徐章耀

(河南省白龜山水庫管理局， 河南 平頂山 467031)

基于北斗衛(wèi)星通信信道的水雨情測(cè)報(bào)系統(tǒng)在白龜山水庫的應(yīng)用

徐章耀

(河南省白龜山水庫管理局， 河南 平頂山 467031)

2013—2014年白龜山水庫對(duì)原有的水雨情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)改造，建設(shè)了以GSM短信和北斗衛(wèi)星兩種信道同時(shí)作為系統(tǒng)主信道的水雨情測(cè)報(bào)系統(tǒng)。水雨情信息可以同時(shí)通過GSM短信和北斗衛(wèi)星兩種方式。分別傳輸至不同的服務(wù)器，通過北斗衛(wèi)星直接傳輸至白龜山水庫服務(wù)器，通過GSM短信傳輸至河南省水情信息中心，再通過有線網(wǎng)絡(luò)傳輸至白龜山水庫服務(wù)器，因此極大地增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和抵抗自然災(zāi)害能力，解決了在連續(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。

水雨情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)； GSM短信信道； 北斗衛(wèi)星通信信道； 白龜山水庫

1 白龜山水庫水雨情測(cè)報(bào)系統(tǒng)概述

白龜山水庫位于淮河流域沙潁河水系沙河干流上，壩址位于河南省平頂山市西南郊，距平頂山市中心9km，是一座集防洪、城市供水、農(nóng)業(yè)灌溉為一體的大(2)型綜合利用水利工程。水庫控制沙河流域面積2740km2，其中昭平臺(tái)以上1430km2，昭平臺(tái)、白龜山水庫間流域面積1310km2。水庫于1958年動(dòng)工，1966年竣工，“75·8”大水后，進(jìn)行了度汛加固，1998年10月開始對(duì)水庫進(jìn)行全面的除險(xiǎn)加固，2006年底完工。工程由攔河壩、順河壩、北副壩、攔洪閘、泄洪閘、北干渠首閘、南干渠首閘等主要建筑物組成。防洪標(biāo)準(zhǔn)按100年一遇設(shè)計(jì)，2000年一遇校核，設(shè)計(jì)洪水位106.19m，校核洪水位109.56m，興利水位103.00m，汛限水位102.00m，死水位97.5m，總庫容9.22億m3，興利庫容2.36億m3，死庫容0.66億m3。多年平均降雨量約900mm，多年平均徑流量4.03億m3。

白龜山水庫原來的水雨情測(cè)報(bào)系統(tǒng)采用河南省水文系統(tǒng)的站網(wǎng)，共布設(shè)12個(gè)雨量遙測(cè)站和3個(gè)水位遙測(cè)站，雨量遙測(cè)站分別為白龜山、達(dá)店、二道廟、熊背、澎河、白村、魯山、米灣、大營(yíng)、梁洼、寶豐、薛莊，水位遙測(cè)站分別為白龜山、澎河和米灣。遙測(cè)站采用中國(guó)移動(dòng)GSM短信作為主信道，白龜山水庫通過河南省水利內(nèi)網(wǎng)接收數(shù)據(jù)，過程為：報(bào)汛站—基站—移動(dòng)通信公司水情數(shù)據(jù)短信服務(wù)器—河南省中心—白龜山水情分中心。

北斗衛(wèi)星通信信道作為一種新興的通信方式，具有很大優(yōu)勢(shì)，抗干擾能力強(qiáng)，由于其采用L/S頻度，基本沒有雨衰現(xiàn)象，數(shù)據(jù)從發(fā)送到接收不超過3s，實(shí)時(shí)性高。為提高系統(tǒng)穩(wěn)定可靠性和減少對(duì)公共通信資源的依賴，增強(qiáng)系統(tǒng)抵抗自然災(zāi)害的能力，2013—2014年對(duì)白龜山水庫原設(shè)備進(jìn)行了升級(jí)改造，在原有遙測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了北斗衛(wèi)星通信信道，遙測(cè)數(shù)據(jù)直接發(fā)往白龜山水庫，通過北斗衛(wèi)星終端接收數(shù)據(jù)的過程為：報(bào)汛站—北斗衛(wèi)星—白龜山分中心。

2 系統(tǒng)組網(wǎng)與信息流向

遙測(cè)終端采集雨量數(shù)據(jù)，處理后第一目的地是通過GSM短信發(fā)送到河南省水文局，河南省水文局接收數(shù)據(jù)進(jìn)數(shù)據(jù)庫的同時(shí)，分揀信息將白龜山水庫管理局需要的水庫上游雨情信息通過水利內(nèi)網(wǎng)共享到白龜山水庫管理局。

第二目的地通過北斗衛(wèi)星終端將雨量數(shù)據(jù)直接發(fā)送到白龜山水庫管理局，白龜山水庫管理局中心站配置前置機(jī)FIU和服務(wù)器，通過北斗衛(wèi)星終端接收各遙測(cè)站發(fā)送的雨量數(shù)據(jù)。

白龜山水庫管理局中心站通過兩種方式接收水位雨量數(shù)據(jù)：一是通過水利內(nèi)網(wǎng)從河南省水文局接收各遙測(cè)站數(shù)據(jù)；二是通過RS232串口連接前置機(jī)FIU及北斗衛(wèi)星終端接收各遙測(cè)站數(shù)據(jù)。這兩種方式接收的遙測(cè)數(shù)據(jù)完全相同，存入不同的數(shù)據(jù)庫，互為補(bǔ)充和驗(yàn)證，當(dāng)一種方式失效后，中心站仍能通過另外一種方式接收遙測(cè)數(shù)據(jù)[1]。白龜山水庫水雨情測(cè)報(bào)系統(tǒng)組網(wǎng)如圖1所示。

圖1 白龜山水庫水雨情測(cè)報(bào)系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖

3 系統(tǒng)基本配置

a. 白龜山水庫中心站:數(shù)據(jù)接收服務(wù)器、前置機(jī)FIU、北斗衛(wèi)星終端、大容量蓄電池、河南省水文局?jǐn)?shù)據(jù)共享軟件、北斗衛(wèi)星終端數(shù)據(jù)接收軟件以及遙測(cè)數(shù)據(jù)檢索軟件。

b. 雨量遙測(cè)站： 遙測(cè)終端機(jī)RTU、翻斗雨量計(jì)、太陽能板、北斗衛(wèi)星終端、北斗衛(wèi)星3級(jí)用戶卡、雨量桶、24AH/12V蓄電池。RTU采用水利部淮河水利委員會(huì)水文局研發(fā)的WATER-2000C，該設(shè)備集成度高，功耗低，內(nèi)部集成GSM MODEM、太陽能充電控制器，用以發(fā)送接收GSM短信息和蓄電池充放電控制，可通過標(biāo)準(zhǔn)接口連接翻斗雨量計(jì)、太陽能板，還通過1個(gè)獨(dú)立的RS232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。

c. 水位雨量遙測(cè)站：無線短傳從站W(wǎng)ATER-2000C-DCT、無線短傳主站W(wǎng)ATER-YDH-2000D、翻斗雨量計(jì)、水位計(jì)、太陽能板、北斗衛(wèi)星終端、北斗衛(wèi)星3級(jí)用戶卡、12V/65AH蓄電池。短傳主站W(wǎng)ATER-2000C-DCM為主設(shè)備，該設(shè)備除了具有WATER-2000C所有的功能，還可以通過超短波接收短傳從站W(wǎng)ATER-2000C-DCT超短波發(fā)送的水位信息。

遙測(cè)站組成見圖2。

圖2 遙測(cè)站組成

4 系統(tǒng)主要功能

4.1 中心站主要功能

白龜山水庫管理局中心站是遙測(cè)系統(tǒng)站點(diǎn)管理、系統(tǒng)維護(hù)的中樞單位，其主要任務(wù)是接收系統(tǒng)遙測(cè)數(shù)據(jù)并提供監(jiān)控管理功能。

a. 實(shí)時(shí)接收河南省水文局中心站通過水利內(nèi)網(wǎng)共享的遙測(cè)數(shù)據(jù)。

b. 通過前置機(jī)FIU連接北斗衛(wèi)星終端，實(shí)時(shí)接收各遙測(cè)通過北斗衛(wèi)星發(fā)送的遙測(cè)數(shù)據(jù)，并暫存到內(nèi)存Flash中。

c. 計(jì)算機(jī)定時(shí)將前置機(jī)FIU中的遙測(cè)數(shù)據(jù)下載，進(jìn)行解碼入庫。

d. 對(duì)由測(cè)站轉(zhuǎn)發(fā)的雨水情信息進(jìn)行解碼、合理性檢查、糾錯(cuò)，對(duì)有漏報(bào)、錯(cuò)誤的站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，并自動(dòng)生成修正報(bào)文，以補(bǔ)報(bào)或修正站點(diǎn)數(shù)據(jù)。

e. 雨水情數(shù)據(jù)庫能滿足監(jiān)測(cè)分中心數(shù)據(jù)查詢、報(bào)表輸出等業(yè)務(wù)應(yīng)用的要求，數(shù)據(jù)庫具有良好的維護(hù)功能。

f. 站點(diǎn)管理功能，能對(duì)所管轄的站點(diǎn)進(jìn)行召測(cè)、巡測(cè)、站點(diǎn)設(shè)備RTU的參數(shù)遠(yuǎn)程修改等功能。

4.2 遙測(cè)站主要功能

a. 具有自動(dòng)采集、固態(tài)存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)的功能。至少可以存儲(chǔ)一個(gè)雨量站和兩個(gè)水位站兩年的歷史數(shù)據(jù)；可以通過U盤將數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

b. 具有隨機(jī)自報(bào)功能。RTU通過傳感器，自動(dòng)采集數(shù)據(jù)；當(dāng)數(shù)據(jù)達(dá)到規(guī)定的變化量(0.5mm)時(shí)自動(dòng)發(fā)送信息給中心站。若本次發(fā)送失敗，下次發(fā)送的同時(shí)補(bǔ)發(fā)上次未發(fā)送成功的數(shù)據(jù)。

c. 定時(shí)自報(bào)功能。每日定時(shí)報(bào)送若干次數(shù)據(jù)和本站電池電壓，讓工作人員收集資料的同時(shí)了解設(shè)備的工作狀況。定時(shí)間隔可以通過本地/遠(yuǎn)程設(shè)置完成，目前設(shè)置的定時(shí)間隔為1h。

d. RTU配置有大屏幕LCD顯示器和鍵盤，可以通過鍵盤和LCD顯示器查看和設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)參數(shù)和水情參數(shù)。

e. 能同時(shí)支持GSM短信和北斗衛(wèi)星終端兩種通信信道；兩種“通信任務(wù)”同時(shí)發(fā)生，不分先后。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，只有當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，遙測(cè)終端機(jī)將其上電，發(fā)送報(bào)文成功后，北斗衛(wèi)星終端立即掉電。

f. 具有現(xiàn)場(chǎng)告警功能。當(dāng)遙測(cè)終端出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，能立即在中心站和遙測(cè)站提示并用紅色予以提醒。

g. 具有測(cè)試工作狀態(tài)功能。保證在檢修和維護(hù)過程中，水情測(cè)量數(shù)據(jù)不進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)的固態(tài)存儲(chǔ)器和中心的水情數(shù)據(jù)庫。

4.3 軟件主要功能

a. 共享數(shù)據(jù)接收軟件功能：河南省水文局中心數(shù)據(jù)接收入庫、監(jiān)控報(bào)警、數(shù)據(jù)庫管理、站點(diǎn)管理維護(hù)和實(shí)時(shí)召測(cè)、巡測(cè)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)導(dǎo)入。

b. 北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收軟件主要功能：?服務(wù)器安裝北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收軟件，通過RS232串口連接前置機(jī)FIU，定時(shí)接收各遙測(cè)站發(fā)送的雨水情數(shù)據(jù)；完成一次系統(tǒng)所有遙測(cè)站數(shù)據(jù)采集的時(shí)間不超過5min；?對(duì)所接收全部遙測(cè)信息進(jìn)行解碼、合理性檢查、糾錯(cuò)，并按要素分類存入數(shù)據(jù)庫；?建立實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫，及時(shí)將從北斗衛(wèi)星信道接收的雨水情信息進(jìn)行譯電、處理，保存進(jìn)入數(shù)據(jù)庫；?具有對(duì)遙測(cè)站工作狀態(tài)監(jiān)控的功能，包括時(shí)鐘校準(zhǔn)、電源低壓報(bào)警、事故記錄及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)報(bào)警功能等；?具有數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)圖表化功能；?具有數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理、維護(hù)功能；?具有人工錄入?yún)?shù)、雨量插補(bǔ)功能；?具備修改站號(hào)、站名及添加新站的能力。

5 北斗衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)方式

系統(tǒng)采用北斗衛(wèi)星民用普通型智能IC卡，IC卡頻度為60s，通信等級(jí)為3級(jí)，收費(fèi)實(shí)行年費(fèi)制，即在繳納一年的費(fèi)用后，發(fā)送短信報(bào)文的數(shù)目不受限制。目前白龜山水庫水雨情自動(dòng)測(cè)報(bào)北斗衛(wèi)星系統(tǒng)在無雨時(shí)每小時(shí)自動(dòng)發(fā)送兩條信息，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行，有雨時(shí)當(dāng)數(shù)據(jù)達(dá)到規(guī)定的變化量(0.5mm)時(shí)自動(dòng)發(fā)送信息。

在采用GSM短信通信時(shí)，采用的確認(rèn)機(jī)制為：當(dāng)遙測(cè)站發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，移動(dòng)基站給系統(tǒng)以“確認(rèn)信息”，遙測(cè)站在接收到該“確認(rèn)信息”后，認(rèn)為該數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送成功；如果沒有接收到，下次重新發(fā)送。但在采用北斗衛(wèi)星信道發(fā)起通信時(shí)，由于北斗衛(wèi)星提供給民用的通信級(jí)別比較低，不提供“系統(tǒng)確認(rèn)回執(zhí)”功能，所以采取同一條短信報(bào)文發(fā)送兩次的方法，以提高通信成功率。

6 系統(tǒng)完善與改進(jìn)

2013年，白龜山水庫水雨情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)改造工程一期升級(jí)改造了8個(gè)雨量遙測(cè)站，增加了北斗衛(wèi)星通信信道，經(jīng)過一個(gè)汛期的運(yùn)行，系統(tǒng)基本穩(wěn)定，但系統(tǒng)運(yùn)行期間，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在一定的隱患：系統(tǒng)中心站服務(wù)器是直接連接在北斗衛(wèi)星終端上接收遙測(cè)站數(shù)據(jù)，而北斗衛(wèi)星終端在接收到短信報(bào)文后，沒有短信暫存的功能，而是直接通過RS232串口發(fā)送到服務(wù)器，因此，如果中心站服務(wù)器因?yàn)闄C(jī)房停電、硬件故障和系統(tǒng)崩潰等原因停機(jī)，那么系統(tǒng)就會(huì)丟失遙測(cè)站通過北斗衛(wèi)星發(fā)送的報(bào)文，服務(wù)器重啟后不能再次接收以前的數(shù)據(jù)。

為了消除系統(tǒng)隱患，提高系統(tǒng)整體穩(wěn)定可靠性，在2014年的水雨情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)升級(jí)改造二期工程中對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)：中心站增加一臺(tái)通信前置機(jī)FIU(Forward Interface Unit)，前置機(jī)FIU通過串口分別與北斗衛(wèi)星終端和中心站服務(wù)器連接，北斗衛(wèi)星終端接收到遙測(cè)站的短信報(bào)文后，通過RS232串口發(fā)送到前置機(jī)FIU，并暫存在其內(nèi)存Flash中，中心站服務(wù)器定時(shí)將報(bào)文數(shù)據(jù)提取出來，解碼入庫。前置機(jī)FIU供電系統(tǒng)是直接通過交流充電控制器連接100AH蓄電池采用220V交流電進(jìn)行供電，因此，即使在中心站停電的情況下，12V/100AH蓄電池也可讓前置機(jī)FIU運(yùn)行15 天以上，這樣即使中心站服務(wù)器停機(jī)，當(dāng)服務(wù)器重新運(yùn)行后，仍然能夠?qū)⑦b測(cè)數(shù)據(jù)全部提取出來，不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況。

7 系統(tǒng)運(yùn)行

新購(gòu)置了一套u(yù)ps給服務(wù)器供電，雖然期間也經(jīng)歷過中心站短時(shí)間停電，由于有ups給服務(wù)器供電，因此服務(wù)器沒有出現(xiàn)停機(jī)等現(xiàn)象，遙測(cè)站通過北斗衛(wèi)星傳輸?shù)挠炅啃畔]有出現(xiàn)丟失的情況。

中心站新增前置機(jī)FIU。在2014—2016年的運(yùn)行中，系統(tǒng)正常穩(wěn)定，從來沒有出現(xiàn)故障，也證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。當(dāng)然這跟平時(shí)對(duì)系統(tǒng)經(jīng)常維護(hù)也有一定關(guān)系，每年汛前、汛中、汛后都要對(duì)遙測(cè)站點(diǎn)和系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)。為了考驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還分別于2014年8月10日—16日和2016年5月20日—30日進(jìn)行了遙測(cè)系統(tǒng)在極端天氣下、中心站完全停電、移動(dòng)信號(hào)完全中斷、網(wǎng)絡(luò)全部中斷的緊急情況預(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[2]。

8 結(jié) 語

白龜山水庫水雨情測(cè)報(bào)系統(tǒng)升級(jí)改造工程經(jīng)過兩年一、二期建設(shè)全部完成。經(jīng)過4年運(yùn)行，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，特別是通過增加北斗衛(wèi)星通信信道和完善中心站數(shù)據(jù)接收方式，遙測(cè)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，整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性得到極大增強(qiáng)。

實(shí)踐證明，以GSM短信和北斗衛(wèi)星兩種信道同時(shí)作為系統(tǒng)主信道的白龜山水庫水雨情測(cè)報(bào)系統(tǒng)是可靠的，而且系統(tǒng)可以不依靠公共通信資源獨(dú)立運(yùn)行，因此當(dāng)遭遇較大洪澇災(zāi)害，移動(dòng)電話、有線電話等公共通信中斷的情況下，系統(tǒng)依然可以通過北斗衛(wèi)星接收到水雨情信息，為水庫科學(xué)調(diào)度提供強(qiáng)有力的支持。

[1] 白龜山水庫管理局，安徽沃特水務(wù)科技有限公司.白龜山水庫雨量遙測(cè)升級(jí)改造工程驗(yàn)收?qǐng)?bào)告[R].北京：2014.

[2] 熊啟龍，劉永強(qiáng)，徐章耀，等.白龜山水庫遙測(cè)系統(tǒng)北斗衛(wèi)星信道建設(shè)[J].水利信息化，2015(1)：51-54.

Application of water rainfall regime telemetry system in Baiguishan Reservoir based on Beidou satellite communication channel

XU Zhangyao

(HenanAdministrationofBaiguishanReservoir,Pingdingshan467031,China)

Baiguishan Reservoir upgraded and transformed the original water rainfall regime automatic telemetry system in 2013 and 2014. The water rainfall regime telemetry system with two channels as main channels of the system is constructed, including GSM sort message and Beidou satellite. Water and rainfall regime information can be transmitted through two modes of GSM short message and Beidou satellite at the same time, which is respectively transmitted to different servers. It is directly transmitted to Baiguishan Reservoir server through Beidou satellite, to Henan hydrologic data center through GSM short message, and to Baiguishan Reservoir server through cable networks, thereby enhancing the stability, reliability and ability to resist natural disasters of the system greatly, and solving the problem of incapable independent and normal operation by the system under extreme conditions of continuous rainy weather, alternating current power failure, network interruption, etc.

water rainfall regime telemetry system; GSM short message channel; Beidou satellite communication channel

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.06.008

TV211.2

A

2096-0131(2017)06- 0031- 04