水資源管理是當今世界最具發(fā)展活力和潛力的產(chǎn)業(yè)之一，水資源管理的突出特征是管理范圍廣泛、監(jiān)測信息分散。隨著計算機和通信技術的不斷發(fā)展，信息化技術手段日益更新完善。越來越多的國家和地區(qū)將信息化手段應用于水資源日常和應急管理當中，建立和完善以供、用、排水實時監(jiān)測設施為基礎、通訊系統(tǒng)為保障、計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)為依托、決策支持系統(tǒng)為核心的水資源實時監(jiān)測管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對水資源的實時監(jiān)測、實時調度和實時管理，逐步達到“信息采集自動化、傳輸網(wǎng)絡化、信息資源數(shù)字化、管理現(xiàn)代化、決策科學化”的目標，從而提高水資源的管理能力。

一、監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)狀

據(jù)現(xiàn)場勘查調研，安徽省內來安縣、鳳臺縣、定遠縣、蚌埠閘、六安市淠史杭管理局等地已建取水在線監(jiān)測系統(tǒng)，數(shù)據(jù)存儲于機房存儲或PC機。由于已建系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一設計，各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫表設計不同，監(jiān)測的目標要素各異，數(shù)據(jù)制式亦不規(guī)范，導致所建取水監(jiān)測數(shù)據(jù)無法直接共享接入。與對于此類監(jiān)測系統(tǒng)，此前均采用重建系統(tǒng)或取水計量監(jiān)測站的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)控。前者是拋棄已有系統(tǒng)，按照國家水資源監(jiān)控能力建設項目辦制定的標準，重新設計數(shù)據(jù)庫庫表及系統(tǒng)軟件；后者是避開已建系統(tǒng)，重新安裝計量及監(jiān)測設備。兩種方案均會導致資源的大量浪費，且新舊系統(tǒng)數(shù)據(jù)源不一致，統(tǒng)計周期也存在不同，常會出現(xiàn)數(shù)據(jù)不匹配的現(xiàn)象，嚴重影響水資源取用水監(jiān)控項目建設和最嚴格水資源管理工作的開展。本文針對此類問題提出的基于虛擬儀表的水資源實時監(jiān)測技術，實現(xiàn)了異構平臺間的數(shù)據(jù)共享互聯(lián)，解決非標準系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享的技術難題。

二、總體結構

利用計算機軟件技術，采用虛擬下位儀表數(shù)據(jù)采集的方式，將已建平臺取水監(jiān)測數(shù)據(jù)共享虛擬成普通取水遙測終端RTU的下位儀表采集數(shù)據(jù)，不僅實現(xiàn)非標準監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的兼容，且可滿足對已有系統(tǒng)的運行狀態(tài)監(jiān)控。虛擬下位儀表軟件模塊安裝于已建取水企業(yè)監(jiān)控平臺，其與省級中心監(jiān)控平臺通信可通過無線網(wǎng)絡或者專網(wǎng)連接方式。若通過無線網(wǎng)連接，則在已建平臺處增配GPRS等通信裝置，GPRS與已建平臺通過串口進行連接、與省級中心監(jiān)控平臺通過消息收發(fā)的方式進行通信。若已建平臺與省級中心監(jiān)控平臺間已有普通水利專網(wǎng)，則利用該網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與傳輸。系統(tǒng)總體結構參見圖1所示。

三、關鍵技術

圖1 基于虛擬下位儀表的水資源實時監(jiān)測系統(tǒng)總體結構圖

圖2 虛擬下位儀表中間件系統(tǒng)技術路線示意圖

基于虛擬下位儀表的水資源實時監(jiān)測技術核心是對虛擬下位儀表軟件的開發(fā)，主要有通用協(xié)議庫的預置、數(shù)據(jù)抓取流程的控制、虛擬RTU數(shù)據(jù)的采集以及數(shù)據(jù)的校驗與加密。虛擬下位儀表軟件主要運行技術路線見圖2所示。

1.通用協(xié)議庫的預置

虛擬下位儀表軟件以取水遙測終端RTU為虛擬對象，按照計量儀表的采集協(xié)議進行數(shù)據(jù)采集、編譯、傳輸。已建平臺數(shù)據(jù)庫中存儲有不同協(xié)議計量設備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)抓取前要進行流量協(xié)議的匹配，根據(jù)匹配的協(xié)議對來報碼進行解析，從而鎖定查詢的取水監(jiān)測站點數(shù)據(jù)。故虛擬下位儀表軟件需預置流量儀表的通用協(xié)議解析庫，該通用協(xié)議庫需囊括已建系列所有涉及的流量儀表協(xié)議。

2.數(shù)據(jù)抓取流程

虛擬下位儀表軟件與省級中心監(jiān)控平臺間采用統(tǒng)一編碼的命令——“來報碼”進行通信，它包括讀取數(shù)據(jù)類別、讀取取水監(jiān)測點的信息、下位儀表協(xié)議等，虛擬下位儀表軟件按照來報碼的指示開展數(shù)據(jù)抓取工作。

虛擬下位儀表軟件實時監(jiān)聽省級中心監(jiān)控平臺發(fā)送的來報碼，并對來報碼進行診斷，若來報碼為無效來報碼，繼續(xù)等待省級中心監(jiān)控平臺數(shù)據(jù)抓取命令；若來報碼為合法有效，軟件則對來報碼中的儀表通信進行匹配工作，匹配成功后則對來報碼根據(jù)選定的協(xié)議進行解析，解析后開展連接數(shù)據(jù)庫、取水點甄別、數(shù)據(jù)抓取等工作，其中每個環(huán)節(jié)出現(xiàn)錯誤均拋棄數(shù)據(jù)抓取，并將信息反饋至省級中心監(jiān)控平臺。

3.虛擬RTU數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)抓取后即進行數(shù)據(jù)標準轉換，并將數(shù)據(jù)按照水資源監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約（SZY206-2012）轉換成遙測終端RTU數(shù)據(jù)傳輸制式，從而實現(xiàn)非標準監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的RTU虛擬化。

4.數(shù)據(jù)校驗與加密

考慮到水資源取水數(shù)據(jù)的安全與準確傳輸，需要在系統(tǒng)軟件中對各類數(shù)據(jù)進行校驗和加密。對來報碼和預置協(xié)議庫的數(shù)據(jù)流均通過IEEE 754標準進行轉換和CRC校驗。

四、軟件功能設計

虛擬下位儀表按照簡潔實用的設計原則，在保證數(shù)據(jù)轉換的穩(wěn)定性、準確性的基礎上，將復雜的協(xié)議轉換算法及數(shù)據(jù)抓取流程等進行封裝，化繁為簡，簡化軟件操作界面，實現(xiàn)人機友好交互。

1.通信串口參數(shù)設置

虛擬下位儀表軟件運行后，可以自動讀取設備可用串口，并對擬選擇串口的基本通信參數(shù)進行設置，包括串口波特率、校驗位、停止位、數(shù)據(jù)位選擇等。

2.數(shù)據(jù)庫封裝與設置

虛擬下位儀表系統(tǒng)可兼容主流的Oracle、SQLServer2000、SQLServer2005、MySQL、Access等多種數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)將不同數(shù)據(jù)庫的連接方式進行了封裝，用戶可根據(jù)現(xiàn)場不同情況針對性地選擇。

選擇數(shù)據(jù)庫類型后，可以進行該數(shù)據(jù)庫的連接參數(shù)設置，包括登錄該數(shù)據(jù)庫的用戶名、密碼，帶讀取的取用水流量信息所在的數(shù)據(jù)庫信息、表信息等。

3.通信協(xié)議封裝與選擇

虛擬下位儀表系統(tǒng)除支持標準的ModBus通訊協(xié)議外，還對目前市場上部分廠家自定義協(xié)議進行了解析，包括大連海峰、大連銘友、南京亞楠等多種通訊協(xié)議，協(xié)議可根據(jù)系統(tǒng)中涉及的流量儀表協(xié)議進行增加或刪減。軟件對不同協(xié)議的解析算法進行封裝，用戶可直接通過 “工具—通訊協(xié)議”選項進行通訊協(xié)議的選擇。

4.數(shù)據(jù)監(jiān)聽

基礎數(shù)據(jù)設置后虛擬下位儀表系統(tǒng)即可實時監(jiān)聽上位機發(fā)來的數(shù)據(jù)抓取命令。

五、結語

取水實時監(jiān)測是最嚴格水資源管理的必行之路，本文提出的基于虛擬下位儀表的水資源取水實時監(jiān)測技術已經(jīng)在安徽省多家取水企業(yè)應用多年，未發(fā)現(xiàn)有病毒傳播或影響企業(yè)原系統(tǒng)穩(wěn)定的情況發(fā)生。由于采用物理隔離措施，數(shù)據(jù)單項傳輸，可以保證對取用水企業(yè)原有系統(tǒng)沒有任何干擾，有效解決了不同標準的平臺間數(shù)據(jù)共享互聯(lián)技術，具有較大的社會和經(jīng)濟效益