基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的取水遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬傳波

(遼寧省水利水電科學(xué)研究院，沈陽 110003)

隨著電子通信與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)發(fā)展，水利信息化水平也得到極大提高。系統(tǒng)以GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代信息技術(shù)與遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)遙測技術(shù)為支撐建設(shè)水資源管理平臺，形成一個(gè)完整的、有機(jī)的、全省范圍基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。借助GPRS傳輸通道，改變現(xiàn)行手工作業(yè)為主的抄表方式，使水量計(jì)量、采集和信息處理具有智能化先進(jìn)水平，滿足現(xiàn)代數(shù)字水利的信息化要求。搭建遼寧省城市群水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控管理系統(tǒng)平臺，便于水行政主管部門實(shí)時(shí)掌握各取水工程的取水動(dòng)態(tài)情況，實(shí)施有效監(jiān)測、計(jì)劃取水管理和合理調(diào)控取水，提高水資源費(fèi)收取率，監(jiān)控和防止取水違章行為發(fā)生，有利于增強(qiáng)取水戶的自覺遵守水法規(guī)和節(jié)水意識;對于實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用，支持遼寧老工業(yè)基地振興戰(zhàn)略實(shí)施和經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 系統(tǒng)現(xiàn)狀及分析

水是人類寶貴的資源，因地域廣闊，水資源統(tǒng)一管理調(diào)配無力，管理相對落后。對取(用)水動(dòng)態(tài)缺乏有效計(jì)量管理和監(jiān)測監(jiān)控措施，使計(jì)劃取(用)水管理難以落到實(shí)處，水資源費(fèi)征收率低，取水違章行為難以有效監(jiān)控，水資源統(tǒng)一調(diào)度滯后等問題突出。

目前全省取水計(jì)量工作技術(shù)方法、手段落后，計(jì)量設(shè)施、設(shè)備陳舊老化，主要表現(xiàn)如下:

計(jì)量設(shè)施:計(jì)量設(shè)施、設(shè)備落后，完好率低;各種型號的儀表良莠不齊，種類繁多，對系統(tǒng)改造和統(tǒng)一化信息采集傳輸帶來一定困難。

信息采集:取水計(jì)量工作一直沿用人工現(xiàn)場讀表抄數(shù)的方法，現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，可靠性差。信息源缺乏，傳輸頻率和準(zhǔn)確度低，無法滿足水資源管理遠(yuǎn)程監(jiān)測的現(xiàn)代化要求。

信息處理:原始信息數(shù)據(jù)沒有進(jìn)行深度加工處理，有限的信息得不到有效的利用，很難給最終的決策提供直觀有效的信息。嚴(yán)重影響水資源科學(xué)管理統(tǒng)一調(diào)度、合理配置的需要。

2 系統(tǒng)方案規(guī)劃設(shè)計(jì)

根據(jù)工程現(xiàn)狀與特點(diǎn)，在既有計(jì)量設(shè)施基礎(chǔ)上，改造或改進(jìn)數(shù)據(jù)采集和信號傳輸手段，達(dá)到系統(tǒng)功能要求。考慮全省整個(gè)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整體性、可擴(kuò)展性和安全性，系統(tǒng)擬采用分層星型、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。傳輸方案:省水利廳與各市分中心通訊為專線形式，同時(shí)廳中心可直接訪問監(jiān)測站(GPRS通訊方式);市中心申請固定IP與監(jiān)測站間通訊采用無線GPRS通訊方式實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì):①實(shí)時(shí)信息采集系統(tǒng);②實(shí)時(shí)信息傳輸與安全防護(hù)系統(tǒng);③實(shí)時(shí)信息處理與分析系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)是根據(jù)系統(tǒng)功能要求，針對計(jì)量設(shè)施、信息傳輸、安全防護(hù)和信息分析處理等環(huán)節(jié)，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì);充分考慮工程現(xiàn)狀，整合現(xiàn)有資源，構(gòu)建基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的全省取水遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)(見圖1)。

3.1 計(jì)量監(jiān)測設(shè)施

監(jiān)測設(shè)備包括遙測終端、二次顯示儀表和流量計(jì)，見圖2。主要是部分前端計(jì)量設(shè)備改造和遙測終端功能設(shè)計(jì)與安裝。

3.1.1 計(jì)量設(shè)備改造

系統(tǒng)內(nèi)計(jì)量儀表種類繁多，部分供水管道銹蝕嚴(yán)重，且安裝的計(jì)量設(shè)備多為機(jī)械式儀表，對系統(tǒng)的改造和信息采集、傳輸統(tǒng)一化帶來一定困難。特別是機(jī)械儀表的改造成為系統(tǒng)統(tǒng)一化的難點(diǎn)。基于信號輸出的可靠性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和電器元件的所需安裝空間與環(huán)境等條件，系統(tǒng)擬采用干簧管式或霍耳元件式對機(jī)械儀表進(jìn)行改造。結(jié)合干簧管和機(jī)械流量儀表工作原理，先將機(jī)械儀表指針磁化(對不能實(shí)現(xiàn)磁化的指針進(jìn)行更換為有磁性的指針)，在表內(nèi)適當(dāng)位置安裝干簧管，詳見圖3和圖4。

通過加裝霍耳元件、干簧管和磁鋼使機(jī)械儀表具備輸出脈沖信號功能，從而完善了系統(tǒng)。3.1.2 遙測終端功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

遙測終端是本系統(tǒng)的硬件核心，其數(shù)據(jù)通訊流程為:

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)圖

圖2 安裝有超聲波流量計(jì)的監(jiān)測設(shè)備原理圖

圖3 單干簧管式原理圖

圖4 雙干簧管式原理圖

遙測終端滿足系統(tǒng)穩(wěn)定工作的長期性、連續(xù)性和實(shí)時(shí)性要求;同時(shí)具備數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、處理、遠(yuǎn)程監(jiān)測、故障報(bào)警、數(shù)據(jù)存儲和避雷保護(hù)等功能。

3.2 中心功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)中心分為廳中心和市(地)中心。

3.2.1 廳中心設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

廳中心主要完成對分中心的數(shù)據(jù)進(jìn)行備份、監(jiān)控和管理，流量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與顯示。廳中心隨時(shí)接收分中心發(fā)送來的測報(bào)數(shù)據(jù)或人工置數(shù)數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行正確性進(jìn)行判別，在最短的時(shí)間內(nèi)刷新、整理形成流量監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，為水資源的狀況分析和決策提供有效數(shù)據(jù)，或向上級中心報(bào)送。廳中心通過專線可直接和各市中心通信服務(wù)器進(jìn)行通信，同時(shí)中心可直接訪問所屬底層遙測站進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，存入臨時(shí)數(shù)據(jù)庫中，用于實(shí)時(shí)顯示和數(shù)據(jù)恢復(fù)。

3.2.2 市(地)中心設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

市中心主要設(shè)備獨(dú)立完成所轄范圍內(nèi)遙測設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、分析、處理和顯示，并將處理后的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步傳輸至廳中心站數(shù)據(jù)庫。

市中心即時(shí)接收遙測站自動(dòng)上報(bào)的定時(shí)采集數(shù)據(jù);也可根據(jù)需要即時(shí)人工訪問遙測站，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析和顯示。建立原始數(shù)據(jù)庫，確認(rèn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，進(jìn)行數(shù)據(jù)分類處理、實(shí)時(shí)顯示、建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫、信息發(fā)布等;并與其它應(yīng)用系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)。整編后形成成果數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫間實(shí)現(xiàn)同步動(dòng)態(tài)存儲，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各數(shù)據(jù)庫的實(shí)時(shí)同步、互為備份。

3.3 系統(tǒng)通訊方案選擇與應(yīng)用

3.3.1 通訊信道選擇

通常情況下，信道傳輸分為有線方式的雙絞線、光纖等，以及無線方式的短波、超短波、微波、GSM、衛(wèi)星、擴(kuò)頻通訊和GPRS等。根據(jù)建設(shè)內(nèi)容，信號傳輸要求(傳輸質(zhì)量、速率和數(shù)據(jù)流大小等)各異和信道傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場情況和經(jīng)濟(jì)效益等綜合因素，選擇不同信道傳輸方式。由系統(tǒng)特點(diǎn)和上述比較分析，采用中國移動(dòng)GPRS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)通信平臺。

3.3.2 通訊方案選擇

在選擇通訊信道的基礎(chǔ)上，監(jiān)測點(diǎn)、市中心與廳中心的通訊方案有3種方式，見表1。

表1 通訊方案選擇表

綜上所述系統(tǒng)遙測、遙控信號傳輸信道采用公網(wǎng)GPRS無線網(wǎng)絡(luò)信道，廳中心至市中心信息傳輸采用公網(wǎng)專線網(wǎng)絡(luò)，即方案三。

數(shù)據(jù)傳輸方式采用雙向通信，即各分中心有權(quán)人工召測各測點(diǎn)數(shù)據(jù);同時(shí)各測點(diǎn)可由設(shè)置定時(shí)或一定條件下自動(dòng)上報(bào)數(shù)據(jù)到所屬各市分中心;必要時(shí)廳中心可繞過市分中心直接召測各測點(diǎn)數(shù)據(jù)。詳見圖5。

圖5 GPRS通訊方案三系統(tǒng)框圖

3.4 設(shè)備防護(hù)措施

取水遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的以電子設(shè)備為依托，故系統(tǒng)設(shè)備的防避雷防護(hù)、儀器設(shè)備的防水、防潮、防破壞防護(hù)和軟件網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)在本系統(tǒng)內(nèi)得到很好的加強(qiáng)與體現(xiàn)。

4 軟件功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件運(yùn)行平臺為Windows Sever 2003視窗操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫運(yùn)行平臺采用標(biāo)準(zhǔn)版含20個(gè)節(jié)點(diǎn)的SQL Sever 2005數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。其主體結(jié)構(gòu)采用B/S結(jié)構(gòu)，應(yīng)用層采用B/S和C/S模式相結(jié)合的方式。工作方式為客戶機(jī)/服務(wù)器的工作方式，文件傳輸、打印共享。中心軟件功能見圖6。

圖6 中心軟件系統(tǒng)原理框圖

5 結(jié)語

在現(xiàn)代化的水務(wù)管理體系中，除需要堅(jiān)固的水務(wù)工程外，還需將水務(wù)體系的信息通過各種現(xiàn)代化的量測設(shè)備、通訊設(shè)備，及時(shí)有效地傳遞到各級水務(wù)管理部門和整個(gè)水務(wù)體系內(nèi)。通過建立現(xiàn)代化的水務(wù)決策系統(tǒng)即時(shí)作出判斷，給決策者提供科學(xué)、準(zhǔn)確判斷的對策依據(jù)。又及時(shí)將各種決策信息傳遞至所需部門，合理調(diào)配利用水資源。建設(shè)以信息采集系統(tǒng)為基礎(chǔ)，GPRS網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)為保障，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為信息處理工具，決策支持系統(tǒng)為核心的取水遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)是本系統(tǒng)建設(shè)的目的和歸宿。

[1] 蔡武昌.新型流量檢測儀表[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.