基于虛擬下位儀表的水資源取水實時監測技術研究

水資源管理是當今世界最具發展活力和潛力的產業之一，水資源管理的突出特征是管理范圍廣泛、監測信息分散。隨著計算機和通信技術的不斷發展，信息化技術手段日益更新完善。越來越多的國家和地區將信息化手段應用于水資源日常和應急管理當中，建立和完善以供、用、排水實時監測設施為基礎、通訊系統為保障、計算機網絡系統為依托、決策支持系統為核心的水資源實時監測管理系統，實現對水資源的實時監測、實時調度和實時管理，逐步達到“信息采集自動化、傳輸網絡化、信息資源數字化、管理現代化、決策科學化”的目標，從而提高水資源的管理能力。

一、監測系統現狀

據現場勘查調研，安徽省內來安縣、鳳臺縣、定遠縣、蚌埠閘、六安市淠史杭管理局等地已建取水在線監測系統，數據存儲于機房存儲或PC機。由于已建系統缺乏統一設計，各系統的數據庫表設計不同，監測的目標要素各異，數據制式亦不規范，導致所建取水監測數據無法直接共享接入。與對于此類監測系統，此前均采用重建系統或取水計量監測站的方式實現數據的監控。前者是拋棄已有系統，按照國家水資源監控能力建設項目辦制定的標準，重新設計數據庫庫表及系統軟件；后者是避開已建系統，重新安裝計量及監測設備。兩種方案均會導致資源的大量浪費，且新舊系統數據源不一致，統計周期也存在不同，常會出現數據不匹配的現象，嚴重影響水資源取用水監控項目建設和最嚴格水資源管理工作的開展。本文針對此類問題提出的基于虛擬儀表的水資源實時監測技術，實現了異構平臺間的數據共享互聯，解決非標準系統數據共享的技術難題。

二、總體結構

利用計算機軟件技術，采用虛擬下位儀表數據采集的方式，將已建平臺取水監測數據共享虛擬成普通取水遙測終端RTU的下位儀表采集數據，不僅實現非標準監測系統數據的兼容，且可滿足對已有系統的運行狀態監控。虛擬下位儀表軟件模塊安裝于已建取水企業監控平臺，其與省級中心監控平臺通信可通過無線網絡或者專網連接方式。若通過無線網連接，則在已建平臺處增配GPRS等通信裝置，GPRS與已建平臺通過串口進行連接、與省級中心監控平臺通過消息收發的方式進行通信。若已建平臺與省級中心監控平臺間已有普通水利專網，則利用該網絡實現數據的采集與傳輸。系統總體結構參見圖1所示。

三、關鍵技術

圖1 基于虛擬下位儀表的水資源實時監測系統總體結構圖

圖2 虛擬下位儀表中間件系統技術路線示意圖

基于虛擬下位儀表的水資源實時監測技術核心是對虛擬下位儀表軟件的開發，主要有通用協議庫的預置、數據抓取流程的控制、虛擬RTU數據的采集以及數據的校驗與加密。虛擬下位儀表軟件主要運行技術路線見圖2所示。

1.通用協議庫的預置

虛擬下位儀表軟件以取水遙測終端RTU為虛擬對象，按照計量儀表的采集協議進行數據采集、編譯、傳輸。已建平臺數據庫中存儲有不同協議計量設備傳輸的數據，數據抓取前要進行流量協議的匹配，根據匹配的協議對來報碼進行解析，從而鎖定查詢的取水監測站點數據。故虛擬下位儀表軟件需預置流量儀表的通用協議解析庫，該通用協議庫需囊括已建系列所有涉及的流量儀表協議。

2.數據抓取流程

虛擬下位儀表軟件與省級中心監控平臺間采用統一編碼的命令——“來報碼”進行通信，它包括讀取數據類別、讀取取水監測點的信息、下位儀表協議等，虛擬下位儀表軟件按照來報碼的指示開展數據抓取工作。

虛擬下位儀表軟件實時監聽省級中心監控平臺發送的來報碼，并對來報碼進行診斷，若來報碼為無效來報碼，繼續等待省級中心監控平臺數據抓取命令；若來報碼為合法有效，軟件則對來報碼中的儀表通信進行匹配工作，匹配成功后則對來報碼根據選定的協議進行解析，解析后開展連接數據庫、取水點甄別、數據抓取等工作，其中每個環節出現錯誤均拋棄數據抓取，并將信息反饋至省級中心監控平臺。

3.虛擬RTU數據采集

數據抓取后即進行數據標準轉換，并將數據按照水資源監測數據傳輸規約（SZY206-2012）轉換成遙測終端RTU數據傳輸制式，從而實現非標準監測系統數據的RTU虛擬化。

4.數據校驗與加密

考慮到水資源取水數據的安全與準確傳輸，需要在系統軟件中對各類數據進行校驗和加密。對來報碼和預置協議庫的數據流均通過IEEE 754標準進行轉換和CRC校驗。

四、軟件功能設計

虛擬下位儀表按照簡潔實用的設計原則，在保證數據轉換的穩定性、準確性的基礎上，將復雜的協議轉換算法及數據抓取流程等進行封裝，化繁為簡，簡化軟件操作界面，實現人機友好交互。

1.通信串口參數設置

虛擬下位儀表軟件運行后，可以自動讀取設備可用串口，并對擬選擇串口的基本通信參數進行設置，包括串口波特率、校驗位、停止位、數據位選擇等。

2.數據庫封裝與設置

虛擬下位儀表系統可兼容主流的Oracle、SQLServer2000、SQLServer2005、MySQL、Access等多種數據庫，系統將不同數據庫的連接方式進行了封裝，用戶可根據現場不同情況針對性地選擇。

選擇數據庫類型后，可以進行該數據庫的連接參數設置，包括登錄該數據庫的用戶名、密碼，帶讀取的取用水流量信息所在的數據庫信息、表信息等。

3.通信協議封裝與選擇

虛擬下位儀表系統除支持標準的ModBus通訊協議外，還對目前市場上部分廠家自定義協議進行了解析，包括大連海峰、大連銘友、南京亞楠等多種通訊協議，協議可根據系統中涉及的流量儀表協議進行增加或刪減。軟件對不同協議的解析算法進行封裝，用戶可直接通過 “工具—通訊協議”選項進行通訊協議的選擇。

4.數據監聽

基礎數據設置后虛擬下位儀表系統即可實時監聽上位機發來的數據抓取命令。

五、結語

取水實時監測是最嚴格水資源管理的必行之路，本文提出的基于虛擬下位儀表的水資源取水實時監測技術已經在安徽省多家取水企業應用多年，未發現有病毒傳播或影響企業原系統穩定的情況發生。由于采用物理隔離措施，數據單項傳輸，可以保證對取用水企業原有系統沒有任何干擾，有效解決了不同標準的平臺間數據共享互聯技術，具有較大的社會和經濟效益