水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)通訊規(guī)約和協(xié)議的規(guī)范

康一彬

（四川省水文水資源勘測(cè)局，四川 成都 610036）

1 問(wèn)題的提出

水文自動(dòng)測(cè)報(bào)技術(shù)是現(xiàn)代水文測(cè)報(bào)自動(dòng)化的重要手段，建設(shè)始于 20 世紀(jì) 80 年代，系統(tǒng)主要以對(duì)外引進(jìn)為主，其中典型的是由當(dāng)時(shí)國(guó)家水電部引進(jìn)的四川臥龍保護(hù)區(qū)漁子溪和長(zhǎng)江大寧河 2 大水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)。隨著我國(guó)計(jì)算機(jī)、微電子技術(shù)等基礎(chǔ)條件的改善，我國(guó)許多企業(yè)開始研制、建設(shè)水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)。到目前為止，粗略估計(jì)已建成各類水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)數(shù)千處。為規(guī)范水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)建設(shè)，早在 20 世紀(jì) 90 年代國(guó)家水利部就出臺(tái)了SL61-94《水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)規(guī)范》[1]，該文件和后來(lái)的修編版 SL61-2003《水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)規(guī)范》[2]對(duì)當(dāng)時(shí)混亂的水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的相關(guān)定義進(jìn)行了規(guī)范，對(duì)系統(tǒng)組成和設(shè)備的技術(shù)要求、通訊方式等進(jìn)行了規(guī)定，對(duì)引導(dǎo)水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)初期發(fā)展起到了非常積極的作用。然而，由于受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制和各地發(fā)展的不平衡，以及自動(dòng)測(cè)報(bào)通訊基本上都是依賴自建網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳輸，傳輸方式相對(duì)單一，各企業(yè)生產(chǎn)的水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)設(shè)備互不兼容。特別是，由于通訊方面沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)約，不但不同企業(yè)生產(chǎn)的設(shè)備在同一水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)中無(wú)法直接代用，就是同一企業(yè)生產(chǎn)的先后產(chǎn)品也鮮有完全兼容，這給系統(tǒng)建設(shè)、擴(kuò)容、升級(jí)均帶來(lái)嚴(yán)重的限制。統(tǒng)一通訊協(xié)議和規(guī)約已成為水文自動(dòng)測(cè)報(bào)發(fā)揮信息共享組網(wǎng)的急切需求。

2 統(tǒng)一通訊規(guī)約的可行性和必然性

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)已由當(dāng)初僅用于收集防汛信息，向著既采集防汛信息又收集基本水文資料，既服務(wù)于水情預(yù)報(bào)又服務(wù)于災(zāi)害預(yù)警等方向發(fā)展。在 1 個(gè)行政區(qū)域內(nèi)可同時(shí)出現(xiàn)許多不同應(yīng)用側(cè)重的水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)，包括：主要用于江河和重點(diǎn)城市防汛的水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)，如國(guó)家防汛指揮系統(tǒng)的水情分中心；用于山洪災(zāi)害預(yù)防的水情信息預(yù)警系統(tǒng)；用于水庫(kù)等水利工程運(yùn)行調(diào)度的水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)；用于水資源信息采集的水資源信息采集系統(tǒng)。如在滿足各類系統(tǒng)基本功能的情況下，將各類系統(tǒng)接收的信息進(jìn)行整合，可以最大限度地提高各系統(tǒng)的總體效能，增加經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。這是統(tǒng)一水文自動(dòng)測(cè)報(bào)通訊規(guī)約和協(xié)議的社會(huì)需求。

隨著電子技術(shù)等工業(yè)和社會(huì)基礎(chǔ)的發(fā)展，水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)步很快，其中水文數(shù)據(jù)采集終端機(jī)的可靠性得到很大提高，可連接多種類型的采集傳感器，不但可以采集傳統(tǒng)的雨量和水位要素，還可以采集氣象、墑情、水質(zhì)等要素，有的數(shù)據(jù)采集終端甚至具有對(duì)外進(jìn)行簡(jiǎn)單控制操作的功能。為適應(yīng)這種多功能、多用途的需求，許多水文數(shù)據(jù)采集終端機(jī)都具有很強(qiáng)的二次開發(fā)能力，可針對(duì)不同的項(xiàng)目和用途對(duì)采集項(xiàng)目、控制模式等進(jìn)行開發(fā)。在區(qū)域內(nèi)對(duì)通訊實(shí)施統(tǒng)一的協(xié)議和規(guī)約在技術(shù)上是可行的。

根據(jù)對(duì)水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)統(tǒng)一通訊協(xié)議和規(guī)約的需求及應(yīng)用條件分析后，認(rèn)為水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)信息傳輸具有實(shí)時(shí)性要求較強(qiáng)，單次信息量較小，傳輸信息類型較少，一般不具有反向控制需求等特點(diǎn)。隨著移動(dòng)通訊平臺(tái)和衛(wèi)星數(shù)傳系統(tǒng)的發(fā)展，這些技術(shù)具有水平高，專業(yè)保障能力強(qiáng)，技術(shù)更新及時(shí)，向下兼容性好等特點(diǎn)。公眾信息傳輸平臺(tái)具有完善的信息傳輸糾錯(cuò)容錯(cuò)機(jī)制，通訊誤碼率極低。因此在當(dāng)前情況下可充分應(yīng)用公共網(wǎng)絡(luò)，而不需要自己組網(wǎng)。這就降低了利用公眾信息傳輸平臺(tái)傳輸水情信息時(shí)進(jìn)行信道編碼所需的措施難度，利用公眾信息傳輸平臺(tái)傳輸水情信息已成為水文自動(dòng)測(cè)報(bào)技術(shù)發(fā)展的最主要優(yōu)化通訊選擇條件。

綜上，在一定區(qū)域范圍內(nèi)對(duì)所建水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)實(shí)施統(tǒng)一的通訊規(guī)約和協(xié)議是社會(huì)發(fā)展的需求，技術(shù)上是可行的，同時(shí)也是發(fā)展的必然。

3 統(tǒng)一通訊規(guī)約和協(xié)議的制定

2008 年，國(guó)家防汛抗旱指揮系統(tǒng)一期工程四川省部分水情分中心開始建設(shè)。根據(jù)國(guó)家招投標(biāo)法和項(xiàng)目建設(shè)規(guī)定，此項(xiàng)目必須實(shí)施公開招標(biāo)，多個(gè)水情分中心可能會(huì)由多個(gè)承建單位分別建設(shè)。為避免因各單位實(shí)施的通訊協(xié)議和規(guī)約不同而造成系統(tǒng)互不兼容，造成信息不能由同一平臺(tái)接收和處理，以及使設(shè)備的維修和互換及日后的系統(tǒng)升級(jí)困難，在國(guó)家或行業(yè)尚未出臺(tái)統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，四川省水文水資源勘測(cè)局以該工程為契機(jī)，著手實(shí)施編制了 SCSW008-2008《水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)約和協(xié)議》，在工程建設(shè)中強(qiáng)行使用。

其通訊規(guī)約中 1 條傳輸指令的基本組成格式是：“引導(dǎo)符”+“采集站號(hào)碼”+“數(shù)據(jù)類型碼”+“數(shù)據(jù)（或指令）碼”+ …… +“校驗(yàn)碼”+“結(jié)束符”[3]。

在規(guī)定和編制時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：

1）結(jié)構(gòu)完整且簡(jiǎn)單實(shí)用。通過(guò)上述格式可以看出，編碼結(jié)構(gòu)是完整的。通過(guò)采集站號(hào)碼可識(shí)別信息源或中心下達(dá)指令的目標(biāo)站號(hào)；規(guī)定不同的“數(shù)據(jù)類型碼”可以衍生和指出后續(xù)“數(shù)據(jù)”的屬性是自動(dòng)采樣的要素?cái)?shù)據(jù)或是操作參數(shù)及控制指令等不同類型；加上“校驗(yàn)碼”和“結(jié)束符”保證了 1 幀通訊數(shù)據(jù)的完整性。

2）易讀。該協(xié)議從結(jié)構(gòu)和信息定義上基本參考了 SL330-2005《水情信息編碼標(biāo)準(zhǔn)》[4]技術(shù)文件中的 A 格式，使熟悉上述標(biāo)準(zhǔn)的使用者易于掌握和使用本協(xié)議和規(guī)約。同時(shí)，本協(xié)議和規(guī)約的基本格式采用了計(jì)算機(jī)常見的 ASCⅡ 碼，易于在計(jì)算機(jī)上直接顯示，并可在手機(jī)上以短信息形式顯示，理解編碼規(guī)則的人員無(wú)需專門的軟件翻譯或轉(zhuǎn)換就可以看懂報(bào)文。

3）易擴(kuò)展。該協(xié)議和規(guī)約除前面的“引導(dǎo)符”+“采集站號(hào)碼”和后面的“校驗(yàn)碼” +“結(jié)束符”在 1 幀傳輸中唯一出現(xiàn)外，其核心部分的“數(shù)據(jù)類型碼” +“數(shù)據(jù)（或指令）碼”是相互獨(dú)立的“信息片”，根據(jù)具體需要，“信息片”中的“數(shù)據(jù)類型碼”和“數(shù)據(jù)（或指令）碼” 可疊加和擴(kuò)展，并可不斷地?cái)U(kuò)充定義和應(yīng)用至不同環(huán)境。

4）可壓縮。除在一定應(yīng)用環(huán)境可以省略“引導(dǎo)符”而達(dá)到一定壓縮比目標(biāo)外，每幀編碼都可以由ASCⅡ 碼格式轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制方式傳輸，使編碼效率大大提高。最典型的應(yīng)用是，使用移動(dòng)通訊的短信平臺(tái)傳輸?shù)?200 余字節(jié)的 ASCⅡ 碼水情報(bào)文，通過(guò)壓縮轉(zhuǎn)換后，可以通過(guò)僅有 98 字節(jié)容量的“北斗”衛(wèi)星信道傳輸。

5）充分借助公眾通訊平臺(tái)?，F(xiàn)在應(yīng)用較為普遍的有移動(dòng)通訊的 GSM，GPRS，3G 系統(tǒng)，“北斗”、“海事”衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)等，由于公眾通訊平臺(tái)自身通訊保障措施完善，誤碼率極低，需傳輸?shù)乃樾畔⒖砂诠娡ㄓ嵠脚_(tái)的信息流內(nèi)，這就簡(jiǎn)化了因自建信道組網(wǎng)對(duì)通訊編碼中通訊冗余和容錯(cuò)、糾錯(cuò)的需求，使通訊格式更加簡(jiǎn)單。

根據(jù)以上原則和具體的規(guī)定及定義，本協(xié)議編碼按照格式字節(jié)壓縮與否可分為“基本格式”和“混合格式”；按照傳輸幀的屬性可分為“數(shù)據(jù)發(fā)送類”、“信息查詢指令類”、“參數(shù)設(shè)置指令類”及“目標(biāo)站號(hào)設(shè)置和修改指令類”等類型。通過(guò)初步應(yīng)用，這些類型指令基本上滿足了當(dāng)前水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)信息交換的全部需求。

4 水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)約和協(xié)議應(yīng)用情況

SCSW008-2008《水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)約和協(xié)議》制定完成后，當(dāng)年在國(guó)家防汛抗旱指揮系統(tǒng)一期工程，四川省的達(dá)州、南充、成都及綿陽(yáng)水情分中心開始正式運(yùn)用。由于為首次實(shí)施，四川省水文水資源勘測(cè)局和水情分中心的承建商密切配合，對(duì)其中的細(xì)節(jié)進(jìn)行了初步完善。4 個(gè)水情分中心計(jì) 104 個(gè)站點(diǎn)全部應(yīng)用該協(xié)議，其中水位（雨量）站點(diǎn) 66 處，雨量站點(diǎn) 38 處。4 個(gè)水情分中心建設(shè)完成后，又以該規(guī)約和協(xié)議對(duì)“5.12”地震應(yīng)急監(jiān)測(cè)站點(diǎn) 77 處進(jìn)行了改造，隨后應(yīng)用此技術(shù)建設(shè)了達(dá)州地方水情報(bào)汛站 40 余處；2009～2010 年期間，應(yīng)用該協(xié)議建設(shè)了 212 處災(zāi)后重建水文自動(dòng)測(cè)報(bào)站點(diǎn)。截至目前，包括即將建設(shè)的中小河流洪水易發(fā)區(qū)水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 276 個(gè)站點(diǎn)，四川省共有 600 多處水文自動(dòng)測(cè)報(bào)站點(diǎn)應(yīng)用該協(xié)議。水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)統(tǒng)一通訊規(guī)約和協(xié)議帶來(lái)的技術(shù)效益初步顯現(xiàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

雖然水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)通訊協(xié)議和規(guī)約的規(guī)范僅處于初步階段，但其應(yīng)用效果已經(jīng)初步顯現(xiàn)，從遙測(cè)站應(yīng)用效果看，只要采用統(tǒng)一規(guī)約和協(xié)議，在維修時(shí)可采用單站整體代換的維修方式，而不需看其設(shè)備是哪個(gè)系統(tǒng)購(gòu)置或哪個(gè)企業(yè)生產(chǎn)的；從中心站硬件上看，中央和地方報(bào)訊、地震應(yīng)急監(jiān)測(cè)，以及災(zāi)害重建水文測(cè)報(bào)等系統(tǒng)可用 1 套相同的接收終端接收水情信息；同時(shí)，由于信息形成的存儲(chǔ)格式和標(biāo)準(zhǔn)一致，在應(yīng)用這些信息時(shí)可用同一套處理軟件，由于信息采集時(shí)兼顧了水情預(yù)報(bào)和基本資料收集的多重需求，該方式也基本解決了水文資料整編的信息需要。通過(guò)統(tǒng)一水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)約和協(xié)議，使水文水情信息的收集、處理效率大大提高。

當(dāng)然，由于該項(xiàng)工作尚處于起步階段，現(xiàn)在還存在一些技術(shù)薄弱點(diǎn)和未達(dá)到理想的規(guī)模效應(yīng)。為此，必須抓緊以下 2 方面工作：1）繼續(xù)完善已經(jīng)出臺(tái)的協(xié)議和規(guī)約，使其更加科學(xué)、合理、高效；2）要繼續(xù)推廣統(tǒng)一的水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)協(xié)議和規(guī)約。由于SCSW008-2008《水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)約和協(xié)議》僅是四川省水文局的內(nèi)部規(guī)定，對(duì)社會(huì)并不具有法律的約束力，其推廣應(yīng)用明顯乏力。如果能上升為地方或者是行業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，將使該技術(shù)推廣更有力，社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益將更加明顯。

[1]水利部水文調(diào)度中心. SL61-94 水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)規(guī)范[S].北京：中國(guó)水利水電出版社，1996: 15-18.

[2]水利部水文調(diào)度中心. SL61-2003 水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)規(guī)范[S]. 北京：中國(guó)水利水電出版社，2003: 17.

[3]四川省水文水資源勘測(cè)局. SCSW008-2008 水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)約和協(xié)議[S]. 成都：四川省水文水資源勘測(cè)局，2008: 16.

[4]水利部. SL330-2005 水情信息編碼標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京：中國(guó)水利水電出版社，2005: 4.