)生趨勢圖，形成日、周、月、年等不同周期的發(fā)生概率對比，預(yù)測站點將來斷站發(fā)生概率.

移動網(wǎng)斷站統(tǒng)計：統(tǒng)計一段時間內(nèi)移動網(wǎng)斷站率，重點關(guān)注鐵塔公司不發(fā)電或發(fā)電不及時等原因造成的頻繁斷站，其次關(guān)注運營商由于線路、設(shè)備等原因造成的頻繁斷站，統(tǒng)計維度包括責(zé)任主體、站點系統(tǒng)類型、站點在運營商等級、站點在鐵塔等級、站點配套產(chǎn)權(quán)、斷站次數(shù)、斷服時長等.統(tǒng)計由于鐵塔原因和運營商原因?qū)е碌臄嗾緯r長，分別實現(xiàn)對鐵塔和運營商本地網(wǎng)維護(hù)單位的考核.如圖11所示.

圖8 巡檢數(shù)據(jù)報表

圖9 采集的原始圖像

圖10 處理后的特征圖像

圖11 移動網(wǎng)斷站統(tǒng)計界面

3.2 巡檢系統(tǒng)客戶端

1）任務(wù)接單

巡檢人員處理派發(fā)給自己的巡檢任務(wù)，若不合理或者錯誤，可拒收.

2）任務(wù)簽到

巡檢人員巡檢現(xiàn)場，進(jìn)行現(xiàn)場簽到，簽到時必須通過手機(jī)定位上報位置.

3）任務(wù)巡檢

根據(jù)巡檢內(nèi)容項，進(jìn)行現(xiàn)場的巡檢，包括數(shù)據(jù)填寫、拍攝現(xiàn)場圖片，保存和上報結(jié)果.巡檢工單頁面如圖12所示.

4）任務(wù)簽離

巡檢結(jié)束進(jìn)行簽離，表明巡檢人員已經(jīng)完成本通信站點的巡檢任務(wù)，開始下一項站點巡檢任務(wù).

4 系統(tǒng)應(yīng)用

系統(tǒng)成功應(yīng)用于某通信公司日常巡檢，滿足了運營商新形勢下對核心基站設(shè)備、通信線路和天饋系統(tǒng)的重點監(jiān)控和信息采集，促使運營商的建設(shè)、維護(hù)和優(yōu)化部門深度融合，有效實現(xiàn)降本增效.一鍵統(tǒng)計移動網(wǎng)斷站，多維度分析鐵塔、機(jī)房以及配套設(shè)施運行維護(hù)狀況，為運營商制定鐵塔公司相關(guān)的獎罰措施、落實結(jié)算資金提供了數(shù)據(jù)支撐.

系統(tǒng)現(xiàn)場采集和實時上傳天線型號、鐵塔安裝平臺、掛高、方位角、下傾角配置以及圖像信息，解決了天饋系統(tǒng)射頻工參更新準(zhǔn)確性低、實時性差的問題，保證RF射頻優(yōu)化方案的精準(zhǔn)制定和實施.系統(tǒng)的應(yīng)用使得天線巡檢或調(diào)整次數(shù)下降約8.7%，測試?yán)锍虦p少了20.15%，越區(qū)覆蓋、MOD3干擾、重疊覆蓋等網(wǎng)絡(luò)隱患下降10%，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量得到顯著提升.

圖12 客戶端部分巡檢工單界面

5 結(jié)束語

設(shè)計了一種基于移動客戶端的通信設(shè)施智能巡檢系統(tǒng)，結(jié)合當(dāng)前應(yīng)用廣泛的定位、GIS、數(shù)據(jù)挖掘、圖像處理等技術(shù)，解決了傳統(tǒng)巡檢中存在的監(jiān)控力度弱、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性差、統(tǒng)計分析不足、考核繁瑣等問題，滿足了新形式下運營商快速和重點巡檢的需求，有效提升了網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量.筆者將數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應(yīng)用于通信行業(yè)的巡檢數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域中，提出了一種解決問題的方法.然而，當(dāng)數(shù)據(jù)量巨大時，系統(tǒng)的等待時間會成為影響分析效率的瓶頸.因此，結(jié)合Map-Reduce模型進(jìn)行分布式大數(shù)據(jù)分析是下一步研究的重點.

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（責(zé)任編輯 王穎莉）

Design and Implementation of Intelligent Inspection System for Communication Facilities

QI Rui-li1,ZHOU Zi-chen2,LIN Li-zhong1,CHAI Zhong-liang1,HUA Bin-jie1,LI Yuan1
(1.School of Compute Science&Engineering,Shijiazhuang University,Shijiazhuang,Hebei 050035,China; 2.Headquarters,66127 Forces,Shijiazhuang,Hebei 050200,China)

In accordance with the communication operator’s base station equipment,IPRAN and antenna system and other free resources inspection,the inspection scheme based on mobile terminal is proposed. With Eclipse as the development platform,MySQL as the background database,intelligent terminal as a tool for inspection,positioning technology is used to realize real-time monitoring and rational planning of inspection track.Image adaptive filtering and image segmentation are used on the images of the pole and antenna to get the characteristic image,and then get the mechanical dip angle.The correction parameters are obtained from the antenna height and collecting distance as the correction parameters.Finally,by doing statistics and analyzing the data of historical inspection from the regional,operation and maintenance professionals,the type of failure,the average length of processing and other dimensions,a visual trend char is formed,which realizes the early warning of the inspection system and the comprehensive evaluation of the maintenance unit and the inspection personnel.The problem of poor real-time performance and low accuracy is solved.In addition,it can automatically countthe duration of off-station.At present,the system has been applied to a communication company’s daily base station inspection,achieving good results.

inspection;communication facilities;mobile terminal;location technology;image recognition;data mining

TP319

A

1673-1972（2016）06-0044-07

2016-10-17

石家莊學(xué)院科研啟動基金（21601000202）

祁瑞麗（1984-），女，河北邢臺人，高級工程師，主要從事數(shù)據(jù)庫、移動互聯(lián)網(wǎng)研究.