楊 逍 ，劉 頡 ，梁 捷 ，張東亮 ，呂九紅 ，路亞娟 ，張曉娟 ，鄒 濤

（1.國家海洋技術(shù)中心，天津 300112；2.天津市海洋環(huán)境監(jiān)測預(yù)報中心，天津 300457）

天津濱海新區(qū)風(fēng)暴潮監(jiān)測預(yù)報預(yù)警數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與實現(xiàn)

楊 逍1，劉 頡1，梁 捷1，張東亮1，呂九紅1，路亞娟1，張曉娟1，鄒 濤2

（1.國家海洋技術(shù)中心，天津 300112；2.天津市海洋環(huán)境監(jiān)測預(yù)報中心，天津 300457）

首先概述了“天津濱海新區(qū)風(fēng)暴潮監(jiān)測預(yù)報預(yù)警技術(shù)與示范”項目的背景，然后介紹使用GPRS-APN數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和3G網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)實現(xiàn)測站觀測數(shù)據(jù)和視頻圖像傳輸、控制功能，最后介紹了項目數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)的運行情況。

GPRS；DTU；視頻監(jiān)視；風(fēng)暴潮

天津濱海新區(qū)位于渤海灣灣頂，是歷史上風(fēng)暴潮災(zāi)害的多發(fā)區(qū)和嚴(yán)重區(qū)。2008年國家海洋局下達(dá)了海洋公益項目“天津濱海新區(qū)風(fēng)暴潮監(jiān)測預(yù)報預(yù)警技術(shù)與示范”，項目的目標(biāo)是完善風(fēng)暴潮實時監(jiān)測，改進(jìn)監(jiān)測監(jiān)視的手段，整合優(yōu)化觀測站點和監(jiān)測數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)可視化監(jiān)視，建立濱海新區(qū)小區(qū)域、精細(xì)化溫帶風(fēng)暴潮增減水?dāng)?shù)值預(yù)報模式，利用高精度風(fēng)暴潮漫灘數(shù)值模式實現(xiàn)風(fēng)暴潮災(zāi)害淹沒風(fēng)險評估，為天津濱海新區(qū)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展保駕護(hù)航。

數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)將測站測量的數(shù)據(jù)和視頻圖像傳送到數(shù)據(jù)集成平臺和視頻服務(wù)器上，供用戶瀏覽和使用，它是項目實施的基礎(chǔ)和根本，對項目的進(jìn)展具有決定作用。保證數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)的正常運轉(zhuǎn)是整個項目的關(guān)鍵任務(wù)。

1 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)各測站觀測要素主要是潮汐、風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓和視頻圖像。潮汐、風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓等水文氣象數(shù)據(jù)實時觀測，根據(jù)《海濱觀測規(guī)范》的要求，每分鐘發(fā)送一次數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)中心，天津市海洋環(huán)境監(jiān)測預(yù)報中心通過數(shù)據(jù)中心獲取水文氣象數(shù)據(jù)，進(jìn)行風(fēng)暴潮的數(shù)值預(yù)報。

系統(tǒng)測站安裝視頻監(jiān)視設(shè)備，可以實現(xiàn)對測站現(xiàn)場的可視化監(jiān)測，視頻監(jiān)視由用戶控制，按需開啟，視頻數(shù)據(jù)壓縮后經(jīng)電信3G無線網(wǎng)絡(luò)實時傳送至視頻服務(wù)器，用戶通過Internet，使用視頻客戶端軟件瀏覽測站視頻。

由于水文氣象數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)要求不同，水文氣象數(shù)據(jù)特點是數(shù)據(jù)量小、實時連續(xù)傳輸，而且對保密性和可靠性有要求，因此還要考慮網(wǎng)絡(luò)私密性；視頻數(shù)據(jù)特點是雖然數(shù)據(jù)量大，但不需要24 h連續(xù)傳輸，而且無保密要求，因此網(wǎng)絡(luò)傳輸只需要保證高速率。基于以上原因，將視頻數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)與水文氣象數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)分開。

1.1 系統(tǒng)測站組成

系統(tǒng)共建設(shè)3個測站，其中南港工業(yè)區(qū)測站和北疆電廠測站采用風(fēng)光互補方式供電，各測站主要由采集控制箱、風(fēng)力發(fā)電、視頻球機(jī)、風(fēng)速計、路燈、外控電源箱、氣壓計、水位計和燈桿組成，以南港工業(yè)區(qū)測站為例，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 水文氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)

測站分布在天津沿海地區(qū)，彼此距離較遠(yuǎn)，專線的架設(shè)和使用費用較高，不適宜。

GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù) (General Packet Radio Service)的英文簡稱，是在原有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種承載業(yè)務(wù)，目的是為GSM用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS采用與GSM同樣的無線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、同樣的頻帶、同樣的突發(fā)結(jié)構(gòu)、同樣的調(diào)頻規(guī)則以及同樣的TDMA幀結(jié)構(gòu)，這種分組數(shù)據(jù)信道結(jié)構(gòu)與電路交換的話音業(yè)務(wù)信道極其相似。因此現(xiàn)有的基站子系統(tǒng) (BBS)從一開始就可以提供全面的GPRS覆蓋。

GPRS是一種覆蓋面廣、組網(wǎng)靈活、安全可靠、接口簡單、透明傳輸?shù)闹行?shù)據(jù)量專用無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。采用GPRS無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，以中國移動的GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)為通信平臺，通過無線數(shù)據(jù)傳輸終端設(shè)備(GPRS DTU)，在用戶設(shè)備與數(shù)據(jù)中心之間建立完全透明、可靠的串行數(shù)據(jù)傳輸通道。采用GPRS數(shù)據(jù)傳輸終端進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)，不必關(guān)心GPRS網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、TCP/IP協(xié)議等。GPRS通信模式突出特點：

（1）永遠(yuǎn)在線：GPRS DTU開機(jī)就能自動連接到GPRS網(wǎng)絡(luò)上，并與用戶數(shù)據(jù)中心建立通信鏈路，隨時收發(fā)用戶數(shù)據(jù)設(shè)備的數(shù)據(jù)，具有很高的實時性；

圖1 天津濱海新區(qū)風(fēng)暴潮監(jiān)視預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)南港工業(yè)區(qū)測站整體結(jié)構(gòu)示意圖

（2）按量計費：GPRS DTU一直在線，按照接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量來收取費用，沒有數(shù)據(jù)流量的傳遞時不收費用；

（3）組網(wǎng)簡單安全：GPRS系統(tǒng)可以通過中國移動的APN模式構(gòu)建與Internet隔離的專屬的局域網(wǎng)，既為用戶提供私密的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，又同時保持接入便利、擴(kuò)容簡單、節(jié)省接入投資等優(yōu)點；

（4）維護(hù)費用低廉：由于采用中國移動的GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，因此鏈路維護(hù)也由中國移動負(fù)責(zé)，免除通信鏈路維護(hù)的后顧之憂；

（5）安全可靠：由于采用中國移動的GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，所以在不影響上網(wǎng)的前提下，GPRS DTU的發(fā)射功率非常小，天線非常短，而且無需高架，克服了有線傳輸和無線電臺傳輸容易引雷擊壞設(shè)備的缺點。

與GPRS類似的接入方式還有CDMA網(wǎng)絡(luò)以及3G網(wǎng)絡(luò)，從收費方式和網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況看，中國移動的GPRS網(wǎng)絡(luò)比較適宜水文數(shù)據(jù)的傳輸。

水文氣象數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)如下：水文氣象數(shù)據(jù)中心通過基于GPRS或者EDGE的無線路由器接入；各個測站采用DTU方式接入；中國移動對所有接入通過APN方式組成局域網(wǎng)。

1.3 視頻監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)

視頻監(jiān)視對網(wǎng)絡(luò)速度要求較高，GPRS網(wǎng)絡(luò)最高速度只有160 kbps，不能滿足視頻傳輸要求。3G是C網(wǎng)和G網(wǎng)的最新產(chǎn)品，技術(shù)上比CDMA和GPRS先進(jìn)的通信方式和網(wǎng)絡(luò)，特別是傳輸速率有成倍增長，在傳輸多媒體信息應(yīng)用中更具優(yōu)勢。

圖2 觀測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

視頻監(jiān)視采用EVDO移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組網(wǎng)和數(shù)據(jù)通訊。它的具體內(nèi)容包括：視頻監(jiān)控的視頻主機(jī)將視頻數(shù)據(jù)壓縮、打包，然后通過EVDO無線路由器接入網(wǎng)絡(luò)，視頻數(shù)據(jù)中心服務(wù)器軟件接收數(shù)據(jù)并分發(fā)給監(jiān)控終端軟件，通過監(jiān)控軟件，用戶可以實時掌握各個被監(jiān)控測站的情況，并對發(fā)生的情況做出反應(yīng)和處理。

1.4 通訊系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)

監(jiān)測系統(tǒng)共分測站、數(shù)據(jù)匯集中心、數(shù)據(jù)分發(fā)中心及天津市海洋局、國家海洋預(yù)報中心4級。測站提供水文氣象觀測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)匯集中心負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收和質(zhì)量控制，數(shù)據(jù)分發(fā)中心負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的分發(fā)，數(shù)據(jù)匯集中心和數(shù)據(jù)分發(fā)中心共同組成數(shù)據(jù)集成平臺，國家海洋預(yù)報中心和天津市海洋局作為用戶使用測站測量的數(shù)據(jù)和視頻，國家海洋預(yù)報中心根據(jù)測站觀測的數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)暴潮的數(shù)值預(yù)報。它們關(guān)系如圖3所示。

圖3 天津濱海新區(qū)風(fēng)暴潮預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)各個測站對觀測要素進(jìn)行實時測量、記錄，并響應(yīng)匯集中心請求命令將每分鐘測量數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至數(shù)據(jù)匯集中心，測量數(shù)據(jù)經(jīng)匯集中心質(zhì)控后存儲并采用TCP/IP協(xié)議經(jīng)無線電網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)分發(fā)中心；分發(fā)中心負(fù)責(zé)將接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給天津市海洋局，并按固定格式保存為文件后經(jīng)北海分局專線網(wǎng)絡(luò)傳送給國家海洋預(yù)報中心。國家海洋預(yù)報中心根據(jù)上傳的水文和氣象數(shù)據(jù)，進(jìn)行風(fēng)暴潮的數(shù)值預(yù)報和風(fēng)暴潮災(zāi)害淹沒風(fēng)險評估。測站根據(jù)實際情況集成視頻觀測功能，實現(xiàn)對測站現(xiàn)場風(fēng)浪、增水情況的實況可視化監(jiān)視。

2.1 數(shù)據(jù)匯集中心

數(shù)據(jù)匯集中心負(fù)責(zé)接收系統(tǒng)各測站的測量數(shù)據(jù)，對各觀測要素的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)控，對各測站測量的水位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為潮位數(shù)據(jù)，質(zhì)控后的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫，同時畫數(shù)據(jù)時間序列曲線；采用TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)經(jīng)無線電網(wǎng)絡(luò)傳送到數(shù)據(jù)分發(fā)中心；響應(yīng)數(shù)據(jù)分發(fā)中心發(fā)送的數(shù)據(jù)查詢指令，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分發(fā)中心對測站視頻和路燈的控制命令。從局域網(wǎng)中獲取東突堤測站每分鐘的測量數(shù)據(jù)，并按格式組織后發(fā)送給數(shù)據(jù)分發(fā)中心。

圖4 天津濱海新區(qū)風(fēng)暴潮監(jiān)測預(yù)報預(yù)警技術(shù)與示范項目數(shù)據(jù)匯集中心主界面

匯集中心顯示各個測站的測量數(shù)據(jù)，可以根據(jù)建設(shè)測站的多少進(jìn)行顯示。數(shù)據(jù)匯集中心主界面如圖4所示。

如圖4中所示，以不同的顏色表示測站不同的狀態(tài)，黑色表示沒有完成建站的測站，紅色表示完成建站但工作不正常的測站，綠色表示完成建站且工作正常的測站；正常工作的測站如果超過2 min沒有得到實時分鐘數(shù)據(jù)，則以紅色顯示。

數(shù)據(jù)匯集中心每天創(chuàng)建日志文件，記錄數(shù)據(jù)匯集中心接收和發(fā)送的全部數(shù)據(jù)信息。每分鐘自動生成一條查詢測站數(shù)據(jù)指令；具有自動補漏功能，在系統(tǒng)沒有獲取實時數(shù)據(jù)時，自動向測站發(fā)送請求當(dāng)天漏接數(shù)據(jù)的指令；具有手動操作功能，可以操控測站的視頻和路燈開關(guān)，可以獲取測站存儲一年歷史數(shù)據(jù)中的任意分鐘數(shù)據(jù)；具有整點數(shù)據(jù)查詢功能，可以查詢指定測站各要素的整點數(shù)據(jù)；具有歷史數(shù)據(jù)查詢功能，可以從匯集中心存儲數(shù)據(jù)庫中查詢指定測站特定日期范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，查詢數(shù)據(jù)可以導(dǎo)入Excel表中；具有各測站潮位高低潮判斷功能，每小時自動判斷一次各測站高低潮，如果判斷出高低潮則將判斷結(jié)果發(fā)送給分發(fā)中心；具有數(shù)據(jù)庫備份、還原功能。數(shù)據(jù)匯集中心的主流程如圖5所示，處理接收到的分發(fā)中心命令流程如圖6所示。

圖5 天津濱海新區(qū)風(fēng)暴潮監(jiān)測預(yù)報預(yù)警技術(shù)與示范項目數(shù)據(jù)匯集中心主流程圖

圖6 天津濱海風(fēng)暴潮系統(tǒng)匯集中心處理接收分發(fā)中心命令流程圖

2.2 數(shù)據(jù)分發(fā)中心

數(shù)據(jù)分發(fā)中心負(fù)責(zé)將從數(shù)據(jù)匯集中心接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲，同時將接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給天津市海洋局顯控程序，實時生成各測站每分鐘的數(shù)據(jù)文件及生成各測站的整點潮位數(shù)據(jù)和高低潮數(shù)據(jù)文件，并將這兩類數(shù)據(jù)文件經(jīng)北海分局的專線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給國家海洋預(yù)報中心。

響應(yīng)天津市海洋局顯控程序的數(shù)據(jù)查詢，轉(zhuǎn)發(fā)天津市海洋局顯控程序?qū)Ω鳒y站視頻和路燈的操控命令到數(shù)據(jù)匯集中心。提供GPS校時、數(shù)據(jù)庫備份、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

數(shù)據(jù)分發(fā)中心通過局域網(wǎng)的FTP服務(wù)，獲取局域網(wǎng)內(nèi)東突堤測站測量的分鐘數(shù)據(jù)文件，從中提取相關(guān)信息后進(jìn)行顯示，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給天津市海洋局顯控程序。

2.3 天津市海洋局顯控程序

天津市海洋局顯控程序，可以接收、顯示系統(tǒng)各測站的實時分鐘數(shù)據(jù)和高低潮信息?？梢詮臄?shù)據(jù)分發(fā)中心查詢各測站歷史數(shù)據(jù)，可以通過數(shù)據(jù)分發(fā)中心、數(shù)據(jù)匯集中心的轉(zhuǎn)發(fā)而控制各測站的路燈和視頻開關(guān)。同時提供GPS校時功能。

2.4 視頻圖像

系統(tǒng)中各級用戶均可以控制視頻的開關(guān)狀態(tài)，各級用戶通過視頻客戶端軟件，經(jīng)Internet連接到視頻服務(wù)器，查看各測站監(jiān)視視頻情況，在視頻客戶端程序上可以獲取測站視頻的圖像和錄像，截取測站視頻圖像如圖7和圖8所示。

圖7 天津港測站監(jiān)測視頻圖像

圖8 南港工業(yè)區(qū)測站監(jiān)測視頻圖像

3 系統(tǒng)運行情況

2011年5月底，系統(tǒng)各測站均能正常工作，將數(shù)據(jù)匯集中心放置在塘沽東突堤海洋觀測站內(nèi)，6月3日將數(shù)據(jù)分發(fā)中心放置在國家海洋局天津海洋環(huán)境監(jiān)測中心站內(nèi)，天津市海洋局顯控終端放置在國家海洋技術(shù)中心，經(jīng)調(diào)試系統(tǒng)各部分通訊正常。

7月14日，將數(shù)據(jù)匯集中心數(shù)據(jù)庫拷回，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。從6月1日0點開始至7月14日10時58分，對各測站數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，北疆電廠測站、大沽燈塔測站和南港工業(yè)區(qū)測站實時測量數(shù)據(jù)通訊成功率分別為91.604%、69.710%和91.962%，經(jīng)匯集中心自動補漏后3個測站的測量數(shù)據(jù)通訊成功率分別為99.922%、96.642%和99.988%。大沽燈塔測站由于信號不穩(wěn)定，通訊效果稍差，考慮使用高增益通訊天線替代普通天線，提高通訊成功率。對于自動補漏后沒有接收到的測量數(shù)據(jù)，可以通過人工操作界面，以手動方式向各測站發(fā)送命令獲取指定時間數(shù)據(jù)。

視頻服務(wù)器運行正常，各級用戶可以根據(jù)各自的用戶名和密碼查看各測站視頻圖像。

目前，各測站測量數(shù)據(jù)已按設(shè)計要求發(fā)送到國家海洋預(yù)報中心，項目進(jìn)入試運行階段。

4 結(jié)語

GPRS-VPN通訊網(wǎng)絡(luò)方式適用網(wǎng)絡(luò)站點分散、單次通訊數(shù)據(jù)最小、通訊密度大的需求，采用該種組網(wǎng)方式，還可以解決通訊內(nèi)容保密問題。該種組網(wǎng)方式靈活、快捷，具有較好的網(wǎng)絡(luò)覆蓋基礎(chǔ)。但在離岸邊較遠(yuǎn)的海中，GPRS信號較差，通

[1]吳豐林，方創(chuàng)林，藺學(xué)芹.環(huán)渤海地區(qū)風(fēng)能資源開發(fā)與大規(guī)模非并網(wǎng)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)基地建設(shè)[J].資源科學(xué)，2008，11，1640-1645.[2]張東亮，張鎖平，梁捷.GPRS數(shù)據(jù)通信在天津沿海潮位監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].海洋技術(shù)，2006，4，25-28.

[3]鄭琰，焦坡，張晶瑩.基于無線專網(wǎng)的配變實時監(jiān)測管理系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，16，96-98.

[4]張東亮，齊占輝，劉頡.新技術(shù)在天津濱海新區(qū)風(fēng)暴潮監(jiān)測中的應(yīng)用[C]//北海區(qū)海洋觀測學(xué)術(shù)會議，2010.

Design and Implementation of Data Communication Networks for Storm Surge Monitoring and Early Warning of Tianjin Binhai New Area

YANG Xiao1,LIU Jie1,LIANG Jie1,ZHANG Dong-liang1,LV Jiu-hong1,LU Ya-juan1,ZHANG Xiao-juan1,ZOU Tao2
(1.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China;2.Tianjin Marine Environmental Monitoring Central Station,SOA,Tianjin 300457,China)

At first the project background of"storm surge monitoring and early warning technology and demonstration of Tianjin Binhai new area"was outlined.Then the realization of control function and transmission of video and observation data from station using GPRS-APN data transmission network and the 3G network was introduced.Finally the operation of data communication network of the project was introduced.

GPRS;DTU;video surveillance;storm surge

P71，TN915

B

1003-2029（2012）01-0052-06

2011-08-25

國家海洋局海洋公益性行業(yè)科研專項資助項目——天津濱海新區(qū)風(fēng)暴潮監(jiān)測預(yù)報預(yù)警技術(shù)與示范（200805018）

楊逍（1976-），男，工程師，主要研究方向為數(shù)據(jù)通訊技術(shù)和水聲測量數(shù)據(jù)處理。Email：yangchk@21cn.com