老撾水文監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用研究

摘 要：老撾地域狹長，山脈密布，降雨量偏大，且部分地區(qū)移動網(wǎng)絡(luò)（2G/3G/4G/5G）的覆蓋性差，水文監(jiān)測能力提升是水文監(jiān)測領(lǐng)域亟待解決的難題。在廣泛收集老撾地區(qū)地形條件、氣候條件以及現(xiàn)有水文測站基礎(chǔ)信息、邊境地區(qū)水文監(jiān)測信息的基礎(chǔ)上，在移動網(wǎng)絡(luò)與北斗衛(wèi)星雙信道傳輸、老撾水文數(shù)據(jù)服務(wù)中心建設(shè)、兼容性架構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)安全與加密等方面對老撾地區(qū)水文監(jiān)測進(jìn)行研究探索，以提高老撾水文監(jiān)測能力。

關(guān)鍵詞：水文監(jiān)測；北斗通訊；數(shù)據(jù)壓縮；加密傳輸；數(shù)據(jù)中心；業(yè)務(wù)協(xié)同 ；老撾

中圖分類號：P332" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

老撾在湄公河中下游，全國共有各類水文、氣象站點(diǎn)299個，其中包括123個水位站、117個雨量站、59個水文站。老撾境內(nèi)共有62個流域，湄公河有12條流域面積超過4 500 km2的主要支流完全或主要位于老撾境內(nèi)。

老撾水資源開發(fā)利用水平比較低、基礎(chǔ)設(shè)施和管理能力相對薄弱，水文監(jiān)測技術(shù)和手段落后，除湄公河委員會及瀾湄水資源合作援建站點(diǎn)外，其他絕大部分以人工監(jiān)測為主，水文水資源監(jiān)測自動化程度不高。目前，老撾國內(nèi)主流水文測報系統(tǒng)通信鏈路以移動網(wǎng)絡(luò)（2G/3G/4G/5G）為主，且以境內(nèi)河流為主要的監(jiān)測區(qū)域。該測報方式對老撾大部分河流監(jiān)測具有積極的指導(dǎo)作用，但存在以下不足：①移動網(wǎng)絡(luò)通信信號差或未覆蓋的地區(qū)暫不能支持以移動網(wǎng)絡(luò)為水文傳輸?shù)男诺?；②不能滿足跨界河流對傳輸?shù)陌踩院捅Ｃ苄缘囊蟆＂鬯馁Y料多以紙質(zhì)為主，缺乏系統(tǒng)且完善的信息化水文資料。因此，有必要對老撾水文監(jiān)測系統(tǒng)開展研究，提出水文監(jiān)測系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)方案，以提高老撾水文監(jiān)測水平，更好地發(fā)揮其在防汛抗旱、水資源管理及水生態(tài)治理中的作用。

1 總體方案研究

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

水文測報系統(tǒng)總體架構(gòu)見圖1。在現(xiàn)有測站的基礎(chǔ)上，通訊模塊中增加北斗短報文通信模塊，作為移動網(wǎng)絡(luò)通信的備用信道。當(dāng)主信道不能成功發(fā)送時轉(zhuǎn)備用信道北斗進(jìn)行發(fā)送，并在測站遠(yuǎn)程終端控制系統(tǒng)（Remote Terminal Unit，RTU）中增加加密模塊和壓縮模塊，分別滿足特殊區(qū)域保密性的要求和北斗傳輸數(shù)據(jù)長度限制的要求。在現(xiàn)有中心站的基礎(chǔ)上，增加數(shù)據(jù)解壓縮模塊和數(shù)據(jù)解密模塊，對加密和壓縮的水文報文進(jìn)行特殊的處理?；凇拔⒎?wù)化，開放兼容，持續(xù)演進(jìn)”的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行中心站的構(gòu)建，以實(shí)現(xiàn)對原有站點(diǎn)、新增站點(diǎn)和改進(jìn)站點(diǎn)的一平臺兼容。

測站RTU獲得水文傳感器采集的數(shù)據(jù)后，經(jīng)由采集控制模塊形成原始報文[1]。如果該站點(diǎn)數(shù)據(jù)有保密要求，則由加密模塊進(jìn)行報文加密；如果站點(diǎn)數(shù)據(jù)無保密要求，則跳過加密模塊。如果該站點(diǎn)報文需要壓縮，則基于ZIP算法對水文報文進(jìn)行壓縮，如果不需要，則跳過壓縮模塊。水文報文處理完成后，首先基于移動網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，如果發(fā)送失敗或未收到中心站的回執(zhí)，則進(jìn)行第二次基于移動網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送，如果發(fā)送失敗或未收到中心站的回執(zhí)，則轉(zhuǎn)由北斗衛(wèi)星進(jìn)行發(fā)送。上述三次發(fā)送過程中，若任意一次發(fā)送成功，則終止后續(xù)的發(fā)送。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 北斗通信

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自主研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)通信覆蓋廣、通信容量大、通信距離遠(yuǎn)、不受地理環(huán)境限制，具有質(zhì)量優(yōu)、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。為解決老撾地區(qū)移動網(wǎng)絡(luò)未覆蓋或信號不好的問題，在老撾水文監(jiān)測系統(tǒng)中增加北斗短報文傳輸，保證水文數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和安全性。以移動網(wǎng)絡(luò)通信作為設(shè)備傳輸?shù)闹餍诺繹4-5]，基于應(yīng)答機(jī)制和校驗(yàn)機(jī)制，確認(rèn)移動網(wǎng)絡(luò)信道的報文接收情況，如果未能正確接收到水文數(shù)據(jù)，則轉(zhuǎn)由北斗信道進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

基于站點(diǎn)的地理位置、歷史數(shù)據(jù)等信息，對于移動網(wǎng)絡(luò)信號未覆蓋或信號不穩(wěn)定的區(qū)域，增加北斗短報文傳輸，當(dāng)基于移動網(wǎng)絡(luò)發(fā)送失敗時，轉(zhuǎn)北斗衛(wèi)星信道進(jìn)行水文數(shù)據(jù)發(fā)送[1]，并進(jìn)行報文壓縮。一方面減少網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)淖止?jié)長度，避免傳輸誤碼造成的錯誤數(shù)據(jù)；另一方面，滿足北斗傳輸對字節(jié)數(shù)限制的要求[2]。

2.1.1 應(yīng)答機(jī)制

如圖2所示，遙測站為通信發(fā)起端，中心站在接收到遙測站發(fā)出的數(shù)據(jù)報文后，對接收的正確報文進(jìn)行回執(zhí)[6]，若有錯誤數(shù)據(jù)包，中心站將發(fā)送包括錯誤數(shù)據(jù)包序列號（1包序列號，每包單獨(dú)重發(fā)）的響應(yīng)包，遙測站重發(fā)相應(yīng)序列號包數(shù)據(jù)，最多重發(fā)2次。如果遙測站未收到回執(zhí)或收到錯誤的回執(zhí)，則啟動重發(fā)機(jī)制，上限為2次，如果2次均未收到回執(zhí)，則退出移動網(wǎng)絡(luò)通信轉(zhuǎn)北斗通信。通過應(yīng)答機(jī)制，保障遙測站發(fā)出的報文順利到達(dá)中心站系統(tǒng)。

2.1.2 數(shù)據(jù)校驗(yàn)

老撾水文監(jiān)測系統(tǒng)的傳輸方式包括2G、3G、4G及北斗，整體誤碼率約為1×10-5。為保障水文數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，基于CRC32循環(huán)冗余算法，對數(shù)據(jù)包進(jìn)行校驗(yàn)。如果校驗(yàn)通過，中心站系統(tǒng)回復(fù)確認(rèn)通過標(biāo)志；如果校驗(yàn)未通過，則回執(zhí)校驗(yàn)未通過標(biāo)志，并控制遙測站數(shù)據(jù)重發(fā)。CRC32校驗(yàn)的范圍從開始標(biāo)志到報文正文結(jié)束。

2.1.3 北斗傳輸

如圖3所示，在測站配備北斗通訊模塊，在中心站配備北斗接收模塊。當(dāng)通過移動網(wǎng)絡(luò)信號的數(shù)據(jù)傳輸未能成功時，轉(zhuǎn)而采用北斗信道進(jìn)行傳輸?；诋?dāng)前老撾地區(qū)北斗傳輸?shù)臄?shù)量，采用神州天鴻科技有限公司提供的通用型用戶機(jī)作為測站和中心站的北斗通信模塊。

2.2 數(shù)據(jù)加密

針對界河區(qū)域水文監(jiān)測數(shù)據(jù)保密性的要求，在設(shè)備中增加報文加密模塊，進(jìn)行報文加密，通過密文進(jìn)行數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸[7]。表1為幾種可逆加密算法各項(xiàng)性能的對比。

基于安全性、運(yùn)算速度、密鑰的管理難度等方面考慮，本系統(tǒng)采用DES加密算法進(jìn)行數(shù)據(jù)的加密。主要步驟如下：

（1）系統(tǒng)管理人員設(shè)置相關(guān)測站的密鑰；

（2）安裝測站完成后配置測站的傳輸密鑰；

（3）測站RTU程序控制測站報文的加密，傳輸和保存均使用加密后的報文；

（4）中心站接收到報文后，基于密鑰對報文解壓后再進(jìn)行解析和計(jì)算。

2.3 數(shù)據(jù)壓縮

常用的字符串壓縮算法主要包括哈夫曼編碼壓縮法、LZW壓縮法、行程長度壓縮法、算數(shù)壓縮法、RICE壓縮、Lempel-Ziv壓縮等。本系統(tǒng)采用對字符串文本壓縮支持度高的Lempel-Ziv（LZ）壓縮算法。

LZ算法是一系列無損數(shù)據(jù)壓縮算法，包括LZ77、LZ78和LZW等。這些算法利用字典來存儲已經(jīng)遇到的字符串，并用相應(yīng)的索引來代替重復(fù)出現(xiàn)的字符串，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的壓縮。在數(shù)據(jù)壓縮之前，初始化一個空的字典和輸入數(shù)據(jù)的指針，具體過程為從指針位置開始，向后查找最長的與字典中已有字符串匹配的子串。如果找到匹配的子串，則將其在字典中的索引和子串的長度作為壓縮數(shù)據(jù)的一部分輸出，將指針移動到匹配子串的末尾繼續(xù)查找下一個子串；如果沒有找到匹配的子串，則輸出當(dāng)前字符，并將它添加到字典中。

例如原始報文1001011011010101011（為更好的展示壓縮算法，采用的原始報文格式為非正常報文格式）的壓縮過程如表2 所示。

2.4 水文數(shù)據(jù)中心

以老撾現(xiàn)有的水文資料為基礎(chǔ)，以實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)為增量，建立老撾水文數(shù)據(jù)中心（見圖4）。基于數(shù)據(jù)訪問頻率，構(gòu)建緩存策略，提升數(shù)據(jù)訪問效率，數(shù)據(jù)服務(wù)層通過ETL、WebService、文件、數(shù)據(jù)庫接口等方式將涉及的數(shù)據(jù)匯聚到核心數(shù)據(jù)庫，并提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)訪問API[8]；以全文搜索與數(shù)據(jù)庫存儲實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)持久化管理；利用數(shù)據(jù)庫中間件實(shí)現(xiàn)水文數(shù)據(jù)庫的垂直拆分、讀寫分離、分庫分表；利用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和時序數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)水文數(shù)據(jù)庫的存儲和管理[9]。

基于站點(diǎn)預(yù)警信息配置、歷史同期數(shù)據(jù)、上下游關(guān)系和GIS多維靜態(tài)模型等，對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，并形成包括雨情分析報告、流量分析報告、氣象信息分析報告等的水文分析報告，為老撾水文分析提供數(shù)據(jù)支持。

2.5 兼容性設(shè)計(jì)

老撾境內(nèi)的水文自動測報系統(tǒng)以外國援助為主，但按照該國的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)甚至是企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)，主要表現(xiàn)在：計(jì)量器具標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，如雨量承雨口口徑不一致；高程基面不統(tǒng)一，如有的站點(diǎn)采用假定高程；度量單位不統(tǒng)一，如有的采用英制單位，有的采用公制單位。

目前已經(jīng)建成的水文自動測報系統(tǒng)都是在特定背景下建設(shè)的，僅是為了滿足特定的需要，這些系統(tǒng)相互不兼容。目前沒有一個系統(tǒng)對這些監(jiān)測信息進(jìn)行收集整合，尚處于“信息孤島”的狀態(tài)。老撾水文監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用研究旨在整合老撾國家水文水資源監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、綜合監(jiān)控、數(shù)據(jù)整合、數(shù)據(jù)共享等功能，解決平臺分散、數(shù)據(jù)孤島、數(shù)據(jù)利用率低、管理能力不足的現(xiàn)狀。

系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)如圖5所示。

總體技術(shù)框架建立遵循“微服務(wù)化、開放兼容，統(tǒng)一架構(gòu)，業(yè)務(wù)協(xié)同”的原則，應(yīng)用系統(tǒng)采用多層架構(gòu)，兼容原有站點(diǎn)、改造站點(diǎn)及新增站點(diǎn)[10]。

通信層主要包括TCP/IP通信模塊與北斗通信模塊，通過動態(tài)加載的方式對涵蓋的水文要素監(jiān)測方式進(jìn)行業(yè)務(wù)封裝，將所有要素納入系統(tǒng)進(jìn)行整合與統(tǒng)一的管理，實(shí)現(xiàn)一平臺對多通訊方式、多感知方式、多要素?cái)?shù)據(jù)的一體化接收[11]。

業(yè)務(wù)層主要處理遙測站實(shí)時數(shù)據(jù)的報文解析、處理和計(jì)算，判斷數(shù)據(jù)的合理性。支持平臺對遙測站進(jìn)行數(shù)據(jù)召測和測站配置命令?；谒耐ㄓ嵰?guī)約等數(shù)據(jù)協(xié)議，開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)解析接口，起到連接通訊層和應(yīng)用支撐層的橋梁作用。

管理層提供負(fù)載均衡、故障管理、日志管理、性能監(jiān)控、安全監(jiān)控以及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的功能。

應(yīng)用支撐是由GIS服務(wù)、緩存服務(wù)、工作流引擎、告警引擎、REST服務(wù)、監(jiān)控服務(wù)、視頻組件、訪問控制等構(gòu)成的應(yīng)用支撐平臺，主要負(fù)責(zé)為系統(tǒng)功能提供插件和服務(wù)。

核心數(shù)據(jù)庫主要包括基本信息庫、實(shí)時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)庫、策略庫等。

3 結(jié)束語

針對老撾國內(nèi)水文測報系統(tǒng)存在的不足，提出了針對性的解決方案。采用雙鏈路通信方式，解決移動網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定而造成的水文信息傳輸?shù)膯栴}；增加DES加密算法，滿足特殊區(qū)域水文傳輸保密性的要求；增加LZ壓縮算法，解決水文傳輸中的報文過長的難題；整合現(xiàn)有所有形式的水文資料及已安裝設(shè)備的水文監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立老撾水文數(shù)據(jù)中心，為水文分析提供數(shù)據(jù)支撐；遵循“微服務(wù)化、開放兼容，統(tǒng)一架構(gòu)，業(yè)務(wù)協(xié)同”的原則建立總體技術(shù)框架，應(yīng)用系統(tǒng)采用微服務(wù)架構(gòu)，為后續(xù)新建站點(diǎn)的兼容提供支持。

老撾水文監(jiān)測系統(tǒng)整合了老撾國家現(xiàn)有的水文水資源監(jiān)測數(shù)據(jù)，全面構(gòu)建了水文數(shù)據(jù)體系，整體提升了水文業(yè)務(wù)一體化集成水平，充分發(fā)揮其在防汛抗旱、水資源管理及水生態(tài)治理等方面的作用，也為后續(xù)數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)建設(shè)、決策支撐系統(tǒng)建設(shè)提供了數(shù)據(jù)支撐。

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Application of Hydrological Monitoring System in Laos

WANG Zhifei，LEI Changyou，GAO Ming，HAN Song

（Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan" 430010，China）

Abstract：Laos，featured with long and narrow terrain and dense mountainous areas，suffers from heavy rainfall and inadequate coverage of mobile networks （2G/3G/4G/5G） in some areas. Improving hydrological monitoring capacity is an urgent problem to be solved in Laos. This research addresses this challenge based on comprehensive data of terrain and climate conditions，basic information of existing hydrological stations and hydrological monitoring information from border areas. Key focuses include：（1） dual-channel transmission with both mobile network and Beidou satellite systems；（2） integration of diverse hydrological data to establish a hydrological data service center；（3） compatible and scalable architecture design；and （4） data security and encryption.

Keywords：hydrological monitoring；Beidou communications；data compression；encrypted transmission；data center；business collaboration；Laos