基于边缘计算的全省干线微波智慧台站平台建设
2022-08-01河北省广播电视微波总站王哲
河北省广播电视微波总站：王哲
河北省广播电视微波站微波干线电路全长1600多公里，在全省各地分布设有30个微波站，担负着我省广播电视节目的安全优质传输和国家广电总局上星节目的传输任务。能够实时掌握各个微波站内设备的运行工况，对保证微波电路的正常运行，保障我省广播电视信号的安全传输意义重大。现有的微波站内设备的监控不完整，且已有系统相互独立，自成孤岛，无法做到数据联动和分析，这样的运行模式不能适应智慧广电的广播电视发展理念。
基于边缘计算的干线微波智慧台站建设，针对我省微波站运行、维护现有问题，搭建独立于微波系统的、全设备集成的微波智慧台站平台，旨在对微波站全站设备运行工况进行实时监控，建立基于事务的事件报警机制，为系统运维提供统一的、实时的、可靠的支持平台。
1．系统整体设计
1.1 系统设计分析
基于边缘计算的干线微波智慧台站建设在设计上不仅是一个实时的监控系统，更是一个运维支持平台。作为实时监控系统要求对微波站内的所有设备及环境进行监控并保证数据和状态的实时性。而作为运维支持平台更注重的是对数据、状态获取的随时性和对报警事件的实时性和事务性。所以本平台的设计特点具有：独立性、全设备、实时性、随时性、事务性。
独立性：微波系统主要担负广播电视信号传输任务，所以平台在传输通道设计上完全独立于微波系统，采用4G网络进行数据的传输。
全设备：为了能够提供完整的微波站运行工况视图，除了对微波站内微波设备、电源设备进行监控外，在微波站内安装温湿度传感器、烟雾传感器、视频摄像头，在微波天线安装倾斜度传感器，实现了对环境的监控。
实时性：设置通讯状态动态监测、通讯重建等通讯保障机制，保证设备的实时通讯。一般设备设定500ms的数据采集周期。针对不同的设备可以对数据采集周期进行自主设定。
随时性：系统设计上除了建立集中监控主站外，还要开发移动端监控APP，方便管理人员和运维人员对微波站运行工况的随时掌握。
事务性：系统实现基于事务的报警事件处理机制。当报警事件发生时，能够将报警事件及相关信息推送至监控主站和相关责任人，相关人员应该对报警事件做出响应并进行记录。
1.2 微波智慧台站平台架构
基于边缘计算的干线微波智慧台站系统架构图如下图所示。系统整体架构包括五个部分：微波站内设备集成系统、安全传输系统、云服务器系统、监控主站系统、移动监控APP系统。
图1：系统架构图
微波站内设备集成系统：集成微波站内微波设备、电源设备、温湿度传感器、烟雾传感器、倾斜度传感器、视频摄像头等设备，实现与4G无线网络的物理连接。
安全传输系统：基于4G网络的数据加密传输。
云服务器系统：平台中心服务器，采集、解析、存储微波站设备数据，形成统一的数据平台，并为监控主站和移动APP提供数据服务。
监控主站系统：系统主监控展示系统，支持基于GIS的站点管理和操作导航，实现全局、站、设备的三级数据展示。支持历史数据及曲线，声光报警等。
移动监控APP系统：实现监控主站系统的主要功能，配置于管理人员、运维人员手机或其它智能终端，便于管理、运维人员对各个微波站运行工况的随时掌握。
2.微波站站内设备集成方案
2.1 微波站内设备集成方案
微波站内设备集成系统是微波智慧台站系统的平台基础、管理对象和数据源。各微波站内集成系统通过独立于微波系统的安全传输通道接入微波智慧台站系统，与云服务器系统的微波智慧台站平台软件共同维护安全的数据链路，向云服务器系统传输各微波站内设备的实时数据。微波站内设备集成方案如下图所示。
图2：微波站内设备集成方案
2.2 基于边缘计算的数据采集终端设计
数据采集终端是本系统数据采集与传输核心部件。为了降低对服务器的性能和带宽依赖，设计了基于边缘计算的数据采集终端以适应现场设备多、数据传输量大的问题，同时也增强了系统的设备接入扩展性和稳定性。在终端的设计上，主要做了以下改进：
植入现场设备通讯协议。针对监测设备繁多、各自传输协议复杂的情况，在采集终端植入各种现场设备通讯协议机制。采集终端按照现场设备数据接口和协议的要求，采集、解析设备数据并进行本地存储。
采取数据沉降技术，降低数据传输量。在设备的正常运行状态下，设备的数据和状态相对稳定，在数据传输时，仅对数据发生明显变化的数据进行传输，而对稳定的数据采取沉降策略。采集终端设定数据项的沉降阈值进行数据传输与沉降的判断。在必要的情况下，对沉降的数据，服务器端可以申请专门传输。
设计统一的北向传输协议完成与云服务器端的数据通讯。终端支持SSL安全传输机制和AES数据加密，保证数据的安全传输。
数据采集终端按照1U标准设备设计，支持RS484RS232RJ45接口，支持3G/4G拨号、WIFI连接接入互联网。
3.干线微波智慧台站平台软件功能设计
微波智慧台站软件系统分为三部分：微波智慧台站服务软件系统、主站监控软件系统和移动监控APP系统。
3.1 微波智慧台站服务软件系统主要功能实现
微波智慧台站服务软件系统是系统的总引擎，主要实现安全数据链路维护、建立面向设备的安全服务矩阵、数据采集与解析、事件处理与报警通知。
3.1.1 建立面向设备的安全服务矩阵
微波智慧台站服务软件系统基于SSL机制与微波站数据采集器间建立安全的传输连接，同时为了保证系统的可扩展性，系统采用服务矩阵的方式，对各类设备分别建立服务，以保证各类设备接入的独立性。
3.1.2 数据采集与解析
不间断、周期性采集微波站各个关键设备的数据并进行解析、存储。
3.1.3 事件处理与报警通知
实现微波站设备的数据审查，对关键设备数据的越限进行报警处理。系统一旦发现异常将启动事件报警机制，将报警信息推送至各个连接的主站、子站系统，并以短信方式发送到相关管理人员。
3.2 主站监控软件系统主要功能实现
主站监控软件系统主要功能实现各个微波站及关键设备管理、实时数据的集成、基于地理信息系统的操作导航及数据分级显示、事件报警、设备控制、数据查询、用户管理及权限设置功能。系统运行主界面如下：
图3 ：主站系统运行主界面
3.2.1 微波站及关键设备管理
实现基于树形结构的各个微波站及各类设备展示、微波站的电子地图定位，显示设备的运行状态，使所有微波站及设备总量、位置及运行状态一目了然，快速掌握全微波站的运行工况。
3.2.2 微波站及设备实时数据的集成
实现对微波站设备实时数据集成显示，实时更新。
3.2.3 基于GIS的操作导航
基于GIS使得数据的显示更加直观、更符合操作习惯。将空间数据和实时数据结合展示，实现基于GIS的操作导航，在电子地图直观显示全部微波站设备的运行工况，通过地图操作跳转到微波站设备信息集成界面。
3.2.4 数据三级展示
系统在操作上将数据展示分成三个级别：全局概要数据、微波站概要数据和设备详细数据。三级数据的跳转有助于对各个微波站设备运行工况的精准、细节掌握。
图4 ：主站系统-地理信息系统
3.2.5 事件及报警
响应微波智慧台站服务软件系统的事件处理与报警通知，直观显示设备的异常状态，并以声音、闪烁报警方式通知操作人员。
3.2.6 数据查询功能
系统保存各个微波站设备日5分钟快照数据。用户可以查询并输出相应三级显示历史数据及日曲线。
图5：设备历史数据及曲线
3.2.7 设备控制
实现对微波设备关键数据进行远程设置，包括发信功率控制、单载波控制、扫频控制、时钟优先级选择。
3.3 移动监控APP系统主要功能实现
移动监控APP系统安装于Android系统的移动设备，便于用户随时随地掌握微波站设备的运行工况。移动监控APP系统主要实现：基于地理信息系统的操作导航及三级数据显示、各个微波站及设备实时数据查看、事件报警等功能。
3.4 系统安全设计
图6：移动端APP主界面
安全传输是远程数据传输的基本要求，数据采集终端与云服务器间采用TCP数据传输协议，保证点对点的可靠连接；为了增强数据传输的安全性，通讯系统支持SSH、SSL安全传输协议。
各微波站数据采集终端保证数据在全网络的加密传输，系统支持DES、AES对称数据加密算法。
软件系统具有严格的用户权限管理与身份认证功能，保证只有已经授权并身份认证通过的用户才能登录、在授权范围内操作软件系统。
实现对软件宿主计算机系统的识别认证，只有经过运行许可的计算机系统才能运行软件系统。
河北省微波智慧台站系统，在不改变原有管理、维护方式，不影响原有网络传输的情况下，构建独立的安全传输网络，实现了对全省干线各微波站的远程实时监控。系统的实施能够使管理人员实时掌握微波站各设备的运行工况，对设备的运行事件和报警做出及时反应，有效提升微波设备的监管力度，保证了微波设备的安全稳定运行，节约了管理成本。
