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一、水文信息采集传输与通信组网设计
水文测验的主要任务是测定江河湖库降雨量、水位、流量等水文要素自然变化情况，它是一项基础和前期工作，是防汛抗旱的耳目和参谋，其质量和精度将直接影响水情信息的实时性和准确性，影响对防汛抗旱决策的科学性、加强报汛站测报基础设施的建设，强化水情
信息采集、传输的工作，提高水情测报质量成为当务之急。
1、 总体功能要求
（1）水文分中心正确接收一次所属全部遥测站的所有水文参数的时间不超过20分钟，执行一次区域遥测站数据采集并完成数据传输、处理、入库的时间不超过20分钟。
（2）工作方式：自报方式、应答方式和自报一应答方式，三种工作模式在系统中可同时混合进行。
（3）自动采集水位、降水数据，定时、适时地传输数据，数据可长期在站存储。
（4）各项设备要符合结构简单、可靠、低功耗的原则；所有遥测站都能在无人值守的条件下工作。
（5）能长期地、特别是在暴雨洪水等恶劣天气条件下可靠地工作应避免因分中心站出现故障而丢失水文数据。
（6）系统定时发送时钟同步信号，全系统时钟同步。
（7）非法数据告警及设备故障告警。
（8）通信畅通率应＞98％，系统误码率小于6 X 10ˉ5。
（9）能与其它有关的计算机网络系统进行数据通信。
（10）系统MTBF＞20000小时。
（11）俱有可靠的防雷措施。
（12）采用有线程控电话单站数据采集时间应小于40秒。
2、水文信息采集方式
由于传统的水位、雨量数据采集设备无法满足遥测系统的需要，必须进行更新或改造，实现水文信息的数字化、自动采集、长期自动存贮以适应现代数字通讯和计算机的应用要求。
水文遥测系统的建设；确定三种信息采集方式：雨量采集方式、水位采集方式、流量采集方式。
3、系统通信组网设计
（1）、现有通信资源情况
辖区范围内可利用的通信资源有：
1、程控电话交换网 PSTN资源。PSTN（Public SwitchingTelephone Network）是一种具有适用范围广、设备简单、高可靠性、组网灵活、成本低、维护方便等优势的新型通信传输手段，是国家防汛指挥系统推荐通信信道之一。其缺点是：需要系统运行通话费用，运行本较高，若增加发送数据间隔时间，则又不能及时实时地反映站点的水雨情数据。目前各报汛站均有安装程控电话的条件。
2、无线移动通信(GPRS和手机GMS短信）资源。无线移动通信网络具有稳定可靠、覆盖面较广、网络能力强、通信费用低、不受地域限制的优点，其最大的好处是设备体积小；安装在室内，没有引雷部件，不需要作防雷处理。具体包括：①先进性，随着移动通讯技的发展，如今已经实现基于分组的GPRS通讯；并且继续向3G方向发展。③可靠性，作为商用的电信运营网络，其可靠性相当高，信息发送和接收安全可靠，不会丢失。③实用性，GSM作为一个成熟实用的网络，已经能满足用户需求，实现资源共享，信息交流。④经济性，首先，采用移动通讯方式在网络建设上不需要投入，也不用租用通信线路、其次，通讯费用低，GPRS只有产生通信流量时才计费；GMS短消息发送一条信息的费用为0。1元，接收者不收费。因此它在水文数据传输通信方面可以被认为是一种首选的通信方式。缺点是：网络覆盖范围有限。目前我市中央报汛站全部处于移动通信覆盖区，地方报汛站在乡镇一级及周边一带的也可利用移动通信。
3、超短波资源、UHF／VHF频段超短波是一种地面可视通信 它王要适用于平原丘陵地带、且中继站数目和中继级数较少的水又测报系统。该通信方式具有通信质量较好 设备简单、建设周期短、易于实现的优点。但是若在长距离、多高山阻挡情况下使用此种通信方式传输水文数据，所需中继站数目及中转次数将明显增加，从而导致设备费、土建费的增加，系统可靠性下降，中继站址交通条件差还会给建设、安装、维护带来一定的困难。
4、卫星通信资源。卫星通信具有传输距离远，通信频带宽，传输容量大；组网机动灵活，不受地理条件的限制，建站成本及通信费用与通信距离无关等特点。缺点是：建站成本及通信使用费较高。
随着现代通信技术的迅速发展，以上四种通信方式在水文测报系统中得到了广泛的应用。本系统通信方式需根据地理环境条件和实际需求；在分析论证基础上，因地制宜地确定。
（2）系统组网结构
A、信道设计
信道是指传输信号的媒质，是构成通信网的基本部分。科学地选择信道，使信号有效、可靠地传输；是通信设计的一个基本问题。
根据目前辖区内可利用的通信资源和现有的实际情况：有线程控电话可到达各报汛站，中央报汛站和乡镇所在地及周边的地方报汛站均处在移动通信的覆盖区 考虑充分利用现有资源和当今通信及网络技术的发展趋势，同时考虑到系统建成后便于运行管理，保证本系统信息流畅、有效和实用，节省投资，确保系统的可靠性，在本次建设中，主要利用INTERNET公网作为通信信道。总体设计方案：采用无线移动通信（GPRS和GMS短信）作为主信道、有线通信（PSTN）作为备用信道进行混合组网，配备“双信道”，互为备份、预先设置通信的优先级别，当主信道出故障时，自动切换到备用信道；主信道恢复正常时，即返回主信道传输数据、具体方案为：对处在移动通信的覆盖区和有线程控电话可到达的各报汛站报，以无线通信（GPRS和手机GSM短信）为主信道PSTN 为备份信道进行数据传输；对只有线程控电话的报汛站，以有线通信PSTN为主信道进行数据传输，彻底解决各报汛站人工报汛的方式。利用INTERNET公网信道组网的优点是：从报本上避免了自建专用网的维护、管理工作；出现问题时由邮电系统维护，还避免了无线通信的同频干扰问题，传输质量高；设备简单，不要专门配备电源；设备投资低于其它地面无线信道。所以，本组网方案是可行的，也是可靠的。
本市范围广、多高山阻挡，组建超短波同所需中继站数目及中转次数将明显增加，从而导致设备费、土建费增加，系统可靠性下降。因此，本次设计不组建超短波网。卫星信道由于投资大，设计中也不予采用。
B、系统组网结构设计
报汛网的网络结构设计，就是采用什么样的形式把每个报汛站点与分中心连接起来。南平水情分中心所辖站点地形复杂。上游河流众多；站点分布范围广；呈扇形分布；通信组网有一定困难。为了完成能在20分钟内将下属报汛站的水情信息全部传送到分中心的目标，保证系统的可靠性，根据本地的实际情况，将报汛通信网的结构设计成单一星形网络结构。整个网络测站数据均由移动通信（GPRS和GMS短信）和PSTN信道直接传送到南平中心站。优点：减少了集合转发站所需的设备投资；可以避免当集合转发站出现通信故障时其收集的上游各站信息传输产生中断现象。缺点：由于报汛站数量较多，全部向分中心直接传送，致使通信时间延长，须采取延时措施；有预报任务的各站无法直接获取所需的水情信息。须通过分中心转送、解决方法是：因报汛站较多，为保证在20分钟内收齐各站信息 采用多路接收电话线，通过计算机软件设置将各站数据传送按一定时序逐站顺序召测，这样从时间上讲最经济，耗时少 从根本上避免了众多报汛站同时向分中心通信传输的拥挤、碰撞问题。对有预报任务的各站分中心开发应用软件 将所收到的水情信息存放于服务器，及时向各
站发送或由各报汛站主动索取调用。系统结构图如下：
（4）、系统工作体制
A、报汛站工作体制
系统工作体制对系统功能的实现有重要的影响，当前国外自动测报系统通常采用自报式、查询应答式、自报／应答兼容式三种工作方式，几种工作方式的工作过程及特点是：
1、自报式：
这是一种不受分中心指令控制的工作方式，当报汛站的测量参数（水位或雨量）发生一个计量单位变化时，主动将信息向分中心发送。其特点是功耗低、结构简单、实时性强；能很好反映参数变化全过程。
2、查询应答式：
在查询应答工作方式下，报汛站自身能对水文参数的变化自动采集和存储，但不主动传送给分中心。只有当分中心发出查询指令时，才将数据送出。其特点是控制性好，分中心随时可向测站索取数据。
3、自报／应答兼容式
具有上述两种方式的特点，既能实时反映参数变化全过程，又能〕响应分中心的查询。
为考虑山区局部降暴雨时系统能及时收集雨情信息，系统的有线组网应采用查询应答与自报兼容的方式。其中报汛站的自报功能设置和暴雨自报标准的设置由分中心遥测控制；以便使运行费用降至最低。
B、通信方式
对于报汛通信网，分中心从测站取得各类水情信息，这是最基本、最主要的；对有预报任务的测站而言，需要其上游的信息，这些站点的需求基本要从分中心取得，故通信网内信息传输方向应该是双向、稳定、可靠的。根据本分中心信道设计，采用厦门蓝斯通信有限公司LENZ GPRS DTU和LENZ GSM MODEM为主，以有线PSTN信道为备份。故将报汛网的通信方式设计成双向应答方式。
C、数据传输方式
报汛通信网内测站至分中心之间的一次数据传输为单一信道，决定了用比特形式表示的信息流是以串行方式，每次比特依次在一条信道上传输，即数据流传输采用异步串行的通讯方式。
（1）对GPRS通信，其主要传输特性为：
调制方式：由以大网决定
传输速率：接收速率可达86。 20Kbps, 发送速率可达 21。5Kbps。
传递格式：异步串行。一位起始位，八位数据位，一位停止位。
（2）对GSM通信 其主要传输特性为：
工作频段：GSM900：TX：880-915MH; RX: 925-960MHZ
DCS1800：TX：1710一1785MHZ；RX：1805一1880MHZ
接收灵敏度：－104dbm
传输速率：接收速率可达85。6kbps，发送速率可达21。4kbpS
信息量：限制为 140个八位组（7 比特编码，140个字符）
（3）对有线（PSTN信道）通信，其主要传输特性为：
调制方式：FSK
传输速率：1200bps
传递格式：异步串行，一位起始位，八位数据位，一位停上位。
（5）、分中心的通信设计
目前，分中心的通信方式是，测站通过有线或无线电话拔号与分中心的报汛专用电话联接；通过专线电话将报文送入计算机，分中心计算机网络通过 X.25专线与省水情中心互联，将水情讯电送往省水情中心、系统采用TCP/IP作为网络协议，分中心路由器的IP地址为：
10.35.18.254，局域网内部的IP地址为：10.35.1.X目前采用的 X.25专线通信速率为 19.2kbps；通信速度较慢，且没备份信道。
根据水情分中心的总体设计要求， 分中心作为最基层的水情信息收集集散地，具有信息的质量控制和向上级防汛部门传输的双重功能，每个分中心都要配备两条地面数据报送信道和一条卫星报送信道 为保证信息的及时传输，有线组网采用两级传输的方式。第一级
由分中心负责采集所辖各报汛站的数据Z第二级由邮电部门高速数据信道通过计算机网络传输信息。目前，福建省正在进行“数字福建”和“数字水利”系统工程建设，组建福建省水利信息网，各地市水又分局至省水文局将建成通信容量为100M的骨干网络通信线路。按照公网为主，专用通道结合的原则 选择福建水利信息网作为分中心同上一级网络中心互联的地面信道，选择有INTERNET公网 X.25专线和 PSTN信道作为备份信道向上报送水情数据、分中心至市防办、市委、市府办之间，通过计算机网络传输水情信息，有线电话、传真作备份信道。
组网示意图如图2－5：
二、系统组成与配置
1、系统结构
根据水文自动测报系统所承担的任务和国家防汛指挥系统总体设计要求，系统由56个水情报汛站（遥测站）、1个水情信息分中心组成。主要包括水情信息采集系统、水情报汛通信系统、计算机网络系统三部分。
水情信息采集系统由多个报汛站组成，南平水情分中心所辖站点地形复杂，上游河流众多，站点分布范围广，呈扇形分布。通信组网有一定困难。为了完成能在20分钟内将下属报汛站的水情信息全部传送到分中心的目标，保证系统的可靠性，根据本地的实际情况，将报汛通信网的结构设计成单一星形网络结构。各报汛站通过有线公用无线移动通信网和电话网PSTN信道组网直接与分中心连接，两种信道互为备份。报汛站以数字通信方式传输到水情分中心，配置数据采集仪及配套设备；结构示意图如下：
测站
单个报汛站结构如图：
报汛站（有线）结构示意图
分中心数据采集结构由MODEM（无线、有线）、避雷器、接收机、PSTN和无线通信系统、交直流电源系统 计算机网络系统等组成。
分中心数据采集结构图
水情分中心作为计算机网络系统的一级节点，按小型局域网进行建设，并配备相应软硬件。主要进行拓扑结构的设计、传输速率的规划、网络协议、网络产品以及网络操作系统类型的选定等工作。水情分中心网络系统的拓扑结构图见下图。
水情分中心局域网络系统的拓扑结构图
2、 系统配置
（1）、 报汛站配置
1、报汛站分类
根据各报汛站的测验项目和报汛任务以及传输方式，将它们分为三类：雨量站、水位站和水位雨量站；以更好地说明配置情况。
2、报汛站配置：报汛站设备基本配置如下图：
（2）、 分中心系统集成配置
分中心是数据采集和预处理中心。分中心的工作任务包括信息接收、信息预处理、信息查询等。分中心硬件设备配置主要是接收设备和计算机网络设备。
主要包括：LENZ GPRS DTU、有线MODEM、水情M作站、水情服务器、交换机、路由器、激光打印机、微机工作站2台、避雷装置、分中心电源系统（含小型发电机、交流稳压电源、防雷插座、长延时UPS）、网管及软件、网络附设、IBM便携式计算机一台、X。25专线和、DDN数据报送信道，三条电话专用线、系统软件等。
（3）、传感器
系统选用的传感器，必须是经过鉴定符合技术标准、计量标准的正规产品，其适用条件、精度、分辨率、技十性能必须符合有关的水又测验国家标准、行业标准的要求。WFH－2型细井式遥测水位计、JDZ05－1型翻斗式遥测雨量计。
三、系统功能与特点
系统功能的强弱；代表了整个水文测报系统的水平，除了满足防汛指挥的基本需求外；数据还应符合水文资料整编的要求，同时还应有良好的操作界面。按报汛站、中心站分述如下。
1、 报汛站的功能
（1）十位、雨量数据自动采集、4M位FLASH存储器固态存储，记录时间大于一年，它能反复擦写10万次以上。记录数据应能满足水文资料整编的要求。
（2）自动拍报功能：按“报汛任务书”所确定的拍报段次，当降雨量的增量、水位的变幅达到加报标准时，设备自动采集数据并通过无线或有线信道自动生成报文向分中。心远程传送；随时接受分中心的召测、查询，及时发送有关水情数据。在终端站自报情况下，当主信道中断，可自动切换到备用通信。
〔3俱有现场数据采集和检索、修改系统参数的功能。自带液晶显示屏，可显示逐小时雨量、日雨量、每5分钟、10分钟、逐时水位，每日8：00水位等多种类型的数据。
（4）也可远程收发数据与修改系统参数，以便进行资料整编。
（5）以具有人工置数功能,可现场置入如流量等信息，并通过遥测终端发送出去。
（6）具有休眠工作方式, 实时检测是否有远程数据通信的要求；可关断MODEM的供电；使耗电大大降低。设备功耗低，采用蓄电池组和太阳能电池板或交流电浮充方式可长期工作，
（7）具备超限报警功能和自检功能,设备定时自检，达到预设回报条件时，自动回报数据及蓄电池电压 防上机器“死机”等，提高工作可靠性。具备超限报警功能和自检功能，为维护万便 测站配有检查电话线路正常与否的设备。
（8）数传仪具有与卫星、超短波、移动通信、程控电话中的任意两种信道相连的接口。
（9）报汛站兼有与分中心通话功能。
（10）应能在恶劣的天气环境下和无人职守情况下正常运行；RTU可靠性MTBF ≥100000小时。
2、 分中心的功能
分中心站计算机以分布式多微机的局域网方式配置，系统采用客户机／服务器结构、水文采集工作站选用进口原装微机型。电话MODEM、GSM通讯机连接到水文采集i作站上采集数据。网络结构采用以太网，网络互联采用工业标准TCP/IP协议；运行Windows NT 4。 0或Windows2000操作系统。分中心站计算机检测处理系统是在Windows NT下开发的一个开放式实时应用系统，实现全部的数据处理工作。分中心的功能有：数据收发管理、站点管理、水文数据管理和系统管理，具体为：
（1）全天候值守，不间断运行；
（2）多路电话线并行工作，实时自动接收报汛站主动发送的水情信息，并按数据类型分类存储、可将数据转化成水又资料整编数据格式，实现整编数据的远程下载；
（3）向报汛站发指令，主动查询，召测数据。既可自动定时巡测辖区内各报汛站的实时水位、雨量数据，又可随时召测任一站的数据，也可实现数据清零；
（4）可遥控设置各报汛站的时钟、设置采集的时间间隔、暴雨起报标准 水位拍报标准，是否自动生成报文及打开、关闭有线自报功能，设置报又存储的文件名、远程控制端口号、新站点参数等；
（5）软件系统安装于中文平台 对接收的信息进行解码、合理性检查、纠错、按其性质进行分类、建立本地标准ACCESS数据库，用以存放水又数据，并将遥测到的水又信息自动送到网络中心服务器的数据库中，根据需要将数据写入防汛部门的防汛雨水情数据库，实现实时、历史水文资料的检索、查询；
（6）将遥测水情信息编成水情电文向上级传送；随时向省或邻近分中心传递雨水情报文信息；通过GPRS向其他中心（如省防汛办、市防汛办）转发数据功能。
（7）水文模块软件处理功能，按规定格式存入数据库，可按资料整编格式打印出逐日降雨量表、雨量摘录表、逐日平均水位表等表式。并能修改存储的数据、雨量插补及人工置数；能进行分析、统计计算、图表处理输出，满足水情值班需要的日报表、旬报表、月报表和根据防汛部门规定的其他报表。能显示站网位置图，用图形方式显示雨量柱状图、水位过程线图，检索水位和雨量信息；
（8）接收机到可存储各站一年的数据，报汛站来电报文可显示和打印；刘览、查询水文数据；
（9）与报汛站通话；
（10）对所接收的数据进行合理性检查；可监视各遥测站的时钟、通信状态、电压等设备的运行参数，能实时显示越限参数、设备故障、事故记录及告警信息；显示设备运行状态。对非法数据和电压值有告警显示；
（11）冲心的后台计算机可随时从网络中获得数据并对数据进行存储、处理分析，进行洪水作业预报工作；
（12）具有FSK信号、PSTN信号、GSM信号、卫星信号接收功能；
（13）采用交直流双向供电系统 当电网断电时，系统仍能工作。
（14）满足客户机／服务器模式；支持分布式数据库建设；系统具有扩充和升级能力。
四、结 论
该系统能够紧跟数据通讯的先进技术，使系统通讯技术具有领先水平，使水文信息自动化采集传输技术有一个新的突破。南平水文自动化测报系统的建设，除可保证水文数据和水情报汛的可靠性、准确性外，还可大量节省观测报汛人员的人力，具有显著的社会效益和较大的经济效益，对防汛减灾有重大的意义，主要效益有以下：
1、雨量、水位观测全面实现自动观测，长期自记和固态存储，为资料整编计算机化创造了条件，减轻职工劳动强度，提高了资料整编质量。从根本上解决长期以来水情拍报与资料整编成果不一致的 “两张皮”问题。
2、测验设施设备改造、完善后，提高了测验质量，收集的水文测验数据数据量多且更加精确、可靠、为水利工程建设和水资源优化配置、水环境保护提供更加可靠的资料；为地方经济建设服务。
3、报汛手段更加科学、可靠，水情信息量有较大增加，传输时间明显缩短，抗干扰能力提高，信息差错率大幅降低。
4、采用先进的报汛通信手段后，实时水情信息将有明显增加，流域面上的实时雨水情更加准确及时，并得到快速处理，实现作业预报计算机化。改变了手工作业预报的落后状态，使作业时间缩短，预报精度提高；预见期增长 能为各级防汛指挥部门提供更加及时、准确、全面、直观的雨水情信息和预报结果，争取抗洪抢险时间，减少人民生命财产损失，将取得极大的社会和经济效益。
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