依托现代通信技术 推进水利信息化发展

依托现代通信技术 推进水利信息化发展

张勇

新疆维吾尔自治区塔里木河流域巴音郭楞管理局开都-孔雀河管理处库塔干渠管理站

【摘要】：水情测报系统对通信系统有着稳定、安全、快速的基本要求，随着现代通信技术的发展，也推动着自动化信息传输技术在水利行业广泛应用，本文重点介绍了GSM/GPRS、VHF通信方式在水情遥测中的应用，对它们工作原理、组网、实际应用等进行叙述。依托现代通信技术，在保证数据的传输的可靠性、稳定性的前提下，分析流域的实际环境，确定水情系统的具体工作体制。

【关键词】：水情测报； GPRS； 信息化； 超短波；

新疆是个多荒漠的地区,土壤的含蓄水量小,夏季的洪水来势汹汹往往给我们工农业生产，人民生命财产造成重大损失，这其中的水情信息不及时也是造成灾情加重的一个重大原因,近年来各地新建了一些水情测报系统对洪水预防和防洪调度发挥了巨大的作用,建设水情自动测报系统是一项投资少,工期短而又十分有效的防洪措施,能充分弥补现有的防洪工程不足以抗衡重特大洪峰的缺点。

在建设水文自动测报系统及防汛指挥系统的工程中，数据远程传输是必不可少的环节，而远程数据的获取始终是困扰水利工作者的一个问题，水情信息的实时性和准确性，影响对防汛抗旱决策的科学性。近年来随着信息技术地发展，遥测设备的不断完善，数据传输方式的多样化及其可靠性的增加，使得我们在建设水情测报网络时有了更大的选择空间，水情遥测和防洪调度技术的应用深度和广度不断加大。

可供水情自动测报系统数据的传输方式主要有超短波、GSM /GPRS通信、短波、卫星通讯、PSTN、光纤通信等通信方式，各种通信方式在通信机理、设备性能和价格、运行费用、运行功耗等方面有各自的特点，因此在进行水情测报系统设计、建设时应根据工程需要和工程所在流域的具体情况，结合各种通信方式的特点，并考虑系统建成后的运行管理，从性能，投资、效益等多方面综合比较确定通信方式。

目前超短波、GSM /GPRS在水情测报系统在数据传输方面应用较多。PSTN、短波、卫星通讯、光纤通信由于在系统建设及运行管理费用性价比较低等方面的原因，目前在中小型的水情测报系统实际应用较少。本文主要对超短波、GSM/GPRS这两种无线数据网络传输技术进行重点分析。

一、水情自动测报系统常用的通信方式及特点

水情测报系统属于实时监测系统,对于实时传输数据具有较高的要求,以下对于各种通信方式的特点分析中，主要集中于网络网络传输质量，性价比，建设及运行管理费用。

1、GSM/GPRS无线通信方式

1.1、概念

GPRS是通用无线分组业务（General Packet Radio Service）的英文简称，是在GSM基础上发展起来的一种分组交换的数据承载和传输网络。现有的GSM移动台(MS)，不能直接在GPRS中使用，需要按GPRS标准进行改造(包括硬件和软件)才可以用于GPRS系统。

采用GPRS通信方式时；各个中心站、分中心站、水情遥测站均需要配置相应GPRS数据通信终端，选用可同时工作于GPRS和GSM或可在GPRS和GSM之间自动切换工作的GPRS  MODEM。

1.2、GPRS的主要特点

首先、GSM作为一个成熟实用的商用的电信运营网络，其可靠性相当高，GPRS一个较大的优势是能够充分利用现有的GSM网，实现资源共享，具有稳定可靠、覆盖面较广、网络能力强、不受地域限制的特点，作为，能满足用户需求，信息发送和接收安全可靠，不会丢失。

其次、最大的好处是终端设备体积小，没有引雷部件，不需做防雷处理。发送和接受安全可靠。通信距离取决于该业务的覆盖范围，维护维修可由业务营运商解决。不需要架设天线，便于隐蔽性，防盗性能好。

第三、采用移动通讯方式在网络建设上不需要投入，也不用租用通信线路、建设周期短，通信速率较高，可达115Kbps；通讯费用低，计费方式更加科学合理，GPRS只有产生通信流量时才计费；组网灵活，站点的变动和扩充容易，随着国家通信产业的发展，GPRS信号覆盖的范围将延伸到我们工作生活的每一个角落，因此它在水文数据传输通信方面可以被认为是一种首选的通信方式。

1.3、GPRS/GSM无线通信水情数据通信组网结构

系统由数据采集点（遥测站点）、数据传输部分（GPRS/GSM通信网络及有线宽带网络）、中心站（总控制中心局域网）及分中心站四个部分组成。

各个水文遥测站采集系统所需要的数据，通过GPRS模块对数据进行转换和打包后送到GPRS网络（IP：218.＊.＊.＊），GPRS网络根据事先定义的APN连接方式将打包好的数据增加部分冗余码和校验码并转换成适合在广域网、局域网（IP：192.168.＊.＊）上传送的网络数据包信号，移动公司局端的专用APN收到信号后透明传递到水情分中心。

图一：GPRS/GSM无线通信水情数据组网结构图

2、超短波（UHF／VHF频段）通信技术

2.1、概念

超短波通信（very high frequency communication）利用波长为1～10m（频率为30～300MHz）的电磁波传送信息的通信方式，也称甚高频通信。视距传输是指在视距范围内直射波的传播，当通信距离超过视距时，则利用中继站进行接力通信。

2.2、超短波的主要特点

首先、频率较高,频带较宽,能用于多路通信。超短波具有较宽的频谱，可提供比短波更

大的通信容量。超短波通信利用视距传播方式，比短波天线传播方式稳定性高，受季节和昼夜变化的影响小。

其次、天线可用尺寸小、结构简单、增益较高的定向天线。地面对超短波的吸收系数较大，在天线高度受限的条件下，地面吸收较强，以接力方式传输时，中继距离受限。

最后、调制方式通常用调频制，可以得到较高的信噪比。通信质量比短波好超短波具有相当强的绕射能力，加之大气的折射系数通常呈随高度递减梯度，使电波向下弯曲，可形成“超视距”通信。超短波对电离层的穿透力强，主要以直线方式传播，陆地通信时，考虑地球的曲率的影响，其直线传播距离等于视距，视距约为50 km。超短波也适用于对流层中大气湍流气团的散射通信，通信距离可达数百公里。

2.3、超短波无线通信水情数据采集网络结构

在水利数据遥测系统中，测站实测的水利信息，送入遥测终端机（RTU），经过信源和信道编码，由调制解调器调制成射频载波，经功率放大后发射到中继站。中继站接收到测站发来的射频信号，解调成音频信号，经中继仪解调成数字信号、纠错编码、数据再生、调制、放大后发送回中心站；中心站将信号解调、信道译码和信源译码后，经前置计算机送入主计算机系统。图中的中心站是整个系统的中心,它随时接受从终端遥测站发送过来并通过它所连接的通信控制器和通信控制器所连接的RS-232串口前端的各种信号和数据包。另一方面又可通过它以及它所连接的通信控制器和电台，随时发出各种数据包来进行数据传输和数据采集和控制等操作。

图二：超短波水情自动测报网络结构图

3、GPRS,VHF在水利数据遥测中功能、应用分析比较：

3.1、从投资成本上来看

目前、应用的超短波遥测系统一般都需要组建专门的通信网络，覆盖范围大的可能还要加多级中继，建设初期的频点监测费2000元/点,系统建设完成后的遥测站单点管理费800元/年，对于动辄建设几十,上百遥测站的水情测报系统来说将是一笔不小的开支；经过多年的发展用于超短波数据发射任务的数传电台的单价已降低了不少,但设备价格仍然动辄上万,无线设备的通用性较差，一套完整的水情测报系统从设备选型，设备安装，设备调试往往要经过一到两年的建设周期，网络建设成本和建设周期相当长。而如果应用GPRS/GSM通信技术来传输数据，只需要一个GPRS/GSM通信终端模块就可以了，数据的传输和传输质量全由GSM网络运营商来保证，可以节约建设成本和人为控制建设周期。

GPRS/GSM通信技术传输数据，由于电信部门的网络相对水利系统是透明的，所以水利系统的网络结构就变得简单，这样就便于自动测报网络投入使用后的维护工作，节约维护成本以及网络的运营成本。据测算维护一套自建超短波网络大约每年需要花费系统建设成本5％～10%，相对于超短波网络在后期的技术维护，GPRS/GSM在网络维护更具有相当大的成本优势。虽然利用GPRS/GSM通信技术来实现遥测系统的数据传输有需要收取通信费用的缺点，但相对来说，它的通信费用是相当低廉的。

综合考虑整个工程的投入，那么用GPRS/GSM通信技术来实现数据传输的方式将能从工程的建设、维护、维修等各个方面节约很多成本。

3.2、从提高系统的稳定性、灵活性、可移植性、可靠性来看

若在长距离、多高山阻挡情况下使用超短波通信方式传输水文数据，所需中继站数目及中转次数将明显增加，从而导致设备费、土建费的增加，系统可靠性下降，中继站址交通条件差还会给建设、安装、维护带来一定的困难，而且经过长期高负荷工作，电台的发射功率会逐步降低，数据的可靠性、连续性存在者问题。由于GPRS/GSM通信网络覆盖全国，这可以使得水情自动测报的范围也很大，遥测站的数目可任意扩充。对于一些覆盖地域比较广的遥测系统来说，用GPRS/GSM通信技术来传输数据就有更大的优势。

随着城市化进度的加快,高层建筑物的崛起,城市周边电磁环境的恶化对建设超短波调度中心提出了挑战。采用GPRS/GSM通信技术来进行传输后，通信信道的信噪比、误码率等通信的性能指标都可以由GPRS/GSM网络的性能指标和通信协议得到保证，可以免去很多数据传输过程中的数据校验、检错、纠错工作，数据通信的可靠性可以得到提高。

除了应用于固定遥测站的水利遥测信息传输外，GPRS/GSM通信技术作为移动通信网络的通信业务之一，更能应用于迅测等流动遥测站的信息传输，而这一切的实现不需要增加任何通信设备。

对于超短波遥测系统中的自动化通信设备来说，由于其所处的地理环境，防雷一直是一个十分头痛的问题，即使增加了许多防雷设备和器件，这些设备在雨季的安全性仍然存在先天不足。使用GPRS/GSM通信网络及通信技术来实现水情数据遥测可以提高设备的利用率，避免了一些人为因素之外的安全防护。

3.3、从通讯方式的性价比来看

通信方式各有特点，本身并没有优劣之分，选择时应根据各地不同的环境条件、网络条件和经济条件，从技术可靠性、运行费用、建设成本进行综合考虑，因地制宜的选择适合的组网方式。

图三：超短波、GSM/GPRS、卫星三种通信方式对比表

GSM移动通讯网主要在平原等通讯条件较好的地区，建设基于超短波无线通信的水情测报网络主要是在多山及荒漠地区，GSM及其它通信方式无法覆盖、信号较弱地区或投资大等原因无法完成水情数据的传输，系统可根据通信网络状况，选择网络的使用方式。由于超短波无线通信是一种自建的通信网络以及本身的局限性，使得它无法大面积应用于其它地区,只是对其它通信传输方式的一种补充。根据国家防汛指挥系统建设指导书的要求，参照以往水文自动测报系统的建设经验：有国家公网可以利用的，尽量不要建设自己的专网；有无线信道可资利用的，不要使用有线信道。这两条原则可以极大地提高系统长期运行的可靠性。

二、 通信方式选择

    水情自动测报系统对于通信的要求是保障调度中心能及时、可靠的得到遥测站的水情信息，当有多个分中心，则要保证中心站与中心站之间建立畅通的信息渠道。在确定通信方式前，应首先确定系统的工作体制。

1、系统工作体制

   自报式、应答式和混合式是水情测报系统工作体制的三种方式。

自报式:被测要素值发生变化或定时等事件触发,遥测站主动发送数据的工作制式. 这是一种不受分中心指令控制的工作方式，当遥测站的测量参数（水位或雨量）发生一个计量单位变化时，主动将信息向分中心发送。其特点是功耗低、结构简单、实时性强；能很好反映参数变化全过程。缺点：信息分析处理系统不能随时查询测站数据和工作状态。

查询-应答式:遥测站响应查询指令发送数据的工作制式.在查询应答工作方式下，报汛站自身能对水文参数的变化自动采集和存储，但不主动传送给分中心。只有当分中心发出查询指令时，才将数据送出。其特点是控制性好，分中心随时可向测站索取数据。缺点:功耗大;通信为双向,设备复杂,实时性低于自报式。

混合式:包含自报式和查询-应答式两种遥测方式的工作制式. 具有上述两种方式的特点，既能实时反映参数变化全过程，又能响应分中心的查询。但设备功耗相对较大,系统设备也较为复杂,系统造价高。

对于流域面积较小，防洪任务不重的中小型水利水电工程，适合采用自报式；以降水监测为主、防洪为辅，流域水情变化缓慢的大型水情自动测报系统，适合采用应答式；肩负重要防洪责任的工程，大江，大河复杂的水情自动测报系统应采用混合式工作体制.

考虑山区局部降暴雨时系统能及时收集雨情信息，系统的组网应采用混合的工作方式。其中报汛站的自报功能设置和暴雨自报标准的设置由分中心遥测控制；以便使运行费用降至最低。

2、系统的通信方式选择

在选择通信方式之前应调查流域内公网覆盖及流域内电磁环境情况，根据流域地形及上述的调查报告对水情通信网络进行初步规划，对各种通信方式的经济性作出评估，在确保水情遥测站点与中心站通信畅通的前提下，选择最佳的通信方式。

水情自动测报通信方式选择,应根据工程需要、工程所在流域的具体情况,从性能、投资、效益等多方面综合比较确定通信方式,以合理的投资建立高性价比的系统。

  2.1、工程需要是所有因素中第一位的工程的任务、设计标准、防讯抗洪责任等决定了对水情自动测报系统的要求及其建设规模,进而影响水情遥测通信系统的通信方式选择。

  2.2、工程所在流域的地理位置、地貌特征、气候条件、流域大小、水系特点、流域的公网覆盖、电磁环境发展状况等是影响水情自动测报系统通信方式选择的另一因素。

  2.3、系统通信方式选择要结合各种通信方式的特点，并考虑系统建成后的运行管理，性能投资、效益等多方面综合比较确定通信方式。

三、结束语

水情测报的主要任务是测定灌区河流渠道水位、流量等的变化情况，它是一项基础性工作，提高水情信息采集、传输的质量是我们建设水情测报工作的前提和条件。支持多种通讯方式并用，充分利用国家的信息公共基础设施和相关行业的信息资源，实行优势互补，资源共享，如GSM移动通讯网主要在平原等通讯条件较好的地区，VHF超短波通讯网应用在高山、森林、沙漠等通信盲区，系统可根据通信网络状况，选择网络的使用方式。　

参考文献：

[1] SL61-2003.水文自动测报系统技术规范（中华人民共和国水利部  2003.5.26发布）

作者简介：姓名：张勇   出生年月：1974年12月  性别：男   工作单位：塔河流域巴音局库塔干渠管理站   职称：工程师  

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