基于数据分析技术的无线电监测与管理系统设计

2021-11-06高文逸龚晓峰雒瑞森

现代电子技术 2021年20期

高文逸，龚晓峰，雒瑞森

（四川大学电气工程学院，四川成都 610000）

0 引言

无线电行业的飞速发展，使得无线电技术在各行各业中得到广泛应用。频谱资源的越发紧张、台站密度的越发增加，导致无线电台站的监测工作强度越来越大，无线电监测管理形势也越发严峻。因此，为了提高无线电监测水平和准度，保障频谱资源的有效管理，建立一套完善且适应无线电发展的无线电管理体系，是实现国家“十三五”期间无线电管理规划的重要支撑[1]。

目前，无线电监测与管理系统一部分是基于C/S 架构设计，需要在相关专业人员电脑上安装软件包，实施起来比较繁琐且工作量较大，不利于对无线电进行实时管理。另一部分虽然是基于B/S 架构，在系统部署等方面优于基于C/S 架构设计的监管系统，但是在数据可视化与整合方面略有薄弱，且系统相对独立，不能实现信息共享，无法达到信息增值和利用的效果。

针对上述问题，本文从无线电监测与管理的实际需求出发，以无线电监测、信息整合与增值为重点，使Internet 技术与GIS 原理相结合[2]，将功能组件封装成服务，建立符合国家标准、适用于PC 端、开发与运行成本低的无线电管理系统。

该系统支持用户在PC 端利用游览器查看台站的分布及运行状况、管理台站数据、进行无线电日常监测以及信号管理等功能，降低了无线电管理系统的使用门槛。同时，利用数据分析技术，将无线电监测数据进行高效整合和共享，使信息达到增值的效果，提高了无线电资源的管理效率。组件化开发也保证了系统良好的可扩展性和可整合性。

1 系统设计

1.1 功能设计

本文主要研究无线电监测与管理系统中通过数据分析将处理后的数据信息与无线电监测管理相结合的技术。以地理信息系统WebGIS 系统作为无线电管理系统的可视化支撑平台，以无线电监测数据以及管理工作作为系统的数据来源，通过数据分析与处理，对合法数据进行计算，将数据进行整合与共享，同时在WebGIS应用层面的电子地图上展示相应数据。

此系统主要由无线电台站管理、无线电日常监测管理、信号管理以及用户管理共4 个模块组成，如图1 所示。各子系统的主要功能包括：

图1 系统功能模块划分

1）无线电台站管理

支持对台站数据库的访问，完成在电子地图上的分布显示，实现对无线电台站的基本参数、地理位置、维护日志以及运行状况等信息的查改操作。

2）无线电日常监测管理

支持无线电日常监测任务，包括单频测量、频段扫描、单频测向、联合测向、信号分析、任务调度等[3]。

3）信号管理

支持地图显示信号分布及类型，展示区域信号列表，实现对信号的增删改查操作，并对异常信号进行告警处理。

4）用户管理

支持对系统的操作人员进行人员信息及部门信息等增删改查操作，实现操作人员权限分级以及角色赋予等管理，确保系统安全。

1.2 架构设计

结合无线电管理业务的要求，系统主要由应用层、应用支撑层以及基础设施层这三个层次构成。系统采用B/S 架构[4]，以Openlayers 作为地图显示框架，GeoServer 作为地图服务器来搭建WebGIS 平台，选用HBase 数据库结合MySQL 来存储与分析数据。系统总体架构如图2 所示[5⁃6]。

图2 系统架构图

1）应用层

由基于基础类平台和数据中心的业务应用组成，包括无线电监测、无线电信号管理、告警管理以及台站管理等业务模块。通过可视化的用户界面，为无线电管理人员提供各项服务。

2）应用支撑层

由基础类平台与数据中心两部分组成。

基础类平台是介于数据库和业务应用之间的中间层服务，提供统一身份、服务治理、平台管理、地理信息、应用安全等服务。基础类平台主要对应用层发送过来的数据请求进行处理和执行，可以说是整个无线电监测系统的核心。系统操作人员通过调用平台提供的服务，根据角色权限，在应用层更新数据。

数据中心主要存放空间数据、属性数据以及应用数据，同时对这些数据进行交换、加工、分析和处理。空间数据库包括基本地理信息数据（不同比例尺的影像地图数据和矢量地图数据、地名地址数据等），属性数据库中主要是无线电台站名称、状态、类型等数据，应用数据库中主要是示向度、带宽、频点等测量数据[7]。

3）基础设施层

基础设施层是无线电管理系统建设和运行的必备条件。在本系统中，主要由操作系统、数据库系统、硬件设备、网络环境以及服务器等组成。

2 关键技术

2.1 WebGIS

WebGIS 将互联网与地理信息系统相结合，在实现传统GIS 所具有的功能外，还支持异地使用、多用户同时使用、跨平台使用等操作[8]，为数据共享及数据可视化提供了平台。在本文的无线电监测与管理系统中，以Openlayers 作为地图显示框架，GeoServer 作为地图服务器，来构建本系统的WebGIS 平台。

2.1.1 Openlayers

Openlayers 作为一款开源前端开发框架，除了能在网站中接入Web 地图等基础功能外，还能够导入各种空间数据。Openlayers 可以进行控件扩展，实现地图的平移、缩放、图层叠加、标注等功能，在此基础上进行高级应用程序开发。

Openlayers 凭借能够支持地图无刷新地动态实时更新页面，在对系统的空间数据和非空间数据的集成管理方面脱颖而出[9]。目前Openlayers 最新的大版本是Openlayers 5，它将抽象的事物具体化为类，围绕Map、Layer、Control、Interaction、Source、View 等核心类实现地图加载和各类交互操作控件[10]，使GIS 数据能够在客户端更好地进行展示与交互。

2.1.2 GeoServer

在本系统中，由于涉及到添加、删除和更改空间数据等操作，所以在对比目前国内外比较成熟的GIS 软件和技术后，选择支持WPS，即地理信息处理服务的GeoServer 作为地图服务器。GeoServer 对系统的功能扩展和二次开发非常有利。在数据方面，GeoServer 除了支持多种矢量数据源和栅格数据源，还支持主流数据库对其进行扩展。在地图发布方面，GeoServer 支持将数据以图像的形式输出[11]，还可以直接发布实际数据的形式，进行空间地理数据查询。GeoServer 强大的地图编辑功能，使用户比较容易地进行地理信息共享。

本系统中，空间数据一般以图形的形式进行表示，GeoServer 以普通文件的格式，将其存储在服务器中。MySQL 中的数据则一般以ShapeFile 格式进行存储，当进行数据展示时，通过GeoServer 对其进行调用。

2.2 数据中心

2.2.1 数据中心框架

在本系统中，数据中心采用分布式框架，基于Linux系统的Hadoop 基础环境运行。数据中心由数据交换平台、数据加工平台、数据分析平台以及数据管理平台组成，提供数据的交换、加工、分析以及管理服务。

在数据中心中，数据交换平台接收来自设备、其他数据中心的各类数据，并将本数据中心数据通过接口对外提供数据分享。数据加工平台清洗数据中心已有的脏数据，对合法数据进行二次加工处理，保障数据的正确性和完整性。数据分析平台利用分布式计算技术对合法数据进行计算，得到有利于做出决策的数据结果。数据管理平台对数据中心数据进行数据维护、容灾备份、清理垃圾数据、统计各类数据所占资源等。

数据中心框架如图3 所示。

图3 数据中心框架

2.2.2 数据库选型

数据库选择用MySQL 和Hbase 相结合的方法，主要数据内容存储在HDFS 中，Hbase 存储HDFS 文件目录索引以及小量的结构化数据。MySQL 中主要存储分布式相关的配置信息和基础信息。

2.2.3 数据库体系基本模型

无线电管理系统涉及的数据包括地名、经纬度等基础地理数据，示向度、带宽、频点等无线电数据，台站名称、状态、类型等无线电站数据以及相关无线电行政管理机构数据等。根据数据的类型和来源，将数据分为基础空间数据与业务数据[12]。

基础空间数据中，主要包括不同比例尺的影像地图和矢量地图数据、无线电台站分布数据、信号分布数据等以图形化要素存在的数据。

业务数据中，主要包括无线电台站相关数据、系统管理权限相关数据、无线电监测数据、服务管理日志等以二维表格形式存在的数据。这些数据入库时要以相关标准规范入库。数据库体系基本模型结构如图4所示。

图4 数据库体系基本模型结构

3 系统应用

本系统运行的硬件要求为推荐使用8 GB 内存以上计算机，最低要求4 GB 内存。软件环境为Windows 操作系统，Google Chrome 浏览器，74 以及74 以上版本。

3.1 无线电台站管理

本系统以地图结合列表的形式，对无线电台站信息进行综合展示。用户可以在地图上查看台站的分布情况以及位置等基本信息，通过鼠标放置图标操作，获取台站的详细信息。同时，用户可以通过列表的操作项，对台站数据进行添加、删除、修改等基本操作。除此之外，系统还支持对台站设备进行开关机和重启、查看台站运维日志等功能。