于海泉 吳金友 梁秀文

（作者單位：1.哈爾濱廣播器材有限責(zé)任公司；2.四川省廣播電視局成都發(fā)射傳輸臺(tái)；3.四川省廣播電視新聞與傳播研究所）

隨著5G技術(shù)和區(qū)塊鏈技術(shù)的快速發(fā)展，基于5G技術(shù)與區(qū)塊鏈技術(shù)的相關(guān)監(jiān)測技術(shù)在廣播電視發(fā)射臺(tái)的信號(hào)源系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、發(fā)射機(jī)系統(tǒng)、安全防范系統(tǒng)等方面得到了廣泛應(yīng)用，但對(duì)于中波廣播覆蓋區(qū)域范圍的信號(hào)信息數(shù)據(jù)監(jiān)測、覆蓋效果態(tài)勢實(shí)時(shí)評(píng)估等方面，還是依賴省、市級(jí)的廣播電視監(jiān)測中心來完成。另外，中波廣播信號(hào)有地波和天波兩種傳播方式，白天主要是沿地球表面?zhèn)鞑サ牡夭▊鞑?，?huì)受到諸如山勢地形、高大建筑、強(qiáng)電磁等因素的影響。在中波廣播信號(hào)傳播的有效覆蓋區(qū)域范圍內(nèi)，若由于城市建設(shè)的規(guī)劃需要，如增建高層建筑、超高壓輸電線、大功率輸變電站等設(shè)施，該區(qū)域范圍的中波廣播信號(hào)覆蓋質(zhì)量、收聽效果將會(huì)受到較大影響。為了提高中波發(fā)射臺(tái)對(duì)中波廣播信號(hào)覆蓋區(qū)域的自臺(tái)監(jiān)測水平和覆蓋效果態(tài)勢的智能評(píng)估能力，本文基于5G技術(shù)與區(qū)塊鏈技術(shù)在中波廣播信號(hào)覆蓋區(qū)域范圍的監(jiān)測布點(diǎn)、實(shí)時(shí)信號(hào)傳輸、智能監(jiān)測和覆蓋范圍效果評(píng)估等方面進(jìn)行了針對(duì)性研究。

1 系統(tǒng)概述

中波廣播信號(hào)覆蓋效果智能監(jiān)測系統(tǒng)，是基于5G技術(shù)與區(qū)塊鏈技術(shù)的監(jiān)測功能應(yīng)用場景。通過構(gòu)建監(jiān)測區(qū)域場景圖、三維模型圖來布置數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)。通過在監(jiān)測系統(tǒng)輸入需監(jiān)測的中波廣播信號(hào)頻率、發(fā)射機(jī)發(fā)射功率等技術(shù)參數(shù)；自動(dòng)采集信號(hào)采集場強(qiáng)數(shù)據(jù)；監(jiān)測設(shè)備實(shí)時(shí)回傳信息數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)信息分析系統(tǒng)，根據(jù)預(yù)設(shè)監(jiān)測設(shè)備區(qū)域范圍電磁場分布圖、電磁干擾設(shè)備類型圖、地理位置信息圖以及預(yù)設(shè)的信號(hào)傳輸路徑等，對(duì)中波廣播信號(hào)監(jiān)測各采集點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；系統(tǒng)根據(jù)回傳后的信號(hào)參數(shù)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，對(duì)中波廣播信號(hào)覆蓋效果態(tài)勢進(jìn)行評(píng)估，并智能生成中波廣播電磁場強(qiáng)實(shí)時(shí)覆蓋效果信息數(shù)據(jù)圖。

2 采用的關(guān)鍵技術(shù)和算法

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1 5G技術(shù)

5G技術(shù)，具有高速率、低時(shí)延和大連接的技術(shù)特點(diǎn)，該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了人、機(jī)、物之間快速連接和互聯(lián)互通。

2.1.2 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈技術(shù)是分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸、共識(shí)機(jī)制、加密算法等計(jì)算機(jī)技術(shù)的新型應(yīng)用模式。區(qū)塊鏈技術(shù)本質(zhì)上就是一個(gè)去中心化的數(shù)據(jù)庫，是一種按照時(shí)間順序?qū)⑿畔^(qū)、數(shù)據(jù)塊連接的一種鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并以密碼學(xué)技術(shù)保證數(shù)據(jù)信息不可篡改和不可偽造。

2.1.3 奇異值分解技術(shù)

奇異值分解技術(shù)是一種矩陣分解方法，也就是將一個(gè)矩陣分解為左奇異向量矩陣、奇異值矩陣和右奇異向量矩陣的三個(gè)矩陣乘積。

2.2 關(guān)鍵算法

2.2.1 蟻群算法

蟻群算法是通過模擬螞蟻在搜索食物過程中的捕食行為，來尋找問題的最優(yōu)解。在蟻群捕食過程中，螞蟻通過釋放信息素，引導(dǎo)其他螞蟻前往更有可能找到食物的路徑。而信息素的濃度會(huì)隨著時(shí)間不斷更新，螞蟻在選擇路徑時(shí)會(huì)傾向于選擇信息素濃度較高的路徑。

2.2.2 射線追蹤法

射線追蹤法是一種用于渲染圖像的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)。它模擬光線從觀察者（相機(jī)或眼睛）發(fā)出，通過場景中的物體相互反射、折射或吸收，最終達(dá)到圖像平面的過程。通過射線追蹤法，結(jié)合需監(jiān)測區(qū)域的實(shí)時(shí)場景模型圖中的地形建筑，規(guī)劃出多條監(jiān)測設(shè)備與信號(hào)接入節(jié)點(diǎn)之間的信號(hào)傳輸路徑。

2.2.3 離子群優(yōu)化算法

離子群優(yōu)化算法是一種模擬自然界中粒子集群行為的群體智能算法，是基于對(duì)粒子空間搜索的基本原理，通過模擬離子在離子束中的相互影響和作用，結(jié)合每一條信號(hào)傳輸路程與信號(hào)損耗計(jì)算尋找并解決問題的最優(yōu)方案，通過此方法獲取監(jiān)測設(shè)備與信號(hào)接入節(jié)點(diǎn)之間傳送過程中最低的信息損耗傳輸路徑。

2.2.4 豪斯多夫（Hausdorff）距離算法

該算法用于計(jì)算兩個(gè)采集點(diǎn)之間的距離算法。利用豪斯多夫距離，計(jì)算出點(diǎn)集A到點(diǎn)集B每個(gè)點(diǎn)的最短距離，以及點(diǎn)集B到點(diǎn)集A每個(gè)點(diǎn)的最短距離，豪斯多夫距離常用于圖像匹配、形狀匹配和目標(biāo)識(shí)別等場景。

2.2.5 電磁強(qiáng)度的計(jì)算公式：

式（1）中，E表示電磁強(qiáng)度；μ 表示磁導(dǎo)率；L表示電流大小；r表示電磁干擾設(shè)備與預(yù)設(shè)采集位置節(jié)點(diǎn)之間的距離。

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)方法

3.1 標(biāo)定信號(hào)監(jiān)測布點(diǎn)區(qū)域

通過無人機(jī)對(duì)中波廣播信號(hào)覆蓋區(qū)域進(jìn)行航拍，獲取預(yù)置評(píng)估應(yīng)用場景圖像，重構(gòu)后得到信號(hào)覆蓋區(qū)域的實(shí)時(shí)應(yīng)用場景模型圖，從而標(biāo)定出中波廣播信號(hào)監(jiān)測布點(diǎn)區(qū)域和范圍。

3.2 構(gòu)建電磁場分布圖

對(duì)信號(hào)監(jiān)測區(qū)域范圍的實(shí)時(shí)場景模型圖進(jìn)行大數(shù)據(jù)檢索，獲取需監(jiān)測區(qū)域中所存在的電磁干擾設(shè)備的類型與地理位置信息；系統(tǒng)根據(jù)相關(guān)信息數(shù)據(jù)構(gòu)建電磁場計(jì)算模型。系統(tǒng)將需監(jiān)測區(qū)域范圍內(nèi)所存在的電磁干擾設(shè)備的類型、地理位置信息數(shù)據(jù)導(dǎo)入電磁場計(jì)算模型，通過相關(guān)算法，得到監(jiān)測區(qū)域內(nèi)各個(gè)預(yù)設(shè)地理位置的信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)的電磁強(qiáng)度；系統(tǒng)再根據(jù)各個(gè)監(jiān)測區(qū)域位置采集節(jié)點(diǎn)的電磁強(qiáng)度，生成監(jiān)測區(qū)域范圍電磁場分布圖。

3.3 構(gòu)建信號(hào)傳輸路徑

獲取監(jiān)測設(shè)備的信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)的地理位置與預(yù)設(shè)布點(diǎn)數(shù)據(jù)，按照時(shí)間順序?qū)雽?shí)時(shí)場景模型圖；系統(tǒng)通過射線追蹤法進(jìn)行傳輸路徑規(guī)劃，得出若干條信號(hào)傳輸路徑，并計(jì)算出每一條信號(hào)傳輸路徑的傳輸距離。

將若干條信號(hào)傳輸路徑導(dǎo)入電磁場分布圖中，得到每一條傳輸路徑的多個(gè)采集節(jié)點(diǎn)上的電磁強(qiáng)度，根據(jù)多個(gè)采集節(jié)點(diǎn)上的電磁強(qiáng)度，計(jì)算出每一條信號(hào)傳輸路徑的信號(hào)電磁損耗值。再通過離子群優(yōu)化算法，對(duì)每一條信號(hào)傳輸路徑的傳輸距離與信號(hào)電磁損耗值進(jìn)行最優(yōu)解計(jì)算，得出最優(yōu)信號(hào)傳輸路徑，并將其標(biāo)定為監(jiān)測設(shè)備的預(yù)設(shè)信號(hào)傳輸路徑。

3.4 構(gòu)建特性數(shù)據(jù)庫

通過網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)，獲取對(duì)中波廣播的傳輸信號(hào)造成影響的干擾場景模型圖，據(jù)此構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，并將干擾場景模型圖導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，得到干擾場景模型特性數(shù)據(jù)庫。

（1）獲取實(shí)時(shí)場景圖像數(shù)據(jù)，對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理，得到實(shí)時(shí)場景模型圖。

（2）對(duì)實(shí)時(shí)場景模型圖進(jìn)行修正處理，將修正后的實(shí)時(shí)場景模型圖導(dǎo)入特性數(shù)據(jù)庫。

（3）通過豪斯多夫距離算法，計(jì)算修正后的實(shí)時(shí)場景模型圖與各干擾場景模型圖之間的相似度和相關(guān)聯(lián)度，得到多個(gè)場景相似度和相關(guān)聯(lián)度。

（4）將多個(gè)相似度分別與預(yù)設(shè)相似度的閾值進(jìn)行數(shù)據(jù)信息對(duì)比，將相似度大于預(yù)設(shè)相似度的實(shí)時(shí)場景模型圖標(biāo)記為監(jiān)測區(qū)域范圍。

3.5 實(shí)時(shí)場景圖

將實(shí)時(shí)場景模型圖導(dǎo)入矩陣分解模型，對(duì)實(shí)時(shí)場景模型圖進(jìn)行奇異值分解，得出左奇異向量矩陣、奇異值矩陣、右奇異向量矩陣。

（1）根據(jù)左奇異向量矩陣、奇異值矩陣、右奇異向量矩陣重新構(gòu)建，得出實(shí)時(shí)場景模型圖的原始矩陣。

（2）在左奇異向量矩陣中選取2項(xiàng)數(shù)值，在右奇異向量矩陣中選取2項(xiàng)數(shù)值，得到象限坐標(biāo)值。

（3）選取實(shí)時(shí)場景模型圖的幾何中心點(diǎn)作為原點(diǎn)。

（4）根據(jù)坐標(biāo)及原點(diǎn)位置構(gòu)建坐標(biāo)系。將原始矩陣輸入坐標(biāo)系中，獲取原始矩陣中各頂點(diǎn)向量值的三維坐標(biāo)數(shù)集。

（5）獲取三維坐標(biāo)數(shù)集的極限坐標(biāo)點(diǎn)集合，將極限坐標(biāo)點(diǎn)的集合進(jìn)行重新組合，得到修正后的實(shí)時(shí)場景模型圖。

3.6 定初始布置點(diǎn)

構(gòu)建監(jiān)測設(shè)備的三維模型圖，獲取監(jiān)測區(qū)域?qū)崟r(shí)場景模型圖，根據(jù)監(jiān)測設(shè)備的三維模型圖與需監(jiān)測區(qū)域的實(shí)時(shí)場景模型圖，得出監(jiān)測區(qū)域初始布置點(diǎn)。

（1）獲取監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)參數(shù)，據(jù)此構(gòu)建監(jiān)測設(shè)備的三維模型圖。

（2）獲取需監(jiān)測區(qū)域的實(shí)時(shí)場景模型圖，將實(shí)時(shí)場景模型圖與監(jiān)測設(shè)備的三維模型圖導(dǎo)入蟻群算法中進(jìn)行反復(fù)對(duì)比，得出監(jiān)測設(shè)備的初始布置點(diǎn)。

（3）獲取需監(jiān)測區(qū)域工程規(guī)劃信息，據(jù)此確定出初始布置點(diǎn)是否為工程施工干涉點(diǎn)。若初始布置點(diǎn)不是工程施工干涉點(diǎn)，則將初始布置點(diǎn)標(biāo)定為監(jiān)測設(shè)備的預(yù)設(shè)布置點(diǎn)。若是工程施工干涉點(diǎn)，則對(duì)初始布置點(diǎn)進(jìn)行重新檢索布置；重新預(yù)設(shè)布置點(diǎn)，直至預(yù)設(shè)布置點(diǎn)不是工程施工干涉點(diǎn)，才能將其標(biāo)定為監(jiān)測設(shè)備的預(yù)設(shè)布置點(diǎn)。

3.7 預(yù)設(shè)信號(hào)采集參數(shù)

根據(jù)信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)，預(yù)設(shè)中波廣播信號(hào)頻率和發(fā)射機(jī)功率，以及數(shù)據(jù)傳輸路徑等信息數(shù)據(jù)，確定信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)的采集參數(shù)數(shù)據(jù)。

（1）根據(jù)預(yù)設(shè)中波廣播信號(hào)頻率及預(yù)設(shè)信號(hào)傳輸路徑，計(jì)算出監(jiān)測設(shè)備的初始信號(hào)傳輸速率。

（2）將初始信號(hào)傳輸速率與預(yù)設(shè)傳輸速率進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，測試傳輸速率是否正常。

若初始信號(hào)傳輸速率大于預(yù)設(shè)傳輸速率，則信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)預(yù)設(shè)中波發(fā)射機(jī)頻率、發(fā)射功率，則標(biāo)定的信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)速率采集正常。若初始信號(hào)傳輸速率小于預(yù)設(shè)傳輸速率，則進(jìn)行調(diào)整，直至初始信號(hào)傳輸速率大于預(yù)設(shè)傳輸速率。根據(jù)調(diào)整后的預(yù)設(shè)發(fā)射機(jī)頻率與頻率，輸入信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)的預(yù)設(shè)采集參數(shù)。

3.8 構(gòu)建知識(shí)圖譜

（1）通過大數(shù)據(jù)分析，獲取不同環(huán)境介電常數(shù)，構(gòu)建知識(shí)圖譜，并將不同環(huán)境參數(shù)組合的預(yù)設(shè)信號(hào)傳輸路徑的介電常數(shù)導(dǎo)入知識(shí)圖譜。

（2）獲取預(yù)設(shè)信號(hào)傳輸路徑的實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)，將實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)導(dǎo)入知識(shí)圖譜；通過灰色關(guān)聯(lián)分析法，計(jì)算實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)與各環(huán)境參數(shù)組合之間的相似度和相關(guān)聯(lián)度，得到多個(gè)相似度和相關(guān)聯(lián)度。

（3）構(gòu)建介電常數(shù)排序表，將多個(gè)相似度導(dǎo)入排序表中進(jìn)行相似度大小、關(guān)聯(lián)排序。排序完成后，提取出最大相似度，獲取與最大相似度對(duì)應(yīng)的環(huán)境參數(shù)組合，并根據(jù)與最大相似度對(duì)應(yīng)的環(huán)境參數(shù)組合確定出預(yù)設(shè)信號(hào)傳輸路徑的實(shí)時(shí)介電常數(shù)。

（4）將實(shí)時(shí)介電常數(shù)與預(yù)設(shè)介電常數(shù)進(jìn)行比對(duì)，若實(shí)時(shí)介電常數(shù)大于預(yù)設(shè)介電常數(shù)，則進(jìn)行信息數(shù)據(jù)修正。

4 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)步驟

4.1 確定監(jiān)測區(qū)域

獲取中波廣播發(fā)射機(jī)的信號(hào)覆蓋區(qū)域的實(shí)時(shí)場景圖像，從而確定出監(jiān)測區(qū)域。

4.2 預(yù)設(shè)點(diǎn)位

基于監(jiān)測設(shè)備的三維模型圖與需監(jiān)測區(qū)域的實(shí)時(shí)場景模型圖，得到監(jiān)測設(shè)備的預(yù)設(shè)布局點(diǎn)。

4.3 確定傳輸方式

根據(jù)電磁場分布圖以及電磁干擾設(shè)備的類型與位置信息規(guī)劃得到監(jiān)測設(shè)備的預(yù)設(shè)信號(hào)傳輸路徑。

在監(jiān)測設(shè)備安裝后，通過無線傳輸?shù)姆绞綄⒈O(jiān)測設(shè)備定時(shí)采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程終端，而此傳輸過程需要采用廣播電視網(wǎng)、微波傳輸網(wǎng)等接入信號(hào)傳輸節(jié)點(diǎn)，作為監(jiān)測信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)傳輸。簡單來說，監(jiān)測設(shè)備需要將所采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸至信號(hào)接入采集節(jié)點(diǎn)，然后再經(jīng)過信號(hào)接入節(jié)點(diǎn)將所采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)傳送至發(fā)射臺(tái)站數(shù)據(jù)分析終端，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的遠(yuǎn)程傳輸。

4.4 設(shè)置采集參數(shù)

根據(jù)中波廣播發(fā)射臺(tái)發(fā)射機(jī)功率、頻率以及預(yù)設(shè)信號(hào)傳輸路徑確定信號(hào)接入節(jié)點(diǎn)的預(yù)設(shè)采集參數(shù)。

4.5 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息分析和信號(hào)覆蓋效果態(tài)勢評(píng)估。

4.6 生成覆蓋效果圖

根據(jù)監(jiān)測設(shè)備采集、采集的參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，生成最終覆蓋效果圖。如果覆蓋效果不能達(dá)到預(yù)設(shè)要求，則進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)調(diào)整，使中波廣播信號(hào)覆蓋效果恢復(fù)至預(yù)設(shè)要求。

通過本系統(tǒng)能夠識(shí)別出因城市規(guī)劃增設(shè)的設(shè)施而對(duì)信號(hào)質(zhì)量造成影響的區(qū)域，然后技術(shù)人員及時(shí)對(duì)該區(qū)域增添發(fā)射機(jī)設(shè)備，再進(jìn)行信號(hào)數(shù)據(jù)計(jì)算與分析，達(dá)到節(jié)目覆蓋的預(yù)設(shè)要求，從而提高中波廣播發(fā)射機(jī)信號(hào)覆蓋質(zhì)量和用戶接收質(zhì)量。同時(shí)系統(tǒng)能夠自動(dòng)生成信號(hào)覆蓋效果數(shù)據(jù)圖和分析圖。

5 系統(tǒng)功能特點(diǎn)

5.1 合理避開地質(zhì)災(zāi)害位置

初始布置點(diǎn)，如果是經(jīng)常發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的位置，如易發(fā)洪災(zāi)、山體滑坡、泥石流等自然災(zāi)害，對(duì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集會(huì)造成影響，并且容易導(dǎo)致監(jiān)測系統(tǒng)采集設(shè)備損壞。而通過對(duì)預(yù)設(shè)采集點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估，能夠有效避開地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)數(shù)據(jù)采集布置點(diǎn)位置，提高數(shù)據(jù)采集點(diǎn)布置的科學(xué)性。

5.2 合理考慮介電常數(shù)

在監(jiān)測設(shè)備傳輸信號(hào)的過程中，為確保傳輸速率與傳輸質(zhì)量，需要考慮介電常數(shù)對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀源_保信號(hào)傳輸質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性。而通過本方法能夠根據(jù)環(huán)境介電常數(shù)對(duì)信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而確保信號(hào)傳輸質(zhì)量的穩(wěn)定性。

6 結(jié)語

利用信號(hào)覆蓋效果智能監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)中波廣播信號(hào)覆蓋區(qū)域范圍內(nèi)的信號(hào)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，基于此，通過數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)覆蓋效果態(tài)勢評(píng)估，智能生成信號(hào)覆蓋效果圖、分析圖。若信號(hào)覆蓋值低于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，則生成診斷建議。技術(shù)人員根據(jù)診斷建議，采取相應(yīng)的技術(shù)措施進(jìn)行技術(shù)調(diào)整，使中波廣播信號(hào)覆蓋效果恢復(fù)至信號(hào)覆蓋要求。通過應(yīng)用中波廣播信號(hào)覆蓋效果智能監(jiān)測系統(tǒng)，可以提高信號(hào)覆蓋效果的監(jiān)測力度，為中波廣播發(fā)射臺(tái)的智慧臺(tái)站建設(shè)、廣播發(fā)射設(shè)備的數(shù)字化發(fā)展提供技術(shù)支撐。