李志中 謝云

（廣東東軟學(xué)院，廣東 佛山 528225）

一、概述

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，對(duì)水文信息不斷提出新的要求，水文觀測(cè)項(xiàng)目和內(nèi)容不斷增加，對(duì)觀測(cè)手段和方法以及水文監(jiān)測(cè)技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用提出了越來(lái)越高的要求；同時(shí)，現(xiàn)代電子技術(shù)、傳感技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，也促進(jìn)了水文監(jiān)測(cè)技術(shù)自動(dòng)化的發(fā)展。

在水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，常常需要對(duì)眾多的水位點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，大部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需要實(shí)時(shí)發(fā)送到監(jiān)控中心的后端服務(wù)器進(jìn)行處理。由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)分散，分布范圍廣，而且大多設(shè)置在環(huán)境較惡劣的地區(qū)，通過(guò)電話線傳送數(shù)據(jù)往往事倍功半。通過(guò)GPRS、3G或者4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，成為水文部門選擇的通信手段之一。水文監(jiān)測(cè)設(shè)備可將采集到的水文數(shù)據(jù)通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)及時(shí)發(fā)送到水務(wù)部門，實(shí)現(xiàn)對(duì)水情信息的及時(shí)監(jiān)控，可以大大提高水文部門的工作效率。因此，遠(yuǎn)程水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的全面實(shí)施，是十分必要和迫切的。

二、系統(tǒng)功能指標(biāo)

前面已經(jīng)提到了，由于軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商不同，使用的硬件設(shè)備也有差異，中心數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)不一致，造成了多個(gè)方面的不統(tǒng)一，給國(guó)土城建和水務(wù)局的統(tǒng)一管理帶來(lái)了很大的麻煩和困難。因此，開(kāi)發(fā)并應(yīng)用一套統(tǒng)一管理和維護(hù)的水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已十分的必要。該系統(tǒng)的功能指標(biāo)如下。

（一）前端硬件及配套軟硬件設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)體系

制定一套前端硬件及配套設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)體系，包括雨量測(cè)量?jī)x、水位計(jì)、GPRS DTU等硬件設(shè)備。

（二）數(shù)據(jù)規(guī)范集中存儲(chǔ)

設(shè)計(jì)一套統(tǒng)一的規(guī)范化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式，用于存儲(chǔ)通過(guò)遠(yuǎn)端設(shè)備采集回來(lái)的數(shù)據(jù)，并集中存儲(chǔ)，以便對(duì)其進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)。

（三） 數(shù)據(jù)采集功能

通過(guò)前段遠(yuǎn)程設(shè)備（雨量測(cè)量?jī)x、水位計(jì)等），將數(shù)據(jù)（雨量、水位等）通過(guò)GPRS等網(wǎng)絡(luò)采集回來(lái)，存儲(chǔ)到規(guī)范化的中心數(shù)據(jù)庫(kù)中。

（四）水情監(jiān)控功能

對(duì)采集回來(lái)規(guī)范存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)水情監(jiān)控功能。包括水情監(jiān)控、雨情監(jiān)控、臺(tái)風(fēng)監(jiān)控、防汛調(diào)度等等。

（五）遠(yuǎn)程監(jiān)控終端管理

能對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端（雨量測(cè)量?jī)x、水位計(jì)等）進(jìn)行統(tǒng)一的管理，并提供遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端的配置功能。

三、系統(tǒng)性能指標(biāo)

系統(tǒng)總體規(guī)劃即對(duì)全局問(wèn)題的設(shè)計(jì)，也就是設(shè)計(jì)系統(tǒng)總的處理方案，又稱概要設(shè)計(jì)。包括計(jì)算機(jī)配置設(shè)計(jì)、系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)和文件設(shè)計(jì)等等。

根據(jù)系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求，和實(shí)際部署的運(yùn)行環(huán)境，可以將系統(tǒng)的總體框架設(shè)計(jì)為多層體系結(jié)構(gòu)，如下圖所示：

項(xiàng)目建設(shè)架構(gòu)上由測(cè)站及基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)匯集平臺(tái)、綜合數(shù)據(jù)庫(kù)、服務(wù)支撐、業(yè)務(wù)應(yīng)用、統(tǒng)一門戶六個(gè)部分組成。

（一）測(cè)站及基礎(chǔ)設(shè)施：測(cè)站及基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)容包括：已建和新建測(cè)站、已建的傳感器以及網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)備。

（二）數(shù)據(jù)匯集平臺(tái)：實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、解析、匯總，保護(hù)數(shù)據(jù)的一致性、規(guī)范性。

（三）綜合數(shù)據(jù)庫(kù)：綜合數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)、空間數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)資源管理。數(shù)據(jù)庫(kù)是應(yīng)用系統(tǒng)的信息支撐，用于存儲(chǔ)和管理各專業(yè)應(yīng)用所需的數(shù)據(jù)，為業(yè)務(wù)應(yīng)用提供信息支持服務(wù)。

（四）服務(wù)支撐：服務(wù)支撐包括應(yīng)用支撐平臺(tái)和關(guān)鍵性服務(wù)組件。服務(wù)支撐位于數(shù)據(jù)資源之上，統(tǒng)一管理各種系統(tǒng)資源，為上層的業(yè)務(wù)應(yīng)用提供技術(shù)支撐服務(wù)。

（五）業(yè)務(wù)應(yīng)用：遠(yuǎn)程水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)將涵蓋區(qū)水文監(jiān)測(cè)管理的主要業(yè)務(wù)范圍，將其信息化并綜合展現(xiàn)。

（六）統(tǒng)一門戶：功能子系統(tǒng)是將系統(tǒng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用集中到一個(gè)服務(wù)平臺(tái)上，通過(guò)單點(diǎn)登錄，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的入口統(tǒng)一。

四、系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

依據(jù)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，可以建設(shè)一套標(biāo)準(zhǔn)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端系統(tǒng)，集數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)功能于一體，采用低功耗設(shè)計(jì)，要求能夠適用于太陽(yáng)能供電的監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)。

（一）硬件部分

遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端系統(tǒng)硬件部分包括：信號(hào)感知模塊（傳感器）、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、無(wú)線數(shù)據(jù)通信模塊、供電模塊、防雷模塊。架構(gòu)圖如下：

傳感器（包括編碼器和顯示部分）的作用是感受被測(cè)量，并將該量值轉(zhuǎn)換成增量式、編碼式、模擬式或數(shù)字式等不同形式機(jī)械的或電信號(hào)的輸出。編碼器是進(jìn)行信息表示方式轉(zhuǎn)換，完成信源編碼的部件。

系統(tǒng)選用的傳感器，必須是經(jīng)過(guò)鑒定符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的正規(guī)產(chǎn)品，其適用條件、精度、分辨力、技術(shù)性能必須符合有關(guān)的水文測(cè)驗(yàn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（二）軟件部分

遠(yuǎn)程監(jiān)控終端的性能和效率由系統(tǒng)軟件直接決定。遠(yuǎn)程監(jiān)控終端將現(xiàn)場(chǎng)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類整理過(guò)濾，形成有效信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)地上報(bào)給監(jiān)控中心的通信服務(wù)器。接收通信服務(wù)器的指令控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)判，當(dāng)數(shù)據(jù)達(dá)到報(bào)警條件時(shí)，立即將報(bào)警信息報(bào)送監(jiān)控中心處理。由于遠(yuǎn)程監(jiān)控終端位于數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)的最遠(yuǎn)端，經(jīng)常處于環(huán)境惡劣、地理位置偏僻的站點(diǎn)，還應(yīng)具備遠(yuǎn)程配置的功能。

遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端系統(tǒng)的功能包括：

通信功能：支持GPRS、APN、短消息、衛(wèi)星等多種通訊方式；支持與多中心進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；支持實(shí)時(shí)在線、定時(shí)喚醒兩種工作模式。

采集功能：采集水位、雨量變送器的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)；采集流量計(jì)、脈沖表的流量數(shù)據(jù)；采集水泵或閥門運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備供電狀態(tài)和箱門開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

圖片抓拍功能：可外接工業(yè)照相機(jī)，進(jìn)行圖片抓拍。

控制功能：支持自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程控制水泵、閥門等控制設(shè)備。

遠(yuǎn)程管理功能：支持遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置、程序升級(jí)。

報(bào)警功能：監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)越限，立即上報(bào)告警信息。

存儲(chǔ)功能：本機(jī)循環(huán)存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，掉電不丟失。

五、中心監(jiān)控軟件系統(tǒng)

中心監(jiān)控軟件負(fù)責(zé)各個(gè)遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)終端的管理與配置，對(duì)遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、查詢、統(tǒng)計(jì)、分析、上報(bào)，并建立數(shù)學(xué)模型，提供管理層的決策依據(jù)。具體可以分成兩個(gè)子系統(tǒng)：數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、水情綜合監(jiān)控管理子系統(tǒng)。

中心監(jiān)控軟件系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)如下圖所示：

六、系統(tǒng)部署方案

水務(wù)部門的水文數(shù)據(jù)作為三防的重要信息，可以其他部門進(jìn)行共享。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集是通過(guò)GPRS APN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的，所以采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在政務(wù)網(wǎng)采集數(shù)據(jù)服務(wù)器中。而政務(wù)網(wǎng)通過(guò)開(kāi)放數(shù)據(jù)接口，提供數(shù)據(jù)給各水利部門使用。系統(tǒng)部署圖如下：

七、結(jié)論

綜上所述，基于傳感器的遠(yuǎn)程水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究，有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。本項(xiàng)目成果包括：

（一）遠(yuǎn)程水文數(shù)據(jù)采集軟件一套（軟件）（包括：數(shù)據(jù)采集與水情綜合監(jiān)控兩個(gè)子系統(tǒng)）；

（二）信息管理及中心數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)規(guī)范一套（文檔）（包括：基礎(chǔ)類、信息采集與傳輸類、數(shù)據(jù)資源類、空間表達(dá)類、應(yīng)用支撐類和管理類等6大主要類別共計(jì)25部技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)）；

（三）前端硬件及配套設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)體系一套（文檔）。