水文監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)一接收軟件設(shè)計與應(yīng)用

牛智星，嵇海祥，崔彥萍，陳宇飛，胡春杰

(1.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；2.江蘇南水科技有限公司，江蘇 南京 210012；3.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；4.江蘇省水文水資源勘測局，江蘇 南京 210029)

近年來，隨著中小河流水文監(jiān)測系統(tǒng)、山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)、國家地下水監(jiān)測工程、國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)二期工程等項目的實施，大量的水文監(jiān)測站點建設(shè)完成，其中大多數(shù)站點都實現(xiàn)了自動測報，在防洪抗旱、興利、水文基礎(chǔ)資料收集方面起到了巨大支撐作用[1- 5]。

但由于參與項目建設(shè)的廠家較多，數(shù)據(jù)接收和存儲不統(tǒng)一，不僅在系統(tǒng)的使用、管理等方面存在諸多不便，影響到后續(xù)業(yè)務(wù)開發(fā)應(yīng)用，也造成了基礎(chǔ)軟硬件設(shè)施資源的浪費[6- 7]，并且智慧水利建設(shè)、水文現(xiàn)代化建設(shè)也對水文數(shù)據(jù)監(jiān)測匯集提出了更高的要求[8- 9]。因此，建設(shè)一套水文監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)一接收軟件，整合各類水文監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)一接收入庫，統(tǒng)一原始監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲，對于提高用戶對系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的管理效率，將各類水文監(jiān)測數(shù)據(jù)更好服務(wù)于各類水利信息化應(yīng)用，具有重要意義。

王美玲等[10]研究制定了省級數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約，開發(fā)了數(shù)據(jù)采集平臺，在此基礎(chǔ)上建設(shè)了GPRS/CDMA雙信道的江蘇省水文自動測報系統(tǒng)，實現(xiàn)了全省已建水文系統(tǒng)的整合；胡波等[6]分析了武漢市水文局水雨情自動測報系統(tǒng)在數(shù)據(jù)接收和處理等方面存在的弊端，對統(tǒng)一接收平臺軟件所具備的功能進行了設(shè)想；許亮[11]論述了將廣東省各分局分散水雨情遙測數(shù)據(jù)接收改造為基于云平臺的省局統(tǒng)一接收模式，在省水情中心部署了接收處理軟件，取得了一定成效；王志飛等[12]基于微服務(wù)架構(gòu)，設(shè)計了智慧水文綜合監(jiān)測平臺，其中包含了水文數(shù)據(jù)接收整合平臺，具有一定的先進性。以上研究或應(yīng)用對水文監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)一接收進行了大致的論述，但缺乏較為詳細的功能設(shè)計和應(yīng)用實踐，文章聚焦數(shù)據(jù)接收環(huán)節(jié)，參考相關(guān)規(guī)范[13- 14]要求，設(shè)計開發(fā)了統(tǒng)一接收軟件，并在云南省水文系統(tǒng)中成功運用。

1 總體設(shè)計

在水利信息化建設(shè)中，包含了水文監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、傳輸、接收、處理、共享、應(yīng)用等多個環(huán)節(jié)，其中數(shù)據(jù)接收是屬于基礎(chǔ)而又關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。在低耦合的設(shè)計模式下，數(shù)據(jù)接收的核心任務(wù)是把水文監(jiān)測數(shù)據(jù)及時、準(zhǔn)確和完整地接收、存儲下來，建立起高質(zhì)量的原始數(shù)據(jù)資源，在此基礎(chǔ)上可開發(fā)豐富的數(shù)據(jù)處理服務(wù)和水利業(yè)務(wù)應(yīng)用，數(shù)據(jù)接收流程如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)接收流程圖

為滿足數(shù)據(jù)統(tǒng)一接收和存儲的要求，水文監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)一接收軟件應(yīng)重點滿足以下幾個功能：

(1)在通信規(guī)約方面，軟件應(yīng)能兼容多種數(shù)據(jù)通信規(guī)約，特別是能支持行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)約如SL 651—2014《水文監(jiān)測數(shù)據(jù)通信規(guī)約》，并可通過模板化設(shè)計靈活擴展以兼容其他通信規(guī)約；

(2)在通信信道方面，應(yīng)能支持GPRS/4G/5G、北斗衛(wèi)星、GSM短信、超短波等多種信道的數(shù)據(jù)接收；

(3)在監(jiān)測要素方面，軟件應(yīng)能支持接收雨量、水位、流量、蒸發(fā)、墑情、地下水、氣象、視頻圖像、測站設(shè)備狀態(tài)信息等多種監(jiān)測要素；

(4)在數(shù)據(jù)解析處理方面，軟件應(yīng)能根據(jù)設(shè)定的規(guī)則分析出異常值，并進行數(shù)據(jù)過濾、異常記錄等工作，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可追溯性；

(5)軟件應(yīng)能對測站進行遠程管理；

(6)需設(shè)計完整的數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)，用來存儲原始監(jiān)測數(shù)據(jù)。

基于以上分析，通過歸納總結(jié)，軟件詳細分為測站信息管理、測站遠程管理、數(shù)據(jù)查詢、測站運行監(jiān)視、Z-Q/V曲線管理、系統(tǒng)設(shè)置、日志管理、權(quán)限管理等功能模塊，如圖2所示。軟件使用C/S架構(gòu)，采用C#.NET語言開發(fā)。

2 功能設(shè)計

2.1 測站信息管理

測站信息管理分為測站基本信息管理和測站監(jiān)測要素管理。

2.1.1測站基本信息管理

測站基本信息包括RTU站碼、水文編碼、站名、站類、分組、報文頭、測站位置、DTU卡號及其他功能設(shè)置。其中，RTU站碼指的是遙測終端設(shè)置的站碼，水文編碼指的是測站標(biāo)準(zhǔn)的八位水文編碼，因為可能存在同一水文編碼的測站的多個參數(shù)由不同遙測終端來監(jiān)測；分組是便于對遙測站進行管理，可根據(jù)行政區(qū)劃、流域、建設(shè)項目來區(qū)分；報文頭指代了該測站所用的數(shù)據(jù)通信規(guī)約，不同通信規(guī)約有不同的代號；DTU卡號用來存儲通信模塊中通信卡的卡號，如SIM卡號或北斗衛(wèi)星卡號。測站基本信息管理包括增加、修改、刪除等操作。

2.1.2測站監(jiān)測要素管理

測站監(jiān)測要素定義了測站含有哪些傳感器，即監(jiān)測了哪些水文要素或設(shè)備運行參數(shù)，一般包含雨量、水位、流速、蒸發(fā)、墑情、氣象、終端蓄電池電壓等，每種監(jiān)測要素都對應(yīng)一個唯一的編碼值。此外，還定義了在解析這些監(jiān)測要素數(shù)據(jù)時對應(yīng)的計算分析參數(shù)，如計算系數(shù)、基值、奇異值過濾參數(shù)(上下限及允許跳變)等。測站監(jiān)測要素管理包括對測站的監(jiān)測參數(shù)進行增加、修改、刪除等操作。

圖2 水文監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)一接收軟件功能結(jié)構(gòu)圖

2.2 測站遠程管理

測站遠程管理即軟件通過傳輸信道和測站進行遠程交互，包括讀取/修改測站工作參數(shù)、校對測站時鐘、查詢測站實時數(shù)據(jù)、測站固態(tài)存儲下載等功能。

2.2.1測站工作參數(shù)

測站工作參數(shù)一般包括測站工作模式(自報式、查詢-應(yīng)答式、兼容式)、自報間隔、水位/雨量加報閾值、雨量計分辨率、水位基值等，軟件可遠程讀取或修改測站工作參數(shù)。

2.2.2校對測站時鐘

校對測站時鐘即以服務(wù)器時間為準(zhǔn)對測站時鐘進行校對，一般包含自動校時和手動校時兩種模式：①自動校時，軟件根據(jù)測站來報計算測站時鐘與服務(wù)器時鐘差值，若差值超過設(shè)定閾值時自動發(fā)送校時指令完成測站時鐘校對；②手動校時，人工操作發(fā)送校時指令完成測站時鐘校對。

2.2.3查詢測站實時數(shù)據(jù)

查詢測站實時數(shù)據(jù)是軟件發(fā)送指令查詢測站某監(jiān)測要素或全部監(jiān)測要素實時數(shù)據(jù)，此功能一般要求測站的工作模式處于查詢-應(yīng)答式的工作模式，即測站通信模塊實時在線。

2.2.4固態(tài)存儲下載

固態(tài)存儲下載是指軟件可發(fā)送指令下載測站終端存儲的某監(jiān)測參數(shù)在某個時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)，用于彌補中心站缺報數(shù)據(jù)，下載的數(shù)據(jù)可選擇單獨存放在文件系統(tǒng)或入數(shù)據(jù)庫。

2.3 數(shù)據(jù)查詢

數(shù)據(jù)查詢主要包括對測站原始報文、原始監(jiān)測數(shù)據(jù)進行查詢。

測站原始報文可對某站在選定的開始和結(jié)束時間內(nèi)的來報情況進行查詢，內(nèi)容包括報文接收時間、數(shù)據(jù)時間、來報信道類型、報文解析結(jié)果、報文類型、報文正文等。

原始監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢可查看不同監(jiān)測要素的原始編碼、處理后數(shù)值等，以圖表形式展現(xiàn)，通過原始監(jiān)測數(shù)據(jù)可查看監(jiān)測要素數(shù)據(jù)處理過程，當(dāng)數(shù)據(jù)異常時便于溯源。

2.4 測站運行監(jiān)視

對測站運行狀態(tài)進行監(jiān)視，如通過判斷測站來報是否正常對測站狀態(tài)做出警示，若測站超過一定時間不來報，則認為該測站出現(xiàn)異常，軟件界面上該測站顯示為醒目紅色，同時將相關(guān)警示信息記錄入數(shù)據(jù)庫。

此外，還可對測站監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整度進行監(jiān)視，如每天特定時刻檢查前一天數(shù)據(jù)是否完整，若有缺報情況，軟件可自動發(fā)送指令進行固態(tài)存儲數(shù)據(jù)下載以彌補缺失數(shù)據(jù)。

2.5 Z-Q/V曲線管理

Z-Q/V曲線管理可為有水位監(jiān)測的河道站或水庫站導(dǎo)入水位流量或水位庫容關(guān)系曲線，軟件即可根據(jù)來報的水位實時推算出流量或庫容。

2.6 系統(tǒng)設(shè)置

系統(tǒng)設(shè)置包括信道設(shè)置和數(shù)據(jù)庫設(shè)置。

2.6.1信道設(shè)置

信道設(shè)置可增加、刪除、修改通信信道信息，通信信道接口一般有兩類：網(wǎng)絡(luò)端口(如GPRS/4G/5G)和串口(如北斗衛(wèi)星、GSM短信、超短波等)，軟件支持多個信道同時接收數(shù)據(jù)。

2.6.2數(shù)據(jù)庫設(shè)置

數(shù)據(jù)庫設(shè)置主要是設(shè)置數(shù)據(jù)庫連接參數(shù)，包括數(shù)據(jù)庫類型(SQL Server或Oracle)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)端口、數(shù)據(jù)庫名、用戶名、密碼等數(shù)據(jù)庫連接參數(shù)的設(shè)置。

2.7 日志管理

軟件運行日志、錯誤日志等都按照時間、類型存放于數(shù)據(jù)庫中，可進行查詢。

2.8 權(quán)限管理

權(quán)限管理分為管理員和一般用戶兩種角色，管理員可進行軟件的所有操作；一般用戶只可進行數(shù)據(jù)查詢、瀏覽，不能進行增加、刪除、修改等操作。

3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

原始數(shù)據(jù)庫參考SL 323—2011《實時雨水情數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)與標(biāo)識符》進行設(shè)計，根據(jù)需要在原有數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上添加字段或新增庫表。文章主要介紹以下新增的數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)：

(1)測站監(jiān)測要素表，存儲測站監(jiān)測哪些水文要素或測站運行狀態(tài)要素，以及每個監(jiān)測要素在解析時所用的相關(guān)計算參數(shù)、要素合理數(shù)值范圍等；

(2)測站遠程管理任務(wù)表，存儲對測站進行讀取/修改工作參數(shù)、固態(tài)存儲下載等任務(wù)的庫表結(jié)構(gòu)；

(3)測站原始報文表，存儲測站原始報文相關(guān)情況的庫表，如來報時間、報文類型、報文內(nèi)容、來報信道等；

(4)測站設(shè)備運行狀態(tài)表，存儲測站設(shè)備電壓、信號強度、報警信息等實時運行狀態(tài)信息；

(5)接收信道信息表，存儲接收信道相關(guān)的IP地址、協(xié)議(如TCP或UDP)、端口號、串口號、波特率等信息；

(6)視頻圖像路徑表，存儲接收的視頻或圖像數(shù)據(jù)在文件系統(tǒng)內(nèi)的路徑。

4 應(yīng)用實踐

利用開發(fā)的水文監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)一接收軟件在云南多個地市水文分局進行了部署應(yīng)用，在分局層面統(tǒng)一整合接收了多個廠家的不同通信規(guī)約的遙測設(shè)備數(shù)據(jù)，采用了4G網(wǎng)絡(luò)、北斗衛(wèi)星、GSM短信等多種信道，涉及水雨情監(jiān)測、地下水監(jiān)測、墑情監(jiān)測、流量在線監(jiān)測等系統(tǒng)，各類數(shù)據(jù)在分局接收入庫，再通過水利專網(wǎng)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)共享至省水文局相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫。

該軟件實現(xiàn)了各分局軟件、數(shù)據(jù)、遙測設(shè)備的統(tǒng)一管理，提高了相關(guān)人員工作效率，顯著地提升了測站數(shù)據(jù)報送暢通率，有效地支撐了各分局各項水文業(yè)務(wù)應(yīng)用，特別是報汛和在線整編兩大核心業(yè)務(wù)，取得了優(yōu)異的效果。

5 結(jié)語

文章從實用角度出發(fā)設(shè)計開發(fā)了水文監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)一接收軟件并在云南水文系統(tǒng)成功應(yīng)用，軟件功能全面、運行穩(wěn)定，可在多廠商各類水文監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)一整合接收中推廣應(yīng)用，改善智慧水利和水文現(xiàn)代建設(shè)中的數(shù)據(jù)匯集體系。此外，根據(jù)應(yīng)用實踐經(jīng)驗，建議在進行統(tǒng)一整合接收時，重視通信規(guī)約的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)問題，盡量使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)約如SL 651—2014，必要時還可在規(guī)約框架下作一些具體的規(guī)定，方便軟件開發(fā)和統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。