淺談GPRS技術(shù)在水文監(jiān)測領(lǐng)域中的應(yīng)用

宋佳麗，馬明衛(wèi)

（1.河海大學(xué)商學(xué)院，南京，211100；2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京，210098）

1 我國水文監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展和現(xiàn)狀分析

1.1 我國水文監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展

我們需要加強(qiáng)水利基礎(chǔ)設(shè)施的建立，并對水資源進(jìn)行有效的管理。水文監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)和完善，將提高水資源的利用效率，增強(qiáng)洪澇災(zāi)害的預(yù)見性。對水利管理和調(diào)度，水資源合理開發(fā)和利用，防洪抗旱，保障工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面都具有十分重要的意義。

水文監(jiān)測系統(tǒng)在我國防汛工作中的應(yīng)用己有很多年的歷史，伴隨著計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的迅速發(fā)展，水文監(jiān)測的數(shù)據(jù)的傳輸方式也隨之變化。70 年代中至80 年代中期，主要采用國外進(jìn)口的無線超短波設(shè)備進(jìn)行傳輸；80 年代中期后，水利部開始鼓勵國內(nèi)研究所和高校自行研發(fā)超短波遙測設(shè)備。90 年代開始應(yīng)用包括超短波、衛(wèi)星、有線公網(wǎng)等傳輸，但超短波傳輸一直扮演非常重要的角色。90 年代末期開始，才陸續(xù)利用取TERNET 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和GSM 短信方式進(jìn)行傳輸，但并沒有進(jìn)行大規(guī)模推廣。

直到2002 年5 月，中國移動正式推出了商用的GPRS 移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，才引發(fā)了一場新的革命。GPRS 是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，它能提供端到端的廣域的無線口連接。使用者可以通過無處不在的全球移動通信系統(tǒng)，以無線連接的方式，方便、快捷地接入現(xiàn)有的固定IP 網(wǎng)絡(luò)。相對原來GSM 的撥號方式的電路交換數(shù)據(jù)傳送方式，具有實(shí)時(shí)和穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。

1.2 我國水文監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析

我國的水情自動測報(bào)系統(tǒng)近年來得到了較大的發(fā)展，技術(shù)上有了長足的進(jìn)步，但與目前國際上先進(jìn)國家的產(chǎn)品相比仍存在差距。主要是：

（l）用于水情自動測報(bào)的傳感器品種不足，不能擴(kuò)大應(yīng)用范圍，有些傳感器在性能或功能上還不能完全滿足要求；

（2）硬件設(shè)備的可行性（主要是MTBF 指標(biāo)）及質(zhì)量穩(wěn)定性與國際先進(jìn)設(shè)備相比，還有待進(jìn)一步提高；

（3）通信手段比較單一，不能滿足特殊系統(tǒng)的布網(wǎng)要求；

（4）對新技術(shù)與新產(chǎn)品研制力量投入不足，主要是目前多數(shù)研制單位往往忙于產(chǎn)品生產(chǎn)或受科研經(jīng)費(fèi)的限制而顧不上新產(chǎn)品的研制和更先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，因而使新技術(shù)儲備下降，不利于技術(shù)進(jìn)步。

2 GPRS 通訊技術(shù)概述

GPRS(General Packet Radio Service)是通用分組無線業(yè)務(wù)的英文簡稱。它是利用分組交換(Packet-Switched)的技術(shù)發(fā)展出的一種無線傳輸方式，屬于國際上流行的2.5 代移動通信技術(shù)。

GPRS 是在原有的GSM 移動通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為GSM 用戶提供移動分組數(shù)據(jù)服務(wù)。GPRS 采用與GSM 同樣的無線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、同樣的頻帶、同樣的突發(fā)結(jié)構(gòu)、同樣的跳頻規(guī)則以及同樣的TDMA 幀結(jié)構(gòu)，這種新的分組數(shù)據(jù)信道與當(dāng)前的電路交換的話音業(yè)務(wù)信道極其相似。

由于在GSM 網(wǎng)絡(luò)中加入了分組交換功能的實(shí)體來支持采用分組交換方式的數(shù)據(jù)傳輸。所謂分組交換就是將數(shù)據(jù)分裝成許多獨(dú)立的數(shù)據(jù)包，再將這些數(shù)據(jù)包一個(gè)一個(gè)傳送出去，形式上很像寄包裹。每個(gè)用戶可同時(shí)占用多個(gè)無線信道，同一無線信道又可以由多個(gè)用戶共享，資源得到了有效利用，GPRS 理論帶寬可達(dá)171.2Kbit/s，實(shí)際應(yīng)用帶寬大約為20～60Kbit/s，在此信道上提供TCP/IP 連接，可以用于Internet 連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?yīng)用。采用分組交換的好處是在有數(shù)據(jù)需要傳送的時(shí)候才會占用頻寬，即使用GPRS 技術(shù)的用戶永遠(yuǎn)在線且按流量計(jì)費(fèi)，大大降低了通信成本，這對于用戶來說是比較合理的。在防汛決策系統(tǒng)中，水情信息的數(shù)據(jù)傳輸量不大，但測點(diǎn)所處地理位置偏僻，需要進(jìn)行頻繁、定期的數(shù)據(jù)傳輸以保證用戶能夠及時(shí)掌握最新的水情、雨情，從而作出正確的決策，GPRS 技術(shù)特別適合間斷、突發(fā)、頻繁少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適合偶爾的大數(shù)據(jù)量的傳輸。因此是實(shí)現(xiàn)防汛決策系統(tǒng)的一種理想通信方式。

3 GPRS 水文監(jiān)控系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）相對于GSM 的撥號方式的電路交換數(shù)據(jù)傳輸方式，GPRS 是分組交換技術(shù)，具有“高速”的優(yōu)點(diǎn)。GSM 通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率低于9.6Kbit/S，GPRS 網(wǎng)絡(luò)理論上最大傳輸速率可以達(dá)到171.2Kbit/S，凈速率可達(dá)115Kbit/S。

（2）實(shí)時(shí)在線，GPRS 用戶可以隨時(shí)在網(wǎng)絡(luò)上收發(fā)數(shù)據(jù)，不會斷線。有數(shù)據(jù)傳送時(shí)就在無線信道上發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，沒有數(shù)據(jù)傳送，終端就進(jìn)入一種“準(zhǔn)休眠”狀態(tài)，釋放所用的無線信道給其他用戶使用，這時(shí)網(wǎng)絡(luò)與用戶之間還保持一種邏輯上的連接，當(dāng)用戶再次傳送時(shí)，手機(jī)立即向網(wǎng)絡(luò)請求無線頻道用來傳送數(shù)據(jù)，不需頻繁撥號，非常適合水文數(shù)據(jù)的傳輸。

（3）網(wǎng)絡(luò)頻譜效率高，分組交換意味著僅當(dāng)用戶正在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時(shí)GPRS 無線資源才被使用。與將一個(gè)無線信道指定給一個(gè)移動數(shù)據(jù)用戶相比，它可以同時(shí)在幾個(gè)用戶之間共享。這種無線資源的有效使用意味著大量的GPRS 用戶可以共享相同的帶寬而且由同一個(gè)單元提供服務(wù)。GPRS 可以使用戶以一種動態(tài)的和靈活的方式最大可能地利用網(wǎng)絡(luò)資源。

（4）兼容Internet/Intranet，GPRS 從協(xié)議上提供了同IP 網(wǎng)絡(luò)互通的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)從空中接口到外部網(wǎng)絡(luò)之間的分組數(shù)據(jù)傳輸，GPRS 可以接入基于TCP/IP 協(xié)議的外部網(wǎng)絡(luò)和X.25 網(wǎng)絡(luò)。用戶可以通過GPRS 系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)連接到互聯(lián)網(wǎng)。

（5）GPRS 數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，且可以傳輸批量數(shù)據(jù)，對水文應(yīng)用來說還可以實(shí)現(xiàn)固態(tài)數(shù)據(jù)存儲無線下載，這一特點(diǎn)是超短波、GSM、有線以及衛(wèi)星通信所不能替代的。

（6）網(wǎng)絡(luò)成本不斷降低，GPRS 的成本將隨著市場的擴(kuò)大而迅速下降，并且GPRS 可以以高于目前modem 的速率為用戶提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，無線數(shù)據(jù)傳輸從而有能力與固定網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸在成本和傳輸速率方面展開競爭。

4 GPRS 在水文監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

4.1 GPRS 系統(tǒng)工作流程

基于GPRS 技術(shù)的水文自動測報(bào)系統(tǒng)的應(yīng)用是將水情信息形成IP 數(shù)據(jù)后通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街行恼居?jì)算機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)水情信息的實(shí)時(shí)傳輸和共享，而系統(tǒng)各遙測站需配置具有GPRS 功能的通信模塊和開通GPRS 業(yè)務(wù)的SIM 卡。目前，此項(xiàng)技術(shù)已廣泛運(yùn)用于防汛工作當(dāng)中，有較高的實(shí)用價(jià)值，體現(xiàn)出很好的發(fā)展前景。系統(tǒng)工作流程是：測站通信模塊加電后，自動登錄到移動GPRS 網(wǎng)絡(luò)，然后按規(guī)定撥號登錄GPRS 移動通信網(wǎng)CMNET，登錄成功即表明遙測站與互聯(lián)網(wǎng)連接成功，就可以采用TCP/IP 協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。

采用GPRS 傳輸水文數(shù)據(jù)的系統(tǒng)一般采用自報(bào)式。移動公司給各遙測站的GPRS 通信模塊一般只分配動態(tài)IP 地址。在中心站需設(shè)一臺具有申請到固定IP 地址的GPRS 通信模塊接收數(shù)據(jù)，也可以和移動中心之間通過專線連接。當(dāng)遙測站數(shù)量較多時(shí)，使用這種結(jié)構(gòu)，有利于降低傳輸時(shí)延。對于數(shù)據(jù)量小的水情數(shù)據(jù)傳輸，使用GPRS 按流量計(jì)費(fèi)方式，有利于降低運(yùn)行費(fèi)用。

4.2 GPRS 的安全措施

由于水文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特殊性，本系統(tǒng)需要極高的系統(tǒng)安全保障和穩(wěn)定性。安全保障主要是防止來自系統(tǒng)內(nèi)外的有意和無意的破環(huán)，網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)措施包括信道加密、信源加密、登錄防護(hù)、訪問防護(hù)、接入防護(hù)、防火墻等。穩(wěn)定是指系統(tǒng)能夠7×24 小時(shí)不間斷運(yùn)行，即使出現(xiàn)硬件和軟件故障，系統(tǒng)也不能中斷運(yùn)行。

數(shù)據(jù)中心可通過公網(wǎng)接入，或者到移動專網(wǎng)接入，采用公網(wǎng)接入方式成本比較低，企業(yè)不用租用專線，而使用數(shù)據(jù)專線接入時(shí)，GPRS 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備要經(jīng)過Radius 服務(wù)器的認(rèn)證，整個(gè)數(shù)據(jù)傳送過程得到了加密保護(hù)，安全性比較高，可充分保障速度和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。

5 結(jié)語

水文監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用，在很大程度上減少了洪水災(zāi)害及損失，同時(shí)也對水資源利用等起到了越來越重要的作用?；贕PRS 技術(shù)的水文信息監(jiān)測系統(tǒng)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)在惡劣環(huán)境下穩(wěn)定、高效的運(yùn)行，完成水文信息的無線數(shù)據(jù)傳輸，很好地滿足水文信息采集的需求。同時(shí)也為水利建設(shè)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；為水資源管理提供了依據(jù)；為水利工作人員提高了工作效率；為灌區(qū)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收提供了保障。

[1]魏德華,何廷霖,劉占京,等.基于 GPRS 的小流域水情自動測報(bào)系統(tǒng)[J].中國農(nóng)村水利水電,2006,7

[2]何啟蓮,江顯群.海南省GPRS 水情測報(bào)系統(tǒng)建設(shè)問題探討[J].水文,2008,28(6)