俞永江，王金燕，李 楠，馮 濤，潘春佑,苗 超

(1.自然資源部 天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192；2.天津市海躍水處理高科技有限公司,天津 300192)

1 前言

隨著水資源供需矛盾的持續(xù)加劇和海水淡化技術(shù)的日趨成熟，大規(guī)模地利用海水淡化生產(chǎn)淡水已成為共識(shí)[1-2]。近年來(lái)，我國(guó)海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，市場(chǎng)空間巨大，大型工程不斷涌現(xiàn)，對(duì)信息化管理系統(tǒng)的需求日益迫切。其原因主要有兩方面：一是大型工程的取排水影響、產(chǎn)品水安全及制水能耗等問(wèn)題引起社會(huì)關(guān)注，國(guó)內(nèi)尚未建立有效的監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)措施；二是大型工程基本由國(guó)外主導(dǎo)承建，國(guó)內(nèi)缺乏加工制造和運(yùn)行維護(hù)實(shí)踐[3]，迫切需要全面掌握工程運(yùn)行數(shù)據(jù)，不斷提高運(yùn)維管理水平。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可為海水淡化管理、評(píng)價(jià)及決策等提供全方位的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，是實(shí)現(xiàn)大型工程高效運(yùn)行和科學(xué)監(jiān)管的重要保障。

工業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般由一個(gè)監(jiān)控中心和若干個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組成[4]，通過(guò)各種通訊方式來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。組網(wǎng)通訊方式是整個(gè)系統(tǒng)的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到覆蓋能力、可靠性、實(shí)時(shí)性、建設(shè)及運(yùn)行成本等主要指標(biāo)?，F(xiàn)有的PSTN、ADSL、無(wú)線電臺(tái)、GPRS、WSN、衛(wèi)星及專(zhuān)線等通訊方式均具有局限性，對(duì)于復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)存在著各自缺陷[5]。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，利用有線、無(wú)線等異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和多樣化終端組成計(jì)算機(jī)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，為實(shí)現(xiàn)海量信息的采集、分析、處理和共享功能提供了有利條件。文章綜合應(yīng)用傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、多級(jí)網(wǎng)絡(luò)通訊、WebGIS等多項(xiàng)技術(shù)，建立了基于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的海水淡化遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，完成了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)獲取與管理、信息發(fā)布服務(wù)等研究和分析，對(duì)建立健全海水淡化運(yùn)行監(jiān)管體系、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面具有重要意義。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)介紹

物聯(lián)網(wǎng)是在計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用射頻識(shí)別(RFID)、無(wú)線數(shù)據(jù)通訊等技術(shù)，構(gòu)造一個(gè)覆蓋世界上萬(wàn)事萬(wàn)物的“Internet of things”[6]。物聯(lián)網(wǎng)主要有以下三個(gè)特征：一是互聯(lián)網(wǎng)特征；二是識(shí)別與通信特征；三是智能化特征。

物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)框架基本可分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層[7]，如圖1所示。其中，感知層由各種傳感器以及傳感器網(wǎng)關(guān)組成，主要是感知和識(shí)別物體，采集和捕獲相關(guān)信息，同時(shí)接受執(zhí)行相關(guān)指令。網(wǎng)絡(luò)層由互聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和云計(jì)算平臺(tái)等組成，主要是將信息進(jìn)行傳遞和處理，搭起感知層和應(yīng)用層的溝通橋梁。應(yīng)用層是由在感知層和網(wǎng)絡(luò)層的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)各種應(yīng)用軟件和信息系統(tǒng)組成，主要是針對(duì)不同的行業(yè)和需求開(kāi)發(fā)不同的應(yīng)用系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)智能化目標(biāo)。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Internet of Things architecture

3 總體建設(shè)方案

海水淡化遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)采集子站分布于沿海各地、海島或偏遠(yuǎn)地區(qū)，覆蓋范圍大，其氣候、供電及網(wǎng)絡(luò)覆蓋條件各有不同，需要適應(yīng)室外長(zhǎng)期采集工作和復(fù)雜多變的氣候環(huán)境?？紤]到需要上傳數(shù)據(jù)的穩(wěn)定、可靠、靈活等接入特性以及數(shù)據(jù)安全性等因素，故該方案采用RTU進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，通過(guò)GPRS、有線網(wǎng)絡(luò)、通訊衛(wèi)星等多種通訊方式進(jìn)行傳輸及控制。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 總體架構(gòu)圖Fig.2 Overall architecture diagram

海水淡化遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集子站部分主要由現(xiàn)場(chǎng)的RTU和網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備組成。RTU負(fù)責(zé)采集各種不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)、信息存儲(chǔ)處理和執(zhí)行操作命令，并與網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)指令通訊。網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)傳輸和通訊協(xié)議等，將RTU的通訊數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)發(fā)送到監(jiān)控中心，并保持在線連通，偵聽(tīng)接收監(jiān)控中心發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)指令，將所收發(fā)的各種信息迅速轉(zhuǎn)達(dá)給RTU。

4 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 數(shù)據(jù)的采集

數(shù)字量輸入采用RTU模塊上的RS-232、RS-485與其它數(shù)字終端通訊。常用的通訊設(shè)備包括變頻器、水質(zhì)分析儀、智能電表等。通訊協(xié)議由儀表生產(chǎn)廠家指定或?yàn)楦叨ㄖ苹腗ODBUS協(xié)議。Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言，完成控制器之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其它設(shè)備之間的通信功能。運(yùn)用RTU芯片模塊的可編程功能，與采集儀表數(shù)據(jù)并與儀表進(jìn)行通訊，在RTU芯片模塊匯編語(yǔ)言中配置通訊參數(shù)并進(jìn)行帶機(jī)測(cè)試，達(dá)到數(shù)據(jù)采集精度的、實(shí)時(shí)性的要求。

4.2 數(shù)據(jù)的接入

海水淡化遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際的子站建設(shè)中， CDMA(WCDMA、CDMA2000)/GPRS為最常用的網(wǎng)絡(luò)通訊接入方式，考慮其網(wǎng)絡(luò)信號(hào)環(huán)境、信號(hào)延時(shí)、以及費(fèi)用成本等指標(biāo)予以選型。以GPRS為例， GPRS采用分組交換技術(shù)，每個(gè)用戶可同時(shí)占用多個(gè)無(wú)線信道，同一無(wú)線信道又可以由多個(gè)用戶共享，資源被有效利用。使用GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分組發(fā)送和接收，用戶永遠(yuǎn)在線且按流量計(jì)費(fèi)，降低了服務(wù)成本，滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

4.3 數(shù)據(jù)傳輸

海水淡化子站主要由現(xiàn)場(chǎng)的RTU和DTU組成。RTU負(fù)責(zé)采集各種不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)、信息存儲(chǔ)處理和執(zhí)行操作命令，并與DTU進(jìn)行數(shù)據(jù)指令通訊。DTU負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)傳輸和通訊協(xié)議等，將RTU的通訊數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)發(fā)送到監(jiān)控中心，并保持在線連通，偵聽(tīng)接收監(jiān)控中心發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)指令，將所收發(fā)的各種信息迅速轉(zhuǎn)達(dá)給RTU。

4.3.1 數(shù)據(jù)傳輸格式

不論通過(guò)CDMA/GPRS、有線網(wǎng)絡(luò)、數(shù)傳電臺(tái)、通訊衛(wèi)星等介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)的傳輸都有統(tǒng)一的編碼格式，并運(yùn)行事先約定的數(shù)據(jù)驗(yàn)證加密方式。實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行的海水淡化設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、測(cè)量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類(lèi)信號(hào)報(bào)警等各項(xiàng)功能。以下為部分功能實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)包約定格式：

(1)時(shí)鐘授時(shí)，保障數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性

指令：DE 01 年月日周時(shí)分秒 check 5D

應(yīng)答：DE 01 年月日周時(shí)分秒 check 5D

(2)B定時(shí)上發(fā)數(shù)據(jù)包，保障及時(shí)獲得數(shù)據(jù)

指令：DE 15 check 5D

說(shuō)明：

15—功能碼：主動(dòng)上發(fā)數(shù)據(jù)

同當(dāng)前數(shù)據(jù)包的格式

(3)索要當(dāng)前數(shù)據(jù),不遺漏任何一組數(shù)據(jù)

指令：DE 00 check 5D

指令錯(cuò)誤時(shí)：無(wú)返回

指令正確時(shí)返回：

DE 07 check 5D

返回?cái)?shù)據(jù)格式說(shuō)明：

DE —RTU地址，默認(rèn)為0s；

07-功能碼：當(dāng)前數(shù)據(jù)；

-時(shí)間、開(kāi)關(guān)量DI、模擬量AI、485采集量；

check-校驗(yàn)碼；

5D -包尾

的解析

時(shí)間：5個(gè)字節(jié)(年、月、日、時(shí)、分，格式為BCD碼)

開(kāi)關(guān)量DI：2個(gè)字節(jié)

模擬量AI：44個(gè)字節(jié)(8路×3個(gè)字節(jié))

485采集量：36個(gè)字節(jié)

4.3.2 數(shù)據(jù)中心接受數(shù)據(jù)并回應(yīng)

海水淡化遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)海水淡化數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)量、遠(yuǎn)程參數(shù)調(diào)節(jié)、處理各類(lèi)信號(hào)報(bào)警等。數(shù)據(jù)中心由多任務(wù)軟件組成，每個(gè)任務(wù)完任務(wù)成特定的功能，如數(shù)據(jù)解碼、計(jì)算處理、量程轉(zhuǎn)換、報(bào)警檢查、事件記錄、歷史存儲(chǔ)、執(zhí)行宏腳本等工作。系統(tǒng)采用Internet技術(shù)和4G技術(shù)，配合軟件使用面向?qū)ο蟮腄ot Net技術(shù)，使系統(tǒng)集成規(guī)模大且性能可靠，滿足了安全性、經(jīng)濟(jì)性及商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的需求。

海水淡化遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的通信分為遠(yuǎn)程設(shè)備通信和內(nèi)部數(shù)據(jù)安全校驗(yàn)通信。一次儀表驅(qū)動(dòng)協(xié)議與RTU的設(shè)備接口(如串口，RS232)通訊采用大多數(shù)設(shè)備都支持的請(qǐng)求方式，這種通訊方式的設(shè)備支持主動(dòng)發(fā)送方式。DAS(RTU端發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)的Data Access Server)來(lái)與遠(yuǎn)程采集終端RTU(RTU功能上采用模塊化設(shè)計(jì)，包括無(wú)線傳輸部分，可根據(jù)實(shí)際情況定制采集功能)進(jìn)行通訊。DAS軟件利用Microsoft Windows的 COM/DCOM技術(shù)作為數(shù)據(jù)交換的方式，安裝在支持Microsoft Server Windows操作系統(tǒng)的服務(wù)器上，采用標(biāo)準(zhǔn)的TCP|UDP協(xié)議，可以同時(shí)跟多于一個(gè)的RTU客戶端通訊。

4.4 數(shù)據(jù)的處理

4.4.1 數(shù)據(jù)中心與子站的數(shù)據(jù)對(duì)接

海水淡化遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)程序本著先進(jìn)、可靠、自動(dòng)化程度高的設(shè)計(jì)原則，確保持續(xù)穩(wěn)定安全運(yùn)行。完善的程序功能，實(shí)現(xiàn)海水淡化試驗(yàn)運(yùn)行的全自動(dòng)工作狀態(tài)，最大限度的減少了系統(tǒng)的維護(hù)和人員的工作強(qiáng)度。利用.NET等技術(shù)，調(diào)整程序組織結(jié)構(gòu)，促進(jìn)管理創(chuàng)新，主要的數(shù)據(jù)對(duì)接內(nèi)容有：

(1)隨時(shí)接收各RTU子站發(fā)出數(shù)據(jù)；

(2)接收各RTU子站發(fā)出的數(shù)據(jù)安全信息；

(3)向各RTU子站發(fā)送指令(如調(diào)整參數(shù))；

(4)命令RTU子站即刻發(fā)送數(shù)據(jù)；

(5)數(shù)據(jù)入庫(kù)；

(6)歷史數(shù)據(jù)查詢；

(7)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示。

4.4.2 數(shù)據(jù)源服務(wù)

數(shù)據(jù)源服務(wù)器Data Communication Server(以下簡(jiǎn)稱DCS), 主要的功能是解碼和保障通訊。相對(duì)于DAS軟件保障了對(duì)RTU的溝通，DCS軟件則保障了對(duì)監(jiān)控軟件的溝通。

4.4.3 一級(jí)數(shù)據(jù)中心監(jiān)控人機(jī)界面

海水淡化遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)被監(jiān)控海水淡化站點(diǎn)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化，傳輸網(wǎng)絡(luò)化，管理數(shù)字化；監(jiān)控界面軟件是集成了中心監(jiān)控功能、網(wǎng)站功能、數(shù)據(jù)查詢分析功能的統(tǒng)一解決方案，一次性將數(shù)據(jù)監(jiān)控中心主流功能全部實(shí)現(xiàn)，利用.NET等技術(shù)，調(diào)整程序組織結(jié)構(gòu)，自主開(kāi)發(fā)，可以最大限度節(jié)約成本。

(1)精細(xì)的統(tǒng)一權(quán)限管理系統(tǒng)

監(jiān)控界面軟件將所有類(lèi)型的用戶置于統(tǒng)一的管理之下，通過(guò)在本地的默認(rèn)管理員用戶，對(duì)本地、遠(yuǎn)程訪問(wèn)用戶以及不同權(quán)限的用戶進(jìn)行添加、編輯、啟用、禁用、刪除的操作。對(duì)監(jiān)控中心系統(tǒng)的每一項(xiàng)功能(例如：歷史趨勢(shì)查看功能、報(bào)警限值設(shè)置功能)實(shí)行權(quán)限分級(jí)設(shè)置的管理，可由默認(rèn)管理員用戶隨時(shí)進(jìn)行分配與設(shè)定。

(2)圖形顯示

精心開(kāi)發(fā)人機(jī)交互界面，采用流程圖、曲線圖、棒圖以及餅圖等多種形式展示，超過(guò)了一般組態(tài)軟件固有的瀏覽界面畫(huà)質(zhì)水平。

(3)移動(dòng)應(yīng)用功能

在海水淡化遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的平臺(tái)上，將構(gòu)建自然資源部天津海水淡化與綜合利用研究所采集數(shù)據(jù)移動(dòng)發(fā)布系統(tǒng)，通過(guò)權(quán)限控制，提供對(duì)內(nèi)外部人士的遠(yuǎn)程移動(dòng)瀏覽功能，并可以隨時(shí)開(kāi)啟、關(guān)閉此功能。

(4)報(bào)警管理

全方位的報(bào)警功能，可在多種畫(huà)面中以直觀方式通知調(diào)度人員系統(tǒng)發(fā)生異常。不同級(jí)別的報(bào)警可在所有操作員站上接收，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，顯示故障點(diǎn)和故障狀態(tài)，可按照?qǐng)?bào)警等級(jí)做出相應(yīng)，紀(jì)錄故障的信息，報(bào)警打印機(jī)自動(dòng)打印故障紀(jì)錄。

報(bào)警內(nèi)容有：實(shí)際值和偏差值報(bào)警、給定值限制報(bào)警、系統(tǒng)自診斷報(bào)警、識(shí)別變送器運(yùn)行在4 mA～20 mA范圍以外的報(bào)警、輸出限幅報(bào)警等。報(bào)警畫(huà)面與其他顯示畫(huà)面相比，具有更高的優(yōu)先級(jí)。報(bào)警對(duì)象、內(nèi)容、時(shí)間同時(shí)列表紀(jì)錄及打印，除流程圖上有報(bào)警顯示外，可設(shè)若干報(bào)警一覽表，以便全面了解運(yùn)行工況和報(bào)警的查詢。

(5)統(tǒng)計(jì)、計(jì)算和分析

對(duì)供水量、水質(zhì)數(shù)據(jù)、噸水電耗等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，并具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢、輔助分析等功能，供管理人員進(jìn)行分析。

監(jiān)控系統(tǒng)的軟件具備報(bào)表自動(dòng)生成功能，即操作人員利用系統(tǒng)提供的實(shí)用程序，通過(guò)簡(jiǎn)單的人機(jī)對(duì)話或定時(shí)功能，就可以完成各類(lèi)報(bào)表的制作工作，并具有定時(shí)打印和隨機(jī)打印的功能。

4.4.4 數(shù)據(jù)中心的安全性

數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)監(jiān)視、管理和控制等工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)的集中處理、檢測(cè)、監(jiān)控和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備遠(yuǎn)程控制，保存并提供監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，報(bào)警監(jiān)視，動(dòng)態(tài)顯示供水工藝參數(shù)，生成監(jiān)測(cè)點(diǎn)報(bào)表和系統(tǒng)供水量計(jì)算統(tǒng)計(jì)報(bào)表，診斷發(fā)現(xiàn)RTU通訊中斷故障并傳送到監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警，以及所有這些信息的打印、診斷、數(shù)據(jù)共享等功能。

(1)數(shù)據(jù)補(bǔ)錄

當(dāng)某站點(diǎn)故障，數(shù)據(jù)未能連續(xù)采集時(shí)，可人工補(bǔ)錄歷史數(shù)據(jù)(來(lái)自RTU停電記錄)或數(shù)據(jù)補(bǔ)發(fā)(來(lái)自RTU歷史數(shù)據(jù)等)，以便報(bào)表數(shù)據(jù)完整。

(2)密碼保護(hù)

操作員站可進(jìn)行參數(shù)設(shè)定操作、信息顯示且監(jiān)控系統(tǒng)具有密碼保護(hù)功能，設(shè)置操作級(jí)別和密碼，每個(gè)等級(jí)密碼中設(shè)計(jì)有操作工號(hào)，根據(jù)用戶的授權(quán)權(quán)限，規(guī)定其操作范圍。

4.4.5 二級(jí)工作站

(1)授權(quán)和使用

凡能上網(wǎng)的(有線或無(wú)線)的任何經(jīng)授權(quán)的計(jì)算機(jī)均可作為二級(jí)工作站。經(jīng)授權(quán)客戶端可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)中心服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，顯示，打印及相應(yīng)的分析。并采用與一級(jí)數(shù)據(jù)中心一致性的登錄與權(quán)限管理。

(2)對(duì)稱式數(shù)據(jù)加密

采用對(duì)稱式數(shù)據(jù)加密的方式，替代了租用或者自行搭建硬件VPN加密網(wǎng)絡(luò)，降低了成本和硬件維護(hù)的工作量，并可以定可更新密鑰。

5 結(jié)論

隨著海水淡化技術(shù)的日趨成熟和產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，建立起覆蓋全國(guó)的海水淡化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)服務(wù)系統(tǒng)十分必要。文章在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，綜合應(yīng)用傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、多級(jí)網(wǎng)絡(luò)通訊、WebGIS等多項(xiàng)技術(shù)，搭建了包括信息采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)據(jù)處理及共享發(fā)布等應(yīng)用功能于一體的海水淡化遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)融合了多種通訊方式和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，便于職能單位根據(jù)自身特點(diǎn)和實(shí)際需求，合理組建各級(jí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，對(duì)提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性、改善網(wǎng)絡(luò)接入靈活性、降低建設(shè)及運(yùn)行成本等方面成效顯著，值得推廣。