北斗傳輸技術(shù)在新疆某供水監(jiān)測系統(tǒng)中的應用

姜廣義

（新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設管理局，新疆 烏魯木齊 830000）

北斗傳輸技術(shù)在新疆某供水監(jiān)測系統(tǒng)中的應用

姜廣義

（新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設管理局，新疆 烏魯木齊 830000）

結(jié)合新疆某工程施工供水現(xiàn)狀，介紹施工供水監(jiān)測系統(tǒng)的建設方案，選擇北斗衛(wèi)星傳輸作為供水監(jiān)測系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)傳輸方式。分析北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸原理，闡述監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)，并對北斗衛(wèi)星的應用作進一步分析，應用結(jié)果說明，采用北斗衛(wèi)星傳輸可節(jié)約人力、物力，平均通信暢通率達到 96.90% 以上，可為在無人荒漠區(qū)實現(xiàn)供水管道數(shù)據(jù)自動采集、上傳和運行維護提供可靠的解決辦法。

北斗衛(wèi)星；傳輸技術(shù)；施工供水；供水監(jiān)測系統(tǒng)；荒漠戈壁地區(qū)

0 引言

新疆某大型水利工程全長 500 多 km，2015年開工建設，目前共有 18 家施工單位在不同標段開展施工作業(yè)，施工地點地處荒漠戈壁無人區(qū)，沒有地下水資源，在水利工程施工前的“四通一平”工程中，選用離施工區(qū)較近的烏倫古河及大石頭 2 個供水水源地，保障施工人員生活及生產(chǎn)用水。

由于此施工供水管道地理位置的特殊性，周邊基本全是荒漠戈壁或山區(qū)的無人區(qū)，跨度大，距離遠，冬季大雪覆蓋，沒有道路，沒有手機信號，每天派人沿線巡查供水管線，保障供水安全，顯然成為難題。建設供水監(jiān)測系統(tǒng)，保證供水安全迫在眉睫、尤為重要。如何將采集數(shù)據(jù)傳回有人值守基地，必須選擇可靠的通信數(shù)據(jù)傳輸方式。傳輸方式大致分為以下 3 種：

1）租用運營商專線傳輸通道方式。由于供水管線沒有運營商公用光纖網(wǎng)絡資源，此種傳輸數(shù)據(jù)方式行不通。

2）用 GPRS 解決數(shù)據(jù)傳輸方式。測試信號質(zhì)量基本小于 -80 dbm，處于信號不穩(wěn)定或無信號狀態(tài)，此種傳輸方式也不可行。

3）衛(wèi)星通信傳輸方式。衛(wèi)星通信是最快速、可靠的傳輸方式，在我國境內(nèi)無盲區(qū)的北斗衛(wèi)星通信方式成為首選。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BDS）是中國自行研制的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星通信的工作方式是具有點對點雙向數(shù)據(jù)的傳輸，數(shù)據(jù)報告方式以數(shù)據(jù)包的形式傳輸 1 次可發(fā)送 210 B 信息，一般用戶 1 次最多可發(fā)送 110 B 信息[1]，目前基于北斗衛(wèi)星的氣象站數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)已經(jīng)在新疆、福建等省份初步推廣應用[2]。隨著我國自主知識產(chǎn)權(quán)的北斗一號衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)的建設及穩(wěn)定運營，利用北斗通信型終端可以較好地實現(xiàn)荒漠戈壁地區(qū)此類工程供水監(jiān)測中的數(shù)據(jù)通信，且設備簡單，安裝簡單，設備費用低。

1 工程施工供水監(jiān)測系統(tǒng)實施策略

供水監(jiān)測系統(tǒng)含烏倫古河、大石頭供水系統(tǒng)（含雙井子供水系統(tǒng)）兩大部分。 其中烏倫古河供水系統(tǒng)主要通信節(jié)點為 T1 水池，烏倫古河泵站，T2高位水池、二級泵站，T2+ 水池；大石頭供水系統(tǒng)（雙井子供水系統(tǒng)）主要通信節(jié)點為大石頭水源地井群、集水池，T4 加壓泵站、高位水池，雙井子段1～3# 水池。

泵站水泵的啟停需要遠方水池的水位信息作為自動工作依據(jù)，以輔助泵站運行，本項目共計 5 處遠方水池水位信息需要傳輸至對應泵站，分別為 T1水池至烏倫古河泵站，T2 高位水池至烏倫古河泵站，T2+ 水池至 T2 二級泵站，大石頭水源地集水池至大石頭井群管理站，T4 加壓泵站至 T4 高位水池。雙井子段 1～3# 水池的水位信息傳至 T4 加壓泵站只做運行監(jiān)測用途。

1.1 烏倫古河供水部分

本部分包含烏倫古河取水口、T1 和 T2（高位水池）等集水池的水位監(jiān)測，烏倫古河泵房水泵進、出口壓力監(jiān)測。

烏倫古河取水口集水池水位及泵房水泵進、出口壓力等監(jiān)測信息通過衛(wèi)星通信方式進入烏倫古河泵房監(jiān)控系統(tǒng)，供電由泵房提供。

T1，T2 集水池水位信息通過水池現(xiàn)地自動采集站以衛(wèi)星通信方式傳輸至烏倫古河泵房控制室，進入烏倫古河泵房監(jiān)控系統(tǒng)，供電方式為太陽能供電。烏倫古河施工供水監(jiān)測傳輸示意圖如圖 1 所示。

圖 1 烏倫古河部分施工供水監(jiān)測傳輸示意圖

1.2 大石頭供水部分

主要包含大石頭供水系統(tǒng) 1# 水池（井群集水池）、2# 水池（T4 加壓泵站集水池）、3# 水池（高位水池）水位監(jiān)測，以及大石頭水源地水井水泵出口及 T4 加壓泵站水泵進、出口的壓力監(jiān)測。

大石頭供水系統(tǒng) 2# 水池水位及 T4 加壓泵站水泵進、出口壓力等監(jiān)測信息通過通信電纜接入泵站PLC，進入 T4 加壓泵站監(jiān)控系統(tǒng)，供電由泵站提供。

大石頭供水系統(tǒng) 1# 和 2# 水池水位信息通過水池現(xiàn)地自動采集站，以衛(wèi)星通信方式傳輸至大石頭水源地管理站，進入大石頭水源地監(jiān)控系統(tǒng)。供電方式采用太陽能供電。大石頭水源地供水監(jiān)測示意圖如圖 2 所示。

圖 2 大石頭供水系統(tǒng)供水監(jiān)測示意圖

2 北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸原理及監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸原理

短報文發(fā)送方首先將包含接收方 ID 號和通訊內(nèi)容的通訊申請信號加密后通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)入站；地面中心站接收到通訊申請信號后，經(jīng)脫密和再加密后加入持續(xù)廣播的出站廣播電文中，經(jīng)衛(wèi)星廣播給用戶；接收方用戶機接收出站信號，解調(diào)解密出站電文，完成 1 次通訊。與定位功能相似，短報文通訊的傳輸時延約為 0.5 s，通訊的最高頻度為 1.0 s/次。

2.2 北斗監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸總體架構(gòu)

北斗監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是由中心指揮機和北斗數(shù)據(jù)通信終端兩部分組成的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)應用于無人值守自動監(jiān)測站，負責將采集器輸出的水位、水量等數(shù)據(jù)通過北斗衛(wèi)星，傳送給供水監(jiān)測數(shù)據(jù)監(jiān)控中心的中心指揮機，然后傳送給中心監(jiān)控計算機平臺，以實現(xiàn)實時供水監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)控。監(jiān)測系統(tǒng)分為施工供水遙測站和監(jiān)控中心兩大部分，遙測站采集及數(shù)據(jù)傳輸方式示意圖如圖 3 所示[3]。

圖 3 施工供水遙測站示意圖

烏倫古河監(jiān)測系統(tǒng)安裝在烏倫古河泵房控制室，進入烏倫古河泵房監(jiān)控系統(tǒng)；大石頭供水系統(tǒng)1# 和 2# 水池水位信息通過水池現(xiàn)地自動采集站，以衛(wèi)星通信方式傳輸至大石頭水源地管理站，進入大石頭水源地監(jiān)控系統(tǒng)。

2 個監(jiān)測中心站均安裝接收數(shù)據(jù)的服務器，系統(tǒng)由北斗指揮機組和中心監(jiān)控軟件組成，監(jiān)控軟件可以單獨運行在一臺服務器上，監(jiān)測中心站完成數(shù)據(jù)接收、協(xié)議轉(zhuǎn)換、查錯補數(shù)、解壓縮、數(shù)據(jù)輸出等工作，具有統(tǒng)計、分析、管理、備份、查詢等功能，軟件能夠全年不間斷工作。

2.3 北斗通信傳輸模塊主要性能、特點

北斗通信傳輸模塊主要有以下特點：信號捕獲和跟蹤靈敏度高，適用于野外等惡劣環(huán)境；采用開放接口，與其它系統(tǒng)有良好的兼容性。北斗傳輸模塊的接收和發(fā)射指標波束寬度如表 1 所示，額定環(huán)境條件下的接收指標如表 2 所示。

3 北斗衛(wèi)星傳輸模式的應用

2016年 8月，采用北斗傳輸模式的供水監(jiān)測系統(tǒng)在新疆荒漠戈壁地區(qū)建設完成，投入使用至今運行良好， 扣除天氣因素，數(shù)據(jù)通信成功率接近100%，新疆地區(qū)晴天較多，干擾因素較小，數(shù)據(jù)運行更加穩(wěn)定。

在荒漠戈壁地區(qū)采用北斗傳輸模式具有以下優(yōu)勢：

1）北斗通信終端體積小、功耗低。

2）可實現(xiàn)水文數(shù)據(jù)的自動拆分包功能，數(shù)據(jù)長度不受限。

3）系統(tǒng)具有自動補包重傳功能，廠家標稱數(shù)據(jù)通信成功率可提供至 99.9%。黃河水利委員會參加實驗的 7 個測站在 1 s 內(nèi)同時發(fā)數(shù)，共進行了 9 639 組數(shù)據(jù)發(fā)射，平均通信暢通率為 96.90%；在長江水利委員會做的 23 對 1 的試驗中，進行了 27 600 次發(fā)射，暢通率為 97.65%[2]。

4）具有協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，應用靈活，兼容互操作性強，可與現(xiàn)有系統(tǒng)實現(xiàn)無縫進入。

5）每個站點的北斗傳輸終端建設需一次性投入8 000～10 000 元，衛(wèi)星傳輸月租用費約為 800 元，投資不大。在大雪覆蓋的山區(qū)，沒有道路的無人區(qū)，利用北斗衛(wèi)星傳輸技術(shù)建設供水監(jiān)測系統(tǒng)就不需要每天派人到位于山區(qū)的供水管道沿線巡查，節(jié)約了大量的人力、車輛、物品投入。

表 1 接收和發(fā)射指標波束寬度

表 2 額定環(huán)境條件下的接收指標

4 結(jié)語

在荒漠戈壁北疆無人區(qū)環(huán)境下，北斗衛(wèi)星傳輸技術(shù)解決了供水監(jiān)測采集數(shù)據(jù)實時上傳問題，并對管道運行情況進行實時監(jiān)視，提升了運維效率，節(jié)約了人力、物力投入。近半年的建成投運實踐表明，本供水監(jiān)測系統(tǒng)為在無人荒漠區(qū)實現(xiàn)供水管道數(shù)據(jù)自動采集和上傳及運行維護提供了可靠的解決辦法，數(shù)據(jù)準確有效，實現(xiàn)了自動化監(jiān)測，具有重要的經(jīng)濟價值。供水監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸采用的北斗通信技術(shù)是我國未來衛(wèi)星通信業(yè)務的主流，不受地域、時域和周邊環(huán)境限制，實現(xiàn)對供水管線數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)測，系統(tǒng)具有測量誤差小，數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定及效率高等特點，應用領(lǐng)域和前景廣闊。

[1] 劉堯成，華小軍，韓友平. 北斗衛(wèi)星通信在水文測報數(shù)據(jù)傳輸中的應用[J]. 人民長江，2007，38 (10): 120-121.

[2] 王玉華，趙學民，劉艷武. 北斗衛(wèi)星通信功能在水文自動測報系統(tǒng)中的應用[J]. 水文，2003，23 (5): 50-52.

[3] 劉玲瑞，田萬榮，林立，等. 北斗衛(wèi)星通信技術(shù)在新疆山區(qū)水文氣象監(jiān)測中的應用[J]. 水利規(guī)劃與設計，2014 (1): 26-29.

Application of Beidou transmission technology ina water supply monitoring system in Xinjiang

JIANG Guangyi
(Xinjiang Constructionand Management Bureau of Ertix River Basin Development Project, Urumqi 830000, China)

Combining with the present situation of water supply for project construction in Xinjiang, this paper introduces the construction scheme of the water supply monitoring system for the construction, in which Beidou satellite transmission is selectedas communication data transmission method of the water supply monitoring system. Itanalyses data transmission principle of Beidou satellite, expounds the overallarchitecture of the monitoring system. Application results show that, transmission using Beidou satellite can save manpowerand material resources, theaverage communication flow rate isabove 96.90%. It can providea reliable solution for dataautomaticacquisition, uploadand operation maintenance of pipeline water supply in uninhabited Desertarea for reference.

Beidou satellite; water supply technology; the construction of water supply; water supply monitoring system; Gobi Desertarea

TN927

A

1674-9405(2017)02-0054-04

10.19364/j.1674-9405.2017.02.012

2017-01-20

姜廣義（1982-），男，山東曹縣人，工程師，研究方向：水利信息化。