基于北斗衛(wèi)星通信信道的水雨情測報系統(tǒng)在白龜山水庫的應用

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報系統(tǒng)在白龜山水庫的應用

徐章耀

(河南省白龜山水庫管理局， 河南 平頂山 467031)

2013—2014年白龜山水庫對原有的水雨情自動測報系統(tǒng)進行了升級改造，建設了以GSM短信和北斗衛(wèi)星兩種信道同時作為系統(tǒng)主信道的水雨情測報系統(tǒng)。水雨情信息可以同時通過GSM短信和北斗衛(wèi)星兩種方式。分別傳輸至不同的服務器，通過北斗衛(wèi)星直接傳輸至白龜山水庫服務器，通過GSM短信傳輸至河南省水情信息中心，再通過有線網絡傳輸至白龜山水庫服務器，因此極大地增強了系統(tǒng)的可靠性和抵抗自然災害能力，解決了在連續(xù)陰雨天氣、交流電停電、網絡中斷等極端條件下系統(tǒng)不能獨立正常運行的問題。

水雨情自動測報系統(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報系統(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，其中昭平臺以上1430km2，昭平臺、白龜山水庫間流域面積1310km2。水庫于1958年動工，1966年竣工，“75·8”大水后，進行了度汛加固，1998年10月開始對水庫進行全面的除險加固，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。防洪標準按100年一遇設計，2000年一遇校核，設計洪水位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報系統(tǒng)采用河南省水文系統(tǒng)的站網，共布設12個雨量遙測站和3個水位遙測站，雨量遙測站分別為白龜山、達店、二道廟、熊背、澎河、白村、魯山、米灣、大營、梁洼、寶豐、薛莊，水位遙測站分別為白龜山、澎河和米灣。遙測站采用中國移動GSM短信作為主信道，白龜山水庫通過河南省水利內網接收數據，過程為：報汛站—基站—移動通信公司水情數據短信服務器—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，抗干擾能力強，由于其采用L/S頻度，基本沒有雨衰現(xiàn)象，數據從發(fā)送到接收不超過3s，實時性高。為提高系統(tǒng)穩(wěn)定可靠性和減少對公共通信資源的依賴，增強系統(tǒng)抵抗自然災害的能力，2013—2014年對白龜山水庫原設備進行了升級改造，在原有遙測系統(tǒng)的基礎上增加了北斗衛(wèi)星通信信道，遙測數據直接發(fā)往白龜山水庫，通過北斗衛(wèi)星終端接收數據的過程為：報汛站—北斗衛(wèi)星—白龜山分中心。

2 系統(tǒng)組網與信息流向

遙測終端采集雨量數據，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據進數據庫的同時，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網共享到白龜山水庫管理局。

第二目的地通過北斗衛(wèi)星終端將雨量數據直接發(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FIU和服務器，通過北斗衛(wèi)星終端接收各遙測站發(fā)送的雨量數據。

白龜山水庫管理局中心站通過兩種方式接收水位雨量數據：一是通過水利內網從河南省水文局接收各遙測站數據；二是通過RS232串口連接前置機FIU及北斗衛(wèi)星終端接收各遙測站數據。這兩種方式接收的遙測數據完全相同，存入不同的數據庫，互為補充和驗證，當一種方式失效后，中心站仍能通過另外一種方式接收遙測數據[1]。白龜山水庫水雨情測報系統(tǒng)組網如圖1所示。

圖1 白龜山水庫水雨情測報系統(tǒng)組網示意圖

3 系統(tǒng)基本配置

a. 白龜山水庫中心站:數據接收服務器、前置機FIU、北斗衛(wèi)星終端、大容量蓄電池、河南省水文局數據共享軟件、北斗衛(wèi)星終端數據接收軟件以及遙測數據檢索軟件。

b. 雨量遙測站： 遙測終端機RTU、翻斗雨量計、太陽能板、北斗衛(wèi)星終端、北斗衛(wèi)星3級用戶卡、雨量桶、24AH/12V蓄電池。RTU采用水利部淮河水利委員會水文局研發(fā)的WATER-2000C，該設備集成度高，功耗低，內部集成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，可通過標準接口連接翻斗雨量計、太陽能板，還通過1個獨立的RS232接口與北斗衛(wèi)星終端連接。由WATER-2000C控制北斗衛(wèi)星終端的供電和運行。

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

遙測站組成見圖2。

圖2 遙測站組成

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系統(tǒng)站點管理、系統(tǒng)維護的中樞單位，其主要任務是接收系統(tǒng)遙測數據并提供監(jiān)控管理功能。

a. 實時接收河南省水文局中心站通過水利內網共享的遙測數據。

b. 通過前置機FIU連接北斗衛(wèi)星終端，實時接收各遙測通過北斗衛(wèi)星發(fā)送的遙測數據，并暫存到內存Flash中。

c. 計算機定時將前置機FIU中的遙測數據下載，進行解碼入庫。

d. 對由測站轉發(fā)的雨水情信息進行解碼、合理性檢查、糾錯，對有漏報、錯誤的站點數據進行修改，并自動生成修正報文，以補報或修正站點數據。

e. 雨水情數據庫能滿足監(jiān)測分中心數據查詢、報表輸出等業(yè)務應用的要求，數據庫具有良好的維護功能。

f. 站點管理功能，能對所管轄的站點進行召測、巡測、站點設備RTU的參數遠程修改等功能。

4.2 遙測站主要功能

a. 具有自動采集、固態(tài)存儲歷史數據的功能。至少可以存儲一個雨量站和兩個水位站兩年的歷史數據；可以通過U盤將數據導出。

b. 具有隨機自報功能。RTU通過傳感器，自動采集數據；當數據達到規(guī)定的變化量(0.5mm)時自動發(fā)送信息給中心站。若本次發(fā)送失敗，下次發(fā)送的同時補發(fā)上次未發(fā)送成功的數據。

c. 定時自報功能。每日定時報送若干次數據和本站電池電壓，讓工作人員收集資料的同時了解設備的工作狀況。定時間隔可以通過本地/遠程設置完成，目前設置的定時間隔為1h。

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

e. 能同時支持GSM短信和北斗衛(wèi)星終端兩種通信信道；兩種“通信任務”同時發(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行，當系統(tǒng)在值守狀態(tài)下，北斗衛(wèi)星終端不帶電，只有當需要發(fā)送數據的時候，遙測終端機將其上電，發(fā)送報文成功后，北斗衛(wèi)星終端立即掉電。

f. 具有現(xiàn)場告警功能。當遙測終端出現(xiàn)錯誤時，能立即在中心站和遙測站提示并用紅色予以提醒。

g. 具有測試工作狀態(tài)功能。保證在檢修和維護過程中，水情測量數據不進入現(xiàn)場的固態(tài)存儲器和中心的水情數據庫。

4.3 軟件主要功能

a. 共享數據接收軟件功能：河南省水文局中心數據接收入庫、監(jiān)控報警、數據庫管理、站點管理維護和實時召測、巡測和遠程數據導入。

b. 北斗衛(wèi)星數據接收軟件主要功能：?服務器安裝北斗衛(wèi)星數據接收軟件，通過RS232串口連接前置機FIU，定時接收各遙測站發(fā)送的雨水情數據；完成一次系統(tǒng)所有遙測站數據采集的時間不超過5min；?對所接收全部遙測信息進行解碼、合理性檢查、糾錯，并按要素分類存入數據庫；?建立實時雨水情數據庫，及時將從北斗衛(wèi)星信道接收的雨水情信息進行譯電、處理，保存進入數據庫；?具有對遙測站工作狀態(tài)監(jiān)控的功能，包括時鐘校準、電源低壓報警、事故記錄及設備運行狀態(tài)報警功能等；?具有數據處理、數據統(tǒng)計和數據圖表化功能；?具有數據庫系統(tǒng)管理、維護功能；?具有人工錄入參數、雨量插補功能；?具備修改站號、站名及添加新站的能力。

5 北斗衛(wèi)星運營方式

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，通信等級為3級，收費實行年費制，即在繳納一年的費用后，發(fā)送短信報文的數目不受限制。目前白龜山水庫水雨情自動測報北斗衛(wèi)星系統(tǒng)在無雨時每小時自動發(fā)送兩條信息，確保系統(tǒng)正常運行，有雨時當數據達到規(guī)定的變化量(0.5mm)時自動發(fā)送信息。

在采用GSM短信通信時，采用的確認機制為：當遙測站發(fā)送數據時，移動基站給系統(tǒng)以“確認信息”，遙測站在接收到該“確認信息”后，認為該數據已經發(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，由于北斗衛(wèi)星提供給民用的通信級別比較低，不提供“系統(tǒng)確認回執(zhí)”功能，所以采取同一條短信報文發(fā)送兩次的方法，以提高通信成功率。

6 系統(tǒng)完善與改進

2013年，白龜山水庫水雨情自動測報系統(tǒng)改造工程一期升級改造了8個雨量遙測站，增加了北斗衛(wèi)星通信信道，經過一個汛期的運行，系統(tǒng)基本穩(wěn)定，但系統(tǒng)運行期間，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在一定的隱患：系統(tǒng)中心站服務器是直接連接在北斗衛(wèi)星終端上接收遙測站數據，而北斗衛(wèi)星終端在接收到短信報文后，沒有短信暫存的功能，而是直接通過RS232串口發(fā)送到服務器，因此，如果中心站服務器因為機房停電、硬件故障和系統(tǒng)崩潰等原因停機，那么系統(tǒng)就會丟失遙測站通過北斗衛(wèi)星發(fā)送的報文，服務器重啟后不能再次接收以前的數據。

為了消除系統(tǒng)隱患，提高系統(tǒng)整體穩(wěn)定可靠性，在2014年的水雨情自動測報系統(tǒng)升級改造二期工程中對其進行了改進：中心站增加一臺通信前置機FIU(Forward Interface Unit)，前置機FIU通過串口分別與北斗衛(wèi)星終端和中心站服務器連接，北斗衛(wèi)星終端接收到遙測站的短信報文后，通過RS232串口發(fā)送到前置機FIU，并暫存在其內存Flash中，中心站服務器定時將報文數據提取出來，解碼入庫。前置機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FIU運行15 天以上，這樣即使中心站服務器停機，當服務器重新運行后，仍然能夠將遙測數據全部提取出來，不會出現(xiàn)數據丟失的情況。

7 系統(tǒng)運行

新購置了一套ups給服務器供電，雖然期間也經歷過中心站短時間停電，由于有ups給服務器供電，因此服務器沒有出現(xiàn)停機等現(xiàn)象，遙測站通過北斗衛(wèi)星傳輸的雨量信息沒有出現(xiàn)丟失的情況。

中心站新增前置機FIU。在2014—2016年的運行中，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。當然這跟平時對系統(tǒng)經常維護也有一定關系，每年汛前、汛中、汛后都要對遙測站點和系統(tǒng)進行維護。為了考驗系統(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日進行了遙測系統(tǒng)在極端天氣下、中心站完全停電、移動信號完全中斷、網絡全部中斷的緊急情況預演習，演習過程中，整個系統(tǒng)的運行狀況良好，演習后查看系統(tǒng)運行日志和審查原始數據，數據完整性和實時性都得到保障[2]。

8 結 語

白龜山水庫水雨情測報系統(tǒng)升級改造工程經過兩年一、二期建設全部完成。經過4年運行，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據接收方式，遙測站水情數據的傳輸不再受制于當地通信條件，成功率有很大提高，整個系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性得到極大增強。

實踐證明，以GSM短信和北斗衛(wèi)星兩種信道同時作為系統(tǒng)主信道的白龜山水庫水雨情測報系統(tǒng)是可靠的，而且系統(tǒng)可以不依靠公共通信資源獨立運行，因此當遭遇較大洪澇災害，移動電話、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，為水庫科學調度提供強有力的支持。

[1] 白龜山水庫管理局，安徽沃特水務科技有限公司.白龜山水庫雨量遙測升級改造工程驗收報告[R].北京：2014.

[2] 熊啟龍，劉永強，徐章耀，等.白龜山水庫遙測系統(tǒng)北斗衛(wèi)星信道建設[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