水文行業(yè)通信規(guī)約測(cè)試與實(shí)踐

趙 越，李曉輝

（水利部水文儀器及巖土工程儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心，江蘇 南京 210012）

0 引言

為確保水文數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理各組成單元之間，以及子系統(tǒng)間實(shí)現(xiàn)高度的信息共享，標(biāo)準(zhǔn)化工作對(duì)于水文、水資源自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的成功建設(shè)非常關(guān)鍵。近年來我國水文系統(tǒng)已充分認(rèn)識(shí)到水文、水資源通信規(guī)約的重要性。四川、江蘇 2 省的水文水資源勘測(cè)局先后編寫了《水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)約和協(xié)議》、《江蘇省水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約》等地方標(biāo)準(zhǔn)。在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)層面，2012 年《水資源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約》已經(jīng)頒布施行，《水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信規(guī)約》（報(bào)批稿）完成了編制工作并通過審查。

這些規(guī)約的編制對(duì)規(guī)范水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備互相兼容、資源共享提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐，同時(shí)也對(duì)規(guī)約的測(cè)試工作提出新的要求。

規(guī)約的測(cè)試工作分為規(guī)約測(cè)試和規(guī)約符合性測(cè)試。

1 規(guī)約測(cè)試

測(cè)試規(guī)約即對(duì)規(guī)約本身技術(shù)內(nèi)容的測(cè)試。規(guī)約作為標(biāo)準(zhǔn)，其技術(shù)內(nèi)容的準(zhǔn)確性、完整性和可用性在編制過程中必須經(jīng)過嚴(yán)格測(cè)試。

在規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)編制送審稿、報(bào)批稿階段應(yīng)進(jìn)行規(guī)約測(cè)試，以驗(yàn)證其是否完整、準(zhǔn)確。以《水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信規(guī)約》為例，介紹在征求意見稿、送審稿階段進(jìn)行的規(guī)約測(cè)試。

1.1 測(cè)試目的

通過規(guī)約測(cè)試達(dá)到以下目的：1）是否完全涵蓋水文、水資源的所有功能要求；2）固定數(shù)據(jù)正文內(nèi)容臨界拆包或拆包狀態(tài)的執(zhí)行策略；3）數(shù)據(jù)自報(bào)、查詢、控制和響應(yīng)的功能；4）測(cè)試規(guī)約報(bào)文結(jié)構(gòu)是否準(zhǔn)確。

1.2 測(cè)試系統(tǒng)組成

測(cè)試系統(tǒng)由中心站、信道設(shè)備和 RTU 設(shè)備共同組成，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)示意圖

為了盡可能反映水文水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件的實(shí)際情況，規(guī)約測(cè)試時(shí)，若采用一般常用的計(jì)算機(jī)軟件模擬 RTU 是不能反映水文水資源監(jiān)控設(shè)備實(shí)際能力的，為此采用實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)用的 RTU 設(shè)備進(jìn)行必要升級(jí)改造，通過實(shí)際信道（GPRS，GSM，北斗衛(wèi)星）參與測(cè)試。

1）中心站。包括計(jì)算機(jī)及相應(yīng)軟件，應(yīng)具有數(shù)據(jù)收發(fā)、查詢、控制功能，對(duì)發(fā)送、接收的信息幀實(shí)時(shí)顯示和分析。可提取信息幀的分層信息，如鏈路層標(biāo)志和功能碼、應(yīng)用層信息對(duì)象標(biāo)識(shí)等，便于直觀判斷信息交換的正確性。

2）RTU 設(shè)備。應(yīng)具備以下能力：能連接規(guī)約所規(guī)定的全部采集參數(shù)所對(duì)應(yīng)的傳感器，并能完成數(shù)據(jù)采集功能，或置入有效數(shù)據(jù)，模擬采集功能；按照規(guī)約要求處理、發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)；接收中心站指令并做出相應(yīng)動(dòng)作。

3）信道設(shè)備。為模擬實(shí)際鏈路環(huán)境下的規(guī)約運(yùn)行情況，測(cè)試信道為 GPRS（CDMA），GSM，北斗衛(wèi)星。各信道設(shè)備的型號(hào)、版本號(hào)如表1 所示。

表1 信道設(shè)備

中心站 GPRS 接入方式為固定 IP。

1.3 測(cè)試內(nèi)容

1.3.1 規(guī)約功能碼遍歷

對(duì)《水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信》進(jìn)行規(guī)約測(cè)試，通過遍歷規(guī)約的所有功能碼檢查報(bào)文結(jié)構(gòu)是否合理，功能是否完整。

1.3.2 場(chǎng)景測(cè)試用例

按照數(shù)據(jù)流向，可將水文水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)劃分為以下 3 類場(chǎng)景：1）傳感器到 RTU；2）RTU 到中心站；3）中心站到 RTU。規(guī)約測(cè)試重點(diǎn)為 RTU 至中心站之間的通訊功能檢查，即場(chǎng)景 2 和 3，在場(chǎng)景 2 和 3 下設(shè)置了 RTU-中心站的自報(bào)、應(yīng)答，中心站-RTU 的查詢，中心站-RTU 的控制及響應(yīng)等 4 大類場(chǎng)景。

1.4 測(cè)試結(jié)果

在《水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信》規(guī)約編制過程中，共進(jìn)行了 2 次規(guī)約測(cè)試。通過測(cè)試確定該規(guī)約報(bào)文結(jié)構(gòu)合理，基本滿足水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。但在測(cè)試中仍發(fā)現(xiàn)以下一些問題：

1）文字錯(cuò)誤，導(dǎo)致上下文表述不一致；

2）幀結(jié)構(gòu)不準(zhǔn)確；

3）報(bào)文功能碼不能滿足水文、水資源測(cè)控系統(tǒng)需要。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)《水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信》文本進(jìn)行修訂使之完整、準(zhǔn)確，并于 2012 年 9 月26 日通過報(bào)批稿的標(biāo)準(zhǔn)審查，正式上報(bào)待批，在國家水資源能力建設(shè)和甘肅省中小河流治理中，該規(guī)約和《水資源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約》被廣泛應(yīng)用。

2 規(guī)約符合性測(cè)試

規(guī)約符合性測(cè)試即對(duì)被測(cè)設(shè)備規(guī)約符合性進(jìn)行測(cè)試。依據(jù)有關(guān)通信規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)（如《水資源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約》、《水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信》等），根據(jù)制造企業(yè)或用戶委托要求，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)一致性或系統(tǒng)設(shè)備兼容性的測(cè)試。

2.1 測(cè)試內(nèi)容

1）物理層的檢驗(yàn)項(xiàng)目，包括字節(jié)格式和傳輸速率是否正確。

2）鏈路層的檢驗(yàn)項(xiàng)目，有幀格式是否正確，傳輸規(guī)則是否滿足規(guī)約要求等項(xiàng)目。

3）基本應(yīng)用功能檢驗(yàn)，包括：測(cè)站參數(shù)設(shè)置，自報(bào)、召測(cè)，時(shí)鐘同步等。

4）數(shù)據(jù)正確性的檢驗(yàn)，包括：測(cè)量數(shù)據(jù)、固態(tài)存儲(chǔ)、內(nèi)存下載數(shù)據(jù)是否正確，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是否正確。

同時(shí)測(cè)試要求 RTU 設(shè)備具有物理層功能，即數(shù)據(jù)（模擬數(shù)據(jù)）采集、發(fā)送，RTU 系統(tǒng)參數(shù)和數(shù)據(jù)的貯存。規(guī)約符合性測(cè)試內(nèi)容包括傳感器（模擬傳感器）數(shù)據(jù)采集、傳輸，以及 RTU 設(shè)置。

2.2 測(cè)試方法

基于規(guī)約測(cè)試階段的經(jīng)驗(yàn)，為確保測(cè)試軟件的準(zhǔn)確、公正，相關(guān)單位編制了“水資源數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約測(cè)試軟件”和“水文數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約測(cè)試軟件”。在軟件編制過程中先后安排了數(shù)種 RTU 與其交叉測(cè)試，以《水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信》為例，該軟件先后與 3種 RTU 交叉測(cè)試。通過交叉測(cè)試和文檔校核，確保測(cè)試軟件符合《水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信》的規(guī)定。

為了更貼近水文、水資源監(jiān)測(cè)工作實(shí)際需要，本次測(cè)試信道選用 GPRS（CDMA），同時(shí)兼容北斗衛(wèi)星等其他信道。

規(guī)約測(cè)試主要依靠設(shè)備的規(guī)約實(shí)現(xiàn)文檔和測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行。規(guī)約實(shí)現(xiàn)文檔應(yīng)逐項(xiàng)列出該規(guī)約所實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用功能、選項(xiàng)和報(bào)文類型等；測(cè)試系統(tǒng)可以是安裝了測(cè)試軟件的計(jì)算機(jī)，通過 GPRS 等信道與被測(cè)設(shè)備相連。測(cè)試軟件應(yīng)完全遵循相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，有以下幾方面功能：

1）工作模式（自報(bào)、兼容、查詢應(yīng)答）[1]的選擇。

2）信息的構(gòu)造?？伸`活構(gòu)造信息幀, 選擇幀格式、命令、狀態(tài)標(biāo)志和數(shù)據(jù)等。

3）信息的實(shí)時(shí)分析、捕捉和存儲(chǔ)。對(duì)發(fā)送、接收的信息幀實(shí)時(shí)顯示和分析，實(shí)時(shí)提取信息幀的分層信息，如鏈路層標(biāo)志和功能碼、應(yīng)用層信息對(duì)象標(biāo)識(shí)等。

4）錯(cuò)誤顯示和統(tǒng)計(jì)。初步具備對(duì)通信中發(fā)生的錯(cuò)誤如應(yīng)答、標(biāo)志錯(cuò)誤的顯示和統(tǒng)計(jì)。

2.3 測(cè)試步驟

1）測(cè)試前根據(jù)測(cè)試內(nèi)容制作詳細(xì)的測(cè)試大綱，列出測(cè)試項(xiàng)目。

2）鏈路測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)測(cè)試大綱發(fā)送單個(gè)或 1 組信息幀。當(dāng)測(cè)試特定內(nèi)容（如數(shù)據(jù)格式）時(shí)，可發(fā)送數(shù)據(jù)召喚命令，檢查響應(yīng)的數(shù)據(jù)報(bào)文。

3）按測(cè)試大綱逐一進(jìn)行測(cè)試。主要測(cè)試通信過程中發(fā)送、接收的信息幀是否正確，包括幀格式、狀態(tài)標(biāo)志和數(shù)據(jù)類型等；接收傳感器數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，并進(jìn)行記錄；對(duì)接收的報(bào)文作簡(jiǎn)單判斷，遇到錯(cuò)誤時(shí)此項(xiàng)測(cè)試中斷。

4）測(cè)試完成后對(duì)測(cè)試記錄進(jìn)行分析，如各項(xiàng)內(nèi)容均通過，可以認(rèn)定此規(guī)約實(shí)現(xiàn)符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)；如有部分內(nèi)容未通過，則必須找出原因以便進(jìn)行修改。

5）依據(jù)測(cè)試結(jié)果形成檢測(cè)報(bào)告。

2.4 測(cè)試中注意事項(xiàng)

規(guī)約符合性測(cè)試過程中，發(fā)現(xiàn)在相同技術(shù)環(huán)節(jié)發(fā)生一些共性問題，測(cè)試時(shí)必須要注意，以下以《水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信規(guī)約》為例進(jìn)行探討。

2.4.1 規(guī)約測(cè)試的物理屬性

測(cè)試要求 RTU 設(shè)備具有物理層功能，在測(cè)試過程中要求密碼、地址等要素在系統(tǒng)掉電后不應(yīng)丟失，被測(cè)要素應(yīng)與 RTU 設(shè)備實(shí)際采集要素一致。

2.4.2 CRC 校驗(yàn)

CRC 校驗(yàn)的基本思想是利用線性編碼理論，在發(fā)送端根據(jù)要傳送的 k 位二進(jìn)制碼序列，以一定的規(guī)則產(chǎn)生 1 個(gè)校驗(yàn)用的監(jiān)督碼（既 CRC 碼）r 位，并附在信息后邊，構(gòu)成 1 個(gè)新的二進(jìn)制碼序列數(shù)共（k + r）位，最后發(fā)送出去。在接收端，根據(jù)信息碼和 CRC 碼之間所遵循的規(guī)則進(jìn)行檢驗(yàn)，以確定傳送中是否出錯(cuò)。

《水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信規(guī)約》采用 CRC16 校驗(yàn)，測(cè)試過程中應(yīng)注意 CRC 校驗(yàn)中的幾個(gè)要素：初始值為 FFFF，方向?yàn)橛乙疲囗?xiàng)式為 0xA001[2]4-14。

2.4.3 幀結(jié)構(gòu)部分

在《水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信規(guī)約》中，不同類型的報(bào)文需要考慮使用不同的正文開始符和結(jié)束符（主要針對(duì)分包傳輸），報(bào)文上行和下行的方向標(biāo)識(shí)符不一樣，需要注意。

所有召測(cè)回應(yīng)報(bào)文，都不再發(fā)送確認(rèn)。如果回應(yīng)報(bào)文為多包傳輸，也不再發(fā)送確認(rèn)，只進(jìn)行接收。

2.4.4 正文結(jié)構(gòu)

在 ASCII 報(bào)文中，各要素、數(shù)據(jù)、要素和數(shù)據(jù)、要素和其他元素、數(shù)據(jù)和其他元素之間都需要用空格分隔，其他元素包括測(cè)站分類碼、正文結(jié)束符等。協(xié)議中明確規(guī)定不需要增加的部分除外。

在 HEX 報(bào)文中，標(biāo)識(shí)符采用 2 字節(jié) HEX 碼，第 1 個(gè)字節(jié)為引導(dǎo)符，第 2 個(gè)字節(jié)為數(shù)據(jù)定義字節(jié)，按照規(guī)約實(shí)現(xiàn)文檔附錄 C[2]41-46的規(guī)定進(jìn)行。對(duì)于附錄中規(guī)定固定用 F0 之類的，應(yīng)把 F0 作為數(shù)據(jù)定義字節(jié)，例如測(cè)站標(biāo)識(shí)符為“F1 F1”。

2.5.5 要素?zé)o數(shù)據(jù)情況

數(shù)據(jù)組中的數(shù)據(jù)應(yīng)與要素標(biāo)識(shí)符組中編列的要素標(biāo)識(shí)符一一對(duì)應(yīng)。當(dāng)某個(gè)要素某個(gè)時(shí)間點(diǎn)沒有數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)于 ASCⅡ 編碼報(bào)文應(yīng)在數(shù)據(jù)組相應(yīng)位置上填列字符“M”，對(duì)于 HEX/BCD 編碼報(bào)文應(yīng)在數(shù)據(jù)組相應(yīng)位置上填列與其他數(shù)據(jù)位數(shù)一樣的“A”。此類 HEX/BCD 編碼報(bào)文中標(biāo)識(shí)符規(guī)定的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度定義適用于每組數(shù)據(jù)，即每組數(shù)據(jù)長(zhǎng)度應(yīng)一致。

3 結(jié)語

在規(guī)約測(cè)試過程中，為方便測(cè)試的進(jìn)行，檢測(cè)單位對(duì)密碼（密鑰）、存儲(chǔ)補(bǔ)發(fā)等要素進(jìn)行了補(bǔ)充約定，這些約定僅適用于規(guī)約測(cè)試，在具體項(xiàng)目中，建設(shè)方可根據(jù)實(shí)際情況約定相關(guān)要素。

水文、水資源通信規(guī)約有利促進(jìn)了行業(yè)技術(shù)進(jìn)步，同時(shí)對(duì)檢測(cè)單位提出了更高的要求，檢測(cè)單位需要針對(duì)規(guī)約測(cè)試投入更多的資源，以提高技術(shù)水平和檢測(cè)能力。

[1]國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目辦公室. SZY206-2012 水資源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約[S]. 北京：國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目辦公室，2012: 13-15.

[2]水利部水利信息中心，水利部水文儀器及巖土工程儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心. 水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信規(guī)約（送審稿）[S]. 北京：水利部水文局，2012.