水雨情數據GPRS+衛星雙信道接收方案的實踐

許 亮,楊 帆

(1.廣東省水文局廣州水文分局,廣東 廣州 510150;2.廣東省水文局清遠水文分局，廣東 清遠 511599)

1 廣東省水雨情自動測報系統現狀

截至2019年初，廣東省已建成了由1個省中心、2 300個測站組成的廣東省水雨情遙測系統，系統采用移動GPRS組網[1]。系統數據流程采用自下而上、集中處理，廣州水文分局在中國移動南方基地云平臺中心租用6臺云服務器，在云平臺服務器部署了根據《廣東省實施〈水文數據通信規約〉細則》開發的數據接收處理平臺，水雨情遙測站點采集到的水雨情數據通過GPRS發送至移動云平臺后，通過數據專線將數據同步到省中心的遙測數據庫，遙測數據庫再將水雨情數據交換到省局綜合數據庫(云平臺數據收發見圖1所示)[2]。

2 水雨情遙測單一公網數據傳輸的不足

廣東省瀕臨南海，陸地海岸線為4 314 km，為全國最長，臺風影響顯著。隨臺風而來的暴風暴雨來勢猛、強度大、破壞力強。2017年，臺風“天鴿”登陸珠海，因移動通信服務中斷，GPRS數據傳輸的監測站通信中斷，無法傳回實時監測數據；2018年臺風“山竹”在臺山登陸，附近基站受損導致水雨情數據無法及時傳輸；2019年6月河源上坪鎮特大洪水也導致移動通信服務中斷，無法將水雨情數據及時傳回。GPRS數據中斷的情況常常發生在極端惡劣的天氣環境下，而這時也是防汛部門最需要水雨情數據的時候[3]。

通過近年大規模的建設，廣東省的水雨情監測站密度有了極大提高，但是通信手段單一，僅依靠移動GPRS信號進行通信，一旦移動基站提供的數據服務中斷，遙測數據也跟隨中斷。要解決這個短板，必須建立在臺風、暴雨等極端天氣下仍可正常通信的數據傳輸鏈路，以保證極端天氣情況下的遙測數據傳輸[4]。

3 公網+衛星雙信道方案設計

近年來，我國航天科技發展迅速，2020年6月23日，最后一顆北斗衛星順利發射組網，北斗全球導航系統星座部署全面完成。應用于通信的北斗衛星終端的可靠性進一步提高，寬帶通信衛星也即將推向商用。結合廣東省水文自動測報系統現狀，建立衛星信道是適應當前防災減災形勢的需要，是廣東省水文事業自身發展的必然要求和迫切需要，是滿足極端天氣狀況下應急監測的需要。為了克服單一GPRS通信存在可靠性不強問題，經分析，廣州水文分局采用移動GPRS+北斗衛星雙信道的數據傳輸模式，即GPRS和衛星同時傳輸數據，租用的云服務器和省局的衛星數據接收服務器同時接收遙測數據，2個服務器均可以將數據交換給綜合數據庫[4]，GPRS+衛星雙信道數據傳輸流程如圖2所示。

圖2 GPRS+衛星雙信道數據傳輸流程示意

3.1 中心站設計

衛星接收中心站具有接收衛星短報文數據的功能，其網絡結構如圖3所示。

圖3 衛星數據接收示意

數據接收完成后，按前置機—遙測數據庫—綜合數據庫的數據流程完成數據處理、存儲與轉發。衛星接收中心站既可以通過衛星指揮機接收短報文，也可以通過INTERNET從衛星營運商直接獲取衛星短報文；同時，為方便今后我國寬帶互聯網衛星應用于遙測數據傳輸，前置機留有互聯網數據接入功能[5]。

為提高系統的可靠性，衛星數據采用獨立通道接收，存儲、轉發均與GPRS云數據接收和處理服務器平臺物理隔離[4]。

衛星中心站服務器采用1主1備的方式配置2臺服務器[5]。

3.2 遙測站設計

3.2.1GPRS+衛星信道通信機制

GPRS、衛星發送數據頻率可在遙測站進行設置，最高報送頻率為5 min 1次，考慮到測站的供電問題，GPRS設置為每5 min發送1次，衛星設為60 min發送1次，報文協議遵守《廣東省實施《水文監測數據通信規約》細則》[6]。

3.2.2遙測站技術性能

1) 可接入目前水文遙測系統中使用的所有通信方式(可同時接入2種以上通信設備，并可實現主備自動切換或雙信道傳輸)[2]。

2) 智能傳感器或儀表輸入輸出量，RS-232、RS-485或SDI-12信號，應滿足SDI-12或MODBUS-RTU通信協議的要求[7]。

3) 終端機可具備數據固態存儲功能，宜能存儲12個月(5 min采集時間間隔)以上的數據，并可現場和遠程進行數據讀取[7]。

4) 終端機的可靠性指標：平均無故障工作時間(MTBF)不宜小于25 000 h[7]。

5) 遙測終端機具有較高的可靠性，符合水文自動測報系統提出的MTBF指標要求，具有嚴密的防雷及可靠性措施，可以在雷電、暴雨、太陽能無充電等惡劣條件下正常工作[7]。

4 GPRS+衛星雙信道方案實施

廣東省水情中心于2019年7月—2019年11月安裝調試完成100個GPRS+衛星雙信道站點，布點原則：先選取沿海國家重點水文站，再選擇GPRS信號相對較弱的水庫站點。其中廣州4套、江門10套、韶關13套、佛山6套、湛江8套、茂名7套、肇慶9套、惠州12套、汕頭10套、梅州13套、清遠9套。

4.1 衛星中心站

衛星中心站由北斗指揮機和衛星數據接收處理服務器組成，可實現對下屬最多500個北斗衛星終端的管理功能。衛星指揮機滿足《北斗一號用戶機數據接口要求(2.1版)及(4.0版)》協議要求。衛星指揮機接收到遙測站發送的短報文后，立刻將短報文通過通信串口傳送給衛星數據接收服務器(前置機)，數據處理完成后交換給綜合數據庫，完成整個數據傳輸過程，衛星指揮機如圖4所示。

圖4 衛星指揮機示意

4.2 遙測接收前置機和數據庫

廣州水文分局中心站采用衛星數據和GPRS數據各自獨立的接收通道，指揮機收到水雨情短報文后通過串口將報文發送到衛星數據接收前置機，前置機收到報文后將報文存儲到到衛星報文數據庫，然后由后臺的衛星數據解析服務將報文解析成需要的水情數據存入遙測數據庫，與GPRS數據互為備份，因為同一臺RTU發送的報文，原理上不存在數據差異，至于寫入綜合庫，目前的原則是以GPRS為主，發現GPRS通信故障后，啟動衛星數據寫入綜合庫。

5 實施前后暢通率的比較

在2019年7月臺風“韋帕”登錄期間，扶曹水庫GPRS信號差，無法傳輸數據，只能依靠雙信道中的北斗衛星實時發送水雨情數據。

由表1可見，GPRS數據在臺風期間中斷，數據入庫時間均為8日2日12：32前后補發，而表2中衛星數據入庫時間均為準時到報，整個臺風期間，該站的衛星數據到報率達到100%。實踐證明，GPRS+衛星雙信道使數據傳輸的可靠性顯著提升。

表1 扶曹水庫GPRS數據到報情況

表2 扶曹水庫衛星數據到報情況

6 結語

廣東省水情遙測系統主要依靠中國移動GPRS通信，在GPRS中斷服務的情況下，水雨情數據無法傳回中心，特別是在受強臺風和特大暴雨等極端天氣影響時更容易出現此類問題；原來遙測站采用的GPRS+衛星主備通信機制，衛星信道平時作為備用信道不通信，在作為主信道的GPRS傳輸失敗后才啟動衛星傳輸信道，衛星信道發生故障也不能及時判斷，設備的可用性打了折扣，往往出現主信道通信失敗而備用信道也沒發揮作用。為解決以上問題，廣州水文分局經過需求分析，探討解決衛星信道的使用方法，經過遙測站硬件集成和終端軟件配套、中心站軟件平臺修改，完成了基于GPRS+衛星雙信道的開發，已成功部署了100個GPRS+衛星雙信道水雨情遙測站點。這種傳輸模式的優點總結如下：

1) 解決遙測通信手段單一的問題，省水情衛星數據服務器與基于云平臺服務器同時收到遙測水雨情數據，二者形成熱備份，基本上解決了GPRS故障情況下遙測數據保障率低的問題；

2) 解決以前遙測站GPRS主信道與衛星備用通信模式的穩定性問題，GPRS+衛星雙信道較傳統的主備信道穩定性更高，衛星備用信道每天8點的平安報不能準確地反映設備的好壞，而且極不穩定，GPRS+衛星經過不斷地優化，衛星數據庫到報率已達到90%以上，數據傳輸的穩定性進一步提高。

GPRS+衛星雙信道的通信傳輸模式為廣州水文分局在極端天氣情況下遙測數據的暢通提供了保障，也為應急決策支持部門提供了關鍵的數據支撐