水雨情數(shù)據(jù)GPRS+衛(wèi)星雙信道接收方案的實(shí)踐

許 亮,楊 帆

(1.廣東省水文局廣州水文分局,廣東 廣州 510150;2.廣東省水文局清遠(yuǎn)水文分局，廣東 清遠(yuǎn) 511599)

1 廣東省水雨情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)現(xiàn)狀

截至2019年初，廣東省已建成了由1個(gè)省中心、2 300個(gè)測(cè)站組成的廣東省水雨情遙測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用移動(dòng)GPRS組網(wǎng)[1]。系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程采用自下而上、集中處理，廣州水文分局在中國(guó)移動(dòng)南方基地云平臺(tái)中心租用6臺(tái)云服務(wù)器，在云平臺(tái)服務(wù)器部署了根據(jù)《廣東省實(shí)施〈水文數(shù)據(jù)通信規(guī)約〉細(xì)則》開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)接收處理平臺(tái)，水雨情遙測(cè)站點(diǎn)采集到的水雨情數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS發(fā)送至移動(dòng)云平臺(tái)后，通過(guò)數(shù)據(jù)專(zhuān)線(xiàn)將數(shù)據(jù)同步到省中心的遙測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，遙測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)再將水雨情數(shù)據(jù)交換到省局綜合數(shù)據(jù)庫(kù)(云平臺(tái)數(shù)據(jù)收發(fā)見(jiàn)圖1所示)[2]。

2 水雨情遙測(cè)單一公網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟蛔?/h2>

廣東省瀕臨南海，陸地海岸線(xiàn)為4 314 km，為全國(guó)最長(zhǎng)，臺(tái)風(fēng)影響顯著。隨臺(tái)風(fēng)而來(lái)的暴風(fēng)暴雨來(lái)勢(shì)猛、強(qiáng)度大、破壞力強(qiáng)。2017年，臺(tái)風(fēng)“天鴿”登陸珠海，因移動(dòng)通信服務(wù)中斷，GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋O(jiān)測(cè)站通信中斷，無(wú)法傳回實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；2018年臺(tái)風(fēng)“山竹”在臺(tái)山登陸，附近基站受損導(dǎo)致水雨情數(shù)據(jù)無(wú)法及時(shí)傳輸；2019年6月河源上坪鎮(zhèn)特大洪水也導(dǎo)致移動(dòng)通信服務(wù)中斷，無(wú)法將水雨情數(shù)據(jù)及時(shí)傳回。GPRS數(shù)據(jù)中斷的情況常常發(fā)生在極端惡劣的天氣環(huán)境下，而這時(shí)也是防汛部門(mén)最需要水雨情數(shù)據(jù)的時(shí)候[3]。

通過(guò)近年大規(guī)模的建設(shè)，廣東省的水雨情監(jiān)測(cè)站密度有了極大提高，但是通信手段單一，僅依靠移動(dòng)GPRS信號(hào)進(jìn)行通信，一旦移動(dòng)基站提供的數(shù)據(jù)服務(wù)中斷，遙測(cè)數(shù)據(jù)也跟隨中斷。要解決這個(gè)短板，必須建立在臺(tái)風(fēng)、暴雨等極端天氣下仍可正常通信的數(shù)據(jù)傳輸鏈路，以保證極端天氣情況下的遙測(cè)數(shù)據(jù)傳輸[4]。

3 公網(wǎng)+衛(wèi)星雙信道方案設(shè)計(jì)

近年來(lái)，我國(guó)航天科技發(fā)展迅速，2020年6月23日，最后一顆北斗衛(wèi)星順利發(fā)射組網(wǎng)，北斗全球?qū)Ш较到y(tǒng)星座部署全面完成。應(yīng)用于通信的北斗衛(wèi)星終端的可靠性進(jìn)一步提高，寬帶通信衛(wèi)星也即將推向商用。結(jié)合廣東省水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)現(xiàn)狀，建立衛(wèi)星信道是適應(yīng)當(dāng)前防災(zāi)減災(zāi)形勢(shì)的需要，是廣東省水文事業(yè)自身發(fā)展的必然要求和迫切需要，是滿(mǎn)足極端天氣狀況下應(yīng)急監(jiān)測(cè)的需要。為了克服單一GPRS通信存在可靠性不強(qiáng)問(wèn)題，經(jīng)分析，廣州水文分局采用移動(dòng)GPRS+北斗衛(wèi)星雙信道的數(shù)據(jù)傳輸模式，即GPRS和衛(wèi)星同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，租用的云服務(wù)器和省局的衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收服務(wù)器同時(shí)接收遙測(cè)數(shù)據(jù)，2個(gè)服務(wù)器均可以將數(shù)據(jù)交換給綜合數(shù)據(jù)庫(kù)[4]，GPRS+衛(wèi)星雙信道數(shù)據(jù)傳輸流程如圖2所示。

圖2 GPRS+衛(wèi)星雙信道數(shù)據(jù)傳輸流程示意

3.1 中心站設(shè)計(jì)

衛(wèi)星接收中心站具有接收衛(wèi)星短報(bào)文數(shù)據(jù)的功能，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收示意

數(shù)據(jù)接收完成后，按前置機(jī)—遙測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)—綜合數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)流程完成數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)發(fā)。衛(wèi)星接收中心站既可以通過(guò)衛(wèi)星指揮機(jī)接收短報(bào)文，也可以通過(guò)INTERNET從衛(wèi)星營(yíng)運(yùn)商直接獲取衛(wèi)星短報(bào)文；同時(shí)，為方便今后我國(guó)寬帶互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星應(yīng)用于遙測(cè)數(shù)據(jù)傳輸，前置機(jī)留有互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)接入功能[5]。

為提高系統(tǒng)的可靠性，衛(wèi)星數(shù)據(jù)采用獨(dú)立通道接收，存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)均與GPRS云數(shù)據(jù)接收和處理服務(wù)器平臺(tái)物理隔離[4]。

衛(wèi)星中心站服務(wù)器采用1主1備的方式配置2臺(tái)服務(wù)器[5]。

3.2 遙測(cè)站設(shè)計(jì)

3.2.1GPRS+衛(wèi)星信道通信機(jī)制

GPRS、衛(wèi)星發(fā)送數(shù)據(jù)頻率可在遙測(cè)站進(jìn)行設(shè)置，最高報(bào)送頻率為5 min 1次，考慮到測(cè)站的供電問(wèn)題，GPRS設(shè)置為每5 min發(fā)送1次，衛(wèi)星設(shè)為60 min發(fā)送1次，報(bào)文協(xié)議遵守《廣東省實(shí)施《水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信規(guī)約》細(xì)則》[6]。

3.2.2遙測(cè)站技術(shù)性能

1) 可接入目前水文遙測(cè)系統(tǒng)中使用的所有通信方式(可同時(shí)接入2種以上通信設(shè)備，并可實(shí)現(xiàn)主備自動(dòng)切換或雙信道傳輸)[2]。

2) 智能傳感器或儀表輸入輸出量，RS-232、RS-485或SDI-12信號(hào)，應(yīng)滿(mǎn)足SDI-12或MODBUS-RTU通信協(xié)議的要求[7]。

3) 終端機(jī)可具備數(shù)據(jù)固態(tài)存儲(chǔ)功能，宜能存儲(chǔ)12個(gè)月(5 min采集時(shí)間間隔)以上的數(shù)據(jù)，并可現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取[7]。

4) 終端機(jī)的可靠性指標(biāo)：平均無(wú)故障工作時(shí)間(MTBF)不宜小于25 000 h[7]。

5) 遙測(cè)終端機(jī)具有較高的可靠性，符合水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)提出的MTBF指標(biāo)要求，具有嚴(yán)密的防雷及可靠性措施，可以在雷電、暴雨、太陽(yáng)能無(wú)充電等惡劣條件下正常工作[7]。

4 GPRS+衛(wèi)星雙信道方案實(shí)施

廣東省水情中心于2019年7月—2019年11月安裝調(diào)試完成100個(gè)GPRS+衛(wèi)星雙信道站點(diǎn)，布點(diǎn)原則：先選取沿海國(guó)家重點(diǎn)水文站，再選擇GPRS信號(hào)相對(duì)較弱的水庫(kù)站點(diǎn)。其中廣州4套、江門(mén)10套、韶關(guān)13套、佛山6套、湛江8套、茂名7套、肇慶9套、惠州12套、汕頭10套、梅州13套、清遠(yuǎn)9套。

4.1 衛(wèi)星中心站

衛(wèi)星中心站由北斗指揮機(jī)和衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收處理服務(wù)器組成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)下屬最多500個(gè)北斗衛(wèi)星終端的管理功能。衛(wèi)星指揮機(jī)滿(mǎn)足《北斗一號(hào)用戶(hù)機(jī)數(shù)據(jù)接口要求(2.1版)及(4.0版)》協(xié)議要求。衛(wèi)星指揮機(jī)接收到遙測(cè)站發(fā)送的短報(bào)文后，立刻將短報(bào)文通過(guò)通信串口傳送給衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收服務(wù)器(前置機(jī))，數(shù)據(jù)處理完成后交換給綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，完成整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程，衛(wèi)星指揮機(jī)如圖4所示。

圖4 衛(wèi)星指揮機(jī)示意

4.2 遙測(cè)接收前置機(jī)和數(shù)據(jù)庫(kù)

廣州水文分局中心站采用衛(wèi)星數(shù)據(jù)和GPRS數(shù)據(jù)各自獨(dú)立的接收通道，指揮機(jī)收到水雨情短報(bào)文后通過(guò)串口將報(bào)文發(fā)送到衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收前置機(jī)，前置機(jī)收到報(bào)文后將報(bào)文存儲(chǔ)到到衛(wèi)星報(bào)文數(shù)據(jù)庫(kù)，然后由后臺(tái)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)解析服務(wù)將報(bào)文解析成需要的水情數(shù)據(jù)存入遙測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，與GPRS數(shù)據(jù)互為備份，因?yàn)橥慌_(tái)RTU發(fā)送的報(bào)文，原理上不存在數(shù)據(jù)差異，至于寫(xiě)入綜合庫(kù)，目前的原則是以GPRS為主，發(fā)現(xiàn)GPRS通信故障后，啟動(dòng)衛(wèi)星數(shù)據(jù)寫(xiě)入綜合庫(kù)。

5 實(shí)施前后暢通率的比較

在2019年7月臺(tái)風(fēng)“韋帕”登錄期間，扶曹水庫(kù)GPRS信號(hào)差，無(wú)法傳輸數(shù)據(jù)，只能依靠雙信道中的北斗衛(wèi)星實(shí)時(shí)發(fā)送水雨情數(shù)據(jù)。

由表1可見(jiàn)，GPRS數(shù)據(jù)在臺(tái)風(fēng)期間中斷，數(shù)據(jù)入庫(kù)時(shí)間均為8日2日12：32前后補(bǔ)發(fā)，而表2中衛(wèi)星數(shù)據(jù)入庫(kù)時(shí)間均為準(zhǔn)時(shí)到報(bào)，整個(gè)臺(tái)風(fēng)期間，該站的衛(wèi)星數(shù)據(jù)到報(bào)率達(dá)到100%。實(shí)踐證明，GPRS+衛(wèi)星雙信道使數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃燥@著提升。

表1 扶曹水庫(kù)GPRS數(shù)據(jù)到報(bào)情況

表2 扶曹水庫(kù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)到報(bào)情況

6 結(jié)語(yǔ)

廣東省水情遙測(cè)系統(tǒng)主要依靠中國(guó)移動(dòng)GPRS通信，在GPRS中斷服務(wù)的情況下，水雨情數(shù)據(jù)無(wú)法傳回中心，特別是在受強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和特大暴雨等極端天氣影響時(shí)更容易出現(xiàn)此類(lèi)問(wèn)題；原來(lái)遙測(cè)站采用的GPRS+衛(wèi)星主備通信機(jī)制，衛(wèi)星信道平時(shí)作為備用信道不通信，在作為主信道的GPRS傳輸失敗后才啟動(dòng)衛(wèi)星傳輸信道，衛(wèi)星信道發(fā)生故障也不能及時(shí)判斷，設(shè)備的可用性打了折扣，往往出現(xiàn)主信道通信失敗而備用信道也沒(méi)發(fā)揮作用。為解決以上問(wèn)題，廣州水文分局經(jīng)過(guò)需求分析，探討解決衛(wèi)星信道的使用方法，經(jīng)過(guò)遙測(cè)站硬件集成和終端軟件配套、中心站軟件平臺(tái)修改，完成了基于GPRS+衛(wèi)星雙信道的開(kāi)發(fā)，已成功部署了100個(gè)GPRS+衛(wèi)星雙信道水雨情遙測(cè)站點(diǎn)。這種傳輸模式的優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下：

1) 解決遙測(cè)通信手段單一的問(wèn)題，省水情衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務(wù)器與基于云平臺(tái)服務(wù)器同時(shí)收到遙測(cè)水雨情數(shù)據(jù)，二者形成熱備份，基本上解決了GPRS故障情況下遙測(cè)數(shù)據(jù)保障率低的問(wèn)題；

2) 解決以前遙測(cè)站GPRS主信道與衛(wèi)星備用通信模式的穩(wěn)定性問(wèn)題，GPRS+衛(wèi)星雙信道較傳統(tǒng)的主備信道穩(wěn)定性更高，衛(wèi)星備用信道每天8點(diǎn)的平安報(bào)不能準(zhǔn)確地反映設(shè)備的好壞，而且極不穩(wěn)定，GPRS+衛(wèi)星經(jīng)過(guò)不斷地優(yōu)化，衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫(kù)到報(bào)率已達(dá)到90%以上，數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性進(jìn)一步提高。

GPRS+衛(wèi)星雙信道的通信傳輸模式為廣州水文分局在極端天氣情況下遙測(cè)數(shù)據(jù)的暢通提供了保障，也為應(yīng)急決策支持部門(mén)提供了關(guān)鍵的數(shù)據(jù)支撐