摘要：隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展，對水文信息不斷提出新要求，水文觀測項目和內(nèi)容不斷增加，對觀測手段和方法以及水文監(jiān)測技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用提出了越來越高的要求；現(xiàn)代電子技術(shù)、傳感技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，也促進了水文監(jiān)測技術(shù)自動化的發(fā)展。

　　在水文監(jiān)測系統(tǒng)中，常常需要對眾多的水位點進行實時監(jiān)測，大部分監(jiān)測數(shù)據(jù)需要實時發(fā)送到管理中心的后端服務(wù)器進行處理。由于監(jiān)測點分散，分布范圍廣，而且大多設(shè)置在環(huán)境較惡劣的地區(qū)，通過電話線傳送數(shù)據(jù)往往事倍功半。通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，成為水文部門選擇的通信手段之一。污染源監(jiān)測設(shè)備可將采集到的污染數(shù)據(jù)和告警信息通過GPRS網(wǎng)絡(luò)及時發(fā)送到水文監(jiān)測部門，實現(xiàn)對排污單位或個人的及時管理，可以大大提高水文部門的工作效率。

　　一、水文監(jiān)測自動化技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展

　　1、 水文監(jiān)測的范圍與內(nèi)容：

　　水文監(jiān)測是水文傳感器技術(shù)與采集、存儲、傳輸、處理技術(shù)的集成。

　　監(jiān)測范圍：江、河、湖泊、水庫、渠道和地下水等水文參數(shù)。

　　監(jiān)測內(nèi)容：水位、流量、流速、降雨（雪）、蒸發(fā)、泥沙、冰凌、墑情、水質(zhì)等。

　　2、 人工監(jiān)測技術(shù)存在的問題：

　　從水文傳統(tǒng)的人工監(jiān)測技術(shù)分析來看，主要存在以下問題：

　　（1） 記錄方式以模擬方式為主，就是數(shù)字方式記錄的也很難方便的輸入計算機處理；

　　（2） 據(jù)處理基本靠人工處理判斷，費時易錯；

　　（3） 水文信息的采集、傳輸、處理的實時性和準(zhǔn)確性較差，無法適應(yīng)現(xiàn)代水文的需求。

　　因此，要用自動化技術(shù)促進水文監(jiān)測自動化的發(fā)展。

　　3、 水位的采集和傳輸

　　用于自動化監(jiān)測的水位傳感器主要有浮子式水位計、壓力式水位計、電子水尺和超聲波水位計等。這些傳感器可以直接接到RTU上，自動監(jiān)測水位參數(shù)。地下水位的監(jiān)測與地表水相同。目前，省水文監(jiān)測站與各采集點之間的數(shù)據(jù)通信主要采用手工抄錄或PSTN電話線傳輸。采用電話線傳輸數(shù)據(jù)時，由于每次撥號都需要等待，速度慢，而且費用也較高。同時，由于各監(jiān)控點分布范圍廣、數(shù)量多、距離遠，個別點還地處偏僻，因此需申請很多電話線，而且有些監(jiān)控點有線線路難以到達。

　　GPRS具有速度快、使用費用低的特點，其傳輸速度可達171.2kb/s。與有線通訊方式相比，采用GPRS無線通信方式則顯得非常靈活，它具有組網(wǎng)靈活、擴展容易、運行費用低投，維護簡單、性價比高等優(yōu)點因此，目前正考慮采用GPRS無線傳輸方式解決污染源監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時傳輸問題。

　　二、方案優(yōu)點：

　　中國移動GPRS系統(tǒng)可提供廣域的無線IP連接。在移動通信公司的GPRS業(yè)務(wù)平臺上構(gòu)建水文信息采集傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)水文信息采集點的無線數(shù)據(jù)傳輸具有可充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，縮短建設(shè)周期，降低建設(shè)成本的優(yōu)點，而且設(shè)備安裝方便、維護簡單。經(jīng)過比較分析，我們選擇中國移動的GPRS系統(tǒng)作為水文信息采集傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信平臺。

　　GPRS無線水文監(jiān)控系統(tǒng)具備如下特點：

　　1、實時性強：

　　GPRS具有實時在線特性，系統(tǒng)無時延，無需輪巡就可以同步接收、處理多個或所有監(jiān)測點的各種數(shù)據(jù)。可很好的滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集和傳輸實時性的要求。

　　2、可對各監(jiān)測點儀器設(shè)備進行遠程控制：

　　通過GPRS雙向系統(tǒng)還可實現(xiàn)對儀器設(shè)備進行反向控制，如：時間校正、狀態(tài)報告、開關(guān)等控制功能，并可進行系統(tǒng)遠程在線升級。

　　3、建設(shè)成本少低：

　　由于采用GPRS公網(wǎng)平臺，無需建設(shè)網(wǎng)絡(luò)，只需安裝好設(shè)備就可以，建設(shè)成本低。

　　4、監(jiān)控范圍廣：

　　構(gòu)建水文信息采集傳輸系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)通信覆蓋范圍廣，擴容無限制，接入地點無限制，能滿足山區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和跨地區(qū)的接入需求。由于水文信息采集點數(shù)量眾多，分布在全省范圍內(nèi)，部分水文信息采集點位于偏僻地區(qū)，而且地理位置分散。

　　5、具有良好的可擴展性:

　　由于目前GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)已覆蓋省內(nèi)絕大部分地區(qū)，基本不存在盲區(qū)，可實現(xiàn)大范圍的在線監(jiān)控，滿足水文信息采集傳輸系統(tǒng)對覆蓋范圍的要求。

　　6、系統(tǒng)的傳輸容量大：

　　水文中心站要和每一個水文信息采集點實現(xiàn)實時連接。由于水文數(shù)據(jù)信息采集點數(shù)量眾多，系統(tǒng)要求能滿足突發(fā)性數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰鳪PRS技術(shù)能很好地滿足傳輸突發(fā)性數(shù)據(jù)的需要。

　　7、數(shù)據(jù)傳送速率高：

　　每個水文信息采集點每次數(shù)據(jù)傳輸量在10Kbps之內(nèi)。GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送速率理論上可達171.2kbit/s，目前GPRS實際數(shù)據(jù)傳輸速率在40Kbps左右，完全能滿足本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率（≥10Kbps）的需求。

　　8、通信費用低：

　　采用包月計費方式，運營成本低。

　　三、解決方案介紹：

　　（一）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　1、水文信息采集點：采用廈門宇能科技有限公司的YN4010 GPRS透明無線數(shù)據(jù)傳輸終端，通過RS232/RS485/TTL與水文設(shè)備采集點連接，接入移動公司為水文局提供的專用的GPRS網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)對水文信息采集點的接入地點、時間、數(shù)量沒有限制可以隨時增減。可以滿足山區(qū)、偏遠地區(qū)和跨地區(qū)接入的需求。

　　2、水文中心站：本系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)器可采用INTELNET公網(wǎng)連接，采用公網(wǎng)固定IP， GPRS數(shù)據(jù)傳輸終端上電后，它會根據(jù)預(yù)先設(shè)定在其內(nèi)部的IP地址來主動訪問網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)器，通過代理服務(wù)器和監(jiān)控中心建立TCP/IP鏈路。監(jiān)控中心主站本身維護接入的每個終端的IP地址和ID號，當(dāng)主站要向某個監(jiān)控終端提出數(shù)據(jù)請求時，它會根據(jù)IP地址和ID號來找到對應(yīng)的終端，將命令下發(fā)到該終端，終端響應(yīng)后通過GRPS數(shù)據(jù)傳輸終端把數(shù)據(jù)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)器端口，通過端口影射轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)控中心主站，即完成了一個應(yīng)答式的通訊流程，當(dāng)水文信息采集點數(shù)量增加，中心不用擴容即可滿足需求。

　　3、GSM /GPRS移動數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)：現(xiàn)場監(jiān)控點采集的數(shù)據(jù)經(jīng)GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)空中接口功能模塊同時對數(shù)據(jù)進行解碼處理，轉(zhuǎn)換成在公網(wǎng)數(shù)據(jù)傳送的格式，通過中國移動的GPRS無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，最終傳送到監(jiān)控中心IP地址。

　　4、可以通過數(shù)據(jù)中心直接遠程控制YN4010 DTU I/O接口開關(guān)水管閥門，實現(xiàn)智能化的管理模式。 　

　　（二）系統(tǒng)方案：

　　各監(jiān)控點使用廈門宇能科技有限公司YN4010 GPRS DTU透明數(shù)據(jù)傳輸終端，通過移動GPRS網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心相連。各污染源數(shù)據(jù)采集點使用移動通信公司統(tǒng)一的STK卡，同時監(jiān)控中心對各點進行登記，保存相關(guān)資料以便識別和維護處理。各信息采集點運行監(jiān)控系統(tǒng)軟件，支持24小時實時在線，實現(xiàn)信息采集點24小時傳送采集的水文信息數(shù)據(jù)。

　　凡省水文局授權(quán)的信息采集點均可以使用本系統(tǒng)：

　　1、水位信息采集點必須使用移動統(tǒng)一的SIM卡，用戶使用本卡只能用于與水文站數(shù)據(jù)通信功能。

　　2、終端設(shè)備使用廈門宇能電力科技有限公司提供的GPRS移動數(shù)據(jù)通信終端。

　　3、用戶登記，符合省級水文局的規(guī)定。

　　（三）產(chǎn)品特性：

　　水文信息采集傳輸系統(tǒng)采用YN4010 GPRS DTU。產(chǎn)品基于中國移動的GPRS網(wǎng)絡(luò)，提供RS232、RS485、TTL接口，利用GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)實現(xiàn)無線聯(lián)網(wǎng)，產(chǎn)品支持各種行業(yè)應(yīng)用，如實現(xiàn)信用卡實時認證、POS機的遠程控制維護、遠程業(yè)務(wù)點接入等。在水文信息采集傳輸系統(tǒng)方案中，YN4010 GPRS DTU可通過外置或嵌入方式與水文信息采集點設(shè)備連接。

　　1、支持900／1800／1900MHz三頻GSM/GPRS。

　　2、接口： RS232、RS485、TTL。

　　3、系統(tǒng)理論傳輸速率171Kbps，實際傳輸速率40Kbps。

　　4、支持Windows95/98/2000/XP/LINUX操作系統(tǒng)。

　　5、透明數(shù)據(jù)傳輸：YN4010EP-DTU內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，為用戶的數(shù)據(jù)設(shè)備提供透明傳輸通道；

　　6、自動撥號連接：YN4010EP-DTU可配置上電自動撥號上網(wǎng)、連接網(wǎng)絡(luò)，同時支持用戶端發(fā)起命令連接或遠程喚醒連接；

　　7、短信息備用數(shù)據(jù)通道：在GPRS網(wǎng)絡(luò)無法連接時可啟用短信作為備用數(shù)據(jù)傳輸通道；

　　8、短信息遠程維護功能；

　　9、實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)連接情況，掉線自動重撥功能；

　　10、提供主副IP及動態(tài)域名解析；

　　11、心跳報告時間間隔用戶可設(shè)定；

　　12、數(shù)據(jù)通信幀長度用戶可設(shè)定；

　　13、支持VPN安全功能。

　　14、安裝靈活、使用方便、可靠。

　　（四）安全措施：

　　由于水文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特殊性，本系統(tǒng)需要極高的系統(tǒng)安全保障和穩(wěn)定性。安全保障主要是防止來自系統(tǒng)內(nèi)外的有意和無意的破環(huán)，網(wǎng)絡(luò)安全防護措施包括信道加密、信源加密、登錄防護、訪問防護、接入防護、防火墻等。穩(wěn)定是指系統(tǒng)能夠7×24小時不間斷運行，即使出現(xiàn)硬件和軟件故障，系統(tǒng)也不能中斷運行。

　　數(shù)據(jù)中心可通過公網(wǎng)使用VPN接入到移動GPRS網(wǎng)，采用VPN方式成本比較低，企業(yè)不用租用專線，還可以利舊使用原有的VPN設(shè)備，移動終端需要安裝具有VPN二次虛擬撥號的功能的軟件。通過VPN方式，客戶端在連接應(yīng)用服務(wù)器前，要經(jīng)過Radius服務(wù)器的認證整個數(shù)據(jù)傳送過程得到了加密保護，安全性比較高，可充分保障速度和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。

　　另外，數(shù)據(jù)中心也可以采用APN接入方式，租用專線接入到移動公司的GGSN設(shè)備上，這種成本高，安全性高、穩(wěn)定可靠。對于安全性要求非常高的系統(tǒng)，可考慮在專用APN接入的基礎(chǔ)上再加上VPN接入方式的混合接入方式，進一步提高系統(tǒng)的安全性。

　　1、VPN虛擬專網(wǎng)模式：企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中配置VPN服務(wù)器，移動終端加載具有VPN二次虛擬撥號的功能的客戶端軟件。采用VPN安全技術(shù)，用戶通過接入企業(yè)內(nèi)部虛擬專網(wǎng)的方式與Internet進行隔離，可對整個數(shù)據(jù)傳送過程進行加密保護，有效避免非法入侵。

　　2、用SIM卡的唯一性：對用戶SIM卡手機號碼進行鑒別授權(quán)，在網(wǎng)絡(luò)側(cè)對SIM卡號和APN進行綁定，劃定用戶可接入某系統(tǒng)的范圍,只有屬于指定行業(yè)的SIM卡手機號才能訪問專用APN，移動終端與數(shù)據(jù)中心采用中國移動分配的專門的APN進行無線網(wǎng)絡(luò)接入，普通手機的SIM卡號無法呼叫專門的APN。

　　3、對于特定用戶：可通過數(shù)據(jù)中心分配特定的用戶ID和密碼， 其他沒有數(shù)據(jù)中心分配的用戶ID和密碼的用戶將無法登錄進入系統(tǒng)，系統(tǒng)的安全性進一步增強。

　　4、數(shù)據(jù)加密：通過VPN對整個數(shù)據(jù)傳送過程進行加密保護。

　　5、網(wǎng)絡(luò)接入安全鑒定機制：采用防火墻軟件，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)鑒權(quán)和安全防范功能，保障系統(tǒng)安全。

　　四、結(jié)論：

　　采用有線方式，租用靜態(tài)IP目前費用比較高約800~1500元/月。采用GPRS無線方式，系統(tǒng)流量費用目前有包月制和按數(shù)據(jù)量兩種收費方式，按流量計算0.03元K，而包月制20元/月有1024 KBytes流量，可滿足省水文局目前水文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實際數(shù)據(jù)量，估計日后其費用會逐步降低。對于水文局等用戶來說，由于通信費用較低，享受到了實惠。另外，由于接入設(shè)備可以移動，當(dāng)水文觀測站和水文信息采集點搬遷時設(shè)備可隨之遷移并可繼續(xù)使用，可以保護用戶原有投資，適合于水文采集工作的特點。

　　采用GPRS構(gòu)建水文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，不僅能很好地滿足水文信息采集的需求，而且，做為網(wǎng)絡(luò)運營商的移動通信公司也將因此獲得業(yè)務(wù)穩(wěn)定的集團用戶，隨著用戶數(shù)量的增加，移動通信公司的營收也隨之增加，調(diào)動了運營商的積極性，符合網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用同步發(fā)展的要求。