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关于RBN-DGNSS台站远程监控系统未来建设和升级的设想研究
「为了更有效实现设备的运行自动监控管理,确保系统的性能和安全工作,节省人员值守的成本,对未来航海航保智能化信息化发展提供有效的技术支持,文章通过对数据采集、数据分析等技术的探讨分析,为差分台远程监控系统在未来的建设、改进完善等方面提出设想建议。(2021-8-6)」
关键词:RBN-DGNSS差分台;远程监控系统;智能化;信息化
  中图分类号:F407.67 文献标识码:A
  RBN-DGNSS远程监控系统是将差分全球定位台站的监控平台采用分布式架构,集合数模混合切换显示、数据存储分析、视频监控、设备维护管理、故障自动报警处理等多功能于一体的监控平台[1]。目前,南海海区已经率先实现全天候远程监控值班,下辖11座RBN-DGNSS台站及完善性监测站目前均已实现对发射机入射功率、反射功率、天线电流及驻波比等监测,以及短信设备参数查询和报警、机房空调机控制、移动设备客户端对台站访问监测等功能。
  本文对远程监控系统的设想建议为:通过运用ZigBee技术,完善RBN-DGNSS远程监控系统中的数据/环境采集系统,提高数据采集精度。通过数据持久化、j2ee技术,提高数据分析系统的能力。通过引入IMS技术,实现对系统的智能维护,进一步推动水上船只交通安全工作的发展。
  1 目前差分台站和差分台远程监控系统的组成
  当前的RBN-DGNSS(沿海无线电指向标-差分全球卫星导航系统)差分台站主要由基准站(RS)、IO接口单元和完善性监测站(IM)组成。基准站由GPS接收机和调制器构成,播发台由发射机、天线调谐器和天线组成。完善性监控站由GPS接收机、信标接收机和完善性监控计算机组成。差分台站是把一台GNSS接收机放在位置已经经过精确测定的点上,组成基准站,通过接收卫星信号,测出并计算到卫星的伪距,将伪距和已知精确距离相比较,求得该点在系统中的伪距测量误差,再将这些误差作为修正值以标准格式向外界播发,附近的DGNSS用户利用接收到的来自基准站的误差修正信息,来修正自身GNSS测量值,提高定位精度[2]。
  2 关于进一步优化RBN-DGNSS台站远程监控系统的设计概述
  该平台的设计应用将具有以下的特点。
  第一,对差分信号及各种信息进行整合,使得信息的特征性更加明显,适用于多频DGNSS服务,便于检索,提高信息描述的精确度。
  第二,加入了信息平台集中效验和信息分类存储,使各类信息能和平台信息进行智能交互,并能对原始信息进行提炼并加工。
  第三,坚持以人为本,将使用者的偏好作为设计的主要考虑因素。通过对分析使用者的日常工作需求,寻找可信度高的发布源,并对故障现象进行整理分析,得出最佳的处理方案,甚至进行自动调整处理,提高数据应用的效率。
  3 RBN-DGNSS台站远程监控系统设计
  3.1 系统总体设计
  系统主要由以下几个部分组成:数据/环境采集系统(模块)、数据分析系统、监控显示界面、通信调度系统和维护管理系统。主要包括通讯服务功能、数据管理功能、业务功能、航道图像显示功能等,管理系统还可以根据具体的实际情况添加或者减少功能。该系统通过对差分数据、差分台站各项数据进行存储、分析、处理、归类、编辑、建档等一系列环节,实现在控制中心通過图像化的操作界面、监控软件对差分台站的信息进行监测,例如发射机发射/接受功率、发射报文误码率、信噪比等具体数据的监控。具体设计如图1所示。
  3.2 数据/环境采集系统(模块)
  数据/环境采集是远程监控系统最基础的模块,为后续系统的监测、数据分析提供最基础和原始的资料。系统未来升级可以从以下着手:利用核心控制处理器模块,通过RS485总线连接数字温湿度检测模块、烟雾传感模块、UPS电压电流监测模块等,实现对系统的全面监控。在双模改造之后,基准站和IO接口单元接入RS服务器,IM接入IM服务器,对设备的监控通过与RS服务器和IM服务器的通信完成,设备监控与其他监控模块又通过交换机相连[3]。
  由于ZigBee技术具有适合用于数据采集、功耗低、成本小的特性,网络的覆盖范围一般为几十米,工作于2.4 GHz频段(该频段可以提供16个250 kbps信道的通信,支持255个网络节点),满足多模块相互通信的需求,广泛应用于机房内模块、监控自动化、传感器网络之间的通信。所以,各室内监控模块之间可以采用基于ZigBee的数据采集系统的设计方案。室内和室外监控模块则通过网关与其他网络(例如WiFi、以太网)进行连接,从而扩大网络覆盖范围,实现远程监控。
  数据采集的核心处理器可以采用CC2430、CC2530或CC2591等芯片,配备RS232或RS485串口连接多个检测仪器实现自动数据采集,随后用USB接口输出数据进入数据分析系统和监控显示界面;采集系统(模块)主要有传感器节点、协调器、网关、服务器、客户端四个部分组成。传感器节点的组网可以通过使用Zstack协议栈来进行,协调器与传感器之间组成星型和树型混合网,各传感器模块之间以星型的方式连接,协调器与传感器又以树型的方式连接在一起,由协调器对传感器进行同步和控制。终端节点I/O数据采集端口采集到数据后,协调器再将数据通过串口上传到网关。最后客户端将串口发送上来的传感器数据进行封装并发送到服务端,并且存储到数据库中。
  客户端通过访问服务器,将获取数据展示出来。
  环境监测数据采集系统如图2所示。
  3.3 数据分析系统
  数据分析系统是在数据采集之后,对数据进行存储、建模、分析和智能应用,在系统内部对原始数据进行一系列处理转化的过程。该系统体系结构构成如图3所示。
  图3 数据分析系统
  数据分析系统是系统的核心,由推理机和数据库、知识定义库组成。系统通过建立完整数据知识仓库,深度挖掘数据价值。   推理展示机:对动态数据(发射机入反射功率、天线电流、驻波比等)多维度观察和分析,利用数据切片、聚合等分析操作,剖析数据,与数据库和知识定义库模型等进行对照,综合查看数据,对系统运行状态进行预判,并为各类动态数据统计分析结果提供各种展示方式。
  数据库:用于存储系统采集、处理和计算建模后的业务数据,存储系统运行的参数配置信息,运行文件、程序等,并为软件、客户端提供数据存储和访问服务。
  知识定义库:采用数据持久化、j2ee等相关技术,对各类数据进行数据聚合、建模计算、多维数据分析,并且录入相关行业技术标准、处理经验。
  数据分析系统的作用:一方面,负责处理系统终端的信息、业务、系统用户权限等,对系统终端部分发送远程指令、进行系统设置、数据传递与查询等,对终端上的运行情况、警报、参数监控状态等进行实时监控;另一方面,系统知识库分析数据,挖掘数据价值,并通过对基础数据的叠加学习,以及对相关运行规程、规范、经验总结,反馈到系统,从而驱动监控系统智能,让系统能自动识别判断,处理相关情况。系统通过自我的学习,对每一个输入信号进行判断,根据知识定义库定义相关告警,标注故障等级,迅速筛选、定位故障位置,锁定事故范围,对故障显示智能推理的故障原因,给出处理意见建议。例如:在数据采集模块采集到UPS相关充放电电压电流数据之后,通过电荷量库仑算法和GSM模拟放电模型,直接对剩余电量、放电时间进行预估,同时对电池是否老化做出判断,提示值班员是否需要更换后备蓄电池,是否需要对电池进行充放电等。再如:天气监测模块,通过对当天天气情况的实时监测,配合天气预报信息,对C/A码和P码(或Y码)和导航电文、卫星钟改正、历书、电离层信息、卫星健康状况进行搜集,结合相关恶劣天气处理经验、规程,自动对系统运行信息进行比对,做出判断处理,并将处理信息反馈给相关管理员进行审核把关,全面实现智能化、信息化值守。
  3.4 监控显示界面
  监控显示界面功能即为实现PC机/客户端与数据分析系统之间的串行通信,显示差分台发射机、信标接收机、机房环动监控、视频监控等各个模块的工作状态,并可对其进行控制、属性、数据修改和信息反馈。目前,监控软件已经实现对基准站的信号状态、收星数,对监测站频率、信噪比、信号强度,对发射机发射频率、电压、电流等信息的监控。监控显示界面携带的功能设计如下:
  (1)业务功能:负责处理系统终端的信息、业务、系统用户权限等,对系统终端部分发送远程指令、进行系统设置、数据传递与查询等,对终端上的运行情况、警报、参数监控状态等进行实时监控。
  (2)图像显示功能:将机房、控制单元模块、发射机等设备信息以图像化的形式进行展示,准确掌握设备的运行状态及参数变化,并查询对系统终端发布的命令和设置[4]。
  (3)操作记录功能:系统可以提供1年内对系统的人工、自动操作记录、操作依据,具备灵活的查询工具和回放功能,对于原始数据能够自动存储备份,该项功能支持TCP/IP和UDP网络协议。
  3.5 通信系统
  系统具有电话、音频、视频、计算机网络等有线接口,无线宽带图像传输等多种通信设备,具有现场指挥调度和远程通信的能力。
  通信系统建设原则:
  (1)高度稳定性和可靠性
  通信系统设计的基本要求,系统应具有大吞吐量、无差错传输能力(具有校验查错、数据恢复重传等机制),保证应对各种特殊情况,系统对于信息、设备安全上具有较高的保障。
  (2)可扩展性
  系统应该具备可扩展能力,符合行业技术规范和技术发展潮流,适应主流技术发展的要求,支持平滑扩容,可以根据未来业务增长的需求,在不改变整体框架的前提下进行系统升级等操作,满足用户需求。
  (3)同步时钟网络和全双工
  通信系统应具有支持多路通信的能力,各种信息播发、短信通知、通信命令和传真等可以同时同步进行。
  (4)经济性
  按照需求合理配置系统,确保系统的性价比,最大限度地有效利用資金。
  3.6 维护管理系统
  目前较为前沿的维护管理技术为智能维护系统(IMS),该技术利用Internet和Web技术,实现对异地设备各项性能的监测和预测,并提出维护方案等一系列维护措施。该项技术具体包括数据采集、状态监测、故障诊断、性能评估及维护决策等,并辅以用户管理、权限验证、文档报表管理等系统管理模块,通过智能化的对同类信号进行比较、信息交互等技术,对己方输入输出信号做相应的调整,以达到系统自我决策,进而压缩故障和自我维护的目的。目前,IMS的定位是打造通用级别较高的维护系统,所以算法比较复杂,总体部署在四个方面,分别是信号处理+特征提取、性能评估算法、性能预测算法和性能诊断算法。
  智能维护系统目前较为成熟的是基于SOA的智能维护。该架构由下而上分别是数据层、基础业务服务层、业务服务总线、业务处理层和表现层。
  (1)数据层:该层主要包括各类数据库及数据文件。其中数据库分为知识数据库、方法数据库和管理数据库等。知识和方法数据库为设备维护提供规则和经验;波形数据库用于存储分析结果;管理数据库存储用户信息配置等。
  (2)基础业务服务层:该层中包含诸多细粒度的基础服务,如数据库访问、特征提取、常用算法等。这些服务全部整合发布到业务服务总线上。
  (3)业务服务总线:结合智能维护系统的业务逻辑,整合基础业务服务层上的各细粒度服务形成的四条业务总线。
  (4)业务处理层:该层根据表示层中客户端的消息请求,通过调用业务服务总线上的不同服务完成特定的业务流程和相关分析,将分析结果返回给客户端。
  (5)表现层:当用户登录,将对用户信息进行验证,并加载用户配置文件,通过用户配置文件决定该用户能浏览和使用哪些界面视图。
  4 远程监控系统未来发展展望
  未来,DRBN-DGNSS远程监控系统在实际应用中将会进一步朝着设备寿命更长、多频DGNSS服务、数字化、智能化、信息化方向发展。远程监控系统中对数据分析系统、数据分析算法等方面的运用,将实现对信息更准确的检测,对整体系统运行更加精准的预判和分析,为整体提高工作质量和工作效率发挥更大作用,为我国发展海洋事业、开发海洋资源提供更安全的保障。
  5 总结
  无人值守已经是一种大趋势,本文基于南海海区目前已建设的系统,结合对当前技术的了解认识,对远程监控值班系统提出一些思考和建议。随着无线电技术和大数据、云计算等技术的成熟,未来相关技术升级改造也会随之不断进步。
  参考文献
  [1] 李晓波.GNSS天线相位中心改正模型的建立[D].北京:中国地震局地震预测研究所,2013.
  [2] 蔡成林.守时系统故障实时诊断与自动报警[D].临潼:中国科学院研究生院,2004.
  [3] 邓朝栋.基于J2EE的IMS网络应用层(IM,PS服务器)的研究与实现[D].成都:电子科技大学,TN919.8.
  [4] 李敏.信息设备图形化建模与监控技术的探讨及应用[J].电子测试,2013(14):71-72.
(蚕Dc)
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