武 建，徐永兵，劉 艋，于淼淼

（山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院， 山東 濟(jì)南 250013）

0 引言

由于供水管網(wǎng)地理位置分散，采集、控制功能對(duì)穩(wěn)定性和安全性要求較高。過(guò)去通常采用人工抄表、電話報(bào)數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作的原始調(diào)度方法，供水管網(wǎng)中的故障只能靠人工巡檢來(lái)完成，對(duì)工人的職業(yè)操守和責(zé)任心依賴較大，存在信息量少，不便于收集，處理效率低等弊端；帶來(lái)的結(jié)果則是調(diào)度能力差，無(wú)法適應(yīng)新時(shí)期優(yōu)化調(diào)度的要求，尤其遇到爆漏等突發(fā)事件時(shí)，無(wú)法立即獲取情報(bào)?？偟膩?lái)說(shuō)只能停留在不缺水或保持正常運(yùn)行的層面上。

建設(shè)無(wú)線供水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要目的是解決上述難題，對(duì)分散在各個(gè)管網(wǎng)測(cè)點(diǎn)的工作狀況進(jìn)行監(jiān)控和管理，并及時(shí)采集重要的水量等信息，為城市供水優(yōu)化調(diào)度提供科學(xué)的數(shù)據(jù)依據(jù)。無(wú)線傳輸方式有多種，在此，討論目前技術(shù)較為成熟且運(yùn)行成本相對(duì)低廉的 GPRS 技術(shù)在無(wú)線供水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 無(wú)線 GPRS 通訊

GPRS 在許多方面都具有顯著的優(yōu)勢(shì)，主要用于實(shí)時(shí)性高數(shù)據(jù)量較大的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程，如環(huán)保監(jiān)測(cè)、水文檢測(cè)、車輛定位系統(tǒng)等領(lǐng)域，具有可靠性高和成本低等優(yōu)勢(shì)[1]。

無(wú)線數(shù)據(jù)通信選用 GPRS 網(wǎng)絡(luò)作為通信平臺(tái)，監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器通過(guò)公用網(wǎng)與無(wú)線 GPRS 網(wǎng)絡(luò)連接。

1.1 服務(wù)器作為 TCP 連接的服務(wù)端

監(jiān)控中心服務(wù)器的 GPRS 服務(wù)程序啟動(dòng)后，作為 TCP 連接的服務(wù)端始終處于指定端口偵聽服務(wù)狀態(tài)，等待所有遠(yuǎn)端 GPRS 模塊作為客戶端與其注冊(cè)連接。

1.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的 GPRS 模塊作為 TCP 連接的客戶端

監(jiān)測(cè)終端的 GPRS 模塊上網(wǎng)后得到的 IP 地址是由移動(dòng)公司動(dòng)態(tài)隨機(jī)分配的，而監(jiān)測(cè)中心的 ADSL 的 IP 地址是固定不變的，因此該模塊需要主動(dòng)向監(jiān)控中心進(jìn)行 TCP 連接，實(shí)現(xiàn)雙向的 TCP 網(wǎng)絡(luò)通信[2]。

監(jiān)測(cè)中心的固定 IP 及端口號(hào)，通過(guò)初始化程序?qū)⑵渑渲玫?GPRS 模塊中，模塊掉網(wǎng)后，通過(guò)自復(fù)位電路和程序重新上網(wǎng)與監(jiān)控中心進(jìn)行連接。

1.3 監(jiān)測(cè)中心交換機(jī)的作用

監(jiān)測(cè)中心交換機(jī)是 ADSL 外網(wǎng)與內(nèi)網(wǎng)的橋梁，負(fù)責(zé) ADSL 掉網(wǎng)后自動(dòng)撥號(hào)上網(wǎng)，把一個(gè)端口映射給服務(wù)器，同時(shí)具有防火墻可以拒絕或關(guān)閉非法用戶訪問(wèn)或不用的端口，另外它也是服務(wù)器與局域網(wǎng)的橋梁[2-3]。

1.4 GPRS 數(shù)據(jù)傳輸

監(jiān)控中心和監(jiān)測(cè)終端的 GPRS 模塊建立聯(lián)接成功后，監(jiān)控中心自動(dòng)按指定的時(shí)間間隔（初始系統(tǒng)默認(rèn)值為 5 min）輪詢各監(jiān)測(cè)點(diǎn)；另外，監(jiān)測(cè)中心還可以用手動(dòng)方式隨時(shí)向各監(jiān)測(cè)點(diǎn)發(fā)指令，如全部召測(cè)、分組召測(cè)、隨機(jī)抽測(cè)等。監(jiān)測(cè)點(diǎn)通過(guò) GPRS 模塊除接收?qǐng)?zhí)行，并回傳中心指令外，還自動(dòng)上報(bào)各類超限報(bào)警[4]，組成如圖 1 所示。

圖1 GPRS 系統(tǒng)的組成

2 臨沂城供水工程計(jì)算機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)概況及工作原理

2.1 系統(tǒng)概況

臨沂城 30 萬(wàn) m3/d 供水工程引水部分由水源地岸堤水庫(kù)引水，基本沿臨蒙公路穿越蒙陰、沂南、蘭山 3 個(gè)縣區(qū)，至新建水廠。

輸水段：輸水部分由水源地岸堤水庫(kù)引水，基本沿臨蒙公路穿越蒙陰、沂南、蘭山 3 個(gè)縣區(qū)，至新建水廠，總長(zhǎng) 48.8 km。工程設(shè)計(jì)引水規(guī)模為 33 萬(wàn) m3/d。

供水段：供水部分由新建水廠至青年路，總長(zhǎng)約 17.2 km。

本實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為前端和中心 2 部分。前端由傳感器、傳感器變送、數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)炔糠纸M成，中心由數(shù)據(jù)接收部分、中心軟件分析處理系統(tǒng)組成。

2.2 檢測(cè)系統(tǒng)工作原理

供水管網(wǎng)遠(yuǎn)端壓力流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)中心、無(wú)線 GPRS 通訊、監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集與傳輸設(shè)備和儀表設(shè)備組成。

輸水段長(zhǎng)約 45 km，起點(diǎn)和終點(diǎn)各設(shè)置 2 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，中間每隔 3 km 設(shè) 2 個(gè)測(cè)點(diǎn)（雙路管道），另外在界牌、垛莊、雙候及青駝 4 鄉(xiāng)鎮(zhèn)的分水口各設(shè) 1 個(gè)測(cè)點(diǎn)，共設(shè) 36 個(gè)測(cè)點(diǎn)。

供水段長(zhǎng)約 17.2 km，起點(diǎn)和終點(diǎn)各設(shè)置 2 個(gè)測(cè)點(diǎn)，中間每隔 3 km 設(shè) 2 個(gè)測(cè)點(diǎn)，合計(jì) 14 個(gè)測(cè)點(diǎn)。

取水口設(shè)置 1 臺(tái)高速智能球和 1 臺(tái)固定槍型攝像機(jī)及編解碼設(shè)備，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)橋?qū)⑿畔鬏斨涟兜趟畮?kù)管理局，再通過(guò)廣域網(wǎng)將信號(hào)傳輸至水廠。

監(jiān)測(cè)中心設(shè)在公司供水中心。硬件部分由 2 臺(tái)服務(wù)器組成的雙機(jī)熱備系統(tǒng)、1 臺(tái)工業(yè)控制機(jī)、1 臺(tái)ASDL 外網(wǎng)寬帶調(diào)制解調(diào)器、1 臺(tái)帶防火墻的交換機(jī)和 1 個(gè) GPRS 通訊設(shè)備組成，服務(wù)器做成磁盤鏡像系統(tǒng)；軟件部分由三維力控組態(tài)和供水監(jiān)測(cè)應(yīng)用管理 2 個(gè)軟件組成。

監(jiān)測(cè)中心的服務(wù)器與專用交換機(jī)相連，專用交換機(jī)通過(guò)防火墻與 ADSL 的外網(wǎng)接入設(shè)備相連，同時(shí)專用交換機(jī)與公司局域網(wǎng)連接。這樣，局域網(wǎng)內(nèi)的任何計(jì)算機(jī)終端均可通過(guò) Windows 系統(tǒng)的 IE 瀏覽器進(jìn)行 Web 方式查詢?yōu)g覽；服務(wù)器的組態(tài)軟件通過(guò)相應(yīng)的 GPRS 組件通過(guò) GSM 無(wú)線網(wǎng)與監(jiān)測(cè)終端的 GPRS 模塊相連，服務(wù)器中相應(yīng)的供水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)管理程序則利用組態(tài)軟件平臺(tái)完成供水管網(wǎng)遠(yuǎn)端的監(jiān)測(cè)管理任務(wù)，同時(shí)通過(guò) IIS 提供 Web 查詢?yōu)g覽服務(wù)[5-6]，如圖 2 所示。

圖2 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器可以驅(qū)動(dòng) GPRS 通信模塊向監(jiān)測(cè)點(diǎn) RTU 下發(fā)初始化信息、配置信息、控制命令，以及接收下位機(jī)上報(bào)的數(shù)據(jù)及報(bào)警信息，同時(shí)對(duì)采集的壓力、流量等數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和管理，提供查詢、統(tǒng)計(jì)、報(bào)表等功能。

實(shí)時(shí)和歷史時(shí)間點(diǎn)（段）的數(shù)據(jù)將由 Web 站點(diǎn)向分配權(quán)限的用于提供不同級(jí)別的在線服務(wù)，用戶通過(guò)瀏覽器登陸 Web 可以查看實(shí)時(shí)和歷史時(shí)間點(diǎn)（段）數(shù)據(jù)。通過(guò)該系統(tǒng)的使用，動(dòng)態(tài)掌握輸水管線的運(yùn)行情況，做到合理調(diào)度，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率及公司的生產(chǎn)管理水平。

3 系統(tǒng)功能

1）數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與處理功能。系統(tǒng)能夠以圖示和報(bào)表的形式實(shí)時(shí)展現(xiàn)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，并可依據(jù)用戶需求統(tǒng)計(jì)、分類和存儲(chǔ)測(cè)算的最值，均值，累加值等信息。

2）監(jiān)測(cè)中心具有在線統(tǒng)計(jì)分析功能。根據(jù)采集的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析出供水的運(yùn)行狀態(tài) ，顯示經(jīng)濟(jì)負(fù)荷、超負(fù)荷管段，以及水廠水流的方向、供水低壓區(qū)、高壓區(qū)、合格水壓區(qū)等信息。

3）自動(dòng)超限報(bào)警功能。在實(shí)測(cè)過(guò)程中，對(duì)監(jiān)測(cè)出超預(yù)設(shè)值的數(shù)據(jù)發(fā)出提示報(bào)警，供管理人員及時(shí)采取必要措施。管理人員可定義多種報(bào)警級(jí)別，組態(tài)多種報(bào)警方式。

4）綜合分析各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力、流量的變化曲線，總結(jié)出管網(wǎng)供水壓力變化調(diào)節(jié)規(guī)律，計(jì)算出水廠變頻泵的壓力目標(biāo)值，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制變頻供水泵目標(biāo)壓力，合理調(diào)整管網(wǎng)供水壓力，既滿足用戶用水的需要又達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)。

5）監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在整個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)是共享的，只要被授權(quán)就可以通過(guò)本機(jī)的IE 瀏覽器，通過(guò) Web 方式進(jìn)行查詢顯示瀏覽打印，以便于相關(guān)部門使用。

6）自動(dòng)報(bào)表生成功能?？梢愿鶕?jù)不同的時(shí)間生成所需報(bào)表供管理人員查詢及打印。

4 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)的實(shí)施已比較成熟，完全可以滿足目前的需求，系統(tǒng)中的 GPRS 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸部分采用雙自復(fù)位技術(shù)，確保不死機(jī)、掉網(wǎng)重新上網(wǎng)，為穩(wěn)定運(yùn)行提供保障；運(yùn)用先進(jìn)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)，可方便數(shù)據(jù)管理和存儲(chǔ)，保證系統(tǒng)的優(yōu)化和改進(jìn)；未來(lái)升級(jí)擴(kuò)充方面，因?yàn)椴捎每蓴U(kuò)充性設(shè)計(jì)，將來(lái)可隨新技術(shù)的發(fā)展很容易地將設(shè)備（模塊）擴(kuò)充進(jìn)去，具有良好的擴(kuò)展和兼容能力。

不選用更為先進(jìn)的 3G 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的原因在于本系統(tǒng)完成所遵循的效果是智能、經(jīng)濟(jì)、易于實(shí)現(xiàn)。就目前來(lái)看，3G 業(yè)務(wù)在運(yùn)營(yíng)成本方面不及 GPRS，且由于項(xiàng)目實(shí)施階段 3G 服務(wù)并未達(dá)到如 GPRS 成熟的狀態(tài)（包括信號(hào)強(qiáng)度、覆蓋范圍、服務(wù)質(zhì)量等）[7]。以開發(fā) GSM 短信業(yè)務(wù)為基礎(chǔ)的監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)可以滿足本系統(tǒng)的需要，并且更為容易設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，可以作為短期的一個(gè)過(guò)渡。因此最終選擇 GPRS 服務(wù)。

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