基于北斗一代的水利防汛監測系統

【摘要】 隨著北斗二代的飛速發展與不斷成熟，北斗一代的定位功能將被漸漸弱化，短報文通信功能會在一定時間內繼續發揮其相對于其它衛星導航系統的優勢。基于北斗一代的短報文通信功能建立的水利防汛監測系統就是典型應用。

【關鍵詞】 北斗一代 短報文通信

一、概述

水利系統的數據通信是水文信息收集的關鍵手段，平時用于傳輸水文信息，積累水文資料，并能據次做出降雨、洪水和旱情的預測報告，災時能有效預防、控制暴雨和洪水災害以及由此引發的山體崩塌、滑坡、泥石流等地質災害，提高災害發生后的應急反應能力，減輕災害對鐵路、公路運輸秩序的影響和對運輸設備造成的損害，為各級防汛抗旱部門及時、準確地提供各類防汛抗旱信息。水利防汛監測系統具備以下特點：

野外測站地域分布廣，常規通信網絡往往不覆蓋；

野外測站用電困難，工作單元要求節電；

野外測站施工條件差，要求設備安裝簡易；

野外測站屬于防汛關鍵設施，要求全天候工作抗雨衰；

野外測站數據傳輸要求準確及時，對通信系統要求高。

北斗衛星導航具有全球性、全天候、連續性和實時性的特點，其應用幾乎涉及國防建設和經濟社會的各個領域。我國的北斗一代衛星導航系統同時具備報文通信、定位、授時功能，利用北斗系統的全覆蓋、組網易于實施和低成本等優勢，能夠滿足在惡劣環境下為用戶提供穩定可靠的定位與數據傳輸服務的要求，采用北斗衛星導航系統作為水情監測采集數據的傳輸手段，實現水情數據的監測、采集、傳輸、預警等功能，可為用戶提供安全可靠，成本低廉、安裝維護方便的全天候覆蓋水利防汛監測系統。

二、系統特點

北斗衛星導航系統相較與其他通信設備，其在水情監測中的應用優勢體現在以下幾個方面。

工作在L/S波段，雨衰小；

采用CDMA制式，允許多用戶并發傳輸；

終端功耗低，適應無人值守環境；

利用北斗授時功能，保持整個測報系統的時鐘同步；

一次可傳送多達120個漢字的短報文通信信息，滿足汛期實時報訊要求；

北斗民用運營中心提供信道和數據備份，安全可靠。

北斗系統具有“抗雨衰、容量大、時效強、功耗低、通信快捷、并發能力強”的特點，能很好地滿足水情整點報訊和汛期實時報訊的要求。

三、系統方案

水利防汛監測系統由水利指揮總站和野外水利監測站組成。中心水利指揮總站通過北斗指揮型用戶機，接收所有野外水利測試站通過北斗通信型用戶機發送的數據，對所有水情監測站水情數據進行匯集、存儲、分析。系統組成框圖如圖1所示。

水利監測站裝備水位計、雨量計等傳感器，采集各種水文變化數據，將采集到的監測數據，發送給信息集成器，信息集成器對采集數據進行數據處理、分析、存儲、自動編碼打包，通過北斗通信型用戶機發送給中心指揮站。同時各水利監測站可通過北斗用戶機實現各監測站的精確定位，并將定位信息同時發送到中心指揮站。

四、中心站設計方案

中心水利指揮總站對所有水情監測站水情數據進行匯集、存儲、分析，主要包括兩部分：北斗指揮型用戶機、數據存儲分析服務器（包含相關軟件）。

4.1雙服務器備份中心

水利防汛監測系統是一個圍繞著數據服務為中心的信息化服務系統，中心水利指揮總站除了實時對所有水情監測站水情數據進行匯集、存儲、分析外，信息數據的備份與恢復同樣至關重要。本設計方案采用了雙服務器備份中心方案，雙服務器備份中心由北斗指揮機、主服務器、從服務器三個主要部分組成。

該方案的特點如下：

4.1.1系統備份

通過北斗指揮型用戶機的雙串口連接雙服務器，從而實現對系統程序及所存儲數據的備份功能，保證了系統的健壯性以及數據的完整性、安全性。

4.1.2數據恢復與同步

通過數據庫文件的備份與導入，完成對備份數據的恢復與同步功能。本雙服務器備份采用一臺指揮機通過雙串口連接兩臺服務器的方式組網。由于本系統的指揮機只接收下轄北斗通信型用戶機的數據，所以并不需要考慮多控制指令造成的重復指令過濾問題。主服務器和從服務器均裝有水情監測系統軟件和數據庫，各自獨立、自成系統。主從服務器分別接收并存儲水情信息，達到數據雙機備份的目的，保障了數據的完整性和完全性。由于主從服務器的獨立性，當主服務器出現故障后，從服務器的數據保留完整，可以由從服務器將數據導出，再導入到主服務器，實現完整的數據恢復。

4.2北斗指揮平臺

指揮型用戶機主要完成系統內野外測量站通過通信型用戶機發送的數據信息接收功能。同時，指揮型用戶機還可以主動控制野外測量站進行數據上報。這些都通過北斗指揮平臺完成。

北斗指揮平臺是擁有一定用戶數的集團管理部門使用的平臺，同時能監收下轄用戶機的定位和通信信息，并可以向下轄用戶機發送通播信息。其具體功能有：

通過IC卡注冊下轄用戶；

監收下級用戶機的定位和通信信息；

數字地圖功能，可顯示、查詢下轄用戶的地理位置；

對所轄用戶機發送通播信息，統一下發命令或其他信息；

存儲、調用下轄用戶機的相關信息。

北斗系統的這種分組、分級通信方式有利于下端水電信息的集中收集和指揮信息群發。

五、遠端站方案

野外水利監測站由太陽能供電系統、北斗通信型用戶機、RTU、采集儀器等組成。野外水利監測站具備水利信息采集和上報功能。

5.1信息采集上報過程

水文信息采集是水利防汛監測系統的一個重要組成部分，它是對水文信息系統進行融合、分析的必要前提。野外測站水文信息采集和上報的過程如圖2所示。

1）信息采集。通過傳感裝置，可以獲取水電站的水情、濕度和雨量等水文信息。

2）信息處理。上述收集的水文信息通過數據接口接入數據采集模塊后，為了滿足北斗傳輸格式的要求，還需要添加編碼器對信息量加以編碼和組幀的功能，在特定情況下，可能還需要將數據信息加以分包操作。

3）信息組裝。經過處理的信息交由北斗通信終端發送，一般站點采用單個通信終端。為保證信息傳輸的穩定性和可靠性，在重要野外站點可采用北斗通信終端陣列的方式進行數據發送。終端陣列為雙機熱備份，可以保障在極度惡劣環境下衛星通信傳輸的穩定性；由于兩終端為獨立工作狀態，及時一個終端出現故障，另一個終端也可以保障系統繼續工作。

4）衛星傳輸。水文信息經過北斗衛星轉發至中心水利指揮站，中心站通過服務器平臺軟件進行文字信息融合與分析，進行相應的信息處理。

5.2雨量信息采集方式

雨量信息的采集由雨量計和終端遙測機（RTU）完成。雨量信息采集有常規和暴雨兩種模式。

常規模式下，RTU使用的數據發送方式為巡檢方式，每5分鐘巡檢1次，這種方式不能滿足暴雨天氣下水文監測的需求。

暴雨天氣下，監測中心可通過指揮型用戶機發送相關命令控制野外測站進入暴雨模式。RTU的數據采集方式更改為雨量每上升1毫米采集一次數據。

5.3測站通信用戶機軟件功能

野外測站通信型用戶機軟件主要實現以下功能：

1）RTU采集數據的收集、處理和存儲；2）正常情況下，按正常頻度發送數據到中心站，查詢中心站是否接收到數據，如未接收到數據，需重新傳輸數據，保證數據傳輸的連續性和完整性；3）暴雨情況下，壓縮打包數據，按照1分鐘1次的頻度一次發送到中心站。

六、總結

綜上所述，基于北斗一代衛星的水利防汛監測系統能夠保障水文信息安全可靠的采集、因地制宜的傳輸的特點，其可在各地水利局水情和防汛測報方面起到關鍵作用，可以廣泛推廣。

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作者簡介：朱明輝，1974年12月生，性別：男，民族：漢族，籍貫：安徽省合肥市，學歷：碩士研究生，職稱：高級工程師，從事市場調研與策劃工作。

參 考 文 獻

[1] 《衛星導航定位與北斗系統應用》，中國衛星導航定位協會編， 2012

[2] 《衛星導航定位與北斗系統應用-應用北斗 光彩中國2013》，中國衛星導航定位協會編， 測繪出版社 2013

[3] 曹沖 陳勖 李東航 《北斗伴咱走天下》 中國宇航出版社 2011