胡金龍 柏 屏 陳 寧 曹 帥

（江蘇省水文水資源勘測局，江蘇南京 210029）

0 前言

在水文自動測報系統(tǒng)投入運用以前，江河或水利水電工程水文資料收集全靠人工觀測，并通過電報或有線電話進行信息傳遞。由于自然環(huán)境限制，站點稀少，人工觀測手段、信息傳輸技術(shù)落后，使得信息量少且時效性差，水文信息的測、報難以滿足防洪調(diào)度的實際需求。

水利部于20世紀90年代中期開始規(guī)劃并于2003年開始實施的國家防汛指揮系統(tǒng)工程水情分中心建設(shè)，全面總結(jié)了我國水文自動測報系統(tǒng)設(shè)計和建設(shè)的經(jīng)驗、教訓(xùn)，認真分析測報系統(tǒng)發(fā)展趨勢，應(yīng)用先進的電子傳感、通信、計算機、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)進行水文信息的自動采集、傳輸、處理和應(yīng)用。國家防汛指揮系統(tǒng)工程對水文自動測報系統(tǒng)的建設(shè)目的、功能、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、技術(shù)路線、設(shè)備配置和主要技術(shù)指標等重要環(huán)節(jié)都作出了明確規(guī)定。為適應(yīng)信息技術(shù)高速發(fā)展的新形勢、新要求，在總結(jié)示范區(qū)建設(shè)和運行經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，對1995年版規(guī)范進行修訂，形成了2003年版新規(guī)范并經(jīng)水利部頒布施行。

但就水文自動測報系統(tǒng)軟件方面一直未出現(xiàn)行業(yè)標準，致使不同的承包商所開發(fā)的自動測報系統(tǒng)軟件功能迥異，從自動測報站RTU軟件至分中心采集平臺軟件，甚至應(yīng)用軟件均大相徑庭，給維護、管理、數(shù)據(jù)共享帶來了極大的不便。這就對測站RTU軟件、分中心采集平臺軟件、數(shù)據(jù)交換平臺軟件及應(yīng)用服務(wù)軟件的定制提出了新的要求。鑒于水文自動測報系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用管理工作中所存在的上述問題，并結(jié)合長期工作實踐與技術(shù)探索，筆者就系統(tǒng)相關(guān)軟件予以必要定制提出初步方案，供大家共同研究與探討。

1 業(yè)務(wù)分析

水文自動測報系統(tǒng)是防汛決策的基礎(chǔ)部分，是完成水、雨情等信息從采集、傳輸、處理、存儲直至交換共享全過程的有機組合，也是水利信息化建設(shè)的基礎(chǔ)。系統(tǒng)的建設(shè)、管理、使用應(yīng)基于水利、水文以及相關(guān)的標準、規(guī)范，符合業(yè)務(wù)要求和技術(shù)要求。同時，系統(tǒng)的軟硬件設(shè)備、信息通道和數(shù)據(jù)應(yīng)用等均應(yīng)有安全保障體系支撐。安全保障體系包括：網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備、數(shù)據(jù)安全接口以及安全管理體制等。

水文自動測報系統(tǒng)依據(jù)其業(yè)務(wù)流程可分為三個層次：采集平臺、交換平臺及應(yīng)用平臺；兩個保障體系：安全保障體系、標準規(guī)范體系；一個運行支撐環(huán)境。其中，采集平臺又分為信息采集與信息傳輸兩部分，在信息采集與信息傳輸過程中需對信息進行系列處理，包括分類存儲、顯示等。

1.1 三個層次

（1）采集平臺

采集平臺是負責(zé)收集、存儲、管理水文測站信息（包括水文要素和設(shè)備狀態(tài)）的綜合性軟件平臺，主要包括信息采集和信息傳輸兩部分。

①信息采集系統(tǒng)負責(zé)從水文測站自動采集、存儲、顯示、發(fā)送、處理水文信息至所屬分中心或省中心。

②信息傳輸是負責(zé)通過公網(wǎng)或?qū)＞W(wǎng)，提供測站、分中心、省中心之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ馈?/p>

③信息處理是貫穿信息采集與信息傳輸?shù)男畔⒓庸み^程，包括：信息分類、存儲及合理性檢查等。

（2）交換平臺

數(shù)據(jù)交換平臺是利用成熟的消息中間件技術(shù)搭建數(shù)據(jù)交換平臺，在省中心和全省各分中心之間以及流域機構(gòu)、水利部之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換與共享，從而為各分中心及省中心實時、準確地報汛提供支撐。

（3）應(yīng)用平臺

應(yīng)用平臺基于采集交換和交換平臺提供全省水情信息的查詢、信息發(fā)布、水文預(yù)報、業(yè)務(wù)管理等應(yīng)用服務(wù)。

1.2 兩個保障體系

兩個保障體系分別是：安全保障體系和標準規(guī)范體系。

1.3 一個運行支撐環(huán)境

運行支撐環(huán)境負責(zé)在省中心和各分中心為數(shù)據(jù)存儲備份、業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)提供穩(wěn)定、可靠的運行環(huán)境。

支撐環(huán)境包括硬件支撐環(huán)境與軟件支撐環(huán)境。

（1）硬件支撐環(huán)境

硬件支撐環(huán)境包括：系統(tǒng)運行所需的傳感器、信息采集傳輸單元（RTU）、服務(wù)器、存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。

（2）軟件支撐環(huán)境

軟件支撐環(huán)境包括：操作系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)庫管理軟件、數(shù)據(jù)庫備份軟件及與系統(tǒng)開發(fā)緊密相關(guān)的消息中間軟件、GIS軟件等。

2 研究的必要性

2.1 水文自動測報系統(tǒng)建設(shè)的需要

水文自動測報系統(tǒng)軟件的定制擬為今后水文自動測報系統(tǒng)工程建設(shè)提供一整套相對行之有效的軟件研發(fā)標準。這些標準一方面是對系統(tǒng)中出現(xiàn)的相關(guān)軟件功能進行定義，另一方面也是對系統(tǒng)所涉及的硬件進行業(yè)務(wù)功能、接口、通信協(xié)議、傳輸規(guī)約等技術(shù)特性方面的約定。這些標準使今后在水文自動測報系統(tǒng)建設(shè)過程中，當出現(xiàn)不同承包商，或不同的軟、硬件時，需要能符合或滿足系統(tǒng)軟件方面的要求，這就為系統(tǒng)的集成或整合提供了相對可行的有效途徑。

2.2 信息共享的需要

信息資源共享是各類行業(yè)日常業(yè)務(wù)管理工作的基本需求，也是單位或部門信息化建設(shè)的主要目標。但是，由于信息化項目建設(shè)常常缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃，技術(shù)標準制定不夠及時，致使不同類型、不同結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)廣泛介入，不同程度地導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)在庫表結(jié)構(gòu)、技術(shù)體制和軟件應(yīng)用等方面難以統(tǒng)一，直接影響公共數(shù)據(jù)信息資源有效、廣泛共享。交換平臺軟件的定制就是為解決數(shù)據(jù)共享而提出的方案。

2.3 水文宣傳的需要

國內(nèi)水文自動測報系統(tǒng)建設(shè)已有近40年的時間，但一直都處于建設(shè)、完善階段，在數(shù)據(jù)的挖掘、深加工、分析、發(fā)布方面沒有過多的投入，基本上是一些簡單的查詢及報表服務(wù)，未對外發(fā)布。而作為水文行業(yè)，為社會提供及時、準確的水文信息服務(wù)才是宣傳的重點。

2.4 自動測報信息代替人工報汛的需要

水雨情報汛長期以來均以人工報汛為主，牽制了大量的人力，自動測報系統(tǒng)的出現(xiàn)，大大緩解了人的勞動強度，從一定層面上解放了勞動力，且自動測報系統(tǒng)嚴格按照《水情信息編碼規(guī)范》（SL 330-2005）要求進行設(shè)計，符合水雨情報汛的各類要求，因此，自動測報系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工報汛勢在必行。

3 方案定制

3.1 遙測站RTU軟件

（1）采用自報和查詢應(yīng)答兼容的工作體制。

①自報

自報可分為定時自報、時段自報及超限自報。

定時自報：系統(tǒng)約定自報時間。

時段自報：1、2、3…24 段次。

超限自報：將所采集的實時數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的水文限值數(shù)據(jù)進行比較，當出現(xiàn)超限數(shù)據(jù)時，立即自報。其中，限值數(shù)據(jù)應(yīng)包括超高與超低兩類。

②查詢應(yīng)答

該工作體制為分中心主動發(fā)送命令給測站，然后由測站做相應(yīng)的動作，測站動作完成后再將信息返回至分中心。命令形式可分為：

召測命令：該命令應(yīng)包含水位、雨量、閘位、流量、蒸發(fā)、風(fēng)力、風(fēng)向，以及測站工作體制配置、計費等方面的信息召測，這些信息應(yīng)有相應(yīng)的類別進行標識。

數(shù)據(jù)重傳命令：該命令應(yīng)包含信息類別標識及數(shù)據(jù)時間段定義。

RTU參數(shù)設(shè)置命令：該命令應(yīng)包含測站所有的工作體制及傳輸設(shè)置。如：采集時間間隔、分中心目標標識（地址或站號）、水位超限值、加報策略、傳輸策略及時間設(shè)置等。

（2）采用主、備雙信道，且自動切換通信傳輸技術(shù)，確保信息傳輸?shù)臅惩ā?/p>

（3）采用基于休眠和遠程喚醒的工作模式，提高系統(tǒng)的可靠性。即：當系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)時給傳感器加電，采集完成后即給傳感器斷電；當系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸時給各通信模塊加電，當通信完成后，只保留主通信模塊為加電值守狀態(tài)，其余模塊均為斷電狀態(tài)。

（4）RTU系統(tǒng)具有在站存儲、顯示及本地USB下載功能。在站存儲的數(shù)據(jù)嚴格按照信息類別進行存儲，信息類別應(yīng)可進行設(shè)置；顯示至少包括最新水位、閘位、流量，以及當日累計雨量、昨日雨量、電源電壓等數(shù)據(jù)；本地USB下載的數(shù)據(jù)應(yīng)為文本格式，且與RTU內(nèi)存儲形式一致。

（5）采集、存儲、顯示、轉(zhuǎn)發(fā)的水文要素應(yīng)包括：水位、雨量、閘位、流量、蒸發(fā)、風(fēng)力、風(fēng)向、泥沙以及水質(zhì)、工情等方面的信息。

（6）數(shù)據(jù)存儲格式采用最新的《水情信息編碼規(guī)范》（SL 330-2005）所定義的標準格式。

3.2 分中心采集平臺軟件定制

（1）前置部分

分中心前置部分負責(zé)接收測站報文，并形成落地文件，供系統(tǒng)管理部分、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)貯部分和傳輸軟件使用；發(fā)送部分將分中心對測站的召測、校時、測站參數(shù)配置、數(shù)據(jù)重傳的操作形成命令發(fā)送給測站，測站根據(jù)接收到的命令做相應(yīng)的動作。

①接收部分

接收部分可接收各種來源的信息，并對數(shù)據(jù)進行校驗，判別是否為合理數(shù)據(jù)。信息的來源分為：超短波、GPRS、CDMA、GSM 短信息、PSTN 及其它。軟件應(yīng)可對不同的信息來源進行增減，此配置可在該軟件的管理部分進行設(shè)置。

②發(fā)送部分

發(fā)送部分主要是將分中心的命令發(fā)送至測站，命令報文由遙測管理軟件形成，命令形式同上節(jié)所述。

（2）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)貯部分

分中心數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)貯部分負責(zé)把分中心所接收的信息按信息類別寫入對應(yīng)的數(shù)據(jù)表，供譯電與傳輸使用。在寫入數(shù)據(jù)庫的同時應(yīng)將每份報文對應(yīng)的測站編碼、入庫時間和來源等關(guān)鍵信息一并寫入數(shù)據(jù)庫。

（3）管理部分

①測站數(shù)據(jù)召測、重傳，測站參數(shù)配置、校時，生成命令報文交由前置部分處理。

②以分中心站點分布圖為背景，顯示測站RTU狀態(tài)及最新水情數(shù)據(jù)，表現(xiàn)形式以GIS圖為佳。

③故障報警包括：分中心軟件系統(tǒng)故障報警、測站RTU故障報警、測站傳感器故障報警、測站RTU電壓報警。所有故障報警應(yīng)形成日志文件或存入數(shù)據(jù)庫。

④管理軟件操作日志記錄。

⑤用戶權(quán)限設(shè)置。

⑥統(tǒng)計每天接收遙測數(shù)據(jù)份數(shù)，根據(jù)定時自報數(shù)據(jù)和加報次數(shù)，分析每天的暢通情況，并將應(yīng)收報、實收報、加報、錯報、漏報等數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫。

圖1 交換平臺業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)圖

圖2 交換平臺數(shù)據(jù)流程圖

3.3 交換平臺軟件

整個數(shù)據(jù)交換平臺采用政務(wù)信息資源交換體系標準中的混合模式來構(gòu)建整個區(qū)域水情信息資源交換系統(tǒng)。市、區(qū)縣的應(yīng)用數(shù)據(jù)將根據(jù)情況靈活地部署前置交換庫和采用交換橋接的方式與數(shù)據(jù)交換平臺聯(lián)接，不同單位間信息的交換與共享采用政務(wù)信息資源交換體系標準中的分布交換模式來實現(xiàn)。其交換體系如圖1所示。

結(jié)合水利信息的網(wǎng)絡(luò)資源和實際現(xiàn)狀，整個數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)主要由連接各市縣相關(guān)單位的部門交換專網(wǎng)以及省數(shù)據(jù)中心局域網(wǎng)所組成。為保證各單位聯(lián)網(wǎng)的安全，可以為各個聯(lián)網(wǎng)單位配置或借用原有的各種網(wǎng)絡(luò)防火墻或入侵監(jiān)測等網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備。

數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)在中心與地方、地方與地方之間構(gòu)成一個可靠的信息傳輸總線或通道。數(shù)據(jù)交換傳輸系統(tǒng)的構(gòu)成和結(jié)果如圖2所示。

整個數(shù)據(jù)交換過程說明如下：

數(shù)據(jù)采集：從指定的位置資源（主要是各類關(guān)系數(shù)據(jù)庫）獲取數(shù)據(jù)，并經(jīng)過加密、壓縮以及統(tǒng)一規(guī)范的數(shù)據(jù)包裝，將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)交換總線中。

數(shù)據(jù)路由：數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)交換總線中，根據(jù)既定的規(guī)則，進行數(shù)據(jù)路由，將數(shù)據(jù)分發(fā)到相應(yīng)的目的地。

數(shù)據(jù)操作：根據(jù)具體的業(yè)務(wù)需求，完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、過濾、清洗。

數(shù)據(jù)釋放：數(shù)據(jù)到達目的端服務(wù)器，對數(shù)據(jù)進行解壓、解密、拆裝等操作，數(shù)據(jù)入庫。

整體數(shù)據(jù)交換過程中，對發(fā)生數(shù)據(jù)進行詳細的數(shù)據(jù)日志記錄，以備數(shù)據(jù)審計、統(tǒng)計。

（1）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

由于中心數(shù)據(jù)庫和地方上業(yè)務(wù)系統(tǒng)庫是異構(gòu)的（管理系統(tǒng)異構(gòu)，表結(jié)構(gòu)異構(gòu)），所以，水情信息在交換過程中需要進行結(jié)構(gòu)映射和內(nèi)容的轉(zhuǎn)換。

（2）交換傳輸系統(tǒng)

根據(jù)部署的交換流程，系統(tǒng)將通過異步消息機制、內(nèi)容持久化等手段保證實現(xiàn)不同節(jié)點前置交換信息庫之間的信息處理和穩(wěn)定可靠、不間斷的信息傳遞。為了保證交換傳輸?shù)男?，可在服?wù)端設(shè)立兩臺交換服務(wù)器進行負載均衡處理。

（3）交換管理系統(tǒng)

交換中心管理系統(tǒng)實現(xiàn)對數(shù)據(jù)交換平臺的綜合管理監(jiān)控，能夠在統(tǒng)一的中心完成對整體高度分布部署平臺的管理，真正實現(xiàn)管理上的高度統(tǒng)一。其功能包括：流程設(shè)計、遠程部署、遠程監(jiān)控、遠程管理、日志管理、用戶及權(quán)限管理等。

（4）前置交換系統(tǒng)

前置交換系統(tǒng)由交換前置服務(wù)器、交換信息庫和交換適配器等組成。前置交換子系統(tǒng)與地方業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)之間隔離，保證地方業(yè)務(wù)信息庫和業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的獨立性。根據(jù)江蘇省水情數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，需要在水利廳各下屬水情部門配置交換前置機。地方與省中心、地方與地方之間的待交換數(shù)據(jù)主要位于前置數(shù)據(jù)庫中。

（5）交換橋接系統(tǒng)

橋接系統(tǒng)指業(yè)務(wù)信息庫與前置交換信息庫之間的信息交換接口，以實現(xiàn)兩個庫之間的信息交換。交換橋接既可安裝在部門交換前置機上，也可部署在部門系統(tǒng)內(nèi)部。

3.4 應(yīng)用服務(wù)軟件

應(yīng)用服務(wù)軟件建議采用WEB GIS方式，具體包括查詢、發(fā)布、預(yù)報、后臺管理等4部分內(nèi)容。

（1）查詢

經(jīng)過用戶實際需求調(diào)查，查詢部分應(yīng)包含以下幾個方面：

①能夠查詢各水情分中心所屬流域水系及測站站網(wǎng)通訊鏈路情況。

②能夠?qū)崟r查詢各水情分中心所轄測站水文信息、設(shè)備狀態(tài)信息。方式包括最新數(shù)據(jù)查詢及歷史系列數(shù)據(jù)查詢。歷史系列數(shù)據(jù)查詢應(yīng)包括：

a.單站指定時段的水位、流量、雨量的表格查詢。

b.單站指定時段的水位、流量的過程線。

c.單站指定時段的降水量分布圖、柱狀圖。

d.上下游站或臨近站的指定時段的水位、流量的過程線對比圖。

e.單站不同時段的水位、流量的過程線對比圖。

f.單站或多站設(shè)備狀態(tài)信息、報警信息等。

③能夠查詢?nèi)爡^(qū)內(nèi)的水情預(yù)警、預(yù)報信息。

（2）信息發(fā)布

把水情自動測報系統(tǒng)中所有面向用戶的內(nèi)容（報表、圖形等）通過動態(tài)網(wǎng)頁發(fā)布。包括：

①各類成果報表發(fā)布。包括：今日水情報表、水位日報表、雨量日報表、流量日報表、時區(qū)降雨量報表、水位月報表、雨量月報表、流量月報表、雨量柱狀圖、水位過程線、多站直方圖、流域降雨分布圖等。

②成果信息發(fā)布。包括：分析成果數(shù)據(jù)，預(yù)警、預(yù)報信息等。其中，成果數(shù)據(jù)為計算分析統(tǒng)計成果；預(yù)警信息為測站設(shè)備狀態(tài)預(yù)警，水位、雨量超限（包括超低和超高兩種狀態(tài)）預(yù)警等；預(yù)報信息為水位、雨量及其他水文要素的預(yù)測發(fā)布。

（3）預(yù)報

預(yù)報軟件應(yīng)滿足以下功能需求：

①實現(xiàn)自動從遙測數(shù)據(jù)庫、實時水雨情數(shù)據(jù)庫、歷史水文數(shù)據(jù)庫中提取數(shù)據(jù)，滿足圖形子系統(tǒng)對各類數(shù)據(jù)進行計算分析的需求。

②預(yù)報系統(tǒng)具有較好的信息輸出和表現(xiàn)功能。除具備一般信息、水情信息、雨情信息、統(tǒng)計信息和分析信息數(shù)據(jù)表現(xiàn)外，還有主要河流洪峰流量、洪峰水位過程線等圖形表現(xiàn)功能。

③具有較好的空間表達能力，以電子地圖方式管理和顯示水系、地形、流域邊界、站點分布，行政區(qū)劃等，具備在電子地圖上實時動態(tài)顯示預(yù)報信息的查詢功能。

④報表系統(tǒng)主要包括：

a.采用類Excel界面風(fēng)格設(shè)計報表系統(tǒng)。

b.多窗口多文檔方式，支持多張報表同時顯示調(diào)用或打印。

c.支持報表縱向或橫向變長運行設(shè)置。

d.可設(shè)定某些單元格在報表調(diào)用運行時也可進行人工修改。

e.報表內(nèi)容按分中心具體要求預(yù)設(shè)計，亦可根據(jù)用戶需求，動態(tài)生成用戶自定義格式報表。

（4）后臺管理

后臺管理原則上至少包括：

①軟件平臺界面管理

此項功能應(yīng)包含直接面向最終用戶界面的欄目、LOGO圖，界面分布等信息的設(shè)置。

②用戶管理

可以增加、刪除用戶，及定義用戶權(quán)限等。用戶至少分為省中心管理員、省中心部門管理員、分中心管理員、分中心部門管理員及一般用戶等。用戶權(quán)限應(yīng)根據(jù)各級用戶的職責(zé)，有目的、有選擇地進行分類設(shè)置。

③信息發(fā)布管理后臺界面

信息發(fā)布管理后臺界面應(yīng)包括各項發(fā)布信息的生成器或文件上傳等。且所有發(fā)布信息應(yīng)加入審核機制，不同的信息應(yīng)由不同的管理員進行審核。

④預(yù)報信息分析計算人機接口

此項功能應(yīng)包含各類特定的預(yù)報軟件，且該類軟件應(yīng)具備較強的可操作性。

⑤報表生成及發(fā)布界面

采用報表預(yù)生成機制，由管理員或平臺軟件預(yù)生成各類報表，這樣可以大大減輕應(yīng)用平臺軟件的負載，亦可以通過管理員上傳其他成果類報表等。

4 結(jié)束語

水文自動測報系統(tǒng)相關(guān)軟件的典型設(shè)計，是對水文自動測報系統(tǒng)軟件規(guī)范化、標準化的前期探索，為系統(tǒng)工程建設(shè)和運行管理提供參考標準，有助于該方面相關(guān)規(guī)范、標準的盡快出臺，系統(tǒng)相關(guān)軟件規(guī)范、標準的施行是行業(yè)的需求，亦是設(shè)備研制和各級系統(tǒng)建設(shè)與管理的需要，水文自動測報系統(tǒng)軟件的規(guī)范化、標準化迫在眉睫。