（机械电子工程专业论文）水文远程监控系统的设计与研究.pdf

硕士论文水文远程监控系统的设计与研究 a b s t r a c t w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f c o n t r o l , c o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o n , n e t w o r k t e c h n i q u e , d e s i g n i n g t h e r e m o t e m o n i t o r i n g s y s t e m i s t h e i n e x o r a b l e t r e n d . a s t h e 2 . 5 g t e c h n o l o g y o f t r a n s i t i o n f r o m 2 g t o 3 g , g p r s b e c o m e s p o p u l a r i n i n d u s t r i a l a u t o m a t i o n d o m a i n . o n t h e b a s i s o f t h e f o u n d a t i o n o f e x i s t i n g t e c h n o l o g y , t h i s p a p e r u s e s t h e t e c h n i q u e o f c o m p u t e r c o n t r o l , g p r s , a u t o m a t i o n e t c t o s e t u p t h e h y d r o l o g y r e m o t e m o n i t o r i n g s y s t e m i n c l u d i n g t h e r e m o t e m o n i t o r i n g , t h e i n f o r m a t i o n m a n a g e m e n t a n d t h e n e t w o r k t e c h n i q u e s . t h i s p a p e r d e s i g n s t h e h y d r o l o g y s i n g l e c h i p t o d o d a t a a c q u i s i t i o n a n d r e m o t e m o n i t o r i n g s y s t e m , u s e s p r o c e s s i n g; t o d o d a t a c o -l i n i c a t i o n w h i c h a s s u r e s r e m o t e u s e s g p r s a n d i n t e r n e t t r a n s m i s s i o n , l i v e t r a n s m i s s i o n a n d t r a n s m i s s i o n n o t l i m i t e d b y r e g i o n . t h r o u g h t o t i m e s e r i e s , t h e r a t e o f h y d r o l o g y i s f o r e c a s t e d b y a r i m a ( a u t o r e g r e s s iv e i n t e g r a t e d m o v i n g a v e r a g e )， a n d t h e r e s u l t i s i n e x p e c t i o n . t h i s p 即e r a n a l y z e s a n d d e s i g n s t h e m o n i t o r i n g c e n t e r i n d e t a i l , r e a l i z e s t h e d e m a n d a n d c h a r a c t e r i s t i c o f h y d r o l o g y r e m o t e m o n i t o r i n g , a n d d e s i g n s t h e s o f t w a r e o f m o n i t o r i n g c e n t e r . s o i t c a n d o t h a t l i k e d a t a t r a n s m i s s i o n , d a t a b a s e m a n a g e m e n t , f o r e c a s t , a l a r m , v i d e o m o n i t o r i n g . k e y w o r d : r e m o t e m o n i t o r i n g , a r i m人 g p r s , d a t a t r a n s mis s s o 氏 一 n - 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的 研究成果， 尽我所知， 在 本学位论文中， 除了加以 标注和致谢的部分外， 不包含其他人己 经发 表或公布过的研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。 与我一同工作的同 事对本学位论文做出的贡献均 已 在论文中作了明确的说明。 研 ha 粉.蜘终扁 叫 年 7 月 争 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档， 可以 借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容， 可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、 借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。 对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理口 研究生签名: o a f- 一 d p 日 硕士论文水文 远程监控系统的设计与研究 1绪论 1 . 1我国的水情信息概述 我国国土面积辽阔， 在9 6 0 万耐的土地上， 江河众多，流域面积在1 万k m = 以 上的就有7 9 条。 根据水文气象资料统计， 我国的洪水灾害主要集中在黄河、 长江、 淮河、 海河、 松花江、 辽河和珠江七大江河的中下游平原地区。 这些平原地区的 地面高程处于江河洪水位以 下， 历史上都曾遭受过洪水淹没，总面积约有7 3 . 8 万k m 。在这里居住着我国半数以上的人口，是我国政治、经济和文化的发达地 区。 特定的地理和气候因数决定了我国洪涝灾害频繁。 水早灾害历来是威胁中华 民族生存与发展的最为严重的自 然灾害。2 0 世纪的防洪以控制洪水为主要目 标， 取得了巨大成绩。 但1 9 9 8 年大洪水及其后连年的干早仍然暴露出我国防洪抗早体 系中的一些薄弱环节。 与国 外相对比， 我国防洪抗早减灾体系建设、 科研计划投 入等方面，存在很大差距。 然而， 我国又是一个水资源贫乏的国家， 缺水和早灾又是我国另一个主要的 自 然灾害。在干早严重期， 北方特别是西北地区，许多农村山区人畜饮水困难， 许多中小城市， 甚至大城市供水紧张。 近几年来， 黄河断流现象有逐渐上延的趋 势。 这些都给国民 经济发展及人类生存造成极大的 威胁。 随着我国经济的高速发 展，在水资源方面呈现出的问题有: ( 1 ) 水资源供需矛盾突出， 水资源利用效率低下; ( 2 ) 洪涝灾害依然严重; ( 3 ) 水环境不断恶化。 为了防治洪早灾害， 我国投入了大量的人力、 物力和财力， 建设了一批又一 批的防洪抗早工程，大大增强了我国抗御洪、 早灾害的能力。 与此同时，我国还 加强了非工程防洪抗早措施，建立了 各级防洪抗旱指挥机构和覆盖全国的报汛 网， 还在重点防洪区建立了防汛专用通信网和洪水预报、 警报系统， 它们在历年 防洪抗早斗争中发挥了重要作用; 但是这些措施尚不能满足防洪抗早指挥决策的 需要，重待加大投入， 提高技术水平， 增加可靠性和可信度， 加大覆盖面积， 组 建报汛通信网络。 水资源的保护关系民 生大计， 所以 建立水文远程监控系统， 使水资源得到合 理利用，以及防洪、 救灾提供强有力的科技后盾. 1 . 2课题研究背景 随着我国经济社会的发展， 对水文信息不断提出新要求， 水文观测项目 和内 容不断增加， 对观测手段和方法以及水文监测技术的研发和应用提出了 越来越高 的要求; 现代电子技术、 传感技术、 通信技术和计算机技术的迅速发展， 也促进 硕士论文水文远程监控系统的设计与研究 了水文监测技术自 动化的发展. 从上世纪9 0 年代以来， 随着现代科技的飞速发展， 越来越多的新技术运用于 各行各业，人们对信息传递的要求越来越高。在水文监测方面以长江上游为例， 该区域以山区性河流为主， 有三大暴雨中心， 灾害性洪水较多。 测报系统除了 为 国家防总、 重庆市防汛办、长江防总、 三峡工程及沿江省、 地、 市的4 6 个防汛部 门提供水情信息外，还为航运、航道、供水、港务、码头等7 0余个企事业单位 提供水情服务。 在这些大量的监测、 预报任务中， 原始数据的实时传输并汇总上 报是一大难题: 为了提高水文监测预报的实时性、 可靠性， 采用先进科技手段对 现有水文监测管理进行系统改造已 势在必行。 水文监测是水文传感器技术与采集、存储、传输、处理技术的集成。包括: ( 1 ) 监测范围: 江、河、湖泊、 水库、 渠道和地下水等水文参数。 ( 2 )监测内容:水位、流量、 流速、降雨 ( 雪) 、蒸发、泥沙、冰凌、墒情、 水质等。 1 . 2 . 1人工监测技术存在的问 题: 从水文传统的人工监测技术分析来看，主要存在以下问题: ( 1 ) 记录方式以模拟方式为主， 就是数字方式记录的也很难方便的输入计算 机处理; ( 2 )数据处理基本靠人工处理判断，费时易错; ( 3 ) 水文信息的采集、 传输、 处理的实时性和准确性较差， 无法适应现代水 文的需求。 因此， 要用自 动化技术促进水文监测自 动化的发展。 利用g p r s 无线通信技术 完成数据传输，即满足了系统实时性的要求，同时减少了很多人力方面的投入， 降低了成本。 1 . 2 . 2我国水文测验的现状 建国以来，全国水文站网发展迅速，到1 9 9 1 年我国就有基本水文站3 2 6 9 处， 水位站1 2 5 8 处，雨量站1 5 6 0 5 处， 水质监测站1 9 9 0 处， 还有众多的地下观测井， 水资 源巡测监测点， 专用站和辅助站等， 各类测站总计近4 万处，水文职工三万 余人。 在全国范围内， 建设和改善了一批测报设施， 水文水资源信息预报服务系统 逐步建立。 水文数据库的试点和全面建库准备工作已 取得显著成效。 水文测验资 料整编技术有新的提高， 建设了一批自 动测报系统。 在无人值守水文站和应用卫 星采集， 传输信息等先进技术方面， 也取得了新的进展。目 前全国已 初步组建了 站队结合基地1 1 9 处，完成了第一次全国水资源评价工作，研究和制订了 水文工 ， 作的系列技术标准和测验规定; 水文科技咨询有了不断的发展。 在水文科学研究， 硕士论文 水文远程监控系统的设计与研究 管理改革及国际合作等方面均有新的发展。 但是目前水文测验工作还不能满足全面开发水资源， 防灾减灾和环境保护等 工作发展的需要，比较突出的有: ( 1 ) 现有水文站密度比 较稀，不能充分满足国民 经济建设的需要。 ( 2 ) 水文测验科研队伍薄弱，水文职工业务素质不够高，不能 满足新形势 下对水文测验工作的要求。 ( 3 ) 水文测站设备陈旧，测报设施老化失修，技术手段落后， 全国近4 0 的测站不能满足测报要求。 ( 4 ) 水文资料的管理技术落后且较为混乱，影响其效益的发挥. 针对此现状， 建立水文远程监控系统势在必行。 本课题是本人所在教研室与 常州常工电子有限公司合作开发的水文远程监控系统项目。 1 . 3水文情报预报研究发展现状 1 . 3 . 1水文情报预报概述 水文情报预报工作是将野外观测到的降水、 蒸发、 河、 湖、 水库等水体的水 位， 流量及冰情，水库、闸坝的闸门启闭、 放水泄流等水情资料， 借助于各种通 信工具 ( 有线、 无线通信、 遥测、 卫星等) 传递到各级水情管理和防汛抗早部门， 或者资料处理中心， 经过人工或计算机处理， 绘制成各种图表简报， 并根据己 经 收集到的资料， 利用各种预报方法和流域水文模型对未来形势做出预估， 以便各 级防汛抗早部门了解和掌握已 经发生、 正在发生和将要发生的水文情势变化， 并 作为决策依据。 这就是常说的“ 水文情报预报是防汛、 抗早斗争的耳目 和参谋，o 它是减免洪涝早灾损失的重要的非工程措施， 是一项投资少， 而社会和经济效益 很大的工作。因此， 近年来国外愈来愈重视这项工作。 特别是在发达国家， 这项 工作发展很快。 近二十年来， 由 于大容量、 高速度计算机的问世， 现代化通讯技术的快速发 展， 各种流域水文数学模型的出台， 使这项工作逐步摆脱了传统的繁杂、 重复的 人工传动， 从单纯地收集水情资料和手工操作的作业预报， 发展到建立现代化的 自 动水情信息收集、处理和预报( 警) 调度系统，利用各种通信手段扩大信息源， 加速传递速度， 增长水文预报预见期， 增加决策的快速性和准确性， 更好地为防 汛、抗早减灾服务。 我国是一个水早灾害频繁的发展中国家，国土辽阔，自 然条件复杂。 虽然我 国人民有与水早灾害斗争的悠久历史， 但搞现代化却起步较晚。 改革开放十多年 来， 我们学习国外先进经验， 引进先进技术， 加上我国广大水文工作者长期与水 早灾害作斗争的经验， 在建立适合我国国情， 满足防汛抗旱斗争需要的水文情报 预报自 动化系统方面有了长足的发展。 硕士论文水文远程监控系统的设计与研究 1 . 3 . 2时间序列分析方法 时间 序列 ( t i m e s s e r i e s ) 分析是概率统计学科的一个分支， 它是 运用概率 统计的理论和方法来分析随机数据序列 ( 或称动态数据序列) ，并对其建立数学 模型， 进行参数估计， 对模型定阶， 以 及进一步应用于预报、 预测、自 适应控制、 最 佳 滤 波 等 诸 多 方 面 1 2 1 时间序列分析方法最早起源于1 9 2 7 年， 数学家耶尔 ( y u l e ) 提出建立自 回归 ( a r )模型来预测市场变化的规律。 接着，在1 9 3 1 年，另一位数学家瓦尔格 ( w a l k e r ) 在a r 模型的启发下， 建立了 滑动平均 ( m a ) 模型和自 回归、 滑动平均 ( a r m a ) 棍合模型， 初步奠定了时间序列分析方法的基础， 当时主要应用在经济 分析和市场预测领域。 2 0 世纪6 0 年代， 时间序列分析理论和方法迈入了 一个新的 阶段， 伯格 ( b u r g ) 在分析地震信号时最早提出最大嫡谱 ( e m s ) 估计理论，后 来有人证明 a r 模型的功率谱估计与最大嫡谱估计是等效的，并称之为现代谱估 计。 它克服了 用传统的傅里叶功率谱分析 ( 又称经典谱分析) 所带来的分辨率不 高和频率漏泄严重等固 有的缺点， 特别是在各种工程领域内应用功率谱的概念更 加方便和普遍。 到2 0 世纪7 0 年代以后， 随着信号处理技术的发展，时间序列分析 方法不仅在理论上更趋完善， 尤其是在参数估计法、 定阶方法及建模过程等方面 都得到了许多改进， 进一步迈向实用化， 各种时间序列分析软件也不断涌现， 逐 渐成为分析随机数据序列不可缺少的有效工具之一。 随着时间序列分析方法的日趋成熟， 其应用领域越来越广泛， 主要集中在预 报预测领域， 例如气象预报、市场预测、 地震预报、 人口预测、汛情预报、产量 预测，等等。另一个预测领域是精密测控，例如精密仪器测量、精密机械制造、 航空航天轨道跟踪和监控，以 及遥控遥测、精细化工控制等。 1 . 4本文主要研究内 容 本文研究的课题是基于g p r s 的水文远程监控系统的设计和研究， 本文的结构 安排如下: 第一章为绪论，对课题背景及水情预测的阐述。 第二章介绍了水文远程监控系统的总体结构的设计， 通过对g p r s 和i n t e r n e t 的学习和分析确定系统的组网方式和体系结构。 第三章利用时间序列的a r i m a 方法对流量信息建模预测，最终得到合适的模 型，达到预报预测的目的。 第四章讨论了3 种网络通信的原理，了解他们的优缺点，选择最优的通信方 式; 对监控中心软件做了详细介绍和开发，以达到通信、 数据存储、 报表、 视频 监控等一系列管理。 第五章对系统做抗干扰、安全性和可靠性分析。 硕士论文水文远程监控系统的设计与研究 第六章是系统的调试、模拟运行阶段. 第七章是对本文做的总结和展望的工作。 硕士论文水文远程监控系统的设计与研究 2水文远程监控系统总体结构设计 水文远程监控系统由于监测点比 较分散， 受分布环境因数等的限制， 有线传 输如架设光纤、电缆等，费时，费力，费金钱。随着移动通信和i n t e rn e t 技术的 发展， 数据信息的传递发生了革命性的变化， 为监控系统提供了更实时， 迅速的 传 输方 式 3 1 (4 5 1 6 1 . 无 线远程监 控系 统是 在传 统监 测监 控系 统的 基 础上， 结 合当 前无线通信技术和信息处理技术而发展起来的新型测控系统。 2 . 1水文远程监控系统功能需求分析 水文远程监控系统是综合了自 动化控制技术、计算机网络技术、g p r s 移动 通信技术等技术的复杂系统， 具有数据采集、 数据显示、 安全监控及报警处理等 综合功能.系统框图如图2 . 1 所示。监控终端采集的参数可显示在监控中心的显 示器上，并且存入数据库中， 通过监控软件处理，以 报表，趋势图的方式输出。 图2 . 1系统结构框图 水文远程监控系统整体方案要求达到以下功能: ( 1 ) 数据接收处理: 实时接收监测点发送的流量、 水位等信息， 并能对数据 格式核对，判定是否合理。 ( 2 ) 手动查询:能够手动查询下属站点的水文信息。 ( 3 )实时报普: 根据设定的水位，流量等值实现报普。 ( 4 )数据库管理:以 数据库形式管理接收到的水文信息。 ( 5 ) 遥控: 中心可以 遥控设定监控终端的自 动数据发送时间间隔、 水文报替 阅值等参数，根据需要方便的控制数据采集终端。 ( 6 ) 视频监控: 开启视频监控， 可以 直观的 观察水位等信息， 另外也监控可 能出现的人为的破坏情况。 2 . 2 系统设计原则 水文远程监控系统的技术实现方案时必须遵循以下原则: ( 1 )可靠性 该系统必须有稳定、 可靠的运行系统。 设计时要充分考虑后备以及灾难恢复 系统， 使整个系统在出现故障时仍然能够提供客户服务， 并能很快的排除故障正 硕士论文水文远程监控系统的设计与研究 常运行。 ( 2 ) 扩展性、开放性 设计时 应按最经济的原则， 设计一个扩展性很强且在扩容升级时浪费最少的 系统。该系统设计遵循开放性原则，能够支持多种硬件设备和网络，系统的软、 硬件支持二次开发。 网 络系统、 数据库系统和通信枢纽采用标准数据接口， 具有 与其他信息系统进行数据交换和数据共享的能力， 计算机网 络系统适应将来的广 域扩展。 3 )安全性、可维护性 系统对数据的安全性必须予以高度重视， 要采取防范措施防止黑客入侵。 另 外， 对内部员工以 及调度客户也要加强权限控制， 避免用户能够操作到超越权限 的数据。提供自 动故障报警检测以 及一定程度的自 动恢复。 ( 4 )实时性、并行性 考虑到水文远程监控点的数量， 系统应采用传输速度快的网络设计， 保证水 文信息数据的及时有效; 同时系统应当避免采用轮询的方式进行点点操作， 系统 应当具备自 动并行数据上传和对多个远程监控点并行控制的功能。 2 . 3 系统整体方案 2 . 3 . 1 远程监控系统的发展和现状 计算机与网络技术的进步， 极大地促进了 工业的发展。 各种基于网络技术与 分布式概念的系统大量应用于工业实践， 带来了许多变化和影响， 衍生出许多新 的生产方式， 如网络制造、 计算机集成制造等等。 作为现代工业技术的一个重要 支撑技术与组成要素， 远程监控技术近几年来越来越受到人们重视， 许多新的监 控方法不断涌现出来，如智能监控、在线监控和远程监控、遥测、遥信、遥控、 遥调即四遥功能等等， 计算机的远程监控在众多的 所谓“ 黑客程序” 中也得到了 比较完美的体现， 它能够轻而易举地获取远在某个角落的计算机的控制权， 可见 威力之强。 实际上的诸如计算机之间的网络通信、 远程管理，以及局域网、 公共 机房管理等许多领域，远程监控都有十分重要的实际应用价值。 远程监控技术的出现， 是计算机网络技术与故障监控技术相结合的必然结 果。 早期远程监控技术是非实时非在线监控方式， 而现代远程监控技术是实时在 线监控方式， 借助于计算机、 网 络和通信技术， 操作者可以依靠安装在现场的各 种传感器及音视频设备， 远隔千里便可随时了解现场生产与设备情况， 对生产现 场进行监控、 诊断与控制。 远程监控技术的模式是与通信技术的发展密不可分的， 伴 随 着通信 技术的 发展， 出 现了 三 种 远 程监 控模式 h l ( 1 ) 早期远程监控模式如图2 , 2 所示， 此模式最大缺点是远程诊断工程师无 法直观地了解现场生产与设备状况，完全凭现场人员的记录资料进行推理分析， 硕士论文 水文远程监控系统的设计与研究 诊断结论在很大程度上受现场人员的主观因素和知识水平影响， 可靠性不高; 另 外这种模式无法实现实时和在线监控。 设备状态操作人员 文字 记录 卜 一 ， 叫信函一一扣 远程诊断工程师 操作人员信函结论 图 2 .2早期远程监控诊断模式 ( 2 ) 近代远程监控模式如图2 . 3 所示， 这种模式较前一种模式有了很大进步， 远程诊断工程师可以 较为直观地了解现场生产与设备状况， 诊断结果受现场人员 的主观因素和知识水平影响减小， 可靠性大为提高; 另外这种模式还可以实现实 时和在线监控与诊断， 但是由于模拟信号远距离传输后会产生较大失真， 影响了 诊断结果的准确性。因此这种远程监控与诊断模式的有效距离不会是无穷远的。 图 2 .3近代远程监控诊断模式 ( 3 ) 现代远程监控模式如图 2 . 4 所示， 现代远程监控与诊断模式是随着通信、 计算机和网络技术发展而产生。 图 2 .4现代远程监控和诊断模式 现代远程监控模式， 其最显著特点是现场的采样设备将各种传感器获取的设 备状态信息转变为数字信号后， 通过网络传送给远程诊断工程师。 远程诊断工程 师再利用计算机和现代数字信号处理技术对收到的数字信号进行分析处理， 对设 备状态进行评估， 给出诊断结论并将结果返回给现场人员。 由于数字信号远程传 输的保真度高， 不受时间和空间影响， 因此诊断结论可靠性高， 可以实现真正意 义上的实时在线远程监控与诊断阁 . 目 前监控系统广泛应用于工农业生产、 国防、 科学研究、 生物医学及社会服 硕士论文 水文远程监控系统的设计与研究 务等各个领域。它的主要作用有三点: ( i ) 对客观世界的物理参数进行采集、处理和记录; ( 2 ) 以数字、图像和图表等方式显示测量和处理结果; ( 3 )对被控对象进行控制; 2 . 3 . 2水文远程监控系统整体方案 为满足系统的功能要求， 将系统设计成由 监控终端、 数据传输网络和监控中 心组成。 其基本工作流程是: 先由水位仪、流量计等数据采集仪器采集数据， 通 过监控终端做a / 转换、编码等操作，由g p r s 模块传送到监控中心，监控中心 读取这些数据后， 对数据进行不同分析后做出正确的处理。 这样形成了一个现场 ( 监控终端) 、 监控中 心的安全监控平台。实时监控水位、流量等，分析其变化 规律，防患于未然。 g p r s 采用与g s m 相同的频段、频带宽度、突发结构、无线 调制标准、 调频规则以 及相同的 t d m a 帧结构。 g p r s 能够使得用户在端到端分 组传送模式下发送和接收数据。 由 于无线资源采用动态分配方式， 一个用户可分 配多 个时隙，一个时隙也可以由多个m s 共享， 用户虽然与网 络一直连接， 但仅 当 有数 据传送时 才占 用无线信道资 源19 1 1 1 0 1 1 1 1 1 . 主传输线路为 g p r s + i n t e r n e t 的 传输方案，但是如果链路不正常的话，就会采用短消息的方式向监控中心报警， 此时，数据传输暂时采用短消息的方式。系统的数据传输和处理流程如图2 . 5 所 不 : 监控中心 图 2 . 5系统数据流程图 2 . 4监控终端的设计 监控终端一般都分布在野外各测量点， 按不同需求采集数据。 监控终端包括 a r m 单片机， 水位仪、 流量计等测量仪器， g p r s 模块， 电池， l c d 显示， 键盘， f l a s h , r a m, r o m存储器等。 其原理框图如图2 .b 所示， 硕士论文水文远程监控系统的设计与研究 图2 .6 监控终端原理框图 各数据采集仪器采集到的水文信息通过转换器， 由模拟信号转换成数字信号 传送到 a r m 单片 机 12 1 13 1 1 14 1 。 其中 单片 机 采 用 三星公司 的 s 3 c 4 4 b o x 单 片 机， s 3 c 4 4 b o x 是三星公司专为p d a 和一般应用开发提供的高性价比和高性能的解 决方 案， 采 用 0 .2 5 u m c o m s 工艺 制造， 主 频 最高 可达 “ m h z l5 1 16 1 1 7 1 。 该芯片 在 a r m 7 t d m i 内核基础上扩展了一系列完整的 通用逻辑单元，可以减少外围器件 以降低系统称本， 同时它还提供了丰富的片上功能。 接着由单片机再对数据进行 压缩等处理，其中摄像头采集到的视频信息通过视频编码器编码直接传入单片 机，最后由g p r s 模块发送到监控中心。发送过程可以是定时的，如一小时发送 一次。 在这个过程中，可以设定胭值，以 达到报警等作用。 用于自 动化监测的水位传感器主要有浮子式水位计、 压力式水位计、电子水 尺和超声 波水位计等阴， 这些传感器可以 直 接接到远程终端设备上。 由于终端工作环境的限制， 电源的管理是一个问题， 首先想到的问 题是利用 自 然能源， 水势能，风能，太阳能等，其中尤其是太阳能，其成本低，可靠性高 等优点， 所以利用太阳能， 但是太阳能不是时时刻刻有的， 固采用蓄电池做备用 电源。 终端运行流程如图2 .7 所示，其主要完成数据采集和发送的功能。 硕士论文水文远程监控系统的设计与研究 系统上电初始化 采集现场数据 数据分析处理并通过g p r s 模块发送 系统定时井进入低功耗状态 图2 . 7终端运行流程图 2 . 5监控中 心组网 和运行方式 系统采用基于公共因特网的通信方式。 通过s o c k e t 编程，建立g p r s数据 终端和中心服务器之间的t c p , u d p链路， 从而完成中心服务器对远端g p r s数 据终端的控制和g p r s数据终端到中心服务器的数据传输。 根据数据中心接入方 式的不同，分为四种系统组建方案:固定i p接入因 特网、动态i p接入因 特网、 移 动 a p n ( a c c e s s p o i n t n a m e ) 专 网 固 定 i p 和 a p n 专 线 方 式 19 1 2 0 ) 2 1 1 ( 1 )服务器使用公共互联网固定i p 在该组网方式下， 中心服务器拥有公共互联网固定i p 地址。 在建立终端和中 心服务器间t c p或u d p链路时，终端拨号接入的是g p r s内网，其i p地址是 一个经过诸如n a t地址转换等方式获得的内网i p ，这一i p对于因特网公网上的 服务器是无法直接访问的。 所以， 链路的建立必须由终端发起， 即终端利用固化 在其f l a s h存储器中的服务器i p地址访问 服务器发起并建立链路， 或者通过短信 息发送初始化i p地址，之后用响铃或者数据触发的方式启动g p r s数据传输链 路。 该组网方式下， 系统可靠性高， 服务器断线后无需重新通知终端服务器的i p 地址。但由于使用固定i p地址，系统使用费用相对较高。 ( 2 )服务器采用公网动态i p 在该组网方式下，中心服务器无需拥有公共互联网固定i p地址，服务器在 需要接受数据或进行监控时接入因特网。 与使用固定 i p一样， 在该组网 方式下， 也需要由 终端首先根据服务器的i p来发起链接。 但由于服务器每次接入的 i p地 址不固定， 所以无法在终端中固化服务器的 i p 。 在这种情况下， 可以 采用两种方 法解决该问题:中心服务器申 请固定的域名，然后利用d n s域名解析;使用短 消息作为启动链路通道。 服务器申请固定的域名后，终端通过域名直接连接服务器。伸用固宁域名. 硕士论文 水文远程监控系统的设计与研究 费用和固定i p 方式相比相对较低。 域名服务器提供从域名到ip的解析， 性能上和 固定e p方式相比相差无几。由于i p需要域名解析服务器提供，所以如果域名服 务器出现故障会造成系统局部出现连接不畅。 使用短消息作为启动链路通道时， 服务器需要连接一台 短消息模块或使用一 部手机来发短消息。服务器通过a d s l或电话拨号连接网络获取i p地址后，用 短消息向各终端广播服务中心i p地址。 各终端根据获得的服务器i p地址发起链 接。 使用短消息发送服务器i p地址方式，系统的费用最低，实现最为容易，但 由 于短消息这种启动方式的不可靠性导致了 整个系统的可靠性、实时性有所下 降。 ( 3 )中心采用移动a p n 专网固定e p 此种方案客户先与 移动申 请a p n 专网业务， 移动为客户分配专用的 a p n ， 客 户可以申请绑定移动内网的固定i p 地址。中心用无线mo d e m拨号上网， 得到其 内网固定e p ; 监控点直接向中心发起连接。 中心和监控点都具有移动内网固定i p , 减少中间环节， 稳定性增强; 且所有数据都在移动g p r s 的a p n 内网 传输，无需 经过公网，安全性增强。 ( 4 )服务器使用专线a p n接入 此种方案客户的数据中心通过一条a p n 专线接入移动公司g p r s 网络，双方 互联路由器之间采用私有固定i p 地址进行广域连接， 并用防火墙进行隔离， 在防 火墙上进行i p 地址和端口过滤。移动为客户分配专用的a p n，用于g p r s 专网的 s i m卡开通该专用a p n 。 得到专用a p n 后， 给所有监控点及中心分配a p n 专网内 部固定i p 。 此时， 终端和中心服务器位于一个内网， 互相访问非常方便，系统延 时小。 由 于数据完全在移动内网中传输没有进入因特网公网， 数据安全性高。 该 方案需要申 请a p n专线， 受当地中国移动是否开通此业务制约， 费用也比较高。 比较了上述四种方案后， 我们的系统选择服务器 ( 1 ) . ( 2 ) 两种方式接入因 特网并使用短消息、 实时数据触发和响铃三种方式启动链路的系统实现方案。 服 务器 ( 3 )无需负担专线月租费用，性价比合理，适合总数据带宽需求不太大的 应用。虽然服务器 ( 4 )的接入方式成本较高。但是考虑到水文水利远程监控系 统容量大、 监控点多而分散、 对信息数据的智能处理分析要求高的特点， 在资金 允许的情况下采用专线a p n 接入方案是最佳组网方式。 使用专用的a p n 有: 进行 访问 权限的控制，比因特网的安全性能提高、 可控性提高， 网络传输的优先级得 到保证等好处。 此种方案在实时性、 安全型和稳定性方面都很好， 适用于安全性 要求较高、 数据点比较多、 实时性要求较高的应用环境。 水文远程监控系统的组 网方式如图2 . 8 所示。 硕士论文 水文远程监控系统的设计与研究 图 2 . 8 系统组网方式 2 . 6监控中 心的设计- 一 监控中心负责接受并处理监控终端上传的数据， 包括系统接收处理， 数据的 存储、实时显示、实时报表、报警、曲线图、打印、数据库等几部分:同时实现 对监控点所有重要设备的运行参数进行实时监控，以 及状态和故障的预测预报， 同时以图形、 文字、 光声的方式报普。 安全员可以随时通过数据查询调出数据参 数，并打印出来。 2 . 6 . 1监控中心系统组成 主站计算机设备包括数据库服务器、监控/ 计算分析工作站、通讯前置机、 打印机、h u b集线器。 ( 1 ) 数据库服务器:主要承担数据存储功能。 ( 2 ) 监柳计算分析工作站: 负责整个系统的运行， 并向整个网 络传递监测 数据、控制终端状态以及数据处理、预测等。 ( 3 ) 通讯前置机: 通讯前置机将监控、 计算分析工作站的通讯命令转发给 移动通讯专线的网络端口， 通过g p r s 移动通讯网络发给终端， 终端 接收命令后，进行数据传输、云台转动等操作。 ( 4 ) 通讯设备:移动专线接入设备 ( 路由器和基带mo d e m等) 、拨号通 讯控制器。 ( 5 ) 移动专线接入设备: 主要是给g p r s 水文监控系统的服务器提供以太 网络口，以固定i p方式登陆网络 硕士论文 水文远程监控系统的设计与研究 ( 6 ) 拨号通讯控制器: 主要唤醒g p r s 水文远程监控终端和发布短信用途。 拨号通讯控制器一主一备， 提高通讯可靠性和唤醒上网功能。系统组 成框图如图2 .9 所示: 监控/ 计算分析 工 作 站 图2 . 9监控中心系统框图 2 . 6 . 2监控中心的体系结构 软件系统不论何种运行模式都要在管理软件的平台结构上发挥作用。 管理软 件技术的主流平台体系结构与管理思想一样， 经历了三个发展时期。 首先， 界面 技术从上世纪d o s 字符界面到图形界面 ( 或g u i ) ， 直至b r o w s e r 浏览器界面三 个不同的发展时期。其次，今天所有电脑的浏览器界面，不仅直观和易于使用， 更主要的是基于浏览器平台的任何应用软件其风格都是一样的， 对使用者的操作 培训较为简单， 而且软件可操作性强， 易于识别; 再者， 平台体系结构也从过去 单用户发展到今天的文件/ 服务器 ( f / s )体系和领导主流的客户机/ 服务器 ( c / s ) 体系和浏览器/ 服务器 ( b / s ) 体系 2 2 c / s ( c l i e n t / s e r v e r ) 结构， 即大家熟知的客户机和服务器结构。 它是软件 系统体系结构，通过它可以充分利用两端硬件环境的优势，将任务合理分配到 c l i e n t 端和s e r v e r 端来实现， 降低了系统的通讯开销。目 前大多数应用软件系 统都是c l i e n t / s e r v e r 形 式的 两层结构， 由 于现在的软件应用系统正在向 分布式 的w e b 应用发展， w e b 和c l i e n t / s e r v e r 应用都可以 进行同 样的业务处理， 应用 硕士论文 水文远程监控系统的设计与研究 不同的模块共享逻辑组 件: 因 此， 内 部的 和外部的 用户都可以访问 新的 和现有的 应 用系统， 通过现有应用系统中的逻 辑可以 扩展出新的 应用系统。 这也就是目 前 应 用系统的发展方向。 us 架 构软件的优势和劣势: ( 一) 应用服务器运行数据负荷较轻。 最简单的us 体系结构的数据库 应用由 两部分组成， 即客户应用程序和数据 库服务器程序。 二者可分别称为前台 程序与后台 程序。 运行数据库服务 器程序的 机器， 也称为应用服务器。 一旦服务 器程序被启动， 就随时等待响应客户程序发 来的 请求; 客户应用程 序运行在用户自 己的电 脑上， 对应于数据库服务器， 可称 为客 户电脑， 当 需要对数据库中的数 据进行任何操作时， 客户程序就自 动地寻找 服务器程序， 并向其发出 请求， 服务器 程序根据预定的规则做出 应答， 送回结果， 应用服务器运行数据负荷较轻。 ( 二) 数 据的储存管理功能较为透明。 在数据库应用中， 数 据的储存管理功能， 是由 服务器程序和客户应用程序分 别独立进行的， 前台应用可以 违反的规则， 并且通常把那些不同的 ( 不管是己知 还是未知的) 运行数据， 在服务器程序中不集中实 现， 例如访问者的权限， 编号 可以 重复、 必须有客户才能建立定单 这样的 规则。 所有这些， 对于工作 在前台 程 序上的 最终 用户， 是 “ 透明”的， 他们无须过问( 通常也无法干涉) 背后的过程， 就可以 完成自 己的一切工作。在客户服务器架构的应用中，前台程序不是非常 “ 瘦小”， 麻烦的事情都 交给了服务器和网 络. 在us 体系的下， 数据库不能真 正成为公共、 专业化的仓库，它受到独立的 专门管 理。 ( 三) us 架构的劣势是高昂 的维护成本且投资大。 首先， 采用us 架构要选择适当的数据库平台来实现数据库数据的 真正 “ 统 一” ， 使分布于两地的数据同步完全交由 数据库系统去管理， 但逻辑上两地的 操 作者 要直接访问同一个数据库才能有 效实现，有这样一些问题，如果需要建立 “ 实 时”的 数据同步， 就必须在两地间建立实时的通讯连接， 保持两地的数据库 服务器在线运行， 网 络管理工作人员既要对服务器维护管理， 又要对客户 端维护 和管理， 这需要高昂的 投资 和复杂的 技术支持，维 护成本很高，维护任务量大。 由于水文远程监控中 心的专用网络上， 局域网 之间再通过专门 服务器 提供连 接和数据交换服务; 水文监 控中心也只是面对固定的用户群， 对信息安全控制能 力强， 一般高 度机密的信息系统采用c / s 结构， us 结构更加注重流程， 可以 对 权限多层次检验。 2 . 7 本章小结 本章分析了 水文远程监控系统的功能需求， 结合远程监控的发展现状和系统 硕士论文 水文远程监控系统的设计与研究 设计原则， 设计了 水文远程监控系统的 体系结构和工作原理。 水文远程监控系统 由现场监控终端、 数据传输网络和监控中心三部分组成。 简要论述了系统的终端 解决方案以 及组网方式， 给出了系统工作的 结构图。 硕士论文 水文远程监控系统的设计与研究 3水文流量预测模型分析 3 . 1引 言 近年来， 随着远程监控技术的不断发展， 水文智能远程监控得到不断的发展， 对水文参数的测量越来越准确、 方便. 但是实时准确的水文流量预测预报才能达 到控制以及合理利用的效果。 水文流量的预测受到很多因数的影响， 而这些因数之间的联系又是相当复杂 的。把水文流量看作一个时间序列，根据时间序列的性质， . 对以前资料的研究， 得出规律，用来预测未来的发展趋势。 3 . 2水文预报的意义 水文预报是适应自 然、 减免损失的非常重要的防洪非工程措施， 也是合理利 用水能、 水资源的非工程措施。 它直接为防汛抢险， 水资源合理利用与保护， 水 利工程建设和调度运行管理以 及工农业生产提供服务。 例如， 在防洪中 特别是在 遇到超标准洪水时， 根据水文预报可以有计划地采取分洪、 蓄洪等有效措施， 使 洪水灾害减到最低限度; 在水工建筑物的设计中， 需要考虑多种设计频率下的径 流和洪水过程， 为工程的规模、效益、 设计方案的确定提供依据: 在水利工程的 各个阶段， 根据水文预报， 能保障施工安全顺利进行， 减少损失， 节约投资; 在 灌溉、内河航运、供水和水质管理等方面，根据水文预报，可以进行合理安排， 使水资源得到充分的利用; 水文预报对于河流的合理调节， 实现水库群的联合优 化调 度， 合理利用河流的水资 源和水能资 源也是非常重要的 【2 3 1 水文预报内 容包括: 河道水位( 流量) 预报、 河道流量演算、 降雨径流量预报、 流域汇流预报、 水库水文预报、 冰情预报、 枯季径流预报和早情分析预测等方面。 本文主要针对水文流量所做的预报，采取时间序列的建模方法。 3 . 3时间序列模型a r i m a 简介 3 . 3 . 1时间序列的定义及介绍 时间序列是随机序列， 是某一过程中的某一个变量或一组变量x ( t ) 在一系 列时 刻 t 1 , t 2 r ，t n ( t 为自 变量， 且 t i t i 一 硕士论文 水文远程监控系统的设计与研究 采用白 噪声作为输入激励源的 特点是将原本不独立或相关的时间序列， 转化 为独立或不相关的随机序列来处理， 也就是将白噪声作为输入. 而将时间序列作 为输出， 构成将不独立数据变成独立数据的 动态系统， 实现这个动态系统的数学 描 述 就 是 时 间 序列 模 型 2 5 1 时间序列预测方法的基本思想是: 预测一个现象的未来变化时， 用该现象的 过去行为 来预测未来。即 通过时间 序列的历 史数据揭示现象随时间 变化的规律， 将这种规律延伸到未来， 从而对该现象的未来做出预测。 现实中的时间序列都是非平稳的， 其变化受许多因素的影响， 有些起着长期 的、决定性的作用， 使时间序列的 变化呈现某种趋势和一定的规律性， 有些则起 着短期的、非决定性的作用， 使时间序列的变化呈现出某种不规则性。 时间序 列的变化大体可分解为以 下几种: ( 1 ) 趋势变化: 指现象随时间变化朝着一定方 向 呈现出 持续稳定的 上 升、 下降 或平稳的 趋势; ( 2 ) 周期变化 ( 季节变 化) : 指现 象受季节影响， 按一固定周期呈现出的周期波动变化;( 3 ) 循环变动:指现象 受不固定的周期呈现出的波动变化; ( 4 ) 随机变动: 指现象受偶然因