基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的取水遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

馬傳波

(遼寧省水利水電科學(xué)研究院，沈陽 110003)

隨著電子通信與計算機網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)發(fā)展，水利信息化水平也得到極大提高。系統(tǒng)以GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機技術(shù)、現(xiàn)代信息技術(shù)與遠程實時遙測技術(shù)為支撐建設(shè)水資源管理平臺，形成一個完整的、有機的、全省范圍基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。借助GPRS傳輸通道，改變現(xiàn)行手工作業(yè)為主的抄表方式，使水量計量、采集和信息處理具有智能化先進水平，滿足現(xiàn)代數(shù)字水利的信息化要求。搭建遼寧省城市群水資源實時監(jiān)控管理系統(tǒng)平臺，便于水行政主管部門實時掌握各取水工程的取水動態(tài)情況，實施有效監(jiān)測、計劃取水管理和合理調(diào)控取水，提高水資源費收取率，監(jiān)控和防止取水違章行為發(fā)生，有利于增強取水戶的自覺遵守水法規(guī)和節(jié)水意識;對于實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用，支持遼寧老工業(yè)基地振興戰(zhàn)略實施和經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 系統(tǒng)現(xiàn)狀及分析

水是人類寶貴的資源，因地域廣闊，水資源統(tǒng)一管理調(diào)配無力，管理相對落后。對取(用)水動態(tài)缺乏有效計量管理和監(jiān)測監(jiān)控措施，使計劃取(用)水管理難以落到實處，水資源費征收率低，取水違章行為難以有效監(jiān)控，水資源統(tǒng)一調(diào)度滯后等問題突出。

目前全省取水計量工作技術(shù)方法、手段落后，計量設(shè)施、設(shè)備陳舊老化，主要表現(xiàn)如下:

計量設(shè)施:計量設(shè)施、設(shè)備落后，完好率低;各種型號的儀表良莠不齊，種類繁多，對系統(tǒng)改造和統(tǒng)一化信息采集傳輸帶來一定困難。

信息采集:取水計量工作一直沿用人工現(xiàn)場讀表抄數(shù)的方法，現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)的準確性，可靠性差。信息源缺乏，傳輸頻率和準確度低，無法滿足水資源管理遠程監(jiān)測的現(xiàn)代化要求。

信息處理:原始信息數(shù)據(jù)沒有進行深度加工處理，有限的信息得不到有效的利用，很難給最終的決策提供直觀有效的信息。嚴重影響水資源科學(xué)管理統(tǒng)一調(diào)度、合理配置的需要。

2 系統(tǒng)方案規(guī)劃設(shè)計

根據(jù)工程現(xiàn)狀與特點，在既有計量設(shè)施基礎(chǔ)上，改造或改進數(shù)據(jù)采集和信號傳輸手段，達到系統(tǒng)功能要求?？紤]全省整個監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整體性、可擴展性和安全性，系統(tǒng)擬采用分層星型、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計。傳輸方案:省水利廳與各市分中心通訊為專線形式，同時廳中心可直接訪問監(jiān)測站(GPRS通訊方式);市中心申請固定IP與監(jiān)測站間通訊采用無線GPRS通訊方式實現(xiàn)。系統(tǒng)總體設(shè)計:①實時信息采集系統(tǒng);②實時信息傳輸與安全防護系統(tǒng);③實時信息處理與分析系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)設(shè)計與功能實現(xiàn)

系統(tǒng)設(shè)計與功能實現(xiàn)是根據(jù)系統(tǒng)功能要求，針對計量設(shè)施、信息傳輸、安全防護和信息分析處理等環(huán)節(jié)，進行模塊化設(shè)計;充分考慮工程現(xiàn)狀，整合現(xiàn)有資源，構(gòu)建基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的全省取水遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)(見圖1)。

3.1 計量監(jiān)測設(shè)施

監(jiān)測設(shè)備包括遙測終端、二次顯示儀表和流量計，見圖2。主要是部分前端計量設(shè)備改造和遙測終端功能設(shè)計與安裝。

3.1.1 計量設(shè)備改造

系統(tǒng)內(nèi)計量儀表種類繁多，部分供水管道銹蝕嚴重，且安裝的計量設(shè)備多為機械式儀表，對系統(tǒng)的改造和信息采集、傳輸統(tǒng)一化帶來一定困難。特別是機械儀表的改造成為系統(tǒng)統(tǒng)一化的難點?；谛盘栞敵龅目煽啃浴⒎€(wěn)定性、準確性和電器元件的所需安裝空間與環(huán)境等條件，系統(tǒng)擬采用干簧管式或霍耳元件式對機械儀表進行改造。結(jié)合干簧管和機械流量儀表工作原理，先將機械儀表指針磁化(對不能實現(xiàn)磁化的指針進行更換為有磁性的指針)，在表內(nèi)適當位置安裝干簧管，詳見圖3和圖4。

通過加裝霍耳元件、干簧管和磁鋼使機械儀表具備輸出脈沖信號功能，從而完善了系統(tǒng)。3.1.2 遙測終端功能設(shè)計與實現(xiàn)

遙測終端是本系統(tǒng)的硬件核心，其數(shù)據(jù)通訊流程為:

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)圖

圖2 安裝有超聲波流量計的監(jiān)測設(shè)備原理圖

圖3 單干簧管式原理圖

圖4 雙干簧管式原理圖

遙測終端滿足系統(tǒng)穩(wěn)定工作的長期性、連續(xù)性和實時性要求;同時具備數(shù)據(jù)自動采集、處理、遠程監(jiān)測、故障報警、數(shù)據(jù)存儲和避雷保護等功能。

3.2 中心功能設(shè)計與實現(xiàn)

系統(tǒng)中心分為廳中心和市(地)中心。

3.2.1 廳中心設(shè)計與實現(xiàn)

廳中心主要完成對分中心的數(shù)據(jù)進行備份、監(jiān)控和管理，流量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析與顯示。廳中心隨時接收分中心發(fā)送來的測報數(shù)據(jù)或人工置數(shù)數(shù)據(jù)，并對其進行正確性進行判別，在最短的時間內(nèi)刷新、整理形成流量監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，為水資源的狀況分析和決策提供有效數(shù)據(jù)，或向上級中心報送。廳中心通過專線可直接和各市中心通信服務(wù)器進行通信，同時中心可直接訪問所屬底層遙測站進行數(shù)據(jù)采集，存入臨時數(shù)據(jù)庫中，用于實時顯示和數(shù)據(jù)恢復(fù)。

3.2.2 市(地)中心設(shè)計與實現(xiàn)

市中心主要設(shè)備獨立完成所轄范圍內(nèi)遙測設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、分析、處理和顯示，并將處理后的實時數(shù)據(jù)同步傳輸至廳中心站數(shù)據(jù)庫。

市中心即時接收遙測站自動上報的定時采集數(shù)據(jù);也可根據(jù)需要即時人工訪問遙測站，進行數(shù)據(jù)采集、分析和顯示。建立原始數(shù)據(jù)庫，確認數(shù)據(jù)的準確性，進行數(shù)據(jù)分類處理、實時顯示、建立實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫、信息發(fā)布等;并與其它應(yīng)用系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)。整編后形成成果數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫間實現(xiàn)同步動態(tài)存儲，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各數(shù)據(jù)庫的實時同步、互為備份。

3.3 系統(tǒng)通訊方案選擇與應(yīng)用

3.3.1 通訊信道選擇

通常情況下，信道傳輸分為有線方式的雙絞線、光纖等，以及無線方式的短波、超短波、微波、GSM、衛(wèi)星、擴頻通訊和GPRS等。根據(jù)建設(shè)內(nèi)容，信號傳輸要求(傳輸質(zhì)量、速率和數(shù)據(jù)流大小等)各異和信道傳輸?shù)奶攸c，結(jié)合現(xiàn)場情況和經(jīng)濟效益等綜合因素，選擇不同信道傳輸方式。由系統(tǒng)特點和上述比較分析，采用中國移動GPRS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)通信平臺。

3.3.2 通訊方案選擇

在選擇通訊信道的基礎(chǔ)上，監(jiān)測點、市中心與廳中心的通訊方案有3種方式，見表1。

表1 通訊方案選擇表

綜上所述系統(tǒng)遙測、遙控信號傳輸信道采用公網(wǎng)GPRS無線網(wǎng)絡(luò)信道，廳中心至市中心信息傳輸采用公網(wǎng)專線網(wǎng)絡(luò)，即方案三。

數(shù)據(jù)傳輸方式采用雙向通信，即各分中心有權(quán)人工召測各測點數(shù)據(jù);同時各測點可由設(shè)置定時或一定條件下自動上報數(shù)據(jù)到所屬各市分中心;必要時廳中心可繞過市分中心直接召測各測點數(shù)據(jù)。詳見圖5。

圖5 GPRS通訊方案三系統(tǒng)框圖

3.4 設(shè)備防護措施

取水遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)的以電子設(shè)備為依托，故系統(tǒng)設(shè)備的防避雷防護、儀器設(shè)備的防水、防潮、防破壞防護和軟件網(wǎng)絡(luò)安全防護在本系統(tǒng)內(nèi)得到很好的加強與體現(xiàn)。

4 軟件功能設(shè)計

系統(tǒng)軟件運行平臺為Windows Sever 2003視窗操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫運行平臺采用標準版含20個節(jié)點的SQL Sever 2005數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。其主體結(jié)構(gòu)采用B/S結(jié)構(gòu)，應(yīng)用層采用B/S和C/S模式相結(jié)合的方式。工作方式為客戶機/服務(wù)器的工作方式，文件傳輸、打印共享。中心軟件功能見圖6。

圖6 中心軟件系統(tǒng)原理框圖

5 結(jié)語

在現(xiàn)代化的水務(wù)管理體系中，除需要堅固的水務(wù)工程外，還需將水務(wù)體系的信息通過各種現(xiàn)代化的量測設(shè)備、通訊設(shè)備，及時有效地傳遞到各級水務(wù)管理部門和整個水務(wù)體系內(nèi)。通過建立現(xiàn)代化的水務(wù)決策系統(tǒng)即時作出判斷，給決策者提供科學(xué)、準確判斷的對策依據(jù)。又及時將各種決策信息傳遞至所需部門，合理調(diào)配利用水資源。建設(shè)以信息采集系統(tǒng)為基礎(chǔ)，GPRS網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)為保障，計算機系統(tǒng)為信息處理工具，決策支持系統(tǒng)為核心的取水遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)是本系統(tǒng)建設(shè)的目的和歸宿。

[1] 蔡武昌.新型流量檢測儀表[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.