通信设施智能巡检系统的设计与实现

祁瑞丽，周子臣，林立忠，柴忠良，滑斌杰，李瑗

（1.石家庄学院计算机科学与工程学院，河北石家庄050035；2.66172部队司令部，河北石家庄050200）

通信设施智能巡检系统的设计与实现

祁瑞丽1，周子臣2，林立忠1，柴忠良1，滑斌杰1，李瑗1

（1.石家庄学院计算机科学与工程学院，河北石家庄050035；2.66172部队司令部，河北石家庄050200）

针对通讯运营商的基站设备、IPRAN和天馈系统等自由资源的巡检，提出了基于移动终端的巡检方案，以Eclipse为开发平台，MySQL作为后台数据库，采用智能终端作为巡检工具，运用定位技术实现巡检线路实时监控、巡检轨迹合理规划；将采集到的抱杆和天线图像，采用图像自适应滤波技术和图像分割技术进行处理得到特征图像，进而得到机械下倾角，并提出了以天线挂高和采集距离作为修正参数得到测量修正值；最后，对历史巡检数据从区域、运维专业、故障类型、处理平均时长等多个维度进行统计和分析，形成直观趋势图，实现巡检系统预警和对代维单位及巡检人员的综合测评.系统解决基础工参更新实时性差、准确性低的问题，还可以自动统计基站断站时长.目前系统已经应用于某通信公司的日常基站巡检，取得了较好的效果.

巡检；通信设施；移动终端；定位；图像识别；数据挖掘

0 引言

随着移动互联网的飞速发展以及智能终端的广泛普及，手机成为人们日常工作和生活不可或缺的工具，由此而来，运营商的通信设施维护和网络优化工作就变得至关重要.为了保障网络正常运行，运营商的首要任务就是通过巡检和网络优化确保通信设施安全、可靠运行.网络基础设施主要包括基站、抱杆、电缆、管井、天馈系统、基带设备等，它们所处的地理位置和外部环境千差万别，这就造成了巡检任务重，工作繁杂，数据的准确性和及时性难以保证.传统的巡检方式是人工填写巡检记录，待巡检结束后，对工作薄上的内容进行整理并上交[1]，这就不可避免会带来错检、漏检现象，致使巡检质量不高、效率低下.因此，建立起一套科学、规范、严谨的巡检系统，对于通信设施、线路实现量化、动态管理来说就成了重中之重.

近来，移动通讯技术和GPS设备迅速发展，基于无线终端的移动巡检方式被越来越多地应用于各个领域.移动巡检是一种利用现代移动终端技术、移动通讯技术、地理信息系统、全球定位系统等高新技术实现在移动中完成巡检任务的方法[2].文献[3]提出了一种基于Android的智能巡检系统，在移动终端上实现现场巡检、信息查询、巡视导航的功能，因其缺乏具体参数，所以无法直接应用于某领域；文献[4]提出了一种基于ZigBee和UHF的智能巡检系统，但是受到数据传输距离限制，随着传输距离的增大，数据丢包率明显增加.

铁塔公司成立以来，运营商巡检重点发生巨大变化.巡检重点转移到基站设备、线路、天馈系统等自有资源上；对于隶属铁塔公司的共享站址资源，只需通过断站率考核铁塔公司对机房、铁塔以及相关配套的维护力度.但现有系统对自有资源精细管理不到位，不能全面反映自有资源运行状态.

鉴于此，提出了一种通信设施移动巡检系统，不仅满足新形式下日常巡检需求，而且形成了成熟的针对LTE天馈工参维护实时性差、准确性低的解决方案.该系统以移动性、及时性、高效性为鲜明特征，真正实现了巡检效率高、管理智能化的目的[5]，并在河北某通信公司建设优化中成功应用.

1 关键技术

巡检人员能否按时按工单指定线路巡检，是保证巡检工作效率的前提条件.根据室内外不同环境选用合适的定位技术，是监控巡检轨迹的重要基础.目前的定位技术主要分为3种类型：GPS定位、基站定位和混合定位技术[6].

在室外空间应用最多的是卫星定位即GPS定位技术[6].该方法通过终端上的GPS模块向后台发送其位置信息来实现定位，其定位精确度主要取决于卫星信号的强弱和有无，一般室外效果好，室内或弱覆盖区则差强人意.基站定位实现简单，适合于对定位精度要求不高的场合，但当基站分布稀疏，覆盖半径较小时，该方式定位误差明显增大.混合定位是一种利用GPS和基站的综合定位模式，它将终端接收定位卫星发来的定位数据和通过基站定位获得的移动目标定位数据，经过数据融合后产生地理位置坐标数据.

系统从定位精度、外界环境和经济成本等多方面出发，合理选择定位技术.室外无阻挡时，优先选用GPS技术实现精确定位；在无信号的室内或建筑物遮挡较严重的区域则转为混合定位方式.现场工程人员通过手机APP接单，采用合适的定位技术，现场采集基带设备、通信线路、天馈系统的图片和配置参数，实时上传后台数据库.设备维护人员验收新开站点天馈系统，对照工程人员采集的经纬度、图片和参数，若合格归档入库，若不合格重新执行.通过传回服务器的位置坐标，实现对巡检轨迹的实时监控.同时，根据小区经纬度与移动客户端记录的经纬度信息自动计算距离，实现巡检人员的精确调度.通过巡检系统，促使运营商建设、维护和优化工作的深度融合.

系统采用图像处理技术，首先采集抱杆和天线图像，然后采用图像自适应滤波技术和图像分割技术进行处理得到特征图像，机械下倾角由计算抱杆和天线边缘特征直线夹角得到.针对正拍和仰拍两种图像采集场景，提出了以天线挂高和采集距离作为修正参数得到测量修正值，可以得到误差范围在±1.2度的测量结果.

系统按区域、运维专业、故障类型、处理平均时长等多个维度对历史巡检数据进行统计和分析，形成直观趋势图，利用数据挖掘技术实现对历史巡检数据分析统计，接近或超出阈值时进行实时报警，做到防患于未然.同时根据分析结果对代维单位和巡检人员进行综合测评，根据测评结果采取奖罚措施，形成一套公平、完善的激励机制，提高人员工作的积极性.

2 系统设计

2.1 系统架构

该系统主要由两部分构成：巡检人员通过巡检APP查看系统管理员派发的巡检任务，之后利用智能移动终端的定位和拍照功能采集现场数据，并通过3G、4G或Wi-Fi无线网络上报到WEB服务器；服务器端则对上报的位置信息，利用GIS技术将二维行列数据平面化，实现人员定位和事件定位；利用图像处理技术[7，8]对报送的图片进行处理，得到其特征图像，进而由抱杆和天线边缘特征直线夹角得到机械下倾角；同时，利用数据挖掘技术[9，10]，从多个维度对历史巡检数据进行统计和分析，形成直观趋势图.巡检示意图如图1所示.

图1 巡检示意图

2.2 巡检业务流程

根据上述分析，结合通讯行业巡检工作的业务流程和实际需求，将巡检系统分为客户端和服务器端两部分，巡检业务流程如图2所示.

原巡检系统没有考虑到对于共享资源和自有资源的差异化巡检，而是对属于铁塔公司的共享站址资源和运营商的自有资源一视同仁，导致铁塔公司的巡检和运营商的巡检交叉重叠，加重巡检负担，浪费人员精力，降低巡检效率.另外，对自有资源管理不够精细，不能全面监控设备运行状态.对此，本系统对运营商核心的基站设备、管线、天馈系统有所侧重，天线是否有裂痕、方位角是否有阻挡、下倾角设置是否合理等都将列入巡检范围.对于隶属铁塔公司的共享站址资源，则只通过断站率考核铁塔公司对机房、铁塔以及相关配套的维护力度.

服务器端主要功能：按不同方案制定巡检任务，依据客户端发送的位置信息跟踪巡检线路，发现潜在隐患点，根据上报数据进行统计分析和数据挖掘形成报表，以及设备、传输、线路土建、代维人员档案等基础信息的维护和管理.如图3所示.

客户端主要功能包括：巡检人员登陆后，完成巡检任务的接单、处理和回单，若巡检任务不合理可以拒接任务.按照接收的巡检工单完成定位、数据采集、故障拍照和上传功能，支持故障的实时处理和转派.

图2 巡检业务流程图

图3 服务器端功能结构图

图4 系统平台框架图

3 系统实现

该系统选用C/S模式，客户端在Android平台上实现，通过3G、4G或Wi-Fi无线网络与服务器通信.服务器端基于开源J2EE跨平台技术架构，以MySQL做为后台数据库.系统平台框架如图4所示.

系统采用了Struts+Spring+Hibernate集成框架，架构模式自上而下分为四层：表示层、业务层、持久层和数据层[11].表示层主要通过手机终端和系统管理界面实现与用户的交互，采用Struts完成MVC的分离；业务层主要负责数据处理和分析，并为其完整性提供支持；持久层是上层与数据库成功交互的重要保证；数据层则存储和管理系统所需的重要数据.

3.1 巡检系统服务器端

1）工单管理

工单管理是以工单处理流程为依据建立起来的，从工单发起，到审批、下发、执行、上报，最后验收合格后工单完结.图5是工单处理流程图.

首先，各地市的派单人员根据巡检任务制定日常或者紧急工单，根据基站类型、代维公司类别、紧急程度进行区分.选择基站类型，确定不同的巡检条目，明确巡检站点和巡检对象.根据不同的代维公司选择其下属的巡检人员，分工明确，权责清晰.根据任务的紧急程度制定回单期限，督促职员按单巡检，提高工作效率.工单制定完成后，需要经过所处地市相关部门领导审批，确保每一条工单的合理性、权威性和完备性.

然后，工单审批完成后通过网络发送给接收人即巡检人员，若巡检任务不合理可以拒接任务，若合理巡检人员按照工单执行任务，完成后通过终端上报工单.根据完成日期与回单期限判断为按时完成工单或者超时完成工单.发起工单页面如图6所示.

2）巡检实况管理

每条工单派单人可实时查看工单状态，实现对工单的实时跟踪，提高监管力度，加强巡检过程管控.主要包括线路跟踪、隐患点管理和工单跟踪.服务器根据客户端上报的巡检数据以及图片和位置信息，提供巡检线路跟踪及障碍点、隐患点查询和设置.图7为某员工巡检轨迹.

3）巡检数据挖掘

图5 工单处理流程图

图6 发起工单页面

图7 员工巡检轨迹

利用数据挖掘技术，从资源统计、异常数据、考核管理、告警预测等维度对巡检数据展开分析，生成报表和趋势图.如图8所示.

系统采用简洁、高效、应用广泛的K-means聚类法实现巡检数据挖掘.该方法使用巡检数据点集合D和需要的聚类数目K，根据已有样本特征向量对样本进行类别划分，根据距离函数将数据点划分成K类，迭代以上过程，直到满足停止条件，最后得到划分结果[12].

资源统计：按照密集市区、市区、郊区、县城、平原农村、山区农村等场景统计天线挂高、下倾角、站点密度，然后结合DT/CQT、MR数据分场景分析穿透损耗、网络覆盖情况.对于农村场景，天线挂高过低、下倾角过大都会影响网络覆盖，若天线安装于铁塔第一平台，需要建设部门提高新塔高度，若天线安装于铁塔第二、三平台，需要维护部门沟通解决天线平台过低问题.按照责任主体、站点类型、C/L是否共站、站点配套、等级、断服次数和时长统计基站综合能力，提高应对极端天气、紧急事件的能力.

异常数据：系统采用图像识别技术完成对于天线机械下倾角的识别，对塔工上报的机械下倾角度进行验正，若角度相差过大，责令代维重新上塔测量，也可用于运营商春季巡检、秋季巡检.首先读取巡检人员上报的抱杆和天线图像，然后通过图像自适应滤波技术和图像分割技术处理得到特征图像，再由抱杆和天线边缘特征直线夹角得到下倾角，基本上满足网络优化对下倾角测量的精度要求.如图9和图10所示.

考核管理：根据巡检数据对代维单位和人员进行综合业务打分，使得运营商客观掌握代维能力，为下一年的代维招标提供决策参考.

断站预测：根据巡检结果中的业主纠纷、市电和蓄电池能力、管线、设备老化等数据生成站点的时间和断站发生趋势图，形成日、周、月、年等不同周期的发生概率对比，预测站点将来断站发生概率.

移动网断站统计：统计一段时间内移动网断站率，重点关注铁塔公司不发电或发电不及时等原因造成的频繁断站，其次关注运营商由于线路、设备等原因造成的频繁断站，统计维度包括责任主体、站点系统类型、站点在运营商等级、站点在铁塔等级、站点配套产权、断站次数、断服时长等.统计由于铁塔原因和运营商原因导致的断站时长，分别实现对铁塔和运营商本地网维护单位的考核.如图11所示.

图8 巡检数据报表

图9 采集的原始图像

图10 处理后的特征图像

图11 移动网断站统计界面

3.2 巡检系统客户端

1）任务接单

巡检人员处理派发给自己的巡检任务，若不合理或者错误，可拒收.

2）任务签到

巡检人员巡检现场，进行现场签到，签到时必须通过手机定位上报位置.

3）任务巡检

根据巡检内容项，进行现场的巡检，包括数据填写、拍摄现场图片，保存和上报结果.巡检工单页面如图12所示.

4）任务签离

巡检结束进行签离，表明巡检人员已经完成本通信站点的巡检任务，开始下一项站点巡检任务.

4 系统应用

系统成功应用于某通信公司日常巡检，满足了运营商新形势下对核心基站设备、通信线路和天馈系统的重点监控和信息采集，促使运营商的建设、维护和优化部门深度融合，有效实现降本增效.一键统计移动网断站，多维度分析铁塔、机房以及配套设施运行维护状况，为运营商制定铁塔公司相关的奖罚措施、落实结算资金提供了数据支撑.

系统现场采集和实时上传天线型号、铁塔安装平台、挂高、方位角、下倾角配置以及图像信息，解决了天馈系统射频工参更新准确性低、实时性差的问题，保证RF射频优化方案的精准制定和实施.系统的应用使得天线巡检或调整次数下降约8.7%，测试里程减少了20.15%，越区覆盖、MOD3干扰、重叠覆盖等网络隐患下降10%，网络质量得到显著提升.

图12 客户端部分巡检工单界面

5 结束语

设计了一种基于移动客户端的通信设施智能巡检系统，结合当前应用广泛的定位、GIS、数据挖掘、图像处理等技术，解决了传统巡检中存在的监控力度弱、数据准确性差、统计分析不足、考核繁琐等问题，满足了新形式下运营商快速和重点巡检的需求，有效提升了网络质量.笔者将数据挖掘技术应用于通信行业的巡检数据分析领域中，提出了一种解决问题的方法.然而，当数据量巨大时，系统的等待时间会成为影响分析效率的瓶颈.因此，结合Map-Reduce模型进行分布式大数据分析是下一步研究的重点.

[1]周梅.基于智能手机的GPS巡检系统的设计与实现[D].成都：电子科技大学，2008.

[2]HIGUCHI H,ABE N,ODA S.Plant Inspection Mobile Terminal System using Position Data[C]//ISA TECH/EXPO Technology Update Conference Proceedings.Houston：ISA-Instrumentation,Systems,and Automation Society,2001：701-711.

[3]陈宏明.基于Android的智能巡检系统的设计与实现[D].上海：复旦大学，2013.

[4]李长俊，杨晓彬.基于ZigBee和UHF的智能巡检系统设计[J].计算机测量与控制，2016，24（4）：278-280.

[5]张家精.基站巡检管理系统的设计与实现[D].北京：北京邮电大学，2010.

[6]刘丹，彭黎辉.手机定位技术在电力巡检管理中的应用[J].中国电力，2005，（11）：83-86.

[7]蒋树强，闵巍庆，王树徽.面向智能交互的图像识别技术综述与展望[J].计算机研究与发展，2016，53（1）：113-122.

[8]冈萨雷斯.数字图像处理[M].北京：电子工业出版社，2007.

[9]谢庆华，张宁蓉，宋以胜，等.聚类数据挖掘可视化模型方法与技术[J].解放军理工大学学报（自然科学版），2015，16（1）：7-15.

[10]李渊.基于K-means算法的数据挖掘可视化技术的应用研究[D].北京：北京交通大学，2007.

[11]杨振东.基于AOP和IoC的Ajax Web框架的应用研究[D].重庆：重庆大学，2008.

[12]Bing Liu.Web数据挖掘［M］.北京：清华大学出版社，2012.

（责任编辑 王颖莉）

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

石家庄学院科研启动基金（21601000202）

祁瑞丽（1984-），女，河北邢台人，高级工程师，主要从事数据库、移动互联网研究.