石 巖，姜永福

（河南廣播電視臺無線電臺管理中心，河南 鄭州 450003）

0 引言

對于發(fā)射臺站，建立智慧臺網(wǎng)不僅是確保廣播電視安全播出的重要支撐，也符合國家相關(guān)發(fā)展規(guī)劃。臺站的自動控制與監(jiān)控技術(shù)目前還存在功能單一、維護困難等問題，并未實現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合和綜合研判。臺站的監(jiān)測系統(tǒng)主要是對發(fā)射機的各項功能指標(biāo)進行實時監(jiān)控，同時對倒換系統(tǒng)中同軸開關(guān)等設(shè)備進行智能化監(jiān)控和自動化控制[1]。通過基于多數(shù)據(jù)智能分析判定的新型自動化控制和操作，為智慧臺網(wǎng)建設(shè)奠定前端業(yè)務(wù)基礎(chǔ)。

1 信息化數(shù)據(jù)采集

1.1 非標(biāo)數(shù)據(jù)采集

目前一些發(fā)射機廠家的機器未提供數(shù)據(jù)接口，無法通過發(fā)射機的對外數(shù)字接口獲取發(fā)射機的功率。對此，可以在發(fā)射機端的功率監(jiān)測口安裝檢波器來獲取發(fā)射機的射頻功率。圖1 為一個射頻信號波形[2]。

圖1 射頻信號波形

將正弦波電壓信號轉(zhuǎn)換為采集器能識別的電壓信號后，系統(tǒng)能夠獲得準(zhǔn)確反映功率信號的電壓值。二極管檢波原理如圖2 所示。

圖2 二極管檢波原理

Ui為發(fā)射機監(jiān)控口的射頻信號輸入端，經(jīng)過檢波二極管VD1后，信號的負數(shù)半周期信號被削除，上半部分的信號波形得以保留，如圖3 所示。

圖3 二極管檢波后的波形

利用電容C1電壓不能突變的原理，得到濾掉載波信號后的電壓波形如圖4 所示。

圖4 濾掉載波信號后的電壓波形

輸出功率與檢波后的電壓呈正比關(guān)系，為了防止該電壓超過模式采集器的最大采集范圍，將得到的電壓值經(jīng)過R1和R2兩個電阻分壓后送入一個16 位高精度的AD 換器，使其轉(zhuǎn)換為采集器可以處理和計算的數(shù)字量UAD。射頻監(jiān)測口的輸出電壓Uo為：

式中：Uref為AD 轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)輸入?yún)⒖茧妷?。由于Uo為R1和R2分壓得到，因此需要乘上R1和R2的比例還原為真實的電壓信號U總，即：

在本系統(tǒng)中，采用集成的對數(shù)檢波器AD8318芯片采集射頻信號。該芯片支持1 MHz～8 GHz 的射頻信號輸入，基本覆蓋了臺站播出頻段。AD8138具有噪聲低、精度高、脈沖響應(yīng)快等優(yōu)點，其內(nèi)部集成溫度傳感器，僅需單電源即可使用，兼容現(xiàn)有的電源。AD8318 原理如圖5 所示。

圖5 AD8318 原理

在原理圖中，射頻信號經(jīng)過由R57、C38、C39組成的一個差分耦合電路，同時也起到了濾波作用，將無用的直流成分經(jīng)過R57引入，有用交流射頻信號經(jīng)過電容C38和C39耦合后進入芯片的差分輸入端，經(jīng)過芯片處理后直接輸出AD 值，供MCU 進行采樣，為后續(xù)發(fā)射機功率數(shù)據(jù)采集提供數(shù)據(jù)接口支持。

1.2 動力類數(shù)據(jù)采集

1.2.1 發(fā)射機輸入電壓采集

在發(fā)射機的整個播出過程中，需要實時監(jiān)測發(fā)射機的輸入電壓和電流。市電采樣原理如圖6 所示。

圖6 市電采樣電路

Nin為三相四線輸入端的零線輸入端，Lin為火線輸入端，兩者均通過串聯(lián)3 個300 kΩ 的功率電阻后接到放大器的輸入端。Lin接同向端，Nin接反向端，經(jīng)過放大器LM358 處理之后，輸出一個頻率為50 Hz 的正弦波信號。將該信號送入高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器后，由采集器進行數(shù)據(jù)還原，以獲得較為準(zhǔn)確的電壓值。通過監(jiān)控發(fā)射機的電壓，為后續(xù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析提供有力的支撐。

1.2.2 輸入電流采集

一般情況下，發(fā)射機在正常播出過程中的輸出功率非常大，電流輸入也很大。監(jiān)測發(fā)射機的輸入電流，可以判斷發(fā)射機的發(fā)射功率是否處于正常范圍，對判斷劣播、停播等播出故障提供了直觀的數(shù)據(jù)支撐[3]。

對于大電流監(jiān)測，很小的壓差都會造成巨大的功耗損失，無法通過普通串聯(lián)采樣電阻的方式進行測量。從安全可行的角度出發(fā)，采用電流互感器采樣的方式更可靠，其原理如圖7所示。I1為輸入電流，經(jīng)互感器初級繞阻后，根據(jù)電磁感應(yīng)定理將會在次級線圈產(chǎn)生一個變電流I2，次級線圈的電流大小由初級線圈和次級線圈的比例決定。

圖7 電磁感應(yīng)原理

電壓整流原理如圖8 所示，在次級側(cè)VD1和R組成的回路中，R 兩端的電壓會隨著電流的變化而變化，以此將次級的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。

圖8 電壓整流原理

經(jīng)過AD 轉(zhuǎn)換器后接處理器，得到具體的電壓值，經(jīng)過數(shù)據(jù)標(biāo)定后得到電流I2，再乘以線圈的匝數(shù)比N即還原出初級線圈中的電流，即：

發(fā)射機配電監(jiān)控是整個智能化管理系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，現(xiàn)有臺站大都采用人工定時巡檢的方式，部分臺站仍然使用紙質(zhì)巡檢記錄表。通過本次的信息化數(shù)據(jù)采集改造，對整個自動化系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，并根據(jù)預(yù)設(shè)的巡檢時間進行電子化自動抄表，完成自動巡檢后上傳巡檢數(shù)據(jù)并實時推送異常情況，為保障機房和配電室穩(wěn)定運行提供了重要的輔助手段[4]。

1.3 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化采集

1.3.1 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化轉(zhuǎn)換

對于非網(wǎng)絡(luò)接口，通過在接口處就近增加一個串口網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換服務(wù)器的方式進行轉(zhuǎn)換。圖9 為發(fā)射機采集器鏈接，圖10 為串口服務(wù)器原理。

圖9 發(fā)射機采集器鏈接

圖10 串口服務(wù)器原理

在串口服務(wù)器中，網(wǎng)口用于接收來自倒換控制器的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)并通過TCP/IP 協(xié)議棧解包，將解析獲得的數(shù)據(jù)通過串口傳輸給協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片，協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片通過外接的撥碼開關(guān)選擇通過不同的接口進行輸出。對外接口統(tǒng)一采用DB9 母頭作為硬件輸出接口，DB9 端口的線序定義如圖11 所示，接口引腳與通信模式對應(yīng)關(guān)系如表1 所示。

表1 DB9 接口引腳與工作模式對應(yīng)關(guān)系

圖11 DB9 接口圖例

1.3.2 硬件接口轉(zhuǎn)換原理

在串口服務(wù)器中，設(shè)備采用高度集成的多協(xié)議收發(fā)器作為轉(zhuǎn)換電路，實現(xiàn)對RS-485、RS-422、RS-232 等接口協(xié)議的兼容性，其內(nèi)部工作原理如圖12 所示。

圖12 不同接口的內(nèi)部工作原理

2 業(yè)務(wù)流程梳理

2.1 倒換備份系統(tǒng)

2.1.1 冷備份與熱備份系統(tǒng)組成

冷備份指在發(fā)射機播出過程中，閑置的主機或者備機處于未上電的狀態(tài)。熱備份指在播出設(shè)備工作時，閑置的備份發(fā)射機處于供電并待機狀態(tài)。

在臺站內(nèi)，為了保障廣播節(jié)目安全不間斷地播出，防止設(shè)備故障造成停播，每個頻道均配備了一臺備份發(fā)射機。同時為了節(jié)約電能和延長發(fā)射機壽命，本系統(tǒng)在全自動模式下可以實現(xiàn)發(fā)射機的冷備份，其原理是通過空開控制器控制發(fā)射機的總電源，再配合發(fā)射機的數(shù)據(jù)開關(guān)機協(xié)議來實現(xiàn)對發(fā)射機的開、關(guān)機。冷備份系統(tǒng)構(gòu)成如圖13 所示。

圖13 冷備份系統(tǒng)構(gòu)成

穩(wěn)壓電源分別為主發(fā)射機和備發(fā)射機提供電力，若在主機工作模式下，倒換器通過空開控制器控制，使主發(fā)射機空開打開為主發(fā)射機保障電源供應(yīng)。當(dāng)主機內(nèi)的通信單元上電后，倒換機此時與主發(fā)射機建立通信連接。當(dāng)通信穩(wěn)定后，倒換控制器通過發(fā)射機的控制協(xié)議向主發(fā)射機發(fā)送開機指令，開啟主機，備機空開關(guān)閉，發(fā)射機處于掉電狀態(tài)。在熱備份下，主備發(fā)射機的空開均為打開狀態(tài)，通過發(fā)射機指令口來控制發(fā)射機開關(guān)狀態(tài)。

2.1.2 天線聯(lián)鎖

在播出過程中，為了防止主、備發(fā)射機處于同時開啟狀態(tài)而造成播出事故，規(guī)定正常播出時只允許其中一臺發(fā)射機處于播出狀態(tài)。在倒換系統(tǒng)中，由于只有一副天線，因此倒換器可以通過讀取同軸開關(guān)的位置信號來確定哪一臺發(fā)射機用于播出。聯(lián)鎖是防止主、備發(fā)射機同時處于開啟狀態(tài)的必要條件，若無聯(lián)鎖功能，輕則發(fā)射機保護強行關(guān)機且無法開啟，重則天線同軸開關(guān)、發(fā)射機或者饋管接觸點燒毀，從而引發(fā)重大播出事故。

2.1.3 聯(lián)鎖功能原理

機房主、備發(fā)射機之間均采用同軸開關(guān)配合控制器的方式實現(xiàn)天線饋線切換，其系統(tǒng)主要由系統(tǒng)邏輯控制器、行程檢測開關(guān)、電機動力機構(gòu)、同軸開關(guān)主體以及電氣接口組成。其中，聯(lián)鎖信號由行程開關(guān)實現(xiàn)。同軸開關(guān)聯(lián)鎖功能原理如圖14 所示。

圖14 同軸開關(guān)聯(lián)鎖功能原理

行程開關(guān)K1和K2均為常開狀態(tài)，K2的常開觸點5，6 與K1的觸點3，4 分別連接到發(fā)射機的信號聯(lián)鎖接口。當(dāng)旋轉(zhuǎn)電機順時針運動時，行程開關(guān)K2與電機限位壓板接觸，使其處于閉合狀態(tài)。發(fā)射機此時檢測到K2信號閉合，系統(tǒng)判斷天線聯(lián)鎖到位，發(fā)射機能正常開啟，否則無法正常開機。

2.2 控制倒換流程設(shè)置

為了保障安全播出，防止系統(tǒng)在倒換過程中損壞播出設(shè)備，對系統(tǒng)運行過程中的所有狀態(tài)都必須嚴格監(jiān)控。系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前獲取的設(shè)備數(shù)據(jù)實時進行自動判斷，如果各項功能指標(biāo)均滿足倒換條件，系統(tǒng)就會自動切換為就緒狀態(tài)。如果檢測到在播發(fā)射機輸出功率異常，則立即觸發(fā)倒換系統(tǒng)進入準(zhǔn)備狀態(tài)，準(zhǔn)備時長5～20 s（用戶可設(shè)置）。在預(yù)備過程中，若發(fā)射機恢復(fù)則預(yù)備取消，恢復(fù)正常播出。若超過了準(zhǔn)備時間，系統(tǒng)則立即轉(zhuǎn)入倒換狀態(tài)[5]。以主倒機為例，當(dāng)主發(fā)射機的輸出功率發(fā)生異常，則立即進入設(shè)備倒換流程，如圖15 所示。

圖15 發(fā)射機倒換流程

在發(fā)射機運行過程中，倒換器檢測到主機發(fā)射功率低于設(shè)定的下限值后，系統(tǒng)會判斷備機和天線的鏈接狀態(tài)，此時無論是主機還是備機只要其中有一個環(huán)節(jié)有問題都會引起系統(tǒng)報警，例如倒換器或者發(fā)射機鏈接不正常、處于手動狀態(tài)等。在所有環(huán)節(jié)均處于正常狀態(tài)后，系統(tǒng)會通過指令主動關(guān)閉主發(fā)射機，并實時查詢主機的功率，待功率低于設(shè)定的下限值之后再控制同軸開關(guān)，使天線對接到備發(fā)射機。在冷備份的情況下，倒換器先打開電源繼電器給備發(fā)射機上電，等待備機功率恢復(fù)正常后，倒換結(jié)束。

3 智能數(shù)據(jù)研判分析

使用采集器采集發(fā)射機數(shù)據(jù)后，由網(wǎng)絡(luò)回傳給中控服務(wù)器，服務(wù)器對回傳的數(shù)據(jù)進行分析研判、處理、存儲，統(tǒng)計發(fā)射機內(nèi)部的報警信息，通過UI界面展示給用戶。臺站內(nèi)擁有多個廠家的發(fā)射機，且機器的數(shù)據(jù)、協(xié)議及接口各異，尤其對發(fā)射機內(nèi)部的報警數(shù)據(jù)無法按照統(tǒng)一的邏輯標(biāo)準(zhǔn)進行統(tǒng)計。通過標(biāo)準(zhǔn)化各類數(shù)據(jù)、整合零散信息，統(tǒng)一有效地管理不同廠家、不同數(shù)據(jù)接口、不同結(jié)構(gòu)類型的數(shù)據(jù)，解決臺站內(nèi)外平臺信息不共享、數(shù)據(jù)缺乏聯(lián)動分析、領(lǐng)導(dǎo)決策無數(shù)據(jù)依據(jù)等一系列數(shù)據(jù)孤島問題。由發(fā)射機采集器將各個廠家的接口數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理之后，按照類型轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)流，如功放數(shù)據(jù)、激勵器數(shù)據(jù)、電源數(shù)據(jù)等，去掉一些對播出無影響且用戶不關(guān)心的數(shù)據(jù)，保留臺站內(nèi)關(guān)心的數(shù)據(jù)以及報警信息。發(fā)射機數(shù)據(jù)提取流程如圖16 所示。

圖16 發(fā)射機數(shù)據(jù)提取流程

建設(shè)統(tǒng)一的無線傳輸業(yè)務(wù)和運維監(jiān)測監(jiān)管體系，完善業(yè)務(wù)和運維數(shù)據(jù)采集和挖掘基礎(chǔ)，逐步拓展無線傳輸發(fā)射平臺的信息廣度，推進安全播出管理向精細化、立體化發(fā)展。通過對播出效率、停播、劣播等的分析與統(tǒng)計，實現(xiàn)對發(fā)射臺站的全過程管理[6-7]。系統(tǒng)判定流程如圖17 所示。

圖17 系統(tǒng)研判流程

4 結(jié)語

本文介紹了如何在現(xiàn)有自動化控制和監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上整合各類分散游離的信息數(shù)據(jù)，并且通過高效的前端算法和自定義規(guī)則，配合統(tǒng)一的業(yè)務(wù)處理平臺實現(xiàn)基于智能判定分析技術(shù)的智能化一體化倒換調(diào)度管理。利用該系統(tǒng)可以替代人工進行重復(fù)性工作，操作簡便，有效提高了臺站的整體管理水平，為廣電智慧發(fā)射臺管理平臺的數(shù)字化、信息化發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。