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 一、水文信息采集傳輸與通信組網設計
    水文測驗的主要任務是測定江河湖庫降雨量、水位、流量等水文要素自然變化情況，它是一項基礎和前期工作，是防汛抗旱的耳目和參謀，其質量和精度將直接影響水情信息的實時性和準確性，影響對防汛抗旱決策的科學性、加強報汛站測報基礎設施的建設，強化水情信息采集、傳輸的工作，提高水情測報質量成為當務之急。
1、 總體功能要求
  （1）水文分中心正確接收一次所屬全部遙測站的所有水文參數的時間不超過20分鐘，執(zhí)行一次區(qū)域遙測站數據采集并完成數據傳輸、處理、入庫的時間不超過20分鐘。
  （2）工作方式：自報方式、應答方式和自報一應答方式，三種工作模式在系統中可同時混合進行。
  （3）自動采集水位、降水數據，定時、適時地傳輸數據，數據可長期在站存儲。
  （4）各項設備要符合結構簡單、可靠、低功耗的原則；所有遙測站都能在無人值守的條件下工作。
  （5）能長期地、特別是在暴雨洪水等惡劣天氣條件下可靠地工作應避免因分中心站出現故障而丟失水文數據。
  （6）系統定時發(fā)送時鐘同步信號，全系統時鐘同步。
  （7）非法數據告警及設備故障告警。
  （8）通信暢通率應＞98％，系統誤碼率小于6 X 10ˉ5。
  （9）能與其它有關的計算機網絡系統進行數據通信。
  （10）系統MTBF＞20000小時。
  （11）俱有可靠的防雷措施。
  （12）采用有線程控單站數據采集時間應小于40秒。
2、水文信息采集方式
由于傳統的水位、雨量數據采集設備無法滿足遙測系統的需要，必須進行更新或改造，實現水文信息的數字化、自動采集、長期自動存貯以適應現代數字通訊和計算機的應用要求。
水文遙測系統的建設；確定三種信息采集方式：雨量采集方式、水位采集方式、流量采集方式。
3、系統通信組網設計
（1）、現有通信資源情況
    轄區(qū)范圍內可利用的通信資源有：
    1、程控交換網 PSTN資源。PSTN（Public Switchingephone Network）是一種具有適用范圍廣、設備簡單、高可靠性、組網靈活、成本低、維護方便等優(yōu)勢的新型通信傳輸手段，是國家防汛指揮系統推薦通信信道之一。其缺點是：需要系統運行通話費用，運行本較高，若增加發(fā)送數據間隔時間，則又不能及時實時地反映站點的水雨情數據。目前各報汛站均有安裝程控的條件。
    2、無線移動通信（GPRS和手機GMS短信）資源。無線移動通信網絡具有穩(wěn)定可靠、覆蓋面較廣、網絡能力強、通信費用低、不受地域限制的優(yōu)點，其zui大的好處是設備體積小；安裝在室內，沒有引雷部件，不需要作防雷處理。具體包括：①*性，隨著移動通訊技的發(fā)展，如今已經實現基于分組的GPRS通訊；并且繼續(xù)向3G方向發(fā)展。③可靠性，作為商用的電信運營網絡，其可靠性相當高，信息發(fā)送和接收安全可靠，不會丟失。③實用性，GSM作為一個成熟實用的網絡，已經能滿足用戶需求，實現資源共享，信息交流。④經濟性，首先，采用移動通訊方式在網絡建設上不需要投入，也不用租用通信線路、其次，通訊費用低，GPRS只有產生通信流量時才計費；GMS短消息發(fā)送一條信息的費用為0。1元，接收者不收費。因此它在水文數據傳輸通信方面可以被認為是一種的通信方式。缺點是：網絡覆蓋范圍有限。目前我市*報汛站全部處于移動通信覆蓋區(qū)，地方報汛站在鄉(xiāng)鎮(zhèn)一級及周邊一帶的也可利用移動通信。
    3、超短波資源、UHF／VHF頻段超短波是一種地面可視通信 它王要適用于平原丘陵地帶、且中繼站數目和中繼級數較少的水又測報系統。該通信方式具有通信質量較好 設備簡單、建設周期短、易于實現的優(yōu)點。但是若在長距離、多高山阻擋情況下使用此種通信方式傳輸水文數據，所需中繼站數目及中轉次數將明顯增加，從而導致設備費、土建費的增加，系統可靠性下降，中繼站址交通條件差還會給建設、安裝、維護帶來一定的困難。
    4、衛(wèi)星通信資源。衛(wèi)星通信具有傳輸距離遠，通信頻帶寬，傳輸容量大；組網機動靈活，不受地理條件的限制，建站成本及通信費用與通信距離無關等特點。缺點是：建站成本及通信使用費較高。
    隨著現代通信技術的迅速發(fā)展，以上四種通信方式在水文測報系統中得到了廣泛的應用。本系統通信方式需根據地理環(huán)境條件和實際需求；在分析論證基礎上，因地制宜地確定。
（2）系統組網結構
A、信道設計
    信道是指傳輸信號的媒質，是構成通信網的基本部分?？茖W地選擇信道，使信號有效、可靠地傳輸；是通信設計的一個基本問題。
    根據目前轄區(qū)內可利用的通信資源和現有的實際情況：有線程控可到達各報汛站，*報汛站和鄉(xiāng)鎮(zhèn)所在地及周邊的地方報汛站均處在移動通信的覆蓋區(qū) 考慮充分利用現有資源和當今通信及網絡技術的發(fā)展趨勢，同時考慮到系統建成后便于運行管理，保證本系統信息流暢、有效和實用，節(jié)省投資，確保系統的可靠性，在本次建設中，主要利用INTERNET公網作為通信信道?？傮w設計方案：采用無線移動通信（GPRS和GMS短信）作為主信道、有線通信（PSTN）作為備用信道進行混合組網，配備“雙信道”，互為備份、預先設置通信的優(yōu)先級別，當主信道出故障時，自動切換到備用信道；主信道恢復正常時，即返回主信道傳輸數據、具體方案為：對處在移動通信的覆蓋區(qū)和有線程控可到達的各報汛站報，以無線通信（GPRS和手機GSM短信）為主信道PSTN 為備份信道進行數據傳輸；對只有線程控的報汛站，以有線通信PSTN為主信道進行數據傳輸，*解決各報汛站人工報汛的方式。利用INTERNET公網信道組網的優(yōu)點是：從報本上避免了自建網的維護、管理工作；出現問題時由郵電系統維護，還避免了無線通信的同頻干擾問題，傳輸質量高；設備簡單，不要專門配備電源；設備投資低于其它地面無線信道。所以，本組網方案是可行的，也是可靠的。
    本市范圍廣、多高山阻擋，組建超短波同所需中繼站數目及中轉次數將明顯增加，從而導致設備費、土建費增加，系統可靠性下降。因此，本次設計不組建超短波網。衛(wèi)星信道由于投資大，設計中也不予采用。
B、系統組網結構設計
    報汛網的網絡結構設計，就是采用什么樣的形式把每個報汛站點與分中心連接起來。南平水情分中心所轄站點地形復雜。上游河流眾多；站點分布范圍廣；呈扇形分布；通信組網有一定困難。為了完成能在20分鐘內將下屬報汛站的水情信息全部傳送到分中心的目標，保證系統的可靠性，根據本地的實際情況，將報汛通信網的結構設計成單一星形網絡結構。整個網絡測站數據均由移動通信（GPRS和GMS短信）和PSTN信道直接傳送到南平中心站。優(yōu)點：減少了集合轉發(fā)站所需的設備投資；可以避免當集合轉發(fā)站出現通信故障時其收集的上游各站信息傳輸產生中斷現象。缺點：由于報汛站數量較多，全部向分中心直接傳送，致使通信時間延長，須采取延時措施；有預報任務的各站無法直接獲取所需的水情信息。須通過分中心轉送、解決方法是：因報汛站較多，為保證在20分鐘內收齊各站信息 采用多路接收線，通過計算機軟件設置將各站數據傳送按一定時序逐站順序召測，這樣從時間上講，耗時少 從根本上避免了眾多報汛站同時向分中心通信傳輸的擁擠、碰撞問題。對有預報任務的各站分中心開發(fā)應用軟件 將所收到的水情信息存放于服務器，及時向各
站發(fā)送或由各報汛站主動索取調用。系統結構圖如下：

（4）、系統工作體制
A、報汛站工作體制
    系統工作體制對系統功能的實現有重要的影響，當前國外自動測報系統通常采用自報式、查詢應答式、自報／應答兼容式三種工作方式，幾種工作方式的工作過程及特點是：
      1、自報式：
    這是一種不受分中心指令控制的工作方式，當報汛站的測量參數（水位或雨量）發(fā)生一個計量單位變化時，主動將信息向分中心發(fā)送。其特點是功耗低、結構簡單、實時性強；能很好反映參數變化全過程。
    2、查詢應答式：
    在查詢應答工作方式下，報汛站自身能對水文參數的變化自動采集和存儲，但不主動傳送給分中心。只有當分中心發(fā)出查詢指令時，才將數據送出。其特點是控制性好，分中心隨時可向測站索取數據。
    3、自報／應答兼容式
    具有上述兩種方式的特點，既能實時反映參數變化全過程，又能〕響應分中心的查詢。
    為考慮山區(qū)局部降暴雨時系統能及時收集雨情信息，系統的有線組網應采用查詢應答與自報兼容的方式。其中報汛站的自報功能設置和暴雨自報標準的設置由分中心遙測控制；以便使運行費用降至zui低。
B、通信方式
    對于報汛通信網，分中心從測站取得各類水情信息，這是zui基本、zui主要的；對有預報任務的測站而言，需要其上游的信息，這些站點的需求基本要從分中心取得，故通信網內信息傳輸方向應該是雙向、穩(wěn)定、可靠的。根據本分中心信道設計，采用廈門藍斯通信有限公司LENZ GPRS DTU和LENZ GSM MODEM為主，以有線PSTN信道為備份。故將報汛網的通信方式設計成雙向應答方式。
C、數據傳輸方式
    報汛通信網內測站至分中心之間的一次數據傳輸為單一信道，決定了用比特形式表示的信息流是以串行方式，每次比特依次在一條信道上傳輸，即數據流傳輸采用異步串行的通訊方式。
    （1）對GPRS通信，其主要傳輸特性為：
    調制方式：由以大網決定
    傳輸速率：接收速率可達86。 20Kbps, 發(fā)送速率可達 21。5Kbps。
    傳遞格式：異步串行。一位起始位，八位數據位，一位停止位。
    （2）對GSM通信 其主要傳輸特性為：
    工作頻段：GSM900：TX：880-915MH;  RX: 925-960MHZ
    DCS1800：TX：1710一1785MHZ；RX：1805一1880MHZ
    接收靈敏度：－104dbm
    傳輸速率：接收速率可達85。6kbps，發(fā)送速率可達21。4kbpS
    信息量：限制為 140個八位組（7 比特編碼，140個字符）
    （3）對有線（PSTN信道）通信，其主要傳輸特性為：
    調制方式：FSK
    傳輸速率：1200bps
    傳遞格式：異步串行，一位起始位，八位數據位，一位停上位。
（5）、分中心的通信設計
    目前，分中心的通信方式是，測站通過有線或無線拔號與分中心的報汛聯接；通過將報文送入計算機，分中心計算機網絡通過 X.25專線與省水情中心互聯，將水情訊電送往省水情中心、系統采用TCP/IP作為網絡協議，分中心路由器的IP地址為：
10.35.18.254，局域網內部的IP地址為：10.35.1.X目前采用的 X.25專線通信速率為 19.2kbps；通信速度較慢，且沒備份信道。
    根據水情分中心的總體設計要求， 分中心作為zui基層的水情信息收集集散地，具有信息的質量控制和向上級防汛部門傳輸的雙重功能，每個分中心都要配備兩條地面數據報送信道和一條衛(wèi)星報送信道 為保證信息的及時傳輸，有線組網采用兩級傳輸的方式。*級
由分中心負責采集所轄各報汛站的數據Z第二級由郵電部門高速數據信道通過計算機網絡傳輸信息。目前，福建省正在進行“數字福建”和“數字水利”系統工程建設，組建福建省水利信息網，各地市水又分局至省水文局將建成通信容量為100M的骨干網絡通信線路。按照公網為主，通道結合的原則 選擇福建水利信息網作為分中心同上一級網絡中心互聯的地面信道，選擇有INTERNET公網 X.25專線和 PSTN信道作為備份信道向上報送水情數據、分中心至市防辦、市委、*之間，通過計算機網絡傳輸水情信息，、傳真作備份信道。
   組網示意圖如圖2－5：


二、系統組成與配置
1、系統結構
    根據水文自動測報系統所承擔的任務和國家防汛指揮系統總體設計要求，系統由56個水情報汛站（遙測站）、1個水情信息分中心組成。主要包括水情信息采集系統、水情報汛通信系統、計算機網絡系統三部分。
    水情信息采集系統由多個報汛站組成，南平水情分中心所轄站點地形復雜，上游河流眾多，站點分布范圍廣，呈扇形分布。通信組網有一定困難。為了完成能在20分鐘內將下屬報汛站的水情信息全部傳送到分中心的目標，保證系統的可靠性，根據本地的實際情況，將報汛通信網的結構設計成單一星形網絡結構。各報汛站通過有線公用無線移動通信網和網PSTN信道組網直接與分中心連接，兩種信道互為備份。報汛站以數字通信方式傳輸到水情分中心，配置數據采集儀及配套設備；結構示意圖如下：
測站
單個報汛站結構如圖：

              報汛站（有線）結構示意圖
分中心數據采集結構由MODEM（無線、有線）、避雷器、接收機、PSTN和無線通信系統、交直流電源系統 計算機網絡系統等組成。
     









分中心數據采集結構圖
水情分中心作為計算機網絡系統的一級節(jié)點，按小型局域網進行建設，并配備相應軟硬件。主要進行拓撲結構的設計、傳輸速率的規(guī)劃、網絡協議、網絡產品以及網絡操作系統類型的選定等工作。水情分中心網絡系統的拓撲結構圖見下圖。

水情分中心局域網絡系統的拓撲結構圖                                 
2、 系統配置
（1）、 報汛站配置
    1、報汛站分類
    根據各報汛站的測驗項目和報汛任務以及傳輸方式，將它們分為三類：雨量站、水位站和水位雨量站；以更好地說明配置情況。
    2、報汛站配置：報汛站設備基本配置如下圖：

（2）、 分中心系統集成配置
    分中心是數據采集和預處理中心。分中心的工作任務包括信息接收、信息預處理、信息查詢等。分中心硬件設備配置主要是接收設備和計算機網絡設備。
    主要包括：LENZ GPRS DTU、有線MODEM、水情M作站、水情服務器、交換機、路由器、激光打印機、微機工作站2臺、避雷裝置、分中心電源系統（含小型發(fā)電機、交流穩(wěn)壓電源、防雷插座、長延時UPS）、網管及軟件、網絡附設、IBM便攜式計算機一臺、X。25專線和、DDN數據報送信道，三條線、系統軟件等。
（3）、傳感器
    系統選用的傳感器，必須是經過鑒定符合技術標準、計量標準的正規(guī)產品，其適用條件、精度、分辨率、技十性能必須符合有關的水又測驗國家標準、行業(yè)標準的要求。WFH－2型細井式遙測水位計、JDZ05－1型翻斗式遙測雨量計。
                                                                      
三、系統功能與特點
    系統功能的強弱；代表了整個水文測報系統的水平，除了滿足防汛指揮的基本需求外；數據還應符合水文資料整編的要求，同時還應有良好的操作界面。按報汛站、中心站分述如下。
1、 報汛站的功能
    （1）十位、雨量數據自動采集、4M位FLASH存儲器固態(tài)存儲，記錄時間大于一年，它能反復擦寫10萬次以上。記錄數據應能滿足水文資料整編的要求。
    （2）自動拍報功能：按“報汛任務書”所確定的拍報段次，當降雨量的增量、水位的變幅達到加報標準時，設備自動采集數據并通過無線或有線信道自動生成報文向分中。心遠程傳送；隨時接受分中心的召測、查詢，及時發(fā)送有關水情數據。在終端站自報情況下，當主信道中斷，可自動切換到備用通信。
    〔3俱有現場數據采集和檢索、修改系統參數的功能。自帶液晶顯示屏，可顯示逐小時雨量、日雨量、每5分鐘、10分鐘、逐時水位，每日8：00水位等多種類型的數據。
    （4）也可遠程收發(fā)數據與修改系統參數，以便進行資料整編。
    （5）以具有人工置數功能,可現場置入如流量等信息，并通過遙測終端發(fā)送出去。
    （6）具有休眠工作方式, 實時檢測是否有遠程數據通信的要求；可關斷MODEM的供電；使耗電大大降低。設備功耗低，采用蓄電池組和太陽能電池板或交流電浮充方式可長期工作，
    （7）具備超限報警功能和自檢功能,設備定時自檢，達到預設回報條件時，自動回報數據及蓄電池電壓 防上機器“死機”等，提高工作可靠性。具備超限報警功能和自檢功能，為維護萬便 測站配有檢查線路正常與否的設備。
    （8）數傳儀具有與衛(wèi)星、超短波、移動通信、程控中的任意兩種信道相連的接口。
    （9）報汛站兼有與分中心通話功能。
    （10）應能在惡劣的天氣環(huán)境下和無人職守情況下正常運行；RTU可靠性MTBF ≥100000小時。
2、 分中心的功能
    分中心站計算機以分布式多微機的局域網方式配置，系統采用客戶機／服務器結構、水文采集工作站選用進口原裝微機型。MODEM、GSM通訊機連接到水文采集i作站上采集數據。網絡結構采用以太網，網絡互聯采用工業(yè)標準TCP/IP協議；運行Windows NT 4。 0或Windows2000操作系統。分中心站計算機檢測處理系統是在Windows NT下開發(fā)的一個開放式實時應用系統，實現全部的數據處理工作。分中心的功能有：數據收發(fā)管理、站點管理、水文數據管理和系統管理，具體為：
    （1）全天候值守，不間斷運行；
    （2）多路線并行工作，實時自動接收報汛站主動發(fā)送的水情信息，并按數據類型分類存儲、可將數據轉化成水又資料整編數據格式，實現整編數據的遠程下載；
    （3）向報汛站發(fā)指令，主動查詢，召測數據。既可自動定時巡測轄區(qū)內各報汛站的實時水位、雨量數據，又可隨時召測任一站的數據，也可實現數據清零；
    （4）可遙控設置各報汛站的時鐘、設置采集的時間間隔、暴雨起報標準 水位拍報標準，是否自動生成報文及打開、關閉有線自報功能，設置報又存儲的文件名、遠程控制端口號、新站點參數等；
    （5）軟件系統安裝于中文平臺 對接收的信息進行解碼、合理性檢查、糾錯、按其性質進行分類、建立本地標準ACCESS數據庫，用以存放水又數據，并將遙測到的水又信息自動送到網絡中心服務器的數據庫中，根據需要將數據寫入防汛部門的防汛雨水情數據庫，實現實時、歷史水文資料的檢索、查詢；
    （6）將遙測水情信息編成水情電文向上級傳送；隨時向省或鄰近分中心傳遞雨水情報文信息；通過GPRS向其他中心（如省防汛辦、市防汛辦）轉發(fā)數據功能。
    （7）水文模塊軟件處理功能，按規(guī)定格式存入數據庫，可按資料整編格式打印出逐日降雨量表、雨量摘錄表、逐日平均水位表等表式。并能修改存儲的數據、雨量插補及人工置數；能進行分析、統計計算、圖表處理輸出，滿足水情值班需要的日報表、旬報表、月報表和根據防汛部門規(guī)定的其他報表。能顯示站網位置圖，用圖形方式顯示雨量柱狀圖、水位過程線圖，檢索水位和雨量信息；
    （8）接收機到可存儲各站一年的數據，報汛站來電報文可顯示和打印；劉覽、查詢水文數據；
    （9）與報汛站通話；
    （10）對所接收的數據進行合理性檢查；可監(jiān)視各遙測站的時鐘、通信狀態(tài)、電壓等設備的運行參數，能實時顯示越限參數、設備故障、事故記錄及告警信息；顯示設備運行狀態(tài)。對非法數據和電壓值有告警顯示；
    （11）沖心的后臺計算機可隨時從網絡中獲得數據并對數據進行存儲、處理分析，進行洪水作業(yè)預報工作；
    （12）具有FSK信號、PSTN信號、GSM信號、衛(wèi)星信號接收功能；
    （13）采用交直流雙向供電系統 當電網斷電時，系統仍能工作。
    （14）滿足客戶機／服務器模式；支持分布式數據庫建設；系統具有擴充和升級能力。
四、結    論
    該系統能夠緊跟數據通訊的*技術，使系統通訊技術具有水平，使水文信息自動化采集傳輸技術有一個新的突破。南平水文自動化測報系統的建設，除可保證水文數據和水情報汛的可靠性、準確性外，還可大量節(jié)省觀測報汛人員的人力，具有顯著的社會效益和較大的經濟效益，對防汛減災有重大的意義，主要效益有以下：
    1、雨量、水位觀測全面實現自動觀測，長期自記和固態(tài)存儲，為資料整編計算機化創(chuàng)造了條件，減輕職工勞動強度，提高了資料整編質量。從根本上解決長期以來水情拍報與資料整編成果不一致的  “兩張皮”問題。
    2、測驗設施設備改造、完善后，提高了測驗質量，收集的水文測驗數據數據量多且更加、可靠、為水利工程建設和水資源優(yōu)化配置、水環(huán)境保護提供更加可靠的資料；為地方經濟建設服務。
    3、報汛手段更加科學、可靠，水情信息量有較大增加，傳輸時間明顯縮短，抗*力提高，信息差錯率大幅降低。
    4、采用*的報汛通信手段后，實時水情信息將有明顯增加，流域面上的實時雨水情更加準確及時，并得到快速處理，實現作業(yè)預報計算機化。改變了手工作業(yè)預報的落后狀態(tài)，使作業(yè)時間縮短，預報精度提高；預見期增長 能為各級防汛指揮部門提供更加及時、準確、全面、直觀的雨水情信息和預報結果，爭取抗洪搶險時間，減少人民生命財產損失，將取得極大的社會和經濟效益。