基于Vue+Flask的圆极化天馈系统数据可视化与预警软件的设计

苏州市吴江区融媒体中心 沃叶红

吴江区融媒体中心于2021年底完成了单独馈电四偶极子圆极化天馈系统的施工改造，通过对原有设备的升级，大幅提升了广播信号的覆盖质量，然而在后续的使用过程中，需要对圆极化天线运行的各种数据进行管理，因此本文基于Vue+Flask技术，设计了一套从数据采集到数据分析、可视化以及数据预警全流程的软件系统。这套软件可以对圆极化天馈系统运行进行有效管控，并且对异常情况进行提示预警。

融媒体中心现有铁塔建于1992年，总高168m，调频天线设计的安装位置位于110～139m平台间。通过相关论证，从极化方式入手，将原来的侧装单偶垂直极化改造为板状四偶圆极化天线，提高了抗多径传播的能力，对接收立体声广播十分有利[1]。

数据可视化借助图像能够有效传达信息，通过可视化图形将系统运行过程中的数据及时展现[2]，圆极化天线系统的数据可视化不仅能够了解天线运行状态，也能起到故障预警的作用。

在线实时融冰技术，将可以有效防止输电线路覆冰灾害，减少输电线路覆冰承载参数，降低输电线路设计成本。文献[7]提出一种自融冰导线设计方法，并设计了自融冰设备，为实现输电线路实时在线融冰提供了新思路和新方法。

1 关键技术

1.1 单独馈电四偶极子圆极化天馈系统

本中心目前使用的圆极化天馈系统为调频圆极化天线，可以同时发射水平和垂直两种方式上的圆极波分量，对比原有单一的水平或者垂直方向上的圆极化天线，在接收效果方面得到了显著的提升，同时，这种发射方式也具备了较高的多径抗传播干扰能力，具备有效减少多径衰减能力，可以有效提升城区内收听效果。本中心的天馈系统针对本区域内的地理特点进行了改进优化，共分为8个层面，其中面向西面太湖方面为4层，其他三个方向为8层，每块电板上的4个振子都是单独馈电，因此又名单独馈电方式的新型四偶极子圆极化天馈系统，该系统电板既有高功率容量和极低VSWR等特点，又能满足全频段功率要求。

1.2 前端技术

前端技术采用国内比较流行的Vue.js搭建，Vue.js是一种渐进式的JavaScript框架，具有简单易用的特点，同时也有比较完整的生态可以快速的搭建出稳定可靠的前端应用。在UI框架方面，选择国外当前比较流行的基于Material Design风格的Vuetify框架，其作为一个开源项目广泛使用在各大公司的应用中。由于需要使用到可视化的技术，因此可以引入Apache ECharts和百度地图相关的技术，利用ECharts库可以快速开发各种可视化图形，例如折线图、柱状图、饼图等，利用百度地图的可视化功能，可以开发结合地图定位的热力图等相关的功能。

1.3 后端技术

（2）可视化与数据分析模块。路测我们采用S7000广播电视信号频谱分析仪来获取，如图3所示，该设备不仅带有GPS定位的功能，还能够进行模拟调频广播频道的测量，路测采集到的数据记录下来之后，通过数据表格的方式在统一的地方进行上传，数据采集模块定时对指定目录下的数据文件进行提取和转存。

2 系统需求

2.1 数据采集

本文通过对本中心建设的新型四偶极子圆极化天馈系统和数据分析可视化相关技术的研究，设计了基于Vue+Flask的圆极化天馈系统数据可视化与预警软件，并且完成了数据采集、可视化分析模块和预警模块。其中，可视化与数据分析模块支持对采集到的各类圆极化天馈系统数据进行展示和分析，利用高度集成的可视化大屏效果呈现直观的运行状况概览，为后期的运维提供有效的决策辅助；通过预警功能可以帮助维护人员及时发现系统运行故障，进一步提高发射系统的稳定性和可靠性，从而提升用户服务质量。

图1 部分场强热力图Fig.1 Partial field strength heat map

表1 部分场强实测数据Tab.1 Part of field intensity measured data

2016年和2017年水稻季各处理平均渗漏量分别为220.3 mm和169.7 mm，2016年水稻季比2017年多50.6 mm。一是因为降雨较多，田面水层长时间维持在较高水平，下渗速率较大；二是经过2016年水稻季的种植，2017年水稻季试验小区耕作层的致密性较2016年好，下渗速率减弱。从不同灌溉模式来看，W1模式的渗漏量明显小于W0模式，特别是降雨较少的2017年水稻季。在田间没有水层或土壤含水率较低的情况下渗漏量明显减少。

2.2 数据可视化

吴江作为长三角一体化示范区的发展地位决定了吴江区融媒体中心圆极化天线及其数据可视化软件系统作为研究对象的样本价值，也能进一步丰富县级融媒体相关理论与实践研究。

姓李的老天爷撒手不管了，这可如何是好？天上的神仙可犯难了，最后大家一商量，到人间再去找一个老天爷。这个老天爷啊，一定要心地善良，做事公道、脾气又好，才能胜任。

通过数据的采集和可视化，可以弥补原有的设备只能在开关板界面液晶屏上展示实时运行参数的不足，在后期运维过程中，可以更加准确的了解设备运行的综合情况，从而稳定改善广播收听质量。

2.3 预警监控

设备建成之后的运维期，需要对异常的数据进行有效的监控，因此开发预警监控的软件功能会有针对VSWR和高低功率的预警阈值，如果在一定的时间内采集到的数据超过了警戒的范围，那么就需要及时提醒到相关的操作人员进行人工的干预，提醒的方式也可以是短信或者是呼叫中心等方式，确保能够及时通知到位。

数据采集的时间间隔和频率可以根据需要来进行设定，根据不同时期可以采用不同的执行计划，更加科学有效的进行管理。

3 系统设计

3.1 系统架构设计

（3）异常预警模块。在圆极化天馈的使用过程中，对于运行数据的长期监控是必不可少的，由于整套天馈系统是24h不间断运行的，为保持运行状态的稳定，对于异常数据的预警就显得非常重要。通过在本文软件中设定重要数据的预警阈值，就可以对相关重要参数进行实时的监控，另一方面，通过对接相应的外部预警接口，就能做到一旦系统检测到数据异常产生，就可以立即通过呼叫中心、短信等各类方式通知到相关责任人，及时对故障进行排除和修复，保证天馈系统发射信号的质量。

图2 系统架构图Fig.2 System architecture diagram

3.2 系统功能设计

（1）数据采集模块。数据采集通过Apache Kettle来进行实现，通过Kettle软件设计开发数据转换和工作流，对圆极天馈开关板系统数据进行定时的采集，对路测场强数据文件进行定期的进行抽取，抽取到的数据可以以更新/插入方式存储的本文系统数据库中。

Flask是Python语言实现的主流Web框架之一，Flask具有轻量级的优点，同时也比较容易上手，可以在短时间内实现一个功能丰富的Web后端，由于本文系统设计采用前后端分离的结构，因此需要关注的是数据库和提供前端接口方面的组件，在ORM框架方面使用SQL Alchemy来操作MySQL数据库，比较容易就可以和Flask进行集成。另外由于还需要使用到相关的短信通知等功能，因此还要引入阿里云的aliyun-python-sdkcore等组件。

图3 广播电视信号频谱分析仪Fig.3 Radio and television signal spectrum analyzer

可视化与数据分析模块支持对采集到的各类圆极化天馈系统数据进行展示和分析[4]，系统的前端大屏部分主要采用了Vue.js和Apache Echarts可视化技术来搭建，ECharts提供了多种类型的图形，如柱状图、饼图、折线图等，可以比较直观的将我们的天馈发射设备的运行状况数据可视化展现出来，例如FWD、REFL、Return Loss和VSRW比值等参数，便于值守人员进行运维监控，发现设备运行中存在的异常从而及时调整。

场强覆盖图使用百度热力图来进行集成展示，如图4所示，百度热力图中设定经纬度中心点和缩放的比例之后，可以将后台的经纬度以及场强数据生成一个热力图图层叠加在地图原有图层上，其中场强的大小则用蓝色到红色渐进的颜色来进行表示，可以展示城区内各个位置的信号强度可视化情况。大屏下方的左侧给出了不同的路测坐标点的强度的分布，利用折线图+环图进行展示； 大屏下方的右侧给出了不同日期的场强检测的平均强度，利用柱状图结合饼图进行展示。

图4 可视化大屏界面图Fig.4 Visualize the large-screen interface diagram

系统的核心功能模块主要包含采集模块、可视化与数据分析模块和异常预警模块，设计定位为本中心现在运行的圆极化天馈系统的支撑软件，通过对圆极化天线技术的深入研究，定时从天馈切换开关板系统的输出信号中采集输出功率、反射功率、VSWR、回损数值等数据，存入到本文系统的后台数据库中，然后再通过Vue+Flask技术搭建前后台分离的数据分析与可视化Web系统，系统管理员可以直观的查看天馈系统当前运行情况，并且可对重要数据指标进行异常预警阈值和规则设定，如果触发了相应的预警规则则通过相应方式通知到运维人员。本文系统的架构图如图2所示。

4 小结

本文系统的数据采集主要分为两个部分：第一部分是CMR功率数据，目前在用的圆极化天馈系统分为上下半付天线，因此需要采集每路的输出的正向和反射功率，同时对VSWR和回损数值等参数也需要进行归集；第二部分是对区域范围内的各个区域进行场强覆盖测试，这部分的数据主要采取定期路测的方式来进行获取，测试的设备为S7000系列广播电视信号频谱分析仪，该设备可以进行经度、纬度、信号强度（dB）的检测，检测得到的数据可以通过数据表格的方式导入到系统中[3]。根据场强检测地点的经纬度和信号强度，如表1所示，通过百度地图的SDK生成了如图1所示的场强热力图。

数据的可视化部分主要是对获取到的各类数据进行图形化展示，可以通过各种ECharts提供的图表对天馈系统输出功率、反射功率、VSWR和回损数值等数据进行图形可视化建模，对路测获得的经纬度、场强等数据可以通过热力图的方式来进行实时展示。

最终，这就是“数码摄影”，它以有趣而独特的方式综合、分析宇宙的各个方面，而非起步于神话般的完整性，再把事物冻结在二维的矩形里——正如盲人摸象时感到的困惑。[1]194

引用

[1]赵东贺,韩国栋,刘桂凤.一种全向圆极化天线设计[J].计算机测量与控制,2022,30(8):224-229+235.

[2]吕江,胡涛,陶思思,等.基于大数据智能分析的可视化技术研究[J].现代工业经济和信息化,2022,12(7):106-107+132.

潜水轴流泵和传统水泵相比，辅助设备少，能大大减少故障出现概率，提高设备可靠性；操作程序也相对简单，有利于提高设备自动化程度；同时由于潜水轴流泵散热效果好，也有效延长了泵机组的使用寿命。

[3]汤晓云,王震,丁卓富,等.一种磁耦合激励的圆极化滤波天线[J/OL].电讯技术:1-5[2022-09-11].

3.1 教学内容结构化 学生笔记的内容来自于教师对教学内容的诠释。因此，教师对教学内容的加工与呈现能优化学生笔记的结构，决定着学生笔记的效果。教师须具有对教学内容结构化处理的意识与能力。

[4]靳紫月.面向县级融媒体大屏的信息可视化研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2021.