高文逸，龔曉峰，雒瑞森

（四川大學 電氣工程學院，四川 成都 610000）

0 引 言

無線電行業(yè)的飛速發(fā)展，使得無線電技術在各行各業(yè)中得到廣泛應用。頻譜資源的越發(fā)緊張、臺站密度的越發(fā)增加，導致無線電臺站的監(jiān)測工作強度越來越大，無線電監(jiān)測管理形勢也越發(fā)嚴峻。因此，為了提高無線電監(jiān)測水平和準度，保障頻譜資源的有效管理，建立一套完善且適應無線電發(fā)展的無線電管理體系，是實現(xiàn)國家“十三五”期間無線電管理規(guī)劃的重要支撐[1]。

目前，無線電監(jiān)測與管理系統(tǒng)一部分是基于C/S 架構設計，需要在相關專業(yè)人員電腦上安裝軟件包，實施起來比較繁瑣且工作量較大，不利于對無線電進行實時管理。另一部分雖然是基于B/S 架構，在系統(tǒng)部署等方面優(yōu)于基于C/S 架構設計的監(jiān)管系統(tǒng)，但是在數(shù)據(jù)可視化與整合方面略有薄弱，且系統(tǒng)相對獨立，不能實現(xiàn)信息共享，無法達到信息增值和利用的效果。

針對上述問題，本文從無線電監(jiān)測與管理的實際需求出發(fā)，以無線電監(jiān)測、信息整合與增值為重點，使Internet 技術與GIS 原理相結合[2]，將功能組件封裝成服務，建立符合國家標準、適用于PC 端、開發(fā)與運行成本低的無線電管理系統(tǒng)。

該系統(tǒng)支持用戶在PC 端利用游覽器查看臺站的分布及運行狀況、管理臺站數(shù)據(jù)、進行無線電日常監(jiān)測以及信號管理等功能，降低了無線電管理系統(tǒng)的使用門檻。同時，利用數(shù)據(jù)分析技術，將無線電監(jiān)測數(shù)據(jù)進行高效整合和共享，使信息達到增值的效果，提高了無線電資源的管理效率。組件化開發(fā)也保證了系統(tǒng)良好的可擴展性和可整合性。

1 系統(tǒng)設計

1.1 功能設計

本文主要研究無線電監(jiān)測與管理系統(tǒng)中通過數(shù)據(jù)分析將處理后的數(shù)據(jù)信息與無線電監(jiān)測管理相結合的技術。以地理信息系統(tǒng)WebGIS 系統(tǒng)作為無線電管理系統(tǒng)的可視化支撐平臺，以無線電監(jiān)測數(shù)據(jù)以及管理工作作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，通過數(shù)據(jù)分析與處理，對合法數(shù)據(jù)進行計算，將數(shù)據(jù)進行整合與共享，同時在WebGIS應用層面的電子地圖上展示相應數(shù)據(jù)。

此系統(tǒng)主要由無線電臺站管理、無線電日常監(jiān)測管理、信號管理以及用戶管理共4 個模塊組成，如圖1 所示。各子系統(tǒng)的主要功能包括：

圖1 系統(tǒng)功能模塊劃分

1）無線電臺站管理

支持對臺站數(shù)據(jù)庫的訪問，完成在電子地圖上的分布顯示，實現(xiàn)對無線電臺站的基本參數(shù)、地理位置、維護日志以及運行狀況等信息的查改操作。

2）無線電日常監(jiān)測管理

支持無線電日常監(jiān)測任務，包括單頻測量、頻段掃描、單頻測向、聯(lián)合測向、信號分析、任務調度等[3]。

3）信號管理

支持地圖顯示信號分布及類型，展示區(qū)域信號列表，實現(xiàn)對信號的增刪改查操作，并對異常信號進行告警處理。

4）用戶管理

支持對系統(tǒng)的操作人員進行人員信息及部門信息等增刪改查操作，實現(xiàn)操作人員權限分級以及角色賦予等管理，確保系統(tǒng)安全。

1.2 架構設計

結合無線電管理業(yè)務的要求，系統(tǒng)主要由應用層、應用支撐層以及基礎設施層這三個層次構成。系統(tǒng)采用B/S 架 構[4]，以Openlayers 作 為 地 圖 顯 示 框 架，GeoServer 作為地圖服務器來搭建WebGIS 平臺，選用HBase 數(shù)據(jù)庫結合MySQL 來存儲與分析數(shù)據(jù)。系統(tǒng)總體架 構如圖2 所示[5?6]。

圖2 系統(tǒng)架構圖

1）應用層

由基于基礎類平臺和數(shù)據(jù)中心的業(yè)務應用組成，包括無線電監(jiān)測、無線電信號管理、告警管理以及臺站管理等業(yè)務模塊。通過可視化的用戶界面，為無線電管理人員提供各項服務。

2）應用支撐層

由基礎類平臺與數(shù)據(jù)中心兩部分組成。

基礎類平臺是介于數(shù)據(jù)庫和業(yè)務應用之間的中間層服務，提供統(tǒng)一身份、服務治理、平臺管理、地理信息、應用安全等服務。基礎類平臺主要對應用層發(fā)送過來的數(shù)據(jù)請求進行處理和執(zhí)行，可以說是整個無線電監(jiān)測系統(tǒng)的核心。系統(tǒng)操作人員通過調用平臺提供的服務，根據(jù)角色權限，在應用層更新數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)中心主要存放空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)以及應用數(shù)據(jù)，同時對這些數(shù)據(jù)進行交換、加工、分析和處理?？臻g數(shù)據(jù)庫包括基本地理信息數(shù)據(jù)（不同比例尺的影像地圖數(shù)據(jù)和矢量地圖數(shù)據(jù)、地名地址數(shù)據(jù)等），屬性數(shù)據(jù)庫中主要是無線電臺站名稱、狀態(tài)、類型等數(shù)據(jù)，應用數(shù)據(jù)庫中主要是示向度、帶寬、頻點等測量數(shù)據(jù)[7]。

3）基礎設施層

基礎設施層是無線電管理系統(tǒng)建設和運行的必備條件。在本系統(tǒng)中，主要由操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、硬件設備、網(wǎng)絡環(huán)境以及服務器等組成。

2 關鍵技術

2.1 WebGIS

WebGIS 將互聯(lián)網(wǎng)與地理信息系統(tǒng)相結合，在實現(xiàn)傳統(tǒng)GIS 所具有的功能外，還支持異地使用、多用戶同時使用、跨平臺使用等操作[8]，為數(shù)據(jù)共享及數(shù)據(jù)可視化提供了平臺。在本文的無線電監(jiān)測與管理系統(tǒng)中，以Openlayers 作為地圖顯示框架，GeoServer 作為地圖服務器，來構建本系統(tǒng)的WebGIS 平臺。

2.1.1 Openlayers

Openlayers 作為一款開源前端開發(fā)框架，除了能在網(wǎng)站中接入Web 地圖等基礎功能外，還能夠導入各種空間數(shù)據(jù)。Openlayers 可以進行控件擴展，實現(xiàn)地圖的平移、縮放、圖層疊加、標注等功能，在此基礎上進行高級應用程序開發(fā)。

Openlayers 憑借能夠支持地圖無刷新地動態(tài)實時更新頁面，在對系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)的集成管理方面脫穎而出[9]。目前Openlayers 最新的大版本是Openlayers 5，它將抽象的事物具體化為類，圍繞Map、Layer、Control、Interaction、Source、View 等核心類實現(xiàn)地圖加載和各類交互操作控件[10]，使GIS 數(shù)據(jù)能夠在客戶端更好地進行展示與交互。

2.1.2 GeoServer

在本系統(tǒng)中，由于涉及到添加、刪除和更改空間數(shù)據(jù)等操作，所以在對比目前國內外比較成熟的GIS 軟件和技術后，選擇支持WPS，即地理信息處理服務的GeoServer 作為地圖服務器。GeoServer 對系統(tǒng)的功能擴展和二次開發(fā)非常有利。在數(shù)據(jù)方面，GeoServer 除了支持多種矢量數(shù)據(jù)源和柵格數(shù)據(jù)源，還支持主流數(shù)據(jù)庫對其進行擴展。在地圖發(fā)布方面，GeoServer 支持將數(shù)據(jù)以圖像的形式輸出[11]，還可以直接發(fā)布實際數(shù)據(jù)的形式，進行空間地理數(shù)據(jù)查詢。GeoServer 強大的地圖編輯功能，使用戶比較容易地進行地理信息共享。

本系統(tǒng)中，空間數(shù)據(jù)一般以圖形的形式進行表示，GeoServer 以普通文件的格式，將其存儲在服務器中。MySQL 中的數(shù)據(jù)則一般以ShapeFile 格式進行存儲，當進行數(shù)據(jù)展示時，通過GeoServer 對其進行調用。

2.2 數(shù)據(jù)中心

2.2.1 數(shù)據(jù)中心框架

在本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)中心采用分布式框架，基于Linux系統(tǒng)的Hadoop 基礎環(huán)境運行。數(shù)據(jù)中心由數(shù)據(jù)交換平臺、數(shù)據(jù)加工平臺、數(shù)據(jù)分析平臺以及數(shù)據(jù)管理平臺組成，提供數(shù)據(jù)的交換、加工、分析以及管理服務。

在數(shù)據(jù)中心中，數(shù)據(jù)交換平臺接收來自設備、其他數(shù)據(jù)中心的各類數(shù)據(jù)，并將本數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)通過接口對外提供數(shù)據(jù)分享。數(shù)據(jù)加工平臺清洗數(shù)據(jù)中心已有的臟數(shù)據(jù)，對合法數(shù)據(jù)進行二次加工處理，保障數(shù)據(jù)的正確性和完整性。數(shù)據(jù)分析平臺利用分布式計算技術對合法數(shù)據(jù)進行計算，得到有利于做出決策的數(shù)據(jù)結果。數(shù)據(jù)管理平臺對數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)維護、容災備份、清理垃圾數(shù)據(jù)、統(tǒng)計各類數(shù)據(jù)所占資源等。

數(shù)據(jù)中心框架如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)中心框架

2.2.2 數(shù)據(jù)庫選型

數(shù)據(jù)庫選擇用MySQL 和Hbase 相結合的方法，主要數(shù)據(jù)內容存儲在HDFS 中，Hbase 存儲HDFS 文件目錄索引以及小量的結構化數(shù)據(jù)。MySQL 中主要存儲分布式相關的配置信息和基礎信息。

2.2.3 數(shù)據(jù)庫體系基本模型

無線電管理系統(tǒng)涉及的數(shù)據(jù)包括地名、經緯度等基礎地理數(shù)據(jù)，示向度、帶寬、頻點等無線電數(shù)據(jù)，臺站名稱、狀態(tài)、類型等無線電站數(shù)據(jù)以及相關無線電行政管理機構數(shù)據(jù)等。根據(jù)數(shù)據(jù)的類型和來源，將數(shù)據(jù)分為基礎空間數(shù)據(jù)與業(yè)務數(shù)據(jù)[12]。

基礎空間數(shù)據(jù)中，主要包括不同比例尺的影像地圖和矢量地圖數(shù)據(jù)、無線電臺站分布數(shù)據(jù)、信號分布數(shù)據(jù)等以圖形化要素存在的數(shù)據(jù)。

業(yè)務數(shù)據(jù)中，主要包括無線電臺站相關數(shù)據(jù)、系統(tǒng)管理權限相關數(shù)據(jù)、無線電監(jiān)測數(shù)據(jù)、服務管理日志等以二維表格形式存在的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)入庫時要以相關標準規(guī)范入庫。數(shù)據(jù)庫體系基本模型結構如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)庫體系基本模型結構

3 系統(tǒng)應用

本系統(tǒng)運行的硬件要求為推薦使用8 GB 內存以上計算機，最低要求4 GB 內存。軟件環(huán)境為Windows 操作系統(tǒng)，Google Chrome 瀏覽器，74 以及74 以上版本。

3.1 無線電臺站管理

本系統(tǒng)以地圖結合列表的形式，對無線電臺站信息進行綜合展示。用戶可以在地圖上查看臺站的分布情況以及位置等基本信息，通過鼠標放置圖標操作，獲取臺站的詳細信息。同時，用戶可以通過列表的操作項，對臺站數(shù)據(jù)進行添加、刪除、修改等基本操作。除此之外，系統(tǒng)還支持對臺站設備進行開關機和重啟、查看臺站運維日志等功能。

3.2 無線電日常監(jiān)測管理

在無線電日常監(jiān)測模塊中，系統(tǒng)在支持單頻測量、頻段掃描、離散掃描、單頻測向、寬帶測向、信號分析等常規(guī)監(jiān)測外，還可以對監(jiān)測任務進行任務調度，如圖5所示。

圖5 日常監(jiān)測管理功能頁

創(chuàng)建計劃任務，支持任務停止、編輯和刪除，根據(jù)任務優(yōu)先級安排任務執(zhí)行順序，例如自動執(zhí)行的頻段掃描任務，可以被高優(yōu)先級任務搶斷，搶斷結束后，再自動恢復任務。

3.3 信號管理

在本系統(tǒng)的信號管理模塊中，地圖顯示信號分布，鼠標放置后顯示信號詳細信息，展示區(qū)域的信號列表實現(xiàn)對信號的增刪改查操作，同時以圖標顏色來區(qū)分信號類型，對異常信號進行告警處理，如圖6 所示。該模塊支持按頻段和區(qū)域對信號進行統(tǒng)計的功能，以日報的形式對統(tǒng)計結果進行分析。

圖6 信號管理功能頁

3.4 用戶管理

在系統(tǒng)的用戶管理模塊中，通過角色賦予和權限限制，對用戶在系統(tǒng)中的權限進行制約，防止由于用戶權限問題造成失誤，確保系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的安全。同時可以通過人員管理和部門管理，對用戶的基本信息進行查詢、增加、刪除和修改等操作。

4 結 語

本文以無線電監(jiān)管業(yè)務為需求，在WebGIS、Java 和React 等相關技術的基礎上，闡述了系統(tǒng)的總體架構和功能，論述了數(shù)據(jù)中心的框架及構建，分析了系統(tǒng)的關鍵技術，設計并實現(xiàn)了基于數(shù)據(jù)分析技術的無線電監(jiān)管系統(tǒng)。這對提高無線電監(jiān)管效率具有十分重要的意義[13]：

1）將系統(tǒng)功能組件封裝成服務，使系統(tǒng)具有可擴展性和可整合性，為相關工作人員構建一個一體化數(shù)據(jù)的無線電監(jiān)管系統(tǒng)，為打破無線電管理中的“信息孤島”現(xiàn)象做出了創(chuàng)新的嘗試。

2）從無線電資源管理、無線電臺站管理等多角度出發(fā)，對數(shù)據(jù)進行分析處理，并將數(shù)據(jù)進行可視化直觀展示。如信號報警等功能，就是對信息的有效增值和利用，提高了無線電監(jiān)管效率。

3）系統(tǒng)界面友好，可操作性強，主體代碼均運行在服務器上，大大降低了無線電管理系統(tǒng)的使用門檻。在山東邊海運行期間，整體系統(tǒng)運行穩(wěn)定，有不錯的防錯、抗錯能力。