熊啟龍，劉永強(qiáng)，徐章耀，郭廣濤

（1.水利部淮河水位委員會(huì)水文局，安徽 蚌埠 233001；2.河南省白龜山水庫管理局，河南 平頂山 467000；3.河南省平頂山水文水資源局，河南 平頂山 467000）

白龜山水庫遙測系統(tǒng)北斗衛(wèi)星信道建設(shè)

熊啟龍1，劉永強(qiáng)2，徐章耀2，郭廣濤3

（1.水利部淮河水位委員會(huì)水文局，安徽 蚌埠 233001；
2.河南省白龜山水庫管理局，河南 平頂山 467000；
3.河南省平頂山水文水資源局，河南 平頂山 467000）

針對(duì)河南省白龜山水庫水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)的現(xiàn)狀，提出以短信和北斗衛(wèi)星 2 種信道同時(shí)作為系統(tǒng)主信道的升級(jí)改造方案，極大地增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性和抵抗自然災(zāi)害能力，解決在連續(xù)陰雨天氣、交流電停電、網(wǎng)絡(luò)中斷等極端條件下系統(tǒng)不能獨(dú)立正常運(yùn)行的問題。其在利用北斗通信信道方面作出的成功探索，對(duì)其它水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)的建設(shè)有很好的借鑒意義。

水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)；短信信道；北斗衛(wèi)星通信信道；雙信道

0 引言

河南省白龜山水庫位于淮河流域沙潁河水系沙河干流上，平頂山市西南郊，距市區(qū)約 2 km。控制流域面積 2 740 km2，總庫容 9.22 億m3，是一座以防洪為主，兼顧城市生活工業(yè)、農(nóng)業(yè)灌溉為一體的大（Ⅱ）型水庫工程。

近年來，通過中小河流治理、山洪災(zāi)害預(yù)警、河南省水情分中心等一系列工程的建設(shè)，河南省水文局在白龜山水庫流域內(nèi)建設(shè)了 12 個(gè)水文遙測站點(diǎn)，測量參數(shù)為雨量和水位，遙測站采用中國移動(dòng)GSM 短信作為主信道，將水雨情信息發(fā)送到河南省水文局中心站，河南省水文局在接收到數(shù)據(jù)后，分解入數(shù)據(jù)庫，再通過水利信息網(wǎng)將雨水情數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享到白龜山水庫管理局。

為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定可靠性和減少對(duì)公共有線通信資源的依賴，增強(qiáng)系統(tǒng)抵抗自然災(zāi)害的能力，白龜山水庫對(duì)原設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造，在原有遙測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加備用通信信道，數(shù)據(jù)直接發(fā)往白龜山水庫，使得白龜山水庫中心站有多種方式收集流域雨水情信息，保證在極端陰雨天氣、有線網(wǎng)絡(luò)中斷、交流電中斷等惡劣條件下，中心站仍能通過有效手段及時(shí)掌握流域內(nèi)的雨水情信息，這對(duì)白龜山水庫的防汛抗旱有著極為重要的意義。

“北斗一號(hào)”衛(wèi)星定位系統(tǒng)是我國自主研發(fā)，利用地球同步衛(wèi)星為用戶提供全天候、區(qū)域性的衛(wèi)星定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)由 2 顆地球靜止衛(wèi)星、1 顆在軌備份衛(wèi)星、中心控制系統(tǒng)、標(biāo)校系統(tǒng)和各類用戶機(jī)等部分組成[1]。北斗衛(wèi)星短信服務(wù)是北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)提供的一種特有的服務(wù)，作為一種新興的通信方式，有很大優(yōu)勢，抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)從發(fā)送到接收不超過 3 s，實(shí)時(shí)性高[2]。因此在原有系統(tǒng) GSM短信信道的基礎(chǔ)上，選擇北斗衛(wèi)星通信信道作為系統(tǒng)的另外一種主通信信道。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前民用的北斗衛(wèi)星通信有以下特點(diǎn)和使用約束：

1）北斗衛(wèi)星短信報(bào)文的服務(wù)頻度一般是 60 s，也就是同一個(gè)北斗衛(wèi)星終端在每 2 次短報(bào)文通信或者定位服務(wù)時(shí)間間隔至少要超過 60 s。服務(wù)頻度也可以申請(qǐng)到 30 s，但是費(fèi)用要高一些。

2）1 條短信報(bào)文的長度由向經(jīng)銷商申請(qǐng)的 SIM卡級(jí)別而定，比如 3 級(jí)卡最多發(fā)送 78.5 個(gè)字節(jié)；4 級(jí)卡最多可以發(fā)送 96 個(gè)字節(jié)。

3）由于使用地球同步軌道衛(wèi)星進(jìn)行通信，北斗衛(wèi)星終端的安裝地點(diǎn)必須保證正南方?jīng)]有阻擋物，否則將接收不到信號(hào)。

4）民用北斗衛(wèi)星通信發(fā)送報(bào)文沒有“確認(rèn)”機(jī)制，當(dāng)向北斗衛(wèi)星終端提交 1 條短信報(bào)文時(shí)，僅僅收到衛(wèi)星終端發(fā)送的回執(zhí)，而不能收到衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)送的確認(rèn)回執(zhí)。

白龜山水庫遙測系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖如圖1 所示。改造原有遙測系統(tǒng)，在原有系統(tǒng)基礎(chǔ)上保留 GSM 短信信道，增加北斗衛(wèi)星通信信道?？紤]到北斗衛(wèi)星報(bào)文和 GSM 短信通信的特點(diǎn)和計(jì)費(fèi)方式，設(shè)計(jì)如下數(shù)據(jù)通信方式：遙測數(shù)據(jù)第一目的地采用 GSM 短信信道發(fā)送到河南省水文局，與原有遙測系統(tǒng)保持兼容；遙測站第二目的地采用北斗衛(wèi)星作為主信道將雨水情數(shù)據(jù)發(fā)送到白龜山水庫管理局，這 2 種通信信道發(fā)送的數(shù)據(jù)是一樣的。白龜山水庫管理局中心站采用 2 種方式接收遙測系統(tǒng)數(shù)據(jù)：1）通過水利信息網(wǎng)絡(luò)從省中心接收共享數(shù)據(jù)；2）通過北斗衛(wèi)星終端接收各遙測站發(fā)送的北斗衛(wèi)星短信報(bào)文數(shù)據(jù)。

采用這種設(shè)計(jì)方式的特點(diǎn)主要有：

1）從遙測站來看，這 2 種通信信道并不是互為備份，而是同時(shí)作為系統(tǒng)的主信道，發(fā)送相同的信息。

2）數(shù)據(jù)冗余，在系統(tǒng)信道良好的狀況下，同樣的數(shù)據(jù)，中心站通過不同信道接收到完全相同的2 份，互為補(bǔ)充和驗(yàn)證，極大地提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，同時(shí)也保證了數(shù)據(jù)的完整性。

3）中心站服務(wù)器擁有 2 個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫，存放通過 2 種不同信道接收的遙測信息，互為補(bǔ)充。

圖1 白龜山水庫遙測系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖

2 系統(tǒng)建設(shè)

2.1 單雨量遙測站建設(shè)

系統(tǒng)原有單雨量遙測站 9 個(gè)，遙測終端機(jī)采用淮河水委員會(huì)水文局研發(fā)的 WATER-2000C，WATER-2000C 內(nèi)嵌 GSM Modem 通信模塊和太陽能充電控制電路，用以發(fā)送接收 GSM 短信息和蓄電池充放電控制，每個(gè)遙測站供電系統(tǒng)由 1 塊 6 W 太陽能板和 1 塊 7 A?h/12 V 蓄電池構(gòu)成。

每個(gè)遙測站需要增加 1 個(gè)北斗衛(wèi)星終端，并申請(qǐng) 1 張 3 級(jí)用戶卡，系統(tǒng)由于增加了北斗衛(wèi)星終端的功耗，因此遙測站原有的供電系統(tǒng)也需要改造，更換遙測站的太陽能板功率為 20 W，蓄電池更換為20 A?h /12 V 容量的蓄電池[3]。

WATER-2000C 遙測終端機(jī)擁有 1 個(gè)獨(dú)立的RS-232 接口，采用該接口與北斗衛(wèi)星終端連接，由WATER-2000C 控制北斗衛(wèi)星終端的供電和運(yùn)行。為了節(jié)省功耗，北斗衛(wèi)星終端采用掉電方式運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)在值守狀態(tài)下，北斗衛(wèi)星終端不帶電，當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，遙測終端機(jī)將其進(jìn)行上電，發(fā)送報(bào)文成功后，北斗衛(wèi)星終端立即掉電。

當(dāng)有雨情時(shí)，達(dá)到發(fā)送門限后，遙測終端機(jī)WATER-2000C 形成 1 份報(bào)文，同時(shí)通過 GSM 短信和北斗衛(wèi)星通信信道發(fā)送，由于這 2 種通信方式物理上占用遙測終端機(jī)的不同通信接口，在“實(shí)時(shí)多任務(wù)”的程序設(shè)計(jì)機(jī)制下，這 2 種“通信任務(wù)”同時(shí)發(fā)生，并不是按先后順序進(jìn)行，這種設(shè)計(jì)方式極大地提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性，減少了通信運(yùn)行時(shí)間，節(jié)省了系統(tǒng)功耗。

2.2 雨量水位短傳遙測站建設(shè)

白龜山水庫所屬白龜山、米灣、彭河3 個(gè)雨量水位遙測站原有水位數(shù)據(jù)是采用“無線短傳方式”實(shí)現(xiàn)，無線短傳設(shè)備是由淮河水委員會(huì)水文局研發(fā)的無線短傳從站 WATER-2000C-DCT 和主站 WATERYDH-2000D 組成，該無線短傳設(shè)備完全兼容 WATER-2000C 所有的功能，并增加了“無線短傳”功能。以白龜山遙測站為例，其組網(wǎng)方式如下：

雨量觀測場在白龜山水文站，而水位測點(diǎn)在水庫壩上，兩者之間距離有 3～4 km。白龜山水文站安裝 1 套遙測短傳主站 WATER-YDH-2000D，水庫壩上安裝1 套短傳從站 WATER-2000C-DCT，短傳從站采集壩上水位數(shù)據(jù)，通過超短波信道將數(shù)據(jù)發(fā)送到短傳主站，短傳主站接收到水位數(shù)據(jù)后，和雨量數(shù)據(jù)一起采用 GSM 短信信道發(fā)送到河南省水文局。短傳主站電源系統(tǒng)由 1 塊 20 W 太陽能板和 1 塊 38 A?h /12 V蓄電池構(gòu)成。

另外，白龜山水文站配置了 1 臺(tái)計(jì)算機(jī)與短傳主站 WATER-YDH-2000D 通過 RS232 接口相連接，用以提取短傳主站的實(shí)時(shí)雨量水位數(shù)據(jù)，構(gòu)成 1 個(gè)遙測分中心，計(jì)算機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)解碼入庫，用以歷史和實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)的保存、修改和查詢。

本次升級(jí)改造建設(shè)，為每 1 個(gè)遙測短傳主站增加 1 臺(tái)北斗衛(wèi)星終端，并申請(qǐng) 1 張 3 級(jí)用戶卡；為了增加系統(tǒng)的續(xù)航能力，更換主站電源配置為 40 W太陽能板和 65 A?h /12 V 蓄電池。

短傳主站設(shè)備WATER-YDH-2000D 有 4 個(gè)獨(dú)立的串行通信接口與以下設(shè)備相連接：超短波電臺(tái)（接收短傳水位）、北斗衛(wèi)星終端、計(jì)算機(jī)（分中心）、GSM Modem。其中超短波電臺(tái)和 GSM Modem模塊內(nèi)嵌集成到 WATER-YDH-2000D 設(shè)備內(nèi)部。

因此，當(dāng)雨水情信息來臨時(shí)，達(dá)到發(fā)送門限后，短傳主站形成報(bào)文，分別以 3 種不同通信信道向 3 個(gè)目的地發(fā)送數(shù)據(jù)[4]：

1）通過 GSM Modem 發(fā)送遙測短信數(shù)據(jù)到河南省水文局；

2）通過北斗衛(wèi)星終端發(fā)送遙測數(shù)據(jù)到白龜山水庫管理局；

3）通過 RS-232 接口以有線方式發(fā)送數(shù)據(jù)到分中心計(jì)算機(jī)。

由于這 3 種通信方式物理上占用終端機(jī)不同的通信接口，在終端機(jī)“實(shí)時(shí)多任務(wù)”的程序設(shè)計(jì)機(jī)制下，這 3 種“通信任務(wù)”同時(shí)發(fā)生，發(fā)送的數(shù)據(jù)是相同的。

2.3 中心站數(shù)據(jù)接收

白龜山水庫管理局中心站數(shù)據(jù)接收通過 2 種方式實(shí)現(xiàn)：

1）白龜山水庫管理局安裝 1 臺(tái)北斗衛(wèi)星終端，通過 RS-232 接口以有線方式連接到服務(wù)器計(jì)算機(jī)上，服務(wù)器安裝北斗衛(wèi)星終端數(shù)據(jù)接收軟件，值守運(yùn)行，用以接收遙測站通過北斗衛(wèi)星終端發(fā)送的短信報(bào)文。

2）服務(wù)器安裝河南省水文局提供的遙測數(shù)據(jù)共享軟件，通過水利信息網(wǎng)接收河南省水文局共享的的遙測數(shù)據(jù)。

這 2 種方式接收的遙測數(shù)據(jù)完全是相同的，互為補(bǔ)充和驗(yàn)證。

3 系統(tǒng)運(yùn)行與完善

3.1 系統(tǒng)改進(jìn)完善

2013—2014 年，白龜山水庫水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)改造工程分 2 期共改造建設(shè) 9 個(gè)雨量遙測站和 3 個(gè)雨量水位短傳遙測站。經(jīng)過近 1 年時(shí)間的運(yùn)行，總體運(yùn)行狀況良好，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和完整性較以前單一的接收方式有很大提高。

但是在實(shí)際運(yùn)行中，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中心站采用計(jì)算機(jī)連接北斗衛(wèi)星終端接收遙測站數(shù)據(jù)的接收方式，存在一定的隱患：

1）北斗衛(wèi)星終端在接收到短信報(bào)文后，不提供短信暫存的功能，而是直接通過 RS-232 串口發(fā)送出去，如果計(jì)算機(jī)沒有接收到，就會(huì)丟失數(shù)據(jù)，沒有再次接收的機(jī)會(huì)。

2）如果中心站服務(wù)器因?yàn)橛布收稀C(jī)房停電、系統(tǒng)崩潰等原因停機(jī)，那么系統(tǒng)就會(huì)丟失遙測站通過北斗衛(wèi)星發(fā)送的報(bào)文。

3）由于中心站服務(wù)器采用交流電供電，即使配置大容量的 UPS，不能保證在極端自然災(zāi)害情況下機(jī)房斷電長時(shí)間運(yùn)行。綜合考察整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性，中心站的性能是一個(gè)瓶頸，嚴(yán)重拉底了系統(tǒng)的續(xù)航和抵御自然災(zāi)害的能力。

因此，為了消除系統(tǒng)隱患，提高系統(tǒng)整體穩(wěn)定可靠性，重新設(shè)計(jì)中心站數(shù)據(jù)接收方式如下：

1）建設(shè)通信前置機(jī) FIU（Forward Interface Unit）連接北斗衛(wèi)星終端，用以接收北斗衛(wèi)星終端的數(shù)據(jù)。前置機(jī) FIU 是一種特殊設(shè)計(jì)的終端機(jī)，穩(wěn)定可靠性比計(jì)算機(jī)有很大提高，功耗比較低。

2）服務(wù)器計(jì)算機(jī)通過串口與前置機(jī) FIU 相連。前置機(jī)在接收到北斗衛(wèi)星終端的短信報(bào)文后，暫存在內(nèi)存中，等待服務(wù)器計(jì)算機(jī)進(jìn)行提取，計(jì)算機(jī)定時(shí)將報(bào)文數(shù)據(jù)提取出來，解碼入庫。

3）前置機(jī) FIU 采用大容量蓄電池進(jìn)行供電，系統(tǒng)續(xù)航能力強(qiáng)，在沒有外部充電的條件下，可堅(jiān)持運(yùn)行 15 d 以上。

3.2 系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性

采用前置機(jī) FIU 連接北斗衛(wèi)星終端接收短信報(bào)文數(shù)據(jù)的這種方式，即使服務(wù)器關(guān)閉一段時(shí)間，遙測數(shù)據(jù)都暫存在前置機(jī)內(nèi)存中，當(dāng)服務(wù)器恢復(fù)運(yùn)行時(shí)，仍然能夠?qū)⑦b測數(shù)據(jù)全部提取出來，不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的狀況。實(shí)踐證明，中心站通過北斗衛(wèi)星信道 1 次收集全系統(tǒng)遙測站定時(shí)報(bào)北斗衛(wèi)星短信報(bào)文數(shù)據(jù)，不超過 3 min。

通過以上改進(jìn)措施，整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性和續(xù)航能力得到極大增強(qiáng)，2014 年 8 月白龜山水庫管理局水情科進(jìn)行了為期 1 周的在極端天氣下、中心站完全停電、移動(dòng)信號(hào)和網(wǎng)絡(luò)全部中斷的緊急情況遙測系統(tǒng)預(yù)演習(xí)，演習(xí)過程中，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況良好，演習(xí)后查看系統(tǒng)運(yùn)行日志和審查原始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)完整性和實(shí)時(shí)性都得到保障。

目前北斗衛(wèi)星短信報(bào)文服務(wù)收費(fèi)采用年費(fèi)制，在繳納 1 年的費(fèi)用后，發(fā)送短信報(bào)文的數(shù)目不受限制，因此，在年降雨量比較大或者水位變化比較頻繁的遙測站，采用北斗衛(wèi)星短信報(bào)文上報(bào)雨水情數(shù)據(jù)，經(jīng)濟(jì)性較好。

通過遙測站增加北斗衛(wèi)星通信信道和完善中心站數(shù)據(jù)接收方式，遙測站水情數(shù)據(jù)的傳輸不再受制于當(dāng)?shù)赝ㄐ艞l件，成功率有很大提高，同時(shí)，中心站也在保持原有數(shù)據(jù)接收方式的基礎(chǔ)上，增加了北斗衛(wèi)星信道接收方式，使得整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性得到極大增強(qiáng)。

4 結(jié)語

白龜山水庫遙測系統(tǒng)北斗衛(wèi)星信道建設(shè)在原有系統(tǒng)基礎(chǔ)上擴(kuò)展功能，通過增加北斗衛(wèi)星終端，并配置合適的蓄電池和太陽能板建設(shè)而成，與原有系統(tǒng)投資相比，備用信道系統(tǒng)建設(shè)費(fèi)用較低，系統(tǒng)整體可靠性得到極大提高。

實(shí)踐證明，白龜山水庫水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)以GSM 短信和北斗衛(wèi)星通信作為雙信道的建設(shè)方案是成功可行的，系統(tǒng)完全可以不依靠當(dāng)?shù)毓餐ㄐ刨Y源獨(dú)立運(yùn)行，系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性和抵抗自然災(zāi)害能力得到極大增強(qiáng)。白龜山水庫水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)作為河南省首批成功以北斗衛(wèi)星通信信道作為系統(tǒng)主通信信道的遙測系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)傳輸方式、前置機(jī)數(shù)據(jù)接收、續(xù)航能力建設(shè)等方面作出的實(shí)踐性探索，對(duì)河南省乃至淮河流域水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)雙信道建設(shè)有著很好的借鑒意義。

[1] 孟憲偉，范曉東.北斗衛(wèi)星通信在自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用[J].衛(wèi)星應(yīng)用，2014,27 (3): 32-34.

[2] 劉堯成，華小軍，韓友平.北斗衛(wèi)星通信在水文測報(bào)數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用[J].人民長江，2007,38 (10): 120-121.

[3] 中華人民共和國水利部.SL61-2003 水文自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2003: 8-11.

[4] 中華人民共和國水利部.SL651-2014 水文檢測數(shù)據(jù)通信規(guī)約[S].北京：中國水利水電出版社，2014: 8-9.

The Beidou Navigation Satellite System (BDS) Communication Channel Construction for Remote Monitoring System of Baiguishan Reservoir

XIONG Qilong1,LIU Yongqiang2,XU Zhangyao2,GUO Guangtao3

(1.Hydrologic Bureau of the Huaihe River Commission,Bengbu 233002,China;
2.Management Bureau Baiguishan Reservoir,Pingdingshan 467000,China;
3.Hydrologic Bureau in Pingdingshan City,Pingdingshan 467000,China)

In view of the current situation of automatic hydrologic information measuring and reporting system in Baiguishan Reservoir of Henan province,this paper presents the system upgrading scheme with two channels of SMS and satellite as main channels at the same time.It greatly enhances the system reliability and the ability of resisting natural disasters,and solves the problem of the abnormal operation of the system under some extreme conditions of continuous overcast and rainy weather,AC power or network disconnecting.Its successful application in using the Beidou communication channel sets up a good example for constructing other automatic hydrologic information measuring and reporting systems.

automatic system of hydrologic information collection and transmission;message channel;Beidou satellite communication channel;dual channel

TV697；TN927

A

1674-9405(2015)01-0051-04

2014-08-28

熊啟龍（1979－），男，安徽臨泉人，高級(jí)工程師，主要從事水利水文自動(dòng)化和水文自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)的研發(fā)、管理和應(yīng)用維護(hù)工作。