基于智能化研判分析技术的新型自动化倒换调度系统

石 岩，姜永福

（河南广播电视台无线电台管理中心，河南 郑州 450003）

0 引言

对于发射台站，建立智慧台网不仅是确保广播电视安全播出的重要支撑，也符合国家相关发展规划。台站的自动控制与监控技术目前还存在功能单一、维护困难等问题，并未实现数据的融合和综合研判。台站的监测系统主要是对发射机的各项功能指标进行实时监控，同时对倒换系统中同轴开关等设备进行智能化监控和自动化控制[1]。通过基于多数据智能分析判定的新型自动化控制和操作，为智慧台网建设奠定前端业务基础。

1 信息化数据采集

1.1 非标数据采集

目前一些发射机厂家的机器未提供数据接口，无法通过发射机的对外数字接口获取发射机的功率。对此，可以在发射机端的功率监测口安装检波器来获取发射机的射频功率。图1 为一个射频信号波形[2]。

图1 射频信号波形

将正弦波电压信号转换为采集器能识别的电压信号后，系统能够获得准确反映功率信号的电压值。二极管检波原理如图2 所示。

图2 二极管检波原理

Ui为发射机监控口的射频信号输入端，经过检波二极管VD1后，信号的负数半周期信号被削除，上半部分的信号波形得以保留，如图3 所示。

图3 二极管检波后的波形

利用电容C1电压不能突变的原理，得到滤掉载波信号后的电压波形如图4 所示。

图4 滤掉载波信号后的电压波形

输出功率与检波后的电压呈正比关系，为了防止该电压超过模式采集器的最大采集范围，将得到的电压值经过R1和R2两个电阻分压后送入一个16 位高精度的AD 换器，使其转换为采集器可以处理和计算的数字量UAD。射频监测口的输出电压Uo为：

式中：Uref为AD 转换器的基准输入参考电压。由于Uo为R1和R2分压得到，因此需要乘上R1和R2的比例还原为真实的电压信号U总，即：

在本系统中，采用集成的对数检波器AD8318芯片采集射频信号。该芯片支持1 MHz～8 GHz 的射频信号输入，基本覆盖了台站播出频段。AD8138具有噪声低、精度高、脉冲响应快等优点，其内部集成温度传感器，仅需单电源即可使用，兼容现有的电源。AD8318 原理如图5 所示。

图5 AD8318 原理

在原理图中，射频信号经过由R57、C38、C39组成的一个差分耦合电路，同时也起到了滤波作用，将无用的直流成分经过R57引入，有用交流射频信号经过电容C38和C39耦合后进入芯片的差分输入端，经过芯片处理后直接输出AD 值，供MCU 进行采样，为后续发射机功率数据采集提供数据接口支持。

1.2 动力类数据采集

1.2.1 发射机输入电压采集

在发射机的整个播出过程中，需要实时监测发射机的输入电压和电流。市电采样原理如图6 所示。

图6 市电采样电路

Nin为三相四线输入端的零线输入端，Lin为火线输入端，两者均通过串联3 个300 kΩ 的功率电阻后接到放大器的输入端。Lin接同向端，Nin接反向端，经过放大器LM358 处理之后，输出一个频率为50 Hz 的正弦波信号。将该信号送入高精度模数转换器后，由采集器进行数据还原，以获得较为准确的电压值。通过监控发射机的电压，为后续系统数据分析提供有力的支撑。

1.2.2 输入电流采集

一般情况下，发射机在正常播出过程中的输出功率非常大，电流输入也很大。监测发射机的输入电流，可以判断发射机的发射功率是否处于正常范围，对判断劣播、停播等播出故障提供了直观的数据支撑[3]。

对于大电流监测，很小的压差都会造成巨大的功耗损失，无法通过普通串联采样电阻的方式进行测量。从安全可行的角度出发，采用电流互感器采样的方式更可靠，其原理如图7所示。I1为输入电流，经互感器初级绕阻后，根据电磁感应定理将会在次级线圈产生一个变电流I2，次级线圈的电流大小由初级线圈和次级线圈的比例决定。

图7 电磁感应原理

电压整流原理如图8 所示，在次级侧VD1和R组成的回路中，R 两端的电压会随着电流的变化而变化，以此将次级的电流信号转换为电压信号。

图8 电压整流原理

经过AD 转换器后接处理器，得到具体的电压值，经过数据标定后得到电流I2，再乘以线圈的匝数比N即还原出初级线圈中的电流，即：

发射机配电监控是整个智能化管理系统中的重要环节，现有台站大都采用人工定时巡检的方式，部分台站仍然使用纸质巡检记录表。通过本次的信息化数据采集改造，对整个自动化系统的相关数据进行实时监测，并根据预设的巡检时间进行电子化自动抄表，完成自动巡检后上传巡检数据并实时推送异常情况，为保障机房和配电室稳定运行提供了重要的辅助手段[4]。

1.3 数据标准化采集

1.3.1 数据网络化转换

对于非网络接口，通过在接口处就近增加一个串口网络转换服务器的方式进行转换。图9 为发射机采集器链接，图10 为串口服务器原理。

图9 发射机采集器链接

图10 串口服务器原理

在串口服务器中，网口用于接收来自倒换控制器的网络数据并通过TCP/IP 协议栈解包，将解析获得的数据通过串口传输给协议转换芯片，协议转换芯片通过外接的拨码开关选择通过不同的接口进行输出。对外接口统一采用DB9 母头作为硬件输出接口，DB9 端口的线序定义如图11 所示，接口引脚与通信模式对应关系如表1 所示。

表1 DB9 接口引脚与工作模式对应关系

图11 DB9 接口图例

1.3.2 硬件接口转换原理

在串口服务器中，设备采用高度集成的多协议收发器作为转换电路，实现对RS-485、RS-422、RS-232 等接口协议的兼容性，其内部工作原理如图12 所示。

图12 不同接口的内部工作原理

2 业务流程梳理

2.1 倒换备份系统

2.1.1 冷备份与热备份系统组成

冷备份指在发射机播出过程中，闲置的主机或者备机处于未上电的状态。热备份指在播出设备工作时，闲置的备份发射机处于供电并待机状态。

在台站内，为了保障广播节目安全不间断地播出，防止设备故障造成停播，每个频道均配备了一台备份发射机。同时为了节约电能和延长发射机寿命，本系统在全自动模式下可以实现发射机的冷备份，其原理是通过空开控制器控制发射机的总电源，再配合发射机的数据开关机协议来实现对发射机的开、关机。冷备份系统构成如图13 所示。

图13 冷备份系统构成

稳压电源分别为主发射机和备发射机提供电力，若在主机工作模式下，倒换器通过空开控制器控制，使主发射机空开打开为主发射机保障电源供应。当主机内的通信单元上电后，倒换机此时与主发射机建立通信连接。当通信稳定后，倒换控制器通过发射机的控制协议向主发射机发送开机指令，开启主机，备机空开关闭，发射机处于掉电状态。在热备份下，主备发射机的空开均为打开状态，通过发射机指令口来控制发射机开关状态。

2.1.2 天线联锁

在播出过程中，为了防止主、备发射机处于同时开启状态而造成播出事故，规定正常播出时只允许其中一台发射机处于播出状态。在倒换系统中，由于只有一副天线，因此倒换器可以通过读取同轴开关的位置信号来确定哪一台发射机用于播出。联锁是防止主、备发射机同时处于开启状态的必要条件，若无联锁功能，轻则发射机保护强行关机且无法开启，重则天线同轴开关、发射机或者馈管接触点烧毁，从而引发重大播出事故。

2.1.3 联锁功能原理

机房主、备发射机之间均采用同轴开关配合控制器的方式实现天线馈线切换，其系统主要由系统逻辑控制器、行程检测开关、电机动力机构、同轴开关主体以及电气接口组成。其中，联锁信号由行程开关实现。同轴开关联锁功能原理如图14 所示。

图14 同轴开关联锁功能原理

行程开关K1和K2均为常开状态，K2的常开触点5，6 与K1的触点3，4 分别连接到发射机的信号联锁接口。当旋转电机顺时针运动时，行程开关K2与电机限位压板接触，使其处于闭合状态。发射机此时检测到K2信号闭合，系统判断天线联锁到位，发射机能正常开启，否则无法正常开机。

2.2 控制倒换流程设置

为了保障安全播出，防止系统在倒换过程中损坏播出设备，对系统运行过程中的所有状态都必须严格监控。系统根据当前获取的设备数据实时进行自动判断，如果各项功能指标均满足倒换条件，系统就会自动切换为就绪状态。如果检测到在播发射机输出功率异常，则立即触发倒换系统进入准备状态，准备时长5～20 s（用户可设置）。在预备过程中，若发射机恢复则预备取消，恢复正常播出。若超过了准备时间，系统则立即转入倒换状态[5]。以主倒机为例，当主发射机的输出功率发生异常，则立即进入设备倒换流程，如图15 所示。

图15 发射机倒换流程

在发射机运行过程中，倒换器检测到主机发射功率低于设定的下限值后，系统会判断备机和天线的链接状态，此时无论是主机还是备机只要其中有一个环节有问题都会引起系统报警，例如倒换器或者发射机链接不正常、处于手动状态等。在所有环节均处于正常状态后，系统会通过指令主动关闭主发射机，并实时查询主机的功率，待功率低于设定的下限值之后再控制同轴开关，使天线对接到备发射机。在冷备份的情况下，倒换器先打开电源继电器给备发射机上电，等待备机功率恢复正常后，倒换结束。

3 智能数据研判分析

使用采集器采集发射机数据后，由网络回传给中控服务器，服务器对回传的数据进行分析研判、处理、存储，统计发射机内部的报警信息，通过UI界面展示给用户。台站内拥有多个厂家的发射机，且机器的数据、协议及接口各异，尤其对发射机内部的报警数据无法按照统一的逻辑标准进行统计。通过标准化各类数据、整合零散信息，统一有效地管理不同厂家、不同数据接口、不同结构类型的数据，解决台站内外平台信息不共享、数据缺乏联动分析、领导决策无数据依据等一系列数据孤岛问题。由发射机采集器将各个厂家的接口数据统一处理之后，按照类型转换为标准数据流，如功放数据、激励器数据、电源数据等，去掉一些对播出无影响且用户不关心的数据，保留台站内关心的数据以及报警信息。发射机数据提取流程如图16 所示。

图16 发射机数据提取流程

建设统一的无线传输业务和运维监测监管体系，完善业务和运维数据采集和挖掘基础，逐步拓展无线传输发射平台的信息广度，推进安全播出管理向精细化、立体化发展。通过对播出效率、停播、劣播等的分析与统计，实现对发射台站的全过程管理[6-7]。系统判定流程如图17 所示。

图17 系统研判流程

4 结语

本文介绍了如何在现有自动化控制和监测系统的基础上整合各类分散游离的信息数据，并且通过高效的前端算法和自定义规则，配合统一的业务处理平台实现基于智能判定分析技术的智能化一体化倒换调度管理。利用该系统可以替代人工进行重复性工作，操作简便，有效提高了台站的整体管理水平，为广电智慧发射台管理平台的数字化、信息化发展奠定了坚实基础。