基于虛擬下位儀表的水資源取水實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

水資源管理是當(dāng)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(cè)信息分散。隨著計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展，信息化技術(shù)手段日益更新完善。越來(lái)越多的國(guó)家和地區(qū)將信息化手段應(yīng)用于水資源日常和應(yīng)急管理當(dāng)中，建立和完善以供、用、排水實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)施為基礎(chǔ)、通訊系統(tǒng)為保障、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為依托、決策支持系統(tǒng)為核心的水資源實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)調(diào)度和實(shí)時(shí)管理，逐步達(dá)到“信息采集自動(dòng)化、傳輸網(wǎng)絡(luò)化、信息資源數(shù)字化、管理現(xiàn)代化、決策科學(xué)化”的目標(biāo)，從而提高水資源的管理能力。

一、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)狀

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查調(diào)研，安徽省內(nèi)來(lái)安縣、鳳臺(tái)縣、定遠(yuǎn)縣、蚌埠閘、六安市淠史杭管理局等地已建取水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于機(jī)房存儲(chǔ)或PC機(jī)。由于已建系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一設(shè)計(jì)，各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)表設(shè)計(jì)不同，監(jiān)測(cè)的目標(biāo)要素各異，數(shù)據(jù)制式亦不規(guī)范，導(dǎo)致所建取水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)法直接共享接入。與對(duì)于此類(lèi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，此前均采用重建系統(tǒng)或取水計(jì)量監(jiān)測(cè)站的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)控。前者是拋棄已有系統(tǒng)，按照國(guó)家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目辦制定的標(biāo)準(zhǔn)，重新設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)庫(kù)表及系統(tǒng)軟件；后者是避開(kāi)已建系統(tǒng)，重新安裝計(jì)量及監(jiān)測(cè)設(shè)備。兩種方案均會(huì)導(dǎo)致資源的大量浪費(fèi)，且新舊系統(tǒng)數(shù)據(jù)源不一致，統(tǒng)計(jì)周期也存在不同，常會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)不匹配的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響水資源取用水監(jiān)控項(xiàng)目建設(shè)和最嚴(yán)格水資源管理工作的開(kāi)展。本文針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題提出的基于虛擬儀表的水資源實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)平臺(tái)間的數(shù)據(jù)共享互聯(lián)，解決非標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享的技術(shù)難題。

二、總體結(jié)構(gòu)

利用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，采用虛擬下位儀表數(shù)據(jù)采集的方式，將已建平臺(tái)取水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)共享虛擬成普通取水遙測(cè)終端RTU的下位儀表采集數(shù)據(jù)，不僅實(shí)現(xiàn)非標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的兼容，且可滿(mǎn)足對(duì)已有系統(tǒng)的運(yùn)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(tái)，其與省級(jí)中心監(jiān)控平臺(tái)通信可通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)或者專(zhuān)網(wǎng)連接方式。若通過(guò)無(wú)線網(wǎng)連接，則在已建平臺(tái)處增配GPRS等通信裝置，GPRS與已建平臺(tái)通過(guò)串口進(jìn)行連接、與省級(jí)中心監(jiān)控平臺(tái)通過(guò)消息收發(fā)的方式進(jìn)行通信。若已建平臺(tái)與省級(jí)中心監(jiān)控平臺(tái)間已有普通水利專(zhuān)網(wǎng)，則利用該網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與傳輸。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖1所示。

三、關(guān)鍵技術(shù)

圖1 基于虛擬下位儀表的水資源實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

圖2 虛擬下位儀表中間件系統(tǒng)技術(shù)路線示意圖

基于虛擬下位儀表的水資源實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)核心是對(duì)虛擬下位儀表軟件的開(kāi)發(fā)，主要有通用協(xié)議庫(kù)的預(yù)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(yàn)與加密。虛擬下位儀表軟件主要運(yùn)行技術(shù)路線見(jiàn)圖2所示。

1.通用協(xié)議庫(kù)的預(yù)置

虛擬下位儀表軟件以取水遙測(cè)終端RTU為虛擬對(duì)象，按照計(jì)量?jī)x表的采集協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、編譯、傳輸。已建平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)有不同協(xié)議計(jì)量設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)抓取前要進(jìn)行流量協(xié)議的匹配，根據(jù)匹配的協(xié)議對(duì)來(lái)報(bào)碼進(jìn)行解析，從而鎖定查詢(xún)的取水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)。故虛擬下位儀表軟件需預(yù)置流量?jī)x表的通用協(xié)議解析庫(kù)，該通用協(xié)議庫(kù)需囊括已建系列所有涉及的流量?jī)x表協(xié)議。

2.數(shù)據(jù)抓取流程

虛擬下位儀表軟件與省級(jí)中心監(jiān)控平臺(tái)間采用統(tǒng)一編碼的命令——“來(lái)報(bào)碼”進(jìn)行通信，它包括讀取數(shù)據(jù)類(lèi)別、讀取取水監(jiān)測(cè)點(diǎn)的信息、下位儀表協(xié)議等，虛擬下位儀表軟件按照來(lái)報(bào)碼的指示開(kāi)展數(shù)據(jù)抓取工作。

虛擬下位儀表軟件實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)省級(jí)中心監(jiān)控平臺(tái)發(fā)送的來(lái)報(bào)碼，并對(duì)來(lái)報(bào)碼進(jìn)行診斷，若來(lái)報(bào)碼為無(wú)效來(lái)報(bào)碼，繼續(xù)等待省級(jí)中心監(jiān)控平臺(tái)數(shù)據(jù)抓取命令；若來(lái)報(bào)碼為合法有效，軟件則對(duì)來(lái)報(bào)碼中的儀表通信進(jìn)行匹配工作，匹配成功后則對(duì)來(lái)報(bào)碼根據(jù)選定的協(xié)議進(jìn)行解析，解析后開(kāi)展連接數(shù)據(jù)庫(kù)、取水點(diǎn)甄別、數(shù)據(jù)抓取等工作，其中每個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)錯(cuò)誤均拋棄數(shù)據(jù)抓取，并將信息反饋至省級(jí)中心監(jiān)控平臺(tái)。

3.虛擬RTU數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)抓取后即進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，并將數(shù)據(jù)按照水資源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約（SZY206-2012）轉(zhuǎn)換成遙測(cè)終端RTU數(shù)據(jù)傳輸制式，從而實(shí)現(xiàn)非標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的RTU虛擬化。

4.數(shù)據(jù)校驗(yàn)與加密

考慮到水資源取水?dāng)?shù)據(jù)的安全與準(zhǔn)確傳輸，需要在系統(tǒng)軟件中對(duì)各類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)和加密。對(duì)來(lái)報(bào)碼和預(yù)置協(xié)議庫(kù)的數(shù)據(jù)流均通過(guò)IEEE 754標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和CRC校驗(yàn)。

四、軟件功能設(shè)計(jì)

虛擬下位儀表按照簡(jiǎn)潔實(shí)用的設(shè)計(jì)原則，在保證數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，將復(fù)雜的協(xié)議轉(zhuǎn)換算法及數(shù)據(jù)抓取流程等進(jìn)行封裝，化繁為簡(jiǎn)，簡(jiǎn)化軟件操作界面，實(shí)現(xiàn)人機(jī)友好交互。

1.通信串口參數(shù)設(shè)置

虛擬下位儀表軟件運(yùn)行后，可以自動(dòng)讀取設(shè)備可用串口，并對(duì)擬選擇串口的基本通信參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括串口波特率、校驗(yàn)位、停止位、數(shù)據(jù)位選擇等。

2.數(shù)據(jù)庫(kù)封裝與設(shè)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(kù)，系統(tǒng)將不同數(shù)據(jù)庫(kù)的連接方式進(jìn)行了封裝，用戶(hù)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)不同情況針對(duì)性地選擇。

選擇數(shù)據(jù)庫(kù)類(lèi)型后，可以進(jìn)行該數(shù)據(jù)庫(kù)的連接參數(shù)設(shè)置，包括登錄該數(shù)據(jù)庫(kù)的用戶(hù)名、密碼，帶讀取的取用水流量信息所在的數(shù)據(jù)庫(kù)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(biāo)準(zhǔn)的ModBus通訊協(xié)議外，還對(duì)目前市場(chǎng)上部分廠家自定義協(xié)議進(jìn)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?jī)x表協(xié)議進(jìn)行增加或刪減。軟件對(duì)不同協(xié)議的解析算法進(jìn)行封裝，用戶(hù)可直接通過(guò) “工具—通訊協(xié)議”選項(xiàng)進(jìn)行通訊協(xié)議的選擇。

4.數(shù)據(jù)監(jiān)聽(tīng)

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)設(shè)置后虛擬下位儀表系統(tǒng)即可實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)上位機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)抓取命令。

五、結(jié)語(yǔ)

取水實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是最嚴(yán)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)在安徽省多家取水企業(yè)應(yīng)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(xiàng)傳輸，可以保證對(duì)取用水企業(yè)原有系統(tǒng)沒(méi)有任何干擾，有效解決了不同標(biāo)準(zhǔn)的平臺(tái)間數(shù)據(jù)共享互聯(lián)技術(shù)，具有較大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益