基于MapXtreme的直放站集中監(jiān)控管理系統(tǒng)開發(fā)與實現(xiàn)

?? 蜂窩移動通信中使用的直放站作為一種中繼產品，可以在不增加基站數(shù)量的前提下保證無線網絡覆蓋，并且具有結構簡單、投資少、安裝方便等優(yōu)點，可廣泛用于無線信號難于覆蓋的盲區(qū)和弱區(qū)，是實現(xiàn)“小容量、大覆蓋”目標的一種優(yōu)選方案。為保證直放站安全可靠地工作，必須對直放站設備進行集中監(jiān)控，實時獲取設備的各種工作參數(shù)，出現(xiàn)故障時同步報警，并可根據(jù)實際需要進行參數(shù)調整。
　　隨著直放站建設規(guī)模的擴大，有必要在集中監(jiān)控管理系統(tǒng)中引入電子地圖，將直放站的地理分布、與基站等主設備之間的關聯(lián)等信息內容用圖形方式顯示，為監(jiān)控人員提供更直觀、更便利的操作界面?；贛apXtreme建設直放站集中監(jiān)控管理系統(tǒng)是實現(xiàn)這一目標的可行方案[1]。
1 系統(tǒng)體系結構
　　基于MapXtreme的直放站集中監(jiān)控管理系統(tǒng)是集無線通信技術、數(shù)據(jù)通信技術、動態(tài)數(shù)據(jù)處理技術、計算機技術及GIS技術于一體的綜合網絡管理系統(tǒng)，可對管理區(qū)域內的直放站提供實時設置、查詢、數(shù)據(jù)傳輸、遇險報警等多項功能，為運營商提供了一套完善的自動化遠程通信監(jiān)控服務。
1.1 網絡結構
　　系統(tǒng)采用分布式體系結構設計，其網絡結構如圖1所示。直放站中的監(jiān)控設備通過無線Modem將監(jiān)控參數(shù)以短信形式發(fā)出，基站收到信號后，經2G/3G移動通信網絡，送到短信中心，再由短信網關送達監(jiān)控中心。監(jiān)控中心由位于同一局域網內的多臺服務器組成。其中，通信服務器負責收發(fā)短信中心的信息；應用服務器負責系統(tǒng)內各項管理業(yè)務功能的實現(xiàn)；Web服務器負責連接互聯(lián)網，為監(jiān)控人員提供維護接口；數(shù)據(jù)庫服務器負責各類數(shù)據(jù)的查詢和管理。各監(jiān)控終端通過互聯(lián)網，以B/S方式連接服務器，獲取監(jiān)控信息并實施有關操作[2]。

1.2 通信協(xié)議結構
　　系統(tǒng)中包含多個物理實體，如直放站、短信中心、監(jiān)控中心、監(jiān)控終端等。為保證各實體之間可靠通信，這里采用分層原理對通信協(xié)議進行了劃分，明確層與層間的接口形式，降低層與層之間的相互干擾，實現(xiàn)軟件的模塊化設計。整個通信協(xié)議共分為4層，如圖2所示。從底層至頂層分別為：承載層、接入層、網絡層和監(jiān)控應用層[3]。

　　(1)承載層:是通信的實際鏈路，此層可以向接入層提供面向字節(jié)的數(shù)據(jù)包,除支持短信連接外，還支持RS-232、RS-485和Ethernet等，該層協(xié)議簡稱為TP。
　　(2)接入層:定義通信傳輸?shù)耐ǖ兰跋嚓P的要求，以便實現(xiàn)與各種不同媒介的信息互通，承載并保證網絡層協(xié)議數(shù)據(jù)的可靠傳輸，該層協(xié)議簡稱為AP。
　　(3)網絡層:承載監(jiān)控應用層協(xié)議包，實現(xiàn)監(jiān)控應用層與通信鏈路及網絡結構的隔離，能夠向監(jiān)控應用層提供本設備需要處理的監(jiān)控指令和數(shù)據(jù)，該層協(xié)議簡稱為NP。
　　(4)監(jiān)控應用層:針對各種監(jiān)控所需功能，實現(xiàn)面向監(jiān)控功能的數(shù)據(jù)組織，該層協(xié)議簡稱為MAP。
1.3 管理功能結構
　　系統(tǒng)的管理功能分為5大模塊:系統(tǒng)管理、直放站信息管理、任務管理、報警管理和統(tǒng)計分析，如圖3所示。

　　(1)系統(tǒng)管理模塊:主要完成用戶和權限設置、設備參數(shù)編輯、各種日志的獲取和導出操作、傳輸服務的啟動和關閉、任務列表的實時顯示和刪除、系統(tǒng)測試等。
　　(2)直放站信息管理模塊：主要完成工程列表查看、站點查詢、監(jiān)控對象管理、關聯(lián)指配配置、電子地圖瀏覽等。由于監(jiān)控中心要實現(xiàn)直放站近端和遠端的關聯(lián)、直放站近端和基站的關聯(lián)、主設備與相關從設備的對應關系，以及直放站與關聯(lián)小區(qū)的對應關系，所以在電子地圖上要呈現(xiàn)拓撲關系。

　(3)任務管理模塊：主要完成任務列表的顯示、編輯和設置。任務列表顯示了用戶添加的通信任務的相關信息，具體包括：任務序號、任務名稱、通信功能、傳輸模式、生效時間、失效時間、是否生效等。
　　(4)報警管理模塊：能夠實現(xiàn)對報警數(shù)據(jù)的實時采集和集中監(jiān)視，輔助運維人員快速發(fā)現(xiàn)網絡問題并定位故障，自動生成報警工單，同時提供對報警信息的各種處理功能，提供對歷史報警信息的統(tǒng)計和查詢功能。
　　(5)統(tǒng)計分析模塊：可以完成分析下行輸入、輸出功率和下行駐波的關系，統(tǒng)計各個站點的報警信息，檢查近遠端設備配對情況，分析站點的參數(shù)對象是否完整、各種門限是否符合要求等。
2 MapXtreme應用方案的分析與設計
　　在直放站集中監(jiān)控管理系統(tǒng)中引入電子地圖，可以精確定位直放站的位置，并與基站的位置信息相關聯(lián)，開發(fā)報警的關聯(lián)功能，而且可以提供更直觀的用戶界面，方便監(jiān)控和操作。
　　電子地圖功能可通過WebGIS系統(tǒng)中的MapXtreme實現(xiàn)。MapXtreme是MapInfo公司開發(fā)的一個基于互聯(lián)網技術的地圖應用軟件，其中，MapXtreme for Java版本是100%純Java產品，具有跨平臺、組件化、面向對象、符合J2EE規(guī)范等特點和優(yōu)勢，因此選用它作為開發(fā)平臺。使用MapXtreme開發(fā)WebGIS應用，開發(fā)人員能集中控制以及維護地圖和數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，并集中實現(xiàn)地圖應用程序功能。此外，由于使用IE瀏覽器作為客戶端的使用界面，可使開發(fā)人員將地理信息系統(tǒng)緊密地與其他系統(tǒng)相結合，給用戶提供統(tǒng)一、完整的綜合信息服務?；贛apXtreme的WebGIS應用方案如圖4所示[4]。

　　IE瀏覽器是一個圖形用戶界面，采用Java Applet與JavaScript為用戶提供地圖的基本操作,實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)顯示、查詢統(tǒng)計分析等功能。
　　Web服務器處理客戶端的請求并把對空間數(shù)據(jù)的處理命令傳遞給GIS應用服務器，回傳HTML文件及Java服務器對象組件；加載空間數(shù)據(jù)等?？蛻舳薐ava Applet通過服務器端Servlet的URL重新構造URL類，向服務器端的Servlet發(fā)出請求，Servlet調用JDBC驅動器，JDBC驅動器負責連接、操作GIS數(shù)據(jù)庫并在客戶端的瀏覽器中顯示。Web服務器層也可直接利用標準SQL語言訪問數(shù)據(jù)庫服務器以獲取較復雜的屬性數(shù)據(jù)。
　　GIS應用服務器處理來自Web服務器空間數(shù)據(jù)操作命令，進行地圖生成和操作等，同時將地圖操作結果以圖片形式輸出到Web服務器的特定目錄之下。
　　GIS數(shù)據(jù)庫服務器由SpatialWare負責管理。SpatialWare是MapInfo公司最新推出的空間數(shù)據(jù)庫管理軟件，它的主要作用是把復雜的MapInfo地圖對象存入大型數(shù)據(jù)庫中，并為其建立空間數(shù)據(jù)索引，從而在數(shù)據(jù)庫服務器上實現(xiàn)對屬性數(shù)據(jù)和空間圖形對象數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。
3 關鍵技術的研究與開發(fā)
　　基于MapXtreme的WebGIS應用方案具有平***立性和平衡高效的計算負載等特點，使用Java技術在服務器端開發(fā)Java Servlet程序。MapXtreme作為一個Servlet與Web服務器相連接，通過地圖引擎來向應用程序提供可供程序腳本語言使用的地圖對象、屬性和方法。開發(fā)中涉及的關鍵技術有以下幾項。
3.1 客戶端與服務器端通信的實現(xiàn)
　　客戶端和服務器端之間的通信是通過HTTP協(xié)議來完成的。所有HTTP通信都使用8位字符，以確保二進制編碼文件的安全傳輸。系統(tǒng)采用了一種稱之為隧道技術的處理方式。隧道可以被看作一條這樣的通道：它使用己存在的通信通道HTTP，并在其中創(chuàng)建一個子協(xié)議來執(zhí)行特殊任務。這里要創(chuàng)建的子協(xié)議將包含所有必要的信息，這些信息被用來創(chuàng)建一個Web服務器上的對象，調用這個對象中的方法，并將結果返回給客戶端。使用HTTP隧道的優(yōu)點就是可以將精力集中在子協(xié)議上面，而不用關注如何在客戶端和服務器之間傳送數(shù)據(jù)包。
　　在客戶端和服務器端之間傳送一條請求要經過很多工序。出于性能上考慮，應該在每次請求/響應中傳輸盡可能多的信息?？蛻舳撕头掌鞫酥g的1次完整通信具體包含以下的步驟:
　　(1) 打開HTTP連接：HTTP是一種無狀態(tài)的協(xié)議，即每一個請求都被視為一個獨立的實體。因此，對于每一個請求都要建立一個新連接。
　　(2)初始化方法請求：用來描述調用什么方法和方法所需要的參數(shù)。
　　(3)設置HTTP請求頭：包含發(fā)送的數(shù)據(jù)類型和長度。
　　(4)發(fā)送請求：將二進制數(shù)據(jù)流發(fā)送到服務器。
　　(5)讀取請求：目標Servlet程序將被調用，并接收HTTP請求數(shù)據(jù)。Servlet程序就是調用所有必要的參數(shù)選擇相應的方法。如果這是客戶端的第一次請求，一個服務器對象的新的實例就會被創(chuàng)建。
　　(6)調用方法：方法將會被服務器端的對象所調用。
　　(7)初始化方法響應：如果調用的方法拋出一個異常，客戶將接收到出錯信息;否則，返回的類型將會被發(fā)送。
　　(8) 設置HTTP響應頭：與設置HTTP請求頭一樣，在響應頭中要設置待發(fā)送數(shù)據(jù)的類型和長度。
　　(9) 發(fā)送響應：二進制數(shù)據(jù)流將從Web服務器發(fā)送回給客戶端。
　　(10) 關閉連接。
3.2 GIS數(shù)據(jù)庫結構的設計
　　數(shù)據(jù)庫的合理構建是進行監(jiān)控管理的前提。系統(tǒng)采用SQL Server作為GIS數(shù)據(jù)庫，其中包括空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫2部分?？臻g數(shù)據(jù)庫采用非關系數(shù)據(jù)結構，將地圖信息和直放站的地理信息以MapInfo的自定義格式保存于若干文件中；屬性數(shù)據(jù)庫采用關系數(shù)據(jù)結構，將與地理信息無關的直放站參數(shù)信息和操作信息存儲在若干屬性表中?？臻g數(shù)據(jù)庫與屬性數(shù)據(jù)庫采用間接關聯(lián)的方式，二者通過一定的索引機制聯(lián)系起來，如圖5所示。

　　GIS數(shù)據(jù)表示地理實體的空間位置或直放站所處的地理位置，表達了物體地理實體的幾何定位特征，以坐標數(shù)據(jù)表示。為了提高查詢和處理效率，系統(tǒng)采用層次結構對GIS數(shù)據(jù)進行組織，即根據(jù)不同的專題將地圖分層，通過“圖層”對地理信息和直放站信息進行管理和存儲，圖層以透明的方式重疊在一起，形成了地圖。圖層由圖元和屬性數(shù)據(jù)組成，圖元和地理數(shù)據(jù)相關聯(lián)。這樣，由圖層組成的地圖就可以實現(xiàn)信息查詢、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)可視化顯示。每個圖層的數(shù)據(jù)分別存儲于4個文件名相同、擴展名不同的文件中，即TAB文件、DAT文件、ID文件和MAP文件。這4個文件各自的作用如下：
　　(1)TAB代表屬性數(shù)據(jù)表結構文件，其中定義了地圖屬性數(shù)據(jù)的表結構，包括字段數(shù)、字段名稱、字段類型、字段寬度、索引字段及相應圖層的一些關鍵空間信息描述。
　　(2)DAT代表屬性數(shù)據(jù)文件，用于存放完整的地圖屬性數(shù)據(jù)。在文件頭之后，為表結構描述，其后首尾相接地緊跟著各條具體的屬性數(shù)據(jù)記錄。
　　(3)ID代表交叉索引文件，記錄了地圖中每一個空間對象在空間數(shù)據(jù)文件(MAP)中的位置指針。每4個字節(jié)構成一個指針。指針排列的順序與屬性數(shù)據(jù)文件(DAT)中屬性數(shù)據(jù)記錄存放的順序一致。交叉索引文件實際上是一個空間對象的定位表。
　　(4)MAP代表空間數(shù)據(jù)文件，具體包含了各地圖對象的空間數(shù)據(jù)，如空間對象的幾何類型、坐標信息和顏色信息等。
3.3 GIS數(shù)據(jù)的雙向查詢
　　基于WebGIS的數(shù)據(jù)查詢功能是系統(tǒng)的重要管理功能之一，包括從圖到表和從表到圖兩種查詢方式。也就是說，用戶可以從地圖上直放站的空間信息得到直放站的所有屬性信息；同時，也可以通過直放站的參數(shù)和信息得到其地理位置和其他地理信息。
　　從圖到表的查詢是通過直放站圖元的位置，得到該直放站的相關參數(shù)和報警信息等。地圖中對圖元的選擇、定位以及控制功能只針對直放站圖層，該圖層數(shù)據(jù)來源于空間數(shù)據(jù)庫。對于選擇直放站圖元的方式，系統(tǒng)提供了點選和矩形區(qū)域選擇功能，以適應不同情況下對直放站的操作和篩選。經過區(qū)域選擇，可以得到一組符合條件的直放站圖元列表。系統(tǒng)提供定位功能，通過定位選中圖元中的某一個，從而得到此圖元的詳細地理信息和屬性信息。
　　從表到圖的查詢是根據(jù)一定條件來查詢滿足條件的直放站圖元。利用直放站屬性和直放站地理信息對應的關系，通過屬性信息得到直放站的地理信息，將符合要求的直放站圖元在地圖上高亮顯示。
　　本文提出針對移動通信直放站集中監(jiān)控管理系統(tǒng)的解決方案，實現(xiàn)了在B/S模式下對直放站的日常監(jiān)控管理，具備了比較完備的功能。監(jiān)控人員可以通過Web頁面實時查看網內直放站的參數(shù)，對報警進行處理，發(fā)送輪巡等命令。圖6為客戶端對電子地圖進行操作的顯示界面，可完成放大、縮小、移動、測量距離、查看站點基本信息和查找站點等功能。系統(tǒng)的實現(xiàn)大大提高了運營商的工作效率和資產利用率，降低了運行維護成本。