基于智能化研判分析技術的新型自動化倒換調度系統

石 巖，姜永福

（河南廣播電視臺無線電臺管理中心，河南 鄭州 450003）

0 引言

對于發射臺站，建立智慧臺網不僅是確保廣播電視安全播出的重要支撐，也符合國家相關發展規劃。臺站的自動控制與監控技術目前還存在功能單一、維護困難等問題，并未實現數據的融合和綜合研判。臺站的監測系統主要是對發射機的各項功能指標進行實時監控，同時對倒換系統中同軸開關等設備進行智能化監控和自動化控制[1]。通過基于多數據智能分析判定的新型自動化控制和操作，為智慧臺網建設奠定前端業務基礎。

1 信息化數據采集

1.1 非標數據采集

目前一些發射機廠家的機器未提供數據接口，無法通過發射機的對外數字接口獲取發射機的功率。對此，可以在發射機端的功率監測口安裝檢波器來獲取發射機的射頻功率。圖1 為一個射頻信號波形[2]。

圖1 射頻信號波形

將正弦波電壓信號轉換為采集器能識別的電壓信號后，系統能夠獲得準確反映功率信號的電壓值。二極管檢波原理如圖2 所示。

圖2 二極管檢波原理

Ui為發射機監控口的射頻信號輸入端，經過檢波二極管VD1后，信號的負數半周期信號被削除，上半部分的信號波形得以保留，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，得到濾掉載波信號后的電壓波形如圖4 所示。

圖4 濾掉載波信號后的電壓波形

輸出功率與檢波后的電壓呈正比關系，為了防止該電壓超過模式采集器的最大采集范圍，將得到的電壓值經過R1和R2兩個電阻分壓后送入一個16 位高精度的AD 換器，使其轉換為采集器可以處理和計算的數字量UAD。射頻監測口的輸出電壓Uo為：

式中：Uref為AD 轉換器的基準輸入參考電壓。由于Uo為R1和R2分壓得到，因此需要乘上R1和R2的比例還原為真實的電壓信號U總，即：

在本系統中，采用集成的對數檢波器AD8318芯片采集射頻信號。該芯片支持1 MHz～8 GHz 的射頻信號輸入，基本覆蓋了臺站播出頻段。AD8138具有噪聲低、精度高、脈沖響應快等優點，其內部集成溫度傳感器，僅需單電源即可使用，兼容現有的電源。AD8318 原理如圖5 所示。

圖5 AD8318 原理

在原理圖中，射頻信號經過由R57、C38、C39組成的一個差分耦合電路，同時也起到了濾波作用，將無用的直流成分經過R57引入，有用交流射頻信號經過電容C38和C39耦合后進入芯片的差分輸入端，經過芯片處理后直接輸出AD 值，供MCU 進行采樣，為后續發射機功率數據采集提供數據接口支持。

1.2 動力類數據采集

1.2.1 發射機輸入電壓采集

在發射機的整個播出過程中，需要實時監測發射機的輸入電壓和電流。市電采樣原理如圖6 所示。

圖6 市電采樣電路

Nin為三相四線輸入端的零線輸入端，Lin為火線輸入端，兩者均通過串聯3 個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，經過放大器LM358 處理之后，輸出一個頻率為50 Hz 的正弦波信號。將該信號送入高精度模數轉換器后，由采集器進行數據還原，以獲得較為準確的電壓值。通過監控發射機的電壓，為后續系統數據分析提供有力的支撐。

1.2.2 輸入電流采集

一般情況下，發射機在正常播出過程中的輸出功率非常大，電流輸入也很大。監測發射機的輸入電流，可以判斷發射機的發射功率是否處于正常范圍，對判斷劣播、停播等播出故障提供了直觀的數據支撐[3]。

對于大電流監測，很小的壓差都會造成巨大的功耗損失，無法通過普通串聯采樣電阻的方式進行測量。從安全可行的角度出發，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，經互感器初級繞阻后，根據電磁感應定理將會在次級線圈產生一個變電流I2，次級線圈的電流大小由初級線圈和次級線圈的比例決定。

圖7 電磁感應原理

電壓整流原理如圖8 所示，在次級側VD1和R組成的回路中，R 兩端的電壓會隨著電流的變化而變化，以此將次級的電流信號轉換為電壓信號。

圖8 電壓整流原理

經過AD 轉換器后接處理器，得到具體的電壓值，經過數據標定后得到電流I2，再乘以線圈的匝數比N即還原出初級線圈中的電流，即：

發射機配電監控是整個智能化管理系統中的重要環節，現有臺站大都采用人工定時巡檢的方式，部分臺站仍然使用紙質巡檢記錄表。通過本次的信息化數據采集改造，對整個自動化系統的相關數據進行實時監測，并根據預設的巡檢時間進行電子化自動抄表，完成自動巡檢后上傳巡檢數據并實時推送異常情況，為保障機房和配電室穩定運行提供了重要的輔助手段[4]。

1.3 數據標準化采集

1.3.1 數據網絡化轉換

對于非網絡接口，通過在接口處就近增加一個串口網絡轉換服務器的方式進行轉換。圖9 為發射機采集器鏈接，圖10 為串口服務器原理。

圖9 發射機采集器鏈接

圖10 串口服務器原理

在串口服務器中，網口用于接收來自倒換控制器的網絡數據并通過TCP/IP 協議棧解包，將解析獲得的數據通過串口傳輸給協議轉換芯片，協議轉換芯片通過外接的撥碼開關選擇通過不同的接口進行輸出。對外接口統一采用DB9 母頭作為硬件輸出接口，DB9 端口的線序定義如圖11 所示，接口引腳與通信模式對應關系如表1 所示。

表1 DB9 接口引腳與工作模式對應關系

圖11 DB9 接口圖例

1.3.2 硬件接口轉換原理

在串口服務器中，設備采用高度集成的多協議收發器作為轉換電路，實現對RS-485、RS-422、RS-232 等接口協議的兼容性，其內部工作原理如圖12 所示。

圖12 不同接口的內部工作原理

2 業務流程梳理

2.1 倒換備份系統

2.1.1 冷備份與熱備份系統組成

冷備份指在發射機播出過程中，閑置的主機或者備機處于未上電的狀態。熱備份指在播出設備工作時，閑置的備份發射機處于供電并待機狀態。

在臺站內，為了保障廣播節目安全不間斷地播出，防止設備故障造成停播，每個頻道均配備了一臺備份發射機。同時為了節約電能和延長發射機壽命，本系統在全自動模式下可以實現發射機的冷備份，其原理是通過空開控制器控制發射機的總電源，再配合發射機的數據開關機協議來實現對發射機的開、關機。冷備份系統構成如圖13 所示。

圖13 冷備份系統構成

穩壓電源分別為主發射機和備發射機提供電力，若在主機工作模式下，倒換器通過空開控制器控制，使主發射機空開打開為主發射機保障電源供應。當主機內的通信單元上電后，倒換機此時與主發射機建立通信連接。當通信穩定后，倒換控制器通過發射機的控制協議向主發射機發送開機指令，開啟主機，備機空開關閉，發射機處于掉電狀態。在熱備份下，主備發射機的空開均為打開狀態，通過發射機指令口來控制發射機開關狀態。

2.1.2 天線聯鎖

在播出過程中，為了防止主、備發射機處于同時開啟狀態而造成播出事故，規定正常播出時只允許其中一臺發射機處于播出狀態。在倒換系統中，由于只有一副天線，因此倒換器可以通過讀取同軸開關的位置信號來確定哪一臺發射機用于播出。聯鎖是防止主、備發射機同時處于開啟狀態的必要條件，若無聯鎖功能，輕則發射機保護強行關機且無法開啟，重則天線同軸開關、發射機或者饋管接觸點燒毀，從而引發重大播出事故。

2.1.3 聯鎖功能原理

機房主、備發射機之間均采用同軸開關配合控制器的方式實現天線饋線切換，其系統主要由系統邏輯控制器、行程檢測開關、電機動力機構、同軸開關主體以及電氣接口組成。其中，聯鎖信號由行程開關實現。同軸開關聯鎖功能原理如圖14 所示。

圖14 同軸開關聯鎖功能原理

行程開關K1和K2均為常開狀態，K2的常開觸點5，6 與K1的觸點3，4 分別連接到發射機的信號聯鎖接口。當旋轉電機順時針運動時，行程開關K2與電機限位壓板接觸，使其處于閉合狀態。發射機此時檢測到K2信號閉合，系統判斷天線聯鎖到位，發射機能正常開啟，否則無法正常開機。

2.2 控制倒換流程設置

為了保障安全播出，防止系統在倒換過程中損壞播出設備，對系統運行過程中的所有狀態都必須嚴格監控。系統根據當前獲取的設備數據實時進行自動判斷，如果各項功能指標均滿足倒換條件，系統就會自動切換為就緒狀態。如果檢測到在播發射機輸出功率異常，則立即觸發倒換系統進入準備狀態，準備時長5～20 s（用戶可設置）。在預備過程中，若發射機恢復則預備取消，恢復正常播出。若超過了準備時間，系統則立即轉入倒換狀態[5]。以主倒機為例，當主發射機的輸出功率發生異常，則立即進入設備倒換流程，如圖15 所示。

圖15 發射機倒換流程

在發射機運行過程中，倒換器檢測到主機發射功率低于設定的下限值后，系統會判斷備機和天線的鏈接狀態，此時無論是主機還是備機只要其中有一個環節有問題都會引起系統報警，例如倒換器或者發射機鏈接不正常、處于手動狀態等。在所有環節均處于正常狀態后，系統會通過指令主動關閉主發射機，并實時查詢主機的功率，待功率低于設定的下限值之后再控制同軸開關，使天線對接到備發射機。在冷備份的情況下，倒換器先打開電源繼電器給備發射機上電，等待備機功率恢復正常后，倒換結束。

3 智能數據研判分析

使用采集器采集發射機數據后，由網絡回傳給中控服務器，服務器對回傳的數據進行分析研判、處理、存儲，統計發射機內部的報警信息，通過UI界面展示給用戶。臺站內擁有多個廠家的發射機，且機器的數據、協議及接口各異，尤其對發射機內部的報警數據無法按照統一的邏輯標準進行統計。通過標準化各類數據、整合零散信息，統一有效地管理不同廠家、不同數據接口、不同結構類型的數據，解決臺站內外平臺信息不共享、數據缺乏聯動分析、領導決策無數據依據等一系列數據孤島問題。由發射機采集器將各個廠家的接口數據統一處理之后，按照類型轉換為標準數據流，如功放數據、激勵器數據、電源數據等，去掉一些對播出無影響且用戶不關心的數據，保留臺站內關心的數據以及報警信息。發射機數據提取流程如圖16 所示。

圖16 發射機數據提取流程

建設統一的無線傳輸業務和運維監測監管體系，完善業務和運維數據采集和挖掘基礎，逐步拓展無線傳輸發射平臺的信息廣度，推進安全播出管理向精細化、立體化發展。通過對播出效率、停播、劣播等的分析與統計，實現對發射臺站的全過程管理[6-7]。系統判定流程如圖17 所示。

圖17 系統研判流程

4 結語

本文介紹了如何在現有自動化控制和監測系統的基礎上整合各類分散游離的信息數據，并且通過高效的前端算法和自定義規則，配合統一的業務處理平臺實現基于智能判定分析技術的智能化一體化倒換調度管理。利用該系統可以替代人工進行重復性工作，操作簡便，有效提高了臺站的整體管理水平，為廣電智慧發射臺管理平臺的數字化、信息化發展奠定了堅實基礎。