基于數(shù)據(jù)分析技術(shù)的無線電監(jiān)測與管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高文逸，龔曉峰，雒瑞森

（四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610000）

0 引 言

無線電行業(yè)的飛速發(fā)展，使得無線電技術(shù)在各行各業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。頻譜資源的越發(fā)緊張、臺(tái)站密度的越發(fā)增加，導(dǎo)致無線電臺(tái)站的監(jiān)測工作強(qiáng)度越來越大，無線電監(jiān)測管理形勢也越發(fā)嚴(yán)峻。因此，為了提高無線電監(jiān)測水平和準(zhǔn)度，保障頻譜資源的有效管理，建立一套完善且適應(yīng)無線電發(fā)展的無線電管理體系，是實(shí)現(xiàn)國家“十三五”期間無線電管理規(guī)劃的重要支撐[1]。

目前，無線電監(jiān)測與管理系統(tǒng)一部分是基于C/S 架構(gòu)設(shè)計(jì)，需要在相關(guān)專業(yè)人員電腦上安裝軟件包，實(shí)施起來比較繁瑣且工作量較大，不利于對無線電進(jìn)行實(shí)時(shí)管理。另一部分雖然是基于B/S 架構(gòu)，在系統(tǒng)部署等方面優(yōu)于基于C/S 架構(gòu)設(shè)計(jì)的監(jiān)管系統(tǒng)，但是在數(shù)據(jù)可視化與整合方面略有薄弱，且系統(tǒng)相對獨(dú)立，不能實(shí)現(xiàn)信息共享，無法達(dá)到信息增值和利用的效果。

針對上述問題，本文從無線電監(jiān)測與管理的實(shí)際需求出發(fā)，以無線電監(jiān)測、信息整合與增值為重點(diǎn)，使Internet 技術(shù)與GIS 原理相結(jié)合[2]，將功能組件封裝成服務(wù)，建立符合國家標(biāo)準(zhǔn)、適用于PC 端、開發(fā)與運(yùn)行成本低的無線電管理系統(tǒng)。

該系統(tǒng)支持用戶在PC 端利用游覽器查看臺(tái)站的分布及運(yùn)行狀況、管理臺(tái)站數(shù)據(jù)、進(jìn)行無線電日常監(jiān)測以及信號(hào)管理等功能，降低了無線電管理系統(tǒng)的使用門檻。同時(shí)，利用數(shù)據(jù)分析技術(shù)，將無線電監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行高效整合和共享，使信息達(dá)到增值的效果，提高了無線電資源的管理效率。組件化開發(fā)也保證了系統(tǒng)良好的可擴(kuò)展性和可整合性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 功能設(shè)計(jì)

本文主要研究無線電監(jiān)測與管理系統(tǒng)中通過數(shù)據(jù)分析將處理后的數(shù)據(jù)信息與無線電監(jiān)測管理相結(jié)合的技術(shù)。以地理信息系統(tǒng)WebGIS 系統(tǒng)作為無線電管理系統(tǒng)的可視化支撐平臺(tái)，以無線電監(jiān)測數(shù)據(jù)以及管理工作作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，通過數(shù)據(jù)分析與處理，對合法數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，將數(shù)據(jù)進(jìn)行整合與共享，同時(shí)在WebGIS應(yīng)用層面的電子地圖上展示相應(yīng)數(shù)據(jù)。

此系統(tǒng)主要由無線電臺(tái)站管理、無線電日常監(jiān)測管理、信號(hào)管理以及用戶管理共4 個(gè)模塊組成，如圖1 所示。各子系統(tǒng)的主要功能包括：

圖1 系統(tǒng)功能模塊劃分

1）無線電臺(tái)站管理

支持對臺(tái)站數(shù)據(jù)庫的訪問，完成在電子地圖上的分布顯示，實(shí)現(xiàn)對無線電臺(tái)站的基本參數(shù)、地理位置、維護(hù)日志以及運(yùn)行狀況等信息的查改操作。

2）無線電日常監(jiān)測管理

支持無線電日常監(jiān)測任務(wù)，包括單頻測量、頻段掃描、單頻測向、聯(lián)合測向、信號(hào)分析、任務(wù)調(diào)度等[3]。

3）信號(hào)管理

支持地圖顯示信號(hào)分布及類型，展示區(qū)域信號(hào)列表，實(shí)現(xiàn)對信號(hào)的增刪改查操作，并對異常信號(hào)進(jìn)行告警處理。

4）用戶管理

支持對系統(tǒng)的操作人員進(jìn)行人員信息及部門信息等增刪改查操作，實(shí)現(xiàn)操作人員權(quán)限分級(jí)以及角色賦予等管理，確保系統(tǒng)安全。

1.2 架構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合無線電管理業(yè)務(wù)的要求，系統(tǒng)主要由應(yīng)用層、應(yīng)用支撐層以及基礎(chǔ)設(shè)施層這三個(gè)層次構(gòu)成。系統(tǒng)采用B/S 架 構(gòu)[4]，以O(shè)penlayers 作 為 地 圖 顯 示 框 架，GeoServer 作為地圖服務(wù)器來搭建WebGIS 平臺(tái)，選用HBase 數(shù)據(jù)庫結(jié)合MySQL 來存儲(chǔ)與分析數(shù)據(jù)。系統(tǒng)總體架 構(gòu)如圖2 所示[5?6]。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

1）應(yīng)用層

由基于基礎(chǔ)類平臺(tái)和數(shù)據(jù)中心的業(yè)務(wù)應(yīng)用組成，包括無線電監(jiān)測、無線電信號(hào)管理、告警管理以及臺(tái)站管理等業(yè)務(wù)模塊。通過可視化的用戶界面，為無線電管理人員提供各項(xiàng)服務(wù)。

2）應(yīng)用支撐層

由基礎(chǔ)類平臺(tái)與數(shù)據(jù)中心兩部分組成。

基礎(chǔ)類平臺(tái)是介于數(shù)據(jù)庫和業(yè)務(wù)應(yīng)用之間的中間層服務(wù)，提供統(tǒng)一身份、服務(wù)治理、平臺(tái)管理、地理信息、應(yīng)用安全等服務(wù)?；A(chǔ)類平臺(tái)主要對應(yīng)用層發(fā)送過來的數(shù)據(jù)請求進(jìn)行處理和執(zhí)行，可以說是整個(gè)無線電監(jiān)測系統(tǒng)的核心。系統(tǒng)操作人員通過調(diào)用平臺(tái)提供的服務(wù)，根據(jù)角色權(quán)限，在應(yīng)用層更新數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)中心主要存放空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)以及應(yīng)用數(shù)據(jù)，同時(shí)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行交換、加工、分析和處理?？臻g數(shù)據(jù)庫包括基本地理信息數(shù)據(jù)（不同比例尺的影像地圖數(shù)據(jù)和矢量地圖數(shù)據(jù)、地名地址數(shù)據(jù)等），屬性數(shù)據(jù)庫中主要是無線電臺(tái)站名稱、狀態(tài)、類型等數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)據(jù)庫中主要是示向度、帶寬、頻點(diǎn)等測量數(shù)據(jù)[7]。

3）基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層是無線電管理系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行的必備條件。在本系統(tǒng)中，主要由操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、硬件設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境以及服務(wù)器等組成。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 WebGIS

WebGIS 將互聯(lián)網(wǎng)與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合，在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)GIS 所具有的功能外，還支持異地使用、多用戶同時(shí)使用、跨平臺(tái)使用等操作[8]，為數(shù)據(jù)共享及數(shù)據(jù)可視化提供了平臺(tái)。在本文的無線電監(jiān)測與管理系統(tǒng)中，以O(shè)penlayers 作為地圖顯示框架，GeoServer 作為地圖服務(wù)器，來構(gòu)建本系統(tǒng)的WebGIS 平臺(tái)。

2.1.1 Openlayers

Openlayers 作為一款開源前端開發(fā)框架，除了能在網(wǎng)站中接入Web 地圖等基礎(chǔ)功能外，還能夠?qū)敫鞣N空間數(shù)據(jù)。Openlayers 可以進(jìn)行控件擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)地圖的平移、縮放、圖層疊加、標(biāo)注等功能，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行高級(jí)應(yīng)用程序開發(fā)。

Openlayers 憑借能夠支持地圖無刷新地動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)更新頁面，在對系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)的集成管理方面脫穎而出[9]。目前Openlayers 最新的大版本是Openlayers 5，它將抽象的事物具體化為類，圍繞Map、Layer、Control、Interaction、Source、View 等核心類實(shí)現(xiàn)地圖加載和各類交互操作控件[10]，使GIS 數(shù)據(jù)能夠在客戶端更好地進(jìn)行展示與交互。

2.1.2 GeoServer

在本系統(tǒng)中，由于涉及到添加、刪除和更改空間數(shù)據(jù)等操作，所以在對比目前國內(nèi)外比較成熟的GIS 軟件和技術(shù)后，選擇支持WPS，即地理信息處理服務(wù)的GeoServer 作為地圖服務(wù)器。GeoServer 對系統(tǒng)的功能擴(kuò)展和二次開發(fā)非常有利。在數(shù)據(jù)方面，GeoServer 除了支持多種矢量數(shù)據(jù)源和柵格數(shù)據(jù)源，還支持主流數(shù)據(jù)庫對其進(jìn)行擴(kuò)展。在地圖發(fā)布方面，GeoServer 支持將數(shù)據(jù)以圖像的形式輸出[11]，還可以直接發(fā)布實(shí)際數(shù)據(jù)的形式，進(jìn)行空間地理數(shù)據(jù)查詢。GeoServer 強(qiáng)大的地圖編輯功能，使用戶比較容易地進(jìn)行地理信息共享。

本系統(tǒng)中，空間數(shù)據(jù)一般以圖形的形式進(jìn)行表示，GeoServer 以普通文件的格式，將其存儲(chǔ)在服務(wù)器中。MySQL 中的數(shù)據(jù)則一般以ShapeFile 格式進(jìn)行存儲(chǔ)，當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)展示時(shí)，通過GeoServer 對其進(jìn)行調(diào)用。

2.2 數(shù)據(jù)中心

2.2.1 數(shù)據(jù)中心框架

在本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)中心采用分布式框架，基于Linux系統(tǒng)的Hadoop 基礎(chǔ)環(huán)境運(yùn)行。數(shù)據(jù)中心由數(shù)據(jù)交換平臺(tái)、數(shù)據(jù)加工平臺(tái)、數(shù)據(jù)分析平臺(tái)以及數(shù)據(jù)管理平臺(tái)組成，提供數(shù)據(jù)的交換、加工、分析以及管理服務(wù)。

在數(shù)據(jù)中心中，數(shù)據(jù)交換平臺(tái)接收來自設(shè)備、其他數(shù)據(jù)中心的各類數(shù)據(jù)，并將本數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)通過接口對外提供數(shù)據(jù)分享。數(shù)據(jù)加工平臺(tái)清洗數(shù)據(jù)中心已有的臟數(shù)據(jù)，對合法數(shù)據(jù)進(jìn)行二次加工處理，保障數(shù)據(jù)的正確性和完整性。數(shù)據(jù)分析平臺(tái)利用分布式計(jì)算技術(shù)對合法數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到有利于做出決策的數(shù)據(jù)結(jié)果。數(shù)據(jù)管理平臺(tái)對數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)維護(hù)、容災(zāi)備份、清理垃圾數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)各類數(shù)據(jù)所占資源等。

數(shù)據(jù)中心框架如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)中心框架

2.2.2 數(shù)據(jù)庫選型

數(shù)據(jù)庫選擇用MySQL 和Hbase 相結(jié)合的方法，主要數(shù)據(jù)內(nèi)容存儲(chǔ)在HDFS 中，Hbase 存儲(chǔ)HDFS 文件目錄索引以及小量的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。MySQL 中主要存儲(chǔ)分布式相關(guān)的配置信息和基礎(chǔ)信息。

2.2.3 數(shù)據(jù)庫體系基本模型

無線電管理系統(tǒng)涉及的數(shù)據(jù)包括地名、經(jīng)緯度等基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，示向度、帶寬、頻點(diǎn)等無線電數(shù)據(jù)，臺(tái)站名稱、狀態(tài)、類型等無線電站數(shù)據(jù)以及相關(guān)無線電行政管理機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)等。根據(jù)數(shù)據(jù)的類型和來源，將數(shù)據(jù)分為基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)[12]。

基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)中，主要包括不同比例尺的影像地圖和矢量地圖數(shù)據(jù)、無線電臺(tái)站分布數(shù)據(jù)、信號(hào)分布數(shù)據(jù)等以圖形化要素存在的數(shù)據(jù)。

業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)中，主要包括無線電臺(tái)站相關(guān)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)管理權(quán)限相關(guān)數(shù)據(jù)、無線電監(jiān)測數(shù)據(jù)、服務(wù)管理日志等以二維表格形式存在的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)入庫時(shí)要以相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范入庫。數(shù)據(jù)庫體系基本模型結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)庫體系基本模型結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)應(yīng)用

本系統(tǒng)運(yùn)行的硬件要求為推薦使用8 GB 內(nèi)存以上計(jì)算機(jī)，最低要求4 GB 內(nèi)存。軟件環(huán)境為Windows 操作系統(tǒng)，Google Chrome 瀏覽器，74 以及74 以上版本。

3.1 無線電臺(tái)站管理

本系統(tǒng)以地圖結(jié)合列表的形式，對無線電臺(tái)站信息進(jìn)行綜合展示。用戶可以在地圖上查看臺(tái)站的分布情況以及位置等基本信息，通過鼠標(biāo)放置圖標(biāo)操作，獲取臺(tái)站的詳細(xì)信息。同時(shí)，用戶可以通過列表的操作項(xiàng)，對臺(tái)站數(shù)據(jù)進(jìn)行添加、刪除、修改等基本操作。除此之外，系統(tǒng)還支持對臺(tái)站設(shè)備進(jìn)行開關(guān)機(jī)和重啟、查看臺(tái)站運(yùn)維日志等功能。

3.2 無線電日常監(jiān)測管理

在無線電日常監(jiān)測模塊中，系統(tǒng)在支持單頻測量、頻段掃描、離散掃描、單頻測向、寬帶測向、信號(hào)分析等常規(guī)監(jiān)測外，還可以對監(jiān)測任務(wù)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，如圖5所示。

圖5 日常監(jiān)測管理功能頁

創(chuàng)建計(jì)劃任務(wù)，支持任務(wù)停止、編輯和刪除，根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級(jí)安排任務(wù)執(zhí)行順序，例如自動(dòng)執(zhí)行的頻段掃描任務(wù)，可以被高優(yōu)先級(jí)任務(wù)搶斷，搶斷結(jié)束后，再自動(dòng)恢復(fù)任務(wù)。

3.3 信號(hào)管理

在本系統(tǒng)的信號(hào)管理模塊中，地圖顯示信號(hào)分布，鼠標(biāo)放置后顯示信號(hào)詳細(xì)信息，展示區(qū)域的信號(hào)列表實(shí)現(xiàn)對信號(hào)的增刪改查操作，同時(shí)以圖標(biāo)顏色來區(qū)分信號(hào)類型，對異常信號(hào)進(jìn)行告警處理，如圖6 所示。該模塊支持按頻段和區(qū)域?qū)π盘?hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的功能，以日報(bào)的形式對統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析。

圖6 信號(hào)管理功能頁

3.4 用戶管理

在系統(tǒng)的用戶管理模塊中，通過角色賦予和權(quán)限限制，對用戶在系統(tǒng)中的權(quán)限進(jìn)行制約，防止由于用戶權(quán)限問題造成失誤，確保系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的安全。同時(shí)可以通過人員管理和部門管理，對用戶的基本信息進(jìn)行查詢、增加、刪除和修改等操作。

4 結(jié) 語

本文以無線電監(jiān)管業(yè)務(wù)為需求，在WebGIS、Java 和React 等相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，闡述了系統(tǒng)的總體架構(gòu)和功能，論述了數(shù)據(jù)中心的框架及構(gòu)建，分析了系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)據(jù)分析技術(shù)的無線電監(jiān)管系統(tǒng)。這對提高無線電監(jiān)管效率具有十分重要的意義[13]：

1）將系統(tǒng)功能組件封裝成服務(wù)，使系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性和可整合性，為相關(guān)工作人員構(gòu)建一個(gè)一體化數(shù)據(jù)的無線電監(jiān)管系統(tǒng)，為打破無線電管理中的“信息孤島”現(xiàn)象做出了創(chuàng)新的嘗試。

2）從無線電資源管理、無線電臺(tái)站管理等多角度出發(fā)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化直觀展示。如信號(hào)報(bào)警等功能，就是對信息的有效增值和利用，提高了無線電監(jiān)管效率。

3）系統(tǒng)界面友好，可操作性強(qiáng)，主體代碼均運(yùn)行在服務(wù)器上，大大降低了無線電管理系統(tǒng)的使用門檻。在山東邊海運(yùn)行期間，整體系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，有不錯(cuò)的防錯(cuò)、抗錯(cuò)能力。