基于智能化研判分析技術(shù)的新型自動(dòng)化倒換調(diào)度系統(tǒng)

石 巖，姜永福

（河南廣播電視臺(tái)無(wú)線(xiàn)電臺(tái)管理中心，河南 鄭州 450003）

0 引言

對(duì)于發(fā)射臺(tái)站，建立智慧臺(tái)網(wǎng)不僅是確保廣播電視安全播出的重要支撐，也符合國(guó)家相關(guān)發(fā)展規(guī)劃。臺(tái)站的自動(dòng)控制與監(jiān)控技術(shù)目前還存在功能單一、維護(hù)困難等問(wèn)題，并未實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合和綜合研判。臺(tái)站的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是對(duì)發(fā)射機(jī)的各項(xiàng)功能指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)對(duì)倒換系統(tǒng)中同軸開(kāi)關(guān)等設(shè)備進(jìn)行智能化監(jiān)控和自動(dòng)化控制[1]。通過(guò)基于多數(shù)據(jù)智能分析判定的新型自動(dòng)化控制和操作，為智慧臺(tái)網(wǎng)建設(shè)奠定前端業(yè)務(wù)基礎(chǔ)。

1 信息化數(shù)據(jù)采集

1.1 非標(biāo)數(shù)據(jù)采集

目前一些發(fā)射機(jī)廠(chǎng)家的機(jī)器未提供數(shù)據(jù)接口，無(wú)法通過(guò)發(fā)射機(jī)的對(duì)外數(shù)字接口獲取發(fā)射機(jī)的功率。對(duì)此，可以在發(fā)射機(jī)端的功率監(jiān)測(cè)口安裝檢波器來(lái)獲取發(fā)射機(jī)的射頻功率。圖1 為一個(gè)射頻信號(hào)波形[2]。

圖1 射頻信號(hào)波形

將正弦波電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為采集器能識(shí)別的電壓信號(hào)后，系統(tǒng)能夠獲得準(zhǔn)確反映功率信號(hào)的電壓值。二極管檢波原理如圖2 所示。

圖2 二極管檢波原理

Ui為發(fā)射機(jī)監(jiān)控口的射頻信號(hào)輸入端，經(jīng)過(guò)檢波二極管VD1后，信號(hào)的負(fù)數(shù)半周期信號(hào)被削除，上半部分的信號(hào)波形得以保留，如圖3 所示。

圖3 二極管檢波后的波形

利用電容C1電壓不能突變的原理，得到濾掉載波信號(hào)后的電壓波形如圖4 所示。

圖4 濾掉載波信號(hào)后的電壓波形

輸出功率與檢波后的電壓呈正比關(guān)系，為了防止該電壓超過(guò)模式采集器的最大采集范圍，將得到的電壓值經(jīng)過(guò)R1和R2兩個(gè)電阻分壓后送入一個(gè)16 位高精度的AD 換器，使其轉(zhuǎn)換為采集器可以處理和計(jì)算的數(shù)字量UAD。射頻監(jiān)測(cè)口的輸出電壓Uo為：

式中：Uref為AD 轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)輸入?yún)⒖茧妷骸Ｓ捎赨o為R1和R2分壓得到，因此需要乘上R1和R2的比例還原為真實(shí)的電壓信號(hào)U總，即：

在本系統(tǒng)中，采用集成的對(duì)數(shù)檢波器AD8318芯片采集射頻信號(hào)。該芯片支持1 MHz～8 GHz 的射頻信號(hào)輸入，基本覆蓋了臺(tái)站播出頻段。AD8138具有噪聲低、精度高、脈沖響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，其內(nèi)部集成溫度傳感器，僅需單電源即可使用，兼容現(xiàn)有的電源。AD8318 原理如圖5 所示。

圖5 AD8318 原理

在原理圖中，射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)由R57、C38、C39組成的一個(gè)差分耦合電路，同時(shí)也起到了濾波作用，將無(wú)用的直流成分經(jīng)過(guò)R57引入，有用交流射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)電容C38和C39耦合后進(jìn)入芯片的差分輸入端，經(jīng)過(guò)芯片處理后直接輸出AD 值，供MCU 進(jìn)行采樣，為后續(xù)發(fā)射機(jī)功率數(shù)據(jù)采集提供數(shù)據(jù)接口支持。

1.2 動(dòng)力類(lèi)數(shù)據(jù)采集

1.2.1 發(fā)射機(jī)輸入電壓采集

在發(fā)射機(jī)的整個(gè)播出過(guò)程中，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)射機(jī)的輸入電壓和電流。市電采樣原理如圖6 所示。

圖6 市電采樣電路

Nin為三相四線(xiàn)輸入端的零線(xiàn)輸入端，Lin為火線(xiàn)輸入端，兩者均通過(guò)串聯(lián)3 個(gè)300 kΩ 的功率電阻后接到放大器的輸入端。Lin接同向端，Nin接反向端，經(jīng)過(guò)放大器LM358 處理之后，輸出一個(gè)頻率為50 Hz 的正弦波信號(hào)。將該信號(hào)送入高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器后，由采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)還原，以獲得較為準(zhǔn)確的電壓值。通過(guò)監(jiān)控發(fā)射機(jī)的電壓，為后續(xù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析提供有力的支撐。

1.2.2 輸入電流采集

一般情況下，發(fā)射機(jī)在正常播出過(guò)程中的輸出功率非常大，電流輸入也很大。監(jiān)測(cè)發(fā)射機(jī)的輸入電流，可以判斷發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率是否處于正常范圍，對(duì)判斷劣播、停播等播出故障提供了直觀(guān)的數(shù)據(jù)支撐[3]。

對(duì)于大電流監(jiān)測(cè)，很小的壓差都會(huì)造成巨大的功耗損失，無(wú)法通過(guò)普通串聯(lián)采樣電阻的方式進(jìn)行測(cè)量。從安全可行的角度出發(fā)，采用電流互感器采樣的方式更可靠，其原理如圖7所示。I1為輸入電流，經(jīng)互感器初級(jí)繞阻后，根據(jù)電磁感應(yīng)定理將會(huì)在次級(jí)線(xiàn)圈產(chǎn)生一個(gè)變電流I2，次級(jí)線(xiàn)圈的電流大小由初級(jí)線(xiàn)圈和次級(jí)線(xiàn)圈的比例決定。

圖7 電磁感應(yīng)原理

電壓整流原理如圖8 所示，在次級(jí)側(cè)VD1和R組成的回路中，R 兩端的電壓會(huì)隨著電流的變化而變化，以此將次級(jí)的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。

圖8 電壓整流原理

經(jīng)過(guò)AD 轉(zhuǎn)換器后接處理器，得到具體的電壓值，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)標(biāo)定后得到電流I2，再乘以線(xiàn)圈的匝數(shù)比N即還原出初級(jí)線(xiàn)圈中的電流，即：

發(fā)射機(jī)配電監(jiān)控是整個(gè)智能化管理系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，現(xiàn)有臺(tái)站大都采用人工定時(shí)巡檢的方式，部分臺(tái)站仍然使用紙質(zhì)巡檢記錄表。通過(guò)本次的信息化數(shù)據(jù)采集改造，對(duì)整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)預(yù)設(shè)的巡檢時(shí)間進(jìn)行電子化自動(dòng)抄表，完成自動(dòng)巡檢后上傳巡檢數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)推送異常情況，為保障機(jī)房和配電室穩(wěn)定運(yùn)行提供了重要的輔助手段[4]。

1.3 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化采集

1.3.1 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化轉(zhuǎn)換

對(duì)于非網(wǎng)絡(luò)接口，通過(guò)在接口處就近增加一個(gè)串口網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換服務(wù)器的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。圖9 為發(fā)射機(jī)采集器鏈接，圖10 為串口服務(wù)器原理。

圖9 發(fā)射機(jī)采集器鏈接

圖10 串口服務(wù)器原理

在串口服務(wù)器中，網(wǎng)口用于接收來(lái)自倒換控制器的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)并通過(guò)TCP/IP 協(xié)議棧解包，將解析獲得的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸給協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片，協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片通過(guò)外接的撥碼開(kāi)關(guān)選擇通過(guò)不同的接口進(jìn)行輸出。對(duì)外接口統(tǒng)一采用DB9 母頭作為硬件輸出接口，DB9 端口的線(xiàn)序定義如圖11 所示，接口引腳與通信模式對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1 所示。

表1 DB9 接口引腳與工作模式對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖11 DB9 接口圖例

1.3.2 硬件接口轉(zhuǎn)換原理

在串口服務(wù)器中，設(shè)備采用高度集成的多協(xié)議收發(fā)器作為轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)RS-485、RS-422、RS-232 等接口協(xié)議的兼容性，其內(nèi)部工作原理如圖12 所示。

圖12 不同接口的內(nèi)部工作原理

2 業(yè)務(wù)流程梳理

2.1 倒換備份系統(tǒng)

2.1.1 冷備份與熱備份系統(tǒng)組成

冷備份指在發(fā)射機(jī)播出過(guò)程中，閑置的主機(jī)或者備機(jī)處于未上電的狀態(tài)。熱備份指在播出設(shè)備工作時(shí)，閑置的備份發(fā)射機(jī)處于供電并待機(jī)狀態(tài)。

在臺(tái)站內(nèi)，為了保障廣播節(jié)目安全不間斷地播出，防止設(shè)備故障造成停播，每個(gè)頻道均配備了一臺(tái)備份發(fā)射機(jī)。同時(shí)為了節(jié)約電能和延長(zhǎng)發(fā)射機(jī)壽命，本系統(tǒng)在全自動(dòng)模式下可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)的冷備份，其原理是通過(guò)空開(kāi)控制器控制發(fā)射機(jī)的總電源，再配合發(fā)射機(jī)的數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)機(jī)協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射機(jī)的開(kāi)、關(guān)機(jī)。冷備份系統(tǒng)構(gòu)成如圖13 所示。

圖13 冷備份系統(tǒng)構(gòu)成

穩(wěn)壓電源分別為主發(fā)射機(jī)和備發(fā)射機(jī)提供電力，若在主機(jī)工作模式下，倒換器通過(guò)空開(kāi)控制器控制，使主發(fā)射機(jī)空開(kāi)打開(kāi)為主發(fā)射機(jī)保障電源供應(yīng)。當(dāng)主機(jī)內(nèi)的通信單元上電后，倒換機(jī)此時(shí)與主發(fā)射機(jī)建立通信連接。當(dāng)通信穩(wěn)定后，倒換控制器通過(guò)發(fā)射機(jī)的控制協(xié)議向主發(fā)射機(jī)發(fā)送開(kāi)機(jī)指令，開(kāi)啟主機(jī)，備機(jī)空開(kāi)關(guān)閉，發(fā)射機(jī)處于掉電狀態(tài)。在熱備份下，主備發(fā)射機(jī)的空開(kāi)均為打開(kāi)狀態(tài)，通過(guò)發(fā)射機(jī)指令口來(lái)控制發(fā)射機(jī)開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

2.1.2 天線(xiàn)聯(lián)鎖

在播出過(guò)程中，為了防止主、備發(fā)射機(jī)處于同時(shí)開(kāi)啟狀態(tài)而造成播出事故，規(guī)定正常播出時(shí)只允許其中一臺(tái)發(fā)射機(jī)處于播出狀態(tài)。在倒換系統(tǒng)中，由于只有一副天線(xiàn)，因此倒換器可以通過(guò)讀取同軸開(kāi)關(guān)的位置信號(hào)來(lái)確定哪一臺(tái)發(fā)射機(jī)用于播出。聯(lián)鎖是防止主、備發(fā)射機(jī)同時(shí)處于開(kāi)啟狀態(tài)的必要條件，若無(wú)聯(lián)鎖功能，輕則發(fā)射機(jī)保護(hù)強(qiáng)行關(guān)機(jī)且無(wú)法開(kāi)啟，重則天線(xiàn)同軸開(kāi)關(guān)、發(fā)射機(jī)或者饋管接觸點(diǎn)燒毀，從而引發(fā)重大播出事故。

2.1.3 聯(lián)鎖功能原理

機(jī)房主、備發(fā)射機(jī)之間均采用同軸開(kāi)關(guān)配合控制器的方式實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)饋線(xiàn)切換，其系統(tǒng)主要由系統(tǒng)邏輯控制器、行程檢測(cè)開(kāi)關(guān)、電機(jī)動(dòng)力機(jī)構(gòu)、同軸開(kāi)關(guān)主體以及電氣接口組成。其中，聯(lián)鎖信號(hào)由行程開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)。同軸開(kāi)關(guān)聯(lián)鎖功能原理如圖14 所示。

圖14 同軸開(kāi)關(guān)聯(lián)鎖功能原理

行程開(kāi)關(guān)K1和K2均為常開(kāi)狀態(tài)，K2的常開(kāi)觸點(diǎn)5，6 與K1的觸點(diǎn)3，4 分別連接到發(fā)射機(jī)的信號(hào)聯(lián)鎖接口。當(dāng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)順時(shí)針運(yùn)動(dòng)時(shí)，行程開(kāi)關(guān)K2與電機(jī)限位壓板接觸，使其處于閉合狀態(tài)。發(fā)射機(jī)此時(shí)檢測(cè)到K2信號(hào)閉合，系統(tǒng)判斷天線(xiàn)聯(lián)鎖到位，發(fā)射機(jī)能正常開(kāi)啟，否則無(wú)法正常開(kāi)機(jī)。

2.2 控制倒換流程設(shè)置

為了保障安全播出，防止系統(tǒng)在倒換過(guò)程中損壞播出設(shè)備，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的所有狀態(tài)都必須嚴(yán)格監(jiān)控。系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前獲取的設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)行自動(dòng)判斷，如果各項(xiàng)功能指標(biāo)均滿(mǎn)足倒換條件，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)切換為就緒狀態(tài)。如果檢測(cè)到在播發(fā)射機(jī)輸出功率異常，則立即觸發(fā)倒換系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)，準(zhǔn)備時(shí)長(zhǎng)5～20 s（用戶(hù)可設(shè)置）。在預(yù)備過(guò)程中，若發(fā)射機(jī)恢復(fù)則預(yù)備取消，恢復(fù)正常播出。若超過(guò)了準(zhǔn)備時(shí)間，系統(tǒng)則立即轉(zhuǎn)入倒換狀態(tài)[5]。以主倒機(jī)為例，當(dāng)主發(fā)射機(jī)的輸出功率發(fā)生異常，則立即進(jìn)入設(shè)備倒換流程，如圖15 所示。

圖15 發(fā)射機(jī)倒換流程

在發(fā)射機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，倒換器檢測(cè)到主機(jī)發(fā)射功率低于設(shè)定的下限值后，系統(tǒng)會(huì)判斷備機(jī)和天線(xiàn)的鏈接狀態(tài)，此時(shí)無(wú)論是主機(jī)還是備機(jī)只要其中有一個(gè)環(huán)節(jié)有問(wèn)題都會(huì)引起系統(tǒng)報(bào)警，例如倒換器或者發(fā)射機(jī)鏈接不正常、處于手動(dòng)狀態(tài)等。在所有環(huán)節(jié)均處于正常狀態(tài)后，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)指令主動(dòng)關(guān)閉主發(fā)射機(jī)，并實(shí)時(shí)查詢(xún)主機(jī)的功率，待功率低于設(shè)定的下限值之后再控制同軸開(kāi)關(guān)，使天線(xiàn)對(duì)接到備發(fā)射機(jī)。在冷備份的情況下，倒換器先打開(kāi)電源繼電器給備發(fā)射機(jī)上電，等待備機(jī)功率恢復(fù)正常后，倒換結(jié)束。

3 智能數(shù)據(jù)研判分析

使用采集器采集發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)后，由網(wǎng)絡(luò)回傳給中控服務(wù)器，服務(wù)器對(duì)回傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研判、處理、存儲(chǔ)，統(tǒng)計(jì)發(fā)射機(jī)內(nèi)部的報(bào)警信息，通過(guò)UI界面展示給用戶(hù)。臺(tái)站內(nèi)擁有多個(gè)廠(chǎng)家的發(fā)射機(jī)，且機(jī)器的數(shù)據(jù)、協(xié)議及接口各異，尤其對(duì)發(fā)射機(jī)內(nèi)部的報(bào)警數(shù)據(jù)無(wú)法按照統(tǒng)一的邏輯標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化各類(lèi)數(shù)據(jù)、整合零散信息，統(tǒng)一有效地管理不同廠(chǎng)家、不同數(shù)據(jù)接口、不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型的數(shù)據(jù)，解決臺(tái)站內(nèi)外平臺(tái)信息不共享、數(shù)據(jù)缺乏聯(lián)動(dòng)分析、領(lǐng)導(dǎo)決策無(wú)數(shù)據(jù)依據(jù)等一系列數(shù)據(jù)孤島問(wèn)題。由發(fā)射機(jī)采集器將各個(gè)廠(chǎng)家的接口數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理之后，按照類(lèi)型轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)流，如功放數(shù)據(jù)、激勵(lì)器數(shù)據(jù)、電源數(shù)據(jù)等，去掉一些對(duì)播出無(wú)影響且用戶(hù)不關(guān)心的數(shù)據(jù)，保留臺(tái)站內(nèi)關(guān)心的數(shù)據(jù)以及報(bào)警信息。發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)提取流程如圖16 所示。

圖16 發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)提取流程

建設(shè)統(tǒng)一的無(wú)線(xiàn)傳輸業(yè)務(wù)和運(yùn)維監(jiān)測(cè)監(jiān)管體系，完善業(yè)務(wù)和運(yùn)維數(shù)據(jù)采集和挖掘基礎(chǔ)，逐步拓展無(wú)線(xiàn)傳輸發(fā)射平臺(tái)的信息廣度，推進(jìn)安全播出管理向精細(xì)化、立體化發(fā)展。通過(guò)對(duì)播出效率、停播、劣播等的分析與統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射臺(tái)站的全過(guò)程管理[6-7]。系統(tǒng)判定流程如圖17 所示。

圖17 系統(tǒng)研判流程

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了如何在現(xiàn)有自動(dòng)化控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上整合各類(lèi)分散游離的信息數(shù)據(jù)，并且通過(guò)高效的前端算法和自定義規(guī)則，配合統(tǒng)一的業(yè)務(wù)處理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)基于智能判定分析技術(shù)的智能化一體化倒換調(diào)度管理。利用該系統(tǒng)可以替代人工進(jìn)行重復(fù)性工作，操作簡(jiǎn)便，有效提高了臺(tái)站的整體管理水平，為廣電智慧發(fā)射臺(tái)管理平臺(tái)的數(shù)字化、信息化發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。