（检测技术与自动化装置专业论文）城市供水监控系统的研究与设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 供水管网是城市供水系统的重要组成部分，它担负着把水安全可靠的配送到用户， 并满足水量、水压和水质的要求。城市供水管网的优化运行取决于城市供水监控系统的 运用，即对供水各环节监测点的数据采集。因此，对于供水远程监控系统的研究具有一 定的现实意义和实用价值。 城市供水监控系统是实时、有效管理城市供水的重要手段，是一种远程监控系统 s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) ，建立在自动控制技术、通信技术和计 算机技术的基础上。目前，随着计算机技术的迅猛发展，为了实现对水资源的合理利用 和提高日常生产的管理水平，多数企业已经建成了各自的供水监控系统。不过在当前的 情况下，除少数大型供水企业外，多数企业的系统还存在着通讯方式落后、各部门间相 对封闭、资源利用率低、自动化水平有限等缺陷。本课题的研究目的就是提出了一种基 于w e b 和g s m 短信息业务的远程无线数据采集、传输、监测和分析软件平台。 整个系统由分布在城市供水管网的远程站点、位于总公司的一级监控中心，以及位 于水厂的二级监控系统三部分组成。远程站点的传感器采集供水数据，根据预先协商的 通信协议，通过g s m 网络以短信息方式传回监控中心；同时，二级监控系统亦通过g s m 网络主动上传水厂处理的实时数据至一级监控中心。监控中心的软件负责接收并处理这 些远程数据，辅助监控人员完成对整个城市供水管网的运行管理。针对通讯方式落后、 各部门间相对封闭问题，本文主要采用了基于b s 模式的数据发布方式，实现了在任何 时间，任何能接入i n t e r n e t 的地点都可以浏览到现场数据，实现数据共享，信息共享。 最后，针对严重影响供水企业效益的供水调度问题进行了探讨，建立了供水管网两 级优化调度模型并用遗传算法进行求解，以期为优化调度与安全运行提供一种切实可行 的方法，提高供水企业的经济效益和社会效益，为生产实际提供理论参考和技术指导。 关键词：供水企业；远程监控；g s m 网络；优化调度；遗传算法 大连理工大学硕士学位论文 t h es m d ya n d d e s i g no fc i t yw a t e rs u p p l ym o n i t o rs y s t e m a b s t r a c t a st h eh n p o r t a n tp a r to ft h eu r b a nw a t e rs u p p l yi n d u s t r y ，p i p en e t w o r kt a k e sc h a r g eo f d i s t r i b u t i n gw a t e rt ou s e r s ，a n de n s u r e st h ed e m a n d so ft h ew a t e rf l o w , p r e s s u r ea n dq u a l i t y 1 h eo p t i m i z a t i o nf u n c t i o no ft h ep i p en e t w o r kl i e si nt h ea p p l i c a t i o no ft h em o n i t o ra n d m e a s u r es y s t e m 1 n l a ti st h ed a t aa c q u i s i t i o nt ot h ee v e r ym o n i t o rp o i n t s o , t h i sp r o b l e mi s w o r t h yw h i l er e a r e a r c h i n g c i t yw a t e rs u p p l ym o n i t o rs y s t e mp l a y si m p o r t a n tr o l ei nc i t yw a t e rs u p p l ye n t e r p r i s e s i t b e l o n g st ot h ef a m i l yo fs c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) s y s t e m sw h i c h i ss u p p o r t e db ya u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e r t e c h n o l o g y a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y ，m o s tw a t e rs u p p l y e n t e r p r i s e sh a v ee s t a b l i s h e dw a t e rs u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e ms oa st ou t i l i z ew a t e rr e s o u r c e s p r o p e r l ya n di m p r o v et h el e v e lo fp r o d u c t i o nm a n a g e m e n t b u tu n d e rc u r r e n tc i r c u m s t a n c e s ， e x c e p taf e wb i ge n t e r p r i s e s ，m o s te n t e r p r i s e ss t i l le n c o u n t e rm a n yp r o b l e m ss u c ha sl a g g i n g c o m m u n i c a t i o nm e t h o d , f a l l b e h i n di n f o r m a t i o ns h a r i n ga m o n g d e p a r t m e n t s ，l o wu t i l i z i n go f r e s o u r c e sa n di i m i t e da u t o m a t i o nc o n t r o ll e v e l t h i sp a p e rp r e s e n t sas y s t e mo fw i r e l e s s r e m o t ed a t aa c q u i s i t i o n ，t r a n s m i s s i o n ，s u p e r v i s i o na n da n a l y s i sb a s e do nw e ba n ds m s t h ew h o l es y s t e mi n c l u d e st h r e ep a r t s ：r t u ( r e m o t et r a n s m i s s i o nu n i t s ) d i s t r i b u t e d o nc i t yw a t e rp i p e s ，f i r s t - l o v e lm o n i t o rc e n t r ei nh e a d q u a r t e r s a n ds e c o n d 1 e v e lm o n i t o r c e n t r ei nw a t e rm i l l s t h e 唧t r a n s m i t sw a t e rp r e s s u r ef r o ms e n s o r st om o n i t o rc e n t r eo v e ra w i r e l e s ss y s t e mu s i n gan e g o t i a t e dc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 a tt h es a m et i m e ，s e c o n d 1 e v e l m o n i t o rc e n t r eu p l o a d st h er e a l t i m ed a t at of i r s t - l e v e lc e n t r ef r o mw a t e rm i l l s u p e r v i s o ru s e s m o n i t o rs o f t w a r et oc o n t r o lt h es i t u a t i o no ft h ew h o l ew a t e r p i p eb yt h ed a t ar e c e i v c df r o m r t ua n ds e c o n d l e v e lm o n i t o rc e n t r e c o n s i d e r i n gt h el o we f f i c i e n c yo fc o m m u n i c a t i o na n d t h ev a g u es h a r i n ga m o n gd e p a r t m e n t s ，t h i ss o f t w a r ep l a t f o r mu s e sb sm o d et or e l e a s ed a t a s ot h a tu s e r sc a nb r o w s et h eo n t h e - s p o td a t ai na n yt i m ea n dp l a c e sw h e r el i n kt ot h ei n t e m e t i nt h ee n do ft h i sp a p e r , a l lo p t i m a lo p e r a t i o na n dd e c i s i o n - m a k i n gm o d e li sd i s c u s s e dt o s o l v et h ee n t e r p r i s e s e c o n o m i cp r o b l e m t l l i sw i l li m p r o v et h ew a t e rs u p p l ye n t e r p r i s e s e c o n o m i cr e t u r n sa n ds o e i a lb e n e f i t s a tt h es a m et i m e i tc a np r e s e n tat h e o r e t i c a lr e f e r e n c e t ot h ea c t u a lp r o d u c t i o na n dt e c h n i c a lg u i d a n c e k e yw o r d s ：w a t e rs u p p l ys y s t e m ；r e m o t ec o n t r o l ；g s mn e t w o r k ；o p t i m i z a t i o na n d s c h e d u l i n g ；g e n e t i ca r i t h m e t i c 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同_ y - 作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名： 煎盔蔓日期：蠼：! ：蟹 大连理1 ：大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：蔼、生锈 新虢落良 盟年月卫同 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 课题背景 饮用水作为人类生存的必要条件是人们日常生活不可或缺的，城市供水公司的正 常、高效运行是一个城市经济发展和人民生活的关键要素之一，城市的长期发展无不和 水源的稳定供应密切相关。另外，水作为工业生产的一个重要因素，其价格成本也直接 影响到社会生产、生活的各个层面。 城市供水系统及供水企业通常都是城市的“元老”，他伴随着城市的建立而“生”、 伴随城市的发展而“长”。因此，城市供水系统的发展变迁就是城市发展的见证，同时， 也留下了城市发展的沧桑痕迹。不同时代建造的管网系统错综复杂，为生产管理带来了 诸多不便，自来水的统一调度管理的意义越来越大。改革开放和经济的高速发展对城市 的供水系统提出了更高的要求，一方面，对供水量提出了更高的要求，另一方面对水质 要求更为严格。但改革初期工业的无序发展对国家的饮用水源造成了很大的危害，一方 面，水源水质大幅下降，许多地方，水源已低于“五类水”的最低标准，另一方面，水 源附近的潜在危险可能会随时危害到水源( 吉林石化苯车间爆炸就是一例) 。长期以来城 市供水行业、企业为保证城市供水开展了大量的工作形成了一套切实有效的管理方法和 企业生产规程。企业生产的自动化水平和管理水平有了长足的发展。但从宏观上看，企 业的各个部门各个环节还基本上各自为战，企业的资源没有得到有效的整合，各类信息 没有得到充分的挖掘和共享，从而造成企业的管理调度不畅、应变能力低下、生产管理 的各部门难以协调问题的存在。这一切与当前高度信息化、网络化发展的社会形成了巨 大的反差。因此，将高度信息化、网络化的实时监测管理信息系统运用到城市供水行业 是大势所趋【l 】 1 2 国内外研究现状 城市供水行业有其自身的特点，其生产系统一般包括以下几个部分： ( 1 ) 水源提取及输送( 水源) ； ( 2 ) 水厂净水处理( 水厂) ； ( 3 ) 成品水输送( 供水管网) 。 为实现远程监测和生产调度自动化许多供水企业已经配置或局部配置了s c a d a 远 程检测系统。以该技术建立的系统能够实时采集现场数据并通过有线或者无线信道传输 到监控中心。国内从2 0 世纪8 0 年代开始，s c a d a 系统在供水行业得到了广泛的应用。 它可以实时采集现场数据，对现场进行本地或远程的自动控制，对供水过程进行全面、 城市供水监控系统的研究与设计 实时监视，并为生产、调度和管理提供必要的参考数据。但早期的s c a d a 系统通讯方 式落后，系统相对封闭，数据共享能力差，与现代化的水厂运作模式要求已经有了较大 的差距。因此建立起一套全方位、动态的全企业远程共享的实时监测系统对企业的生产 和管理调度保障有着非常现实的意义。另外，城市供水行业及其发展历程造就了其管网 的复杂性，不同年代的管网同时存在，管网各段的状态，基本参数、位置、走向、周边 环境等数据以不同的数据形态保管和存在，有的企业甚至已将许多老管网的历史数据和 图纸丢失。这对查取相关数据及管网的施工、改造、维修、突发抢修工程造成了极大的 不便。因此将城市供水管网的基本数据和地理信息纳入计算机地理信息系统( 或电子地 图) 的管理框架下对城市供水企业的生产、管理和维护将提供极大的便利。 国外一些国家和地区不惜投入巨资建设这样的系统。例如，英国伦敦城市供水实时 监控调度系统，利用g i s 技术、计算机网络技术等，对伦敦地区6 0 0 万人口自来水供给 中的水量、水质实行实时监控调度，监控范围包括供水水库、地下水源、自来水厂、8 0 k m 长的环城供水隧道干线、1 1 个小区供水泵站及总长度为3 1 5 2 6 k m 的新老供水管网系统， 实现了全面数字化管理。澳大利亚的许多州都建设了水资源实时监控系统，通过对各种 水资源数据信息的自动采集、传输、预警预报、决策支持、工程自动控制等，实现了水 资源的优化配置和实时调度，同时还与收费系统相结合，做到了自动收费。美国纽约州 的城市供水水质实时监控系统，以纽约州城市供水水质标准为依据，实时监控城市供水 的水质状况，确保水质达到饮用水标准。以色列、法国和俄罗斯等国家所建立的大型灌 区优化配水管理系统，澳大利亚维多利亚州水务局的流域水资源监测和调度管理系统、 供水公司的实时监控及自动调度系统，以及昆士兰州洪水预警系统等。这些系统的成功 应用，极大地提高了水资源综合管理的工作效率，为水资源的优化配置与统一管理提供 了强有力的技术支撑和先进的工作平台【2 】。 总体来看，我国对建设水资源实时监控系统的认识程序、技术水平、投入力度等方 面与发达国家相比还存在着较大的差距，与我国新的治水思路和水利现代化建设的需要 还存在着较大的距离。从目前国内外已运营的系统来看，一些发达国家的水资源实时监 控系统早已被成功地应用到实际管理工作中，并在供水系统监控和跨流域调水、水质监 控等方面已发挥了重要作用。国外已建成的系统只就单项技术水平而言并不十分先进， 但很实用。国内的系统建设发展不平衡，总体水平相当落后，与世界同类水平相比差距 较大，但就单项技术而言并不是都很落后，有的甚至还很先进。另外，由于我国已建的 系统功能比较单一，计算机系统的强大运算能力和解决复杂决策问题的支持功能没有充 分地发挥出来。就城市供水公司而言，其企业特点是：分布式、集散型、网络化、全开 放。因此，目前迫切需要在充分利用已有投资的基础上，进一步扩展已建系统的功能， 大连理工大学硕士学位论文 为了安全、稳定、可靠地管理好遍布全城的供水管网，一定要有一个满足其企业特点的、 现代化的、先进的企业综合自动化系统。 1 3 研究的目的和意义 供水行业一般从两个方面提高供水效率，一是在管网硬件设施方面杜绝跑、冒、滴、 漏，二是在管理和调度等软件方面实现合理配置、优化调度。要实现软件方面的提升， 必须采取自动控制技术，对从取水、净水及供水三个环节实施全方位的监控和管理，做 到取水能满足需求而不过量，净水后水质达到国家标准而过程中无损耗，供水能覆盖城 市内尽可能多的用户而将漏耗降至最低。 目前，国内供水行业己经大体上普及了供水调度监控系统。但在实际应用中，除了 少数大型供水企业，大多数企业的系统还都停留在上个世纪八九十年代的水平。这些系 统除了本身使用的软硬件技术比较落后，还有一些其它问题：第一，现有系统大多通过 电台传递数据与指令，这种通讯方式通讯范围受到地形、天气、发射功率等多个客观因 素的影响，要想实现大范围、稳定的数据通讯就需要大量的通讯辅助设旌，这些辅助设 施需要的资金十分巨大，中小型企业根本无力承担，所以大多数企业使用的系统均存在 监控范围小，通讯质量差等问题，而且，即使企业投入资金建成这些通讯辅助设施，系 统仍存在响应速度慢，一次可传送数据量小等问题；第二，系统进行控制调度完全靠调 度人员人工发出指令来实现，这样的系统智能化程度很低而且浪费了大量的人力物力， 调度的实现完全依靠调度人员的个人素质，而且当系统出现问题时也很难保证及时的发 现与处理。因此，现今的大多数供水监控调度系统都不能很好得满足对供水的整个工艺 流程进行全方位监控和调度的要求，很有必要开发新一代系统以满足供水行业对管理和 效率的更进一步的要求 3 - 5 1 。 针对现阶段供水监控调度系统的缺陷和问题，新一代系统应具备以下条件：第一， 应采用新的架构平台以更好地利用新技术和新理念；第二，采用新的通讯手段如g s m ， g p r s 等，可以在低成本的前提下提高系统的响应速度及通讯质量；第三，实现供水系 统全过程智能化，减少人为因素干扰。 1 4 论文的整体工作 本文在分析了基于g s m 的短消息传输原理的基础上，重点解决城市供水调度运营 系统中数据无线远传的问题，最终实现监测数据的自动采集、传送，为供水调度的优化 运行提供可靠的依据。具体来说，本文的工作主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 监控中心与短信模块的通信。监控中心通过短信模块实现与下位机的通信，从 而实现监控数据的接收与监控命令的发送。 一3 一 城市供水监控系统的研究与设计 ( 2 ) 建立了基于w e b 的分布式数据采集上位机软件，即城市供水监控系统的数据 发布平台，实现了数据共享。本平台以b s 模式为主要的数据发布方式，满足了在任何 时间，任何能接入i n t e r n e t 的地点都可以浏览到现场数据的需要。实现了供水公司资源 的全公司( 行业) 共享，避免了以往各自孤立，各成系统的局面，在节省了资源的同时又 提高了效益。 ( 3 ) 建立了基于组态软件的二级泵站监控中心的数据采集上位机软件，实现了对现 场变频器的远程调频、生产实时数据的监测及主动上传数据至一级监控中心等功能。 ( 4 ) 对供水行业普遍面临的调度管理问题进行了研究，根据供水管网优化调度模型 理论，建立了两级优化调度模型并利用遗传算法求解。 4 一 大连理工大学硕士学位论文 2 涉及的关键技术介绍 2 1 无线传输原理 无线传输模块建于g s m 网络平台之上，因此需要对g s m 网络和短信息技术进行 一定程度的了解。 2 1 1g 跚网络 全球移动通信系统( g s m ) 是在蜂窝系统的基础上发展而成的，属于第二代数字移动 通信系统。它是目前基于时分多址的移动通信技术中比较成熟、完善、且应用最广泛的 一种系统。经过十几年的发展，我国己建成了覆盖全国的移动通信网，移动通信用户数 量庞大。移动通信业务从初期的单纯话音业务开始，逐步发展成包括短消息业务、数据 业务、预付费和v p n 等智能业务在内的多元化业务结构。经过多年的发展，g s m 技术 日益成熟，并具有广泛的应用基础，是主流移动系统的代表。而且其中的短消息业务利 用信令信道传输，不用拨号建立连接，服务费用低。 g s m 数字蜂窝移动通信系统是根据e t s 制定的g s m 技术规范研制的，它作为一 种开放式结构和面向未来设计的系统具有下列主要特点： ( 1 ) g s m 系统是由几个子系统组成的，并且可与各种公用通信网互连互通。各子系 统之间或各子系统与各种公用通信网之间都明确、详细地定义了标准化接口规范，保证 任何厂商提供的g s m 系统或子系统能互连；g s m 系统能提供国际的自动漫游功能，使 得全部g s m 移动用户都可进入g s m 系统； ( 2 ) g s m 系统除了可以开放语音业务外，还可以开放各种承载业务、补充业务和与 工s d n 相关的业务； ( 3 ) g s m 系统具有加密和鉴权功能，能确保用户保密和网络安全； ( 4 ) g s m 系统具有灵活和方便的组网结构，频率重复利用率高，移动业务交换机的 话务承载能力很强，能保证在话音和数据通信两个方面满足用户对大容量、高密度业务 的要求； ( 5 ) g s m 系统抗干扰能力强，覆盖区域内的通信质量高。 随着大规模集成电路技术的进一步发展，用户终端设备向更小型、轻巧和增强功能 方向发展。随着移动通信技术的发展，根据目前g s m 网络技术成熟，覆盖范围广的特 点，合理有效的利用g s m 网络资源，可以避免组建专用数据传输网络的成本费用高， 通讯距离短，通讯效果差等诸多难题。 一5 一 城市供水监控系统的研究与设计 数字蜂窝移动通信是在模拟蜂窝移动通信的基础上发展起来的，在网络组成、设备 配置、网络功能和工作方式上，二者都有相同之处。但因数字蜂窝网采用全数字传输， 因而在实现技术和管理控制方面，均与模拟蜂窝网有较大的差异。简单地说，数字蜂窝 网技术更先进，功能更完备且通信更可靠，并可与其它发展中的数字通信网，如综合业 务数字网工s d n ( i n t e g r a t e ds e r v i c ed i g i t a ln e t w o r k ) ，公用数据网p d n ( r u b r i cd a t a n e t w o r k ) 实现互连。 g s m 蜂窝系统的主要由移动台、基站子系统和网络子系统等部分组成。基站子系 统( b a s es t a t i o ns u b s y s t e m ，简称基站b s s ) 由基站收发台( b a s et r a n s c e i v e rs t a t i o n ，简 称b t s ) 和基站控制器( b a s es t a t i o nc o n t r o l l e r ，简称b s c ) 组成；网络子系统包括移动交 换中心( m o b i l es e r v i c e ss w i t c h i n gc e n t e r ，简称m s c ) 、操作维护中心( o p e r a t i o n sa n d m a i n t e n a n c ec e n t e r ，简称o m c ) 、原籍位置寄存器( h o m el o c a t i o nr e g i s t e r ，简称h l r ) 、 访问位置寄存器( v i s i t o rl o c a t i o nr e g i s t e r ，简称v i r ) 、鉴权中心( a u t h e n t i c a t i o nc e n t e r ， 简称a u c ) 和设备标志寄存器( e q u i p m e n ti d e n t i t yr e g i s t e r ，简称e i r ) 等组成。一个m s c 可管理多达几十个基站控制器，一个基站控制器最多可控制2 5 6 个b t s 。由m s ，b s 和网络子系统构成公用陆地移动通信网( p u b l i cl a n dm o b i l en e t w o r k ，简称p l m n ) ，该 网络由m s c 与公用交换电话网( p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k ，简称p s t n ) 、综合 业务数字网( i s d n ) 和公用数据网( 即p d n ) 进行互连1 6 j 。 ( 1 ) 移动台( m o b i l es t a t i o n ，简称m s ) 移动台是g s m 移动通信网中用户使用的设备，依动态类型可分为车载台、便携台 和手机。其中，手机机身具有小型、轻巧，而且功能较强的特点，因此手机用户占移动 用户的绝大多数。移动台通过无线接口接入g s m 系统，具有无线传输与处理功能。此 外，移动台必须提供与使用者之间的接口。比如，为完成通话呼叫所需要的话筒、扬声 器、显示屏和各种按键。或者提供与其它一些终端设备( t e r m i n a le q u i p m e n t ，简称t e ) 之间的接口，如与个人计算机或传真机之间的接口。移动台另外一个重要组成部分是用 户识别模块( s u b s c r i b e ri d e n t i t ym o d u l e ) ，亦称s i m 卡。它是一张符合开放系统互连标准 的“智能”卡，其中存储有与用户有关的无线接口信息，也包括用于鉴权和加密的信息。 使用g s m 标准的移动台都需要插入s i m 卡，只有当处理异常的紧急呼叫时，可以在不 用s i m 卡的情况下操作移动台。s 1 m 卡的应用使一部移动台可以为不同用户服务，因 为g s m 系统是通过s i m 卡来识别移动用户的，这为个人通信打下了良好基础。 ( 2 ) 基站予系统( b a s es t a t i o ns u b s y s t e m ，简称b s s ) 基站子系统是g s m 系统的基本组成部分。一方面它通过无线接口与移动台相接， 进行无线发送、接收及无线资源管理。另一方面，它与网络子系统( n e t w o r ks u b s y s t e m ， 一6 大连理工大学硕士学位论文 简称n s s ) 中的移动交换中心相连，实现移动用户与固定网络用户之间或移动用户之间 的通信链接。基站子系统主要由基站收发信机( b t s ) 和基站控制器( b s c ) 构成。b t s 可 以直接与b s c 相连接，也可以通过基站接口设备采用远端控制的连接方式与b s c 相连 接。此外，基站子系统为了适应无线与有线系统使用不同传输速率进行传输，在b s c 与m s c 之间增加了码变换器及相应的复用设备。基站收发信机、天线共用器和天线是 基站子系统的无线部分，它由基站控制器实施控制。基站控制器承担无线资源、参数及 各种接口的控制与管理。 ( 3 ) 网络子系统( n s s ) 网络子系统对g s m 移动用户之间通信和移动用户与其它通信网用户之间通信起着 管理作用。其主要功能包括交换、移动性管理与安全性管理等。n s s 由很多功能实体构 成，它们之间的信令传输都符合国际电报电话咨询委员会( i n t e r n a t i o n a lt e l e p h o n ea n d t e l e g r a p hc o n s u l t a t i v ec o m m i t t e e ，c a 订) 信令系统n o 7 协议。 g s m 主要的性能参数 工作频段 陆地公用蜂窝数字移动通信网g s m 通信系统采用9 0 0 m h z 、1 8 0 0 m h z 频段。 频道间隔 相邻两频道间隔为2 0 0 k h z 。每个频道采用时分多址接入( t d m a ) 方式，分为8 个 信道( 全速率) 。将来g s m 采用半速率话音编码后，每个频道可容纳1 6 个半速率信道。 频道配置 采用等间隔频道配置方法，频道序号为1 1 2 4 ，共1 2 4 个频点。 双工收发间隔 双工收发间隔为s m h z ，与模拟t a c s 系统相同。 干扰保护比 载波干扰保护比就是接收到的希望信号电平与非希望信号电平的比值，此值与m s 的随机位置有关。这是由于地形不规则性及本地散射体的形状、类型及数量不同，以及 其他一些l 因素如天线类型、方向性及高度，站址的标高及位置，当地的干扰源数目等所 造成的。g s m 规范中规定： 同频道干扰保护比：9 d b ； 邻频道干扰保护比：一9 d b ； 载波偏离4 0 0 k h z 时的干扰保护比：- 4 1 d b ； 保护带宽 一7 一 城市供水监控系统的研究与设计 当一个地区数字移动通信系统与模拟移动系统共存时，两系统之间( 频道中心频率 之间) 应有约4 0 0 k h z 的保护带宽，通常是模拟网预留。中国移动公司与中国联通公司 的数字移动通信系统之问也应有约4 0 0 k h z 的保护带宽，即它们之问用一个频道，或由 中国移动公司一方预留，或由中国联通公司一方预留。 2 1 2 短消息技术 ( 1 ) 短消息业务简介 g s m 短消息业务是移动通信部门利用g s m 网络在提供电路交换的各种电信业务和 承载业务之外提供的基于数据分组交换的一项增值业务。 短消息业务( s h o r tm e s s a g es e r v i c e ，简称为s m s ) 包括点对点短消息业务( s m s p p ) 和小区广播短消息业务( s m s c b ) 。点对点短消息业务包括移动台( m o b i l es t a t i o n ，简称 为m s ) 发起的短消息业务s m m o 及移动台m s 终止的短消息业务s m m t 。对于点对点 短消息，每条消息最长为1 6 0 个a s c i i 字符( b i t 编码英文字符) ，或7 0 个汉字。对于 小区广播短消息，每条消息最长为9 2 个a s c i i 码字符或4 0 个汉字。通过短消息业务， 用户可以接收各种文字信息，如金融行情、天气预告、新闻娱乐信息等。 点对点短消息的传递与发送是由短消息业务中心( s h o r tm e s s a g es e r v i c ec e n t e r ) 简 称为s m s c ) 来提供服务的。s m s c 的作用像邮局一样，接收来自各方面的邮件，然后 把它们进行分拣，再发给各个用户。 s m s c 的主要功能是存储和转发用户的短消息。s m s c 向用户提供类似于寻呼的业 务，但有别于常规的单向寻呼通信。常规的寻呼机关机或不在服务区内，寻呼机就收不 到消息，寻一呼中心对此一无所知，也不会重发。而用户在等待中反复传呼，浪费大量 的时间和精力，寻呼机主也可能因此而误事。然而，s m s c 依靠g s m 网的双向通信能 力，如果手机关机或不在服务区内，s m s c 的消息发送被拒绝，所有的短消息将被存放 在s m s c 的信箱内，一旦用户开机或回到服务区内，在网络注册成功后，s m s c 就马上 开始对用户发送消息内容。 随着科技的发展，短消息业务不但用于一般的信息交流，现在己广泛应用于几种远 程监测系统之中。 ( 2 ) 短消息的体系结构 g s m 标准中定义的点到点短消息服务使得短消息能在m s 和s m s c 之间传递。这 些业务中心是通过称为s m s g m s c 的特定m s c 同g s m 网络联系的。 8 一 大连理工大学硕士学位论文 s s 7 ：s i g n a l i n g s y s t e m n o 7 ，公共信道信令协议。主要用于电话网内的呼叫处理， 同时也是智能网的基石。s s 7 是用于电话网的基本数据通信协议，完成包括呼叫建立、 呼叫选路和提供各种业务。 s m e ：s h o r tm e s s a g i n ge n t i t y ，短消息实体。可以接收或发送短消息，位于固定电 话系统、互联网或其他服务中心内，也可以是移动手机。 s m s c ：s h o r tm e s s a g es e r v i c ec e n t e r ，短消息中心。负责储存或转发短消息。移动 台m s 到s m s c 的协议能传输来自m s 或发向m s 的短消息，协议为s m t p ( s h o r t m e s s a g e t r a n s m i s s i o np r o t o c 0 1 ) 。 s m c g w m s ：s m s g a t e w a ym s c ，s m s 网关。接收由s m s 发送的短消自，向h l r 查询路由信息，并将短消息传送给接收者所在基站的路由中心。 h l r ：h o m el o c a t i o nr e g i s t e r ，归属位置寄存器。用于永久储存管理用户和服务记 录的数据库，由s m s c 产生。s m s 网关与h l r 之间的协议使s m s 网关可以要求h l r 搜索可找到的用户地址。 m s c ：m o b i l es w i t c h i n gc e n t e r ，移动交换中心。负责系统切换管理并控制来自或发 向其他电话或数据系统的拔叫。 v l r ：v i s i t o rl o c a t i o nr e g i s t e r ，访问位置寄存器。含有用户临时信息的数据库。交 换中心服务访问用户时需要这些信息。 b s s ：b u s i n e s ss u p p o r ts y s t e m ，经营支撑系统。用户的手机通过此系统接入移动网 络。 ( 3 ) 短消息业务流程 短消息业务分为移动台发起的短消息业务、移动台终止的短消息业务和短信中心提 醒业务，下面分别介绍它们业务流程。 移动台发起的短消息 移动台是指在移动业务中，可以在移动中使用的通信站，包括车载台、便携台和手 机等。 以手机为例：当一个移动用户想发短消息时，要预先正确设置好短消息业务中心 s m s c 的电话号码，l i p + 8 6 1 3 8 0 a b c s o o ( a b c 为地区码) ，然后通过移动台或者与移动 台连接的p c 机编辑短消息，输入用户电话号码，才能将短消息发出。一个g s m 用户 发送短消息时，他必须至少在其内容中包含最终地址的识别符，和处理这消息的服务中 心号码，然后请求传递。消息本身的传递要求在无线路径上建立专用的链路层链接，即 s a p l 3 连接，并要求采用专用的消息传递协议，即s m t p 短消息传递协议，同时让用户 设置一个短消息的有效期。过期后，服务中心不再试图发送该消息，而是将它销毁。 一9 一 城市供水监控系统的研究与设计 业务流程说明： 1 ) 移动台( m s ) 向移动交换机( m s c ) 提交短消息； 2 ) m s c 访问位置寄存器( v u t ) 以请求移动台的用户数据； 3 ) v l r 向m s c 返回移动台的数据； 4 ) m s c 将移动台提交的短消息转发给互通m s c ； 5 ) 互通m s c 将短消息提交给服务中心( s c ) ； 6 ) 服务中心回应确认给互通m s c ； 7 ) 互通m s c 回送确认给服务m s c ； 8 ) 服务m s c 回应确认给移动台。 移动台终止的短消息 当s m s c 要向g s m 用户发短消息时，它先要建立一条包含各种有利于接收者的信 息( s m - t p s m s - d e l i v e r ) 。这条信息中包含短消息内容、原发者的识别符号及s m s c 收到该短消息的时间。 s m s c 把这条短消息传给与中心相连的网关，网关根据被叫用户的m s i s o n 号向相 关的h l r 查询( h l r e n q ) ，查询是通过用于短消息的消息报文来实现的。将查询结果 送给网关，查询结果消息中包含了被叫用户正拜访的m s c v i r 的7 号信令地址的消息 报文。网关用该地址消息向用户拜访的m s c n l r 传递消息，再由m s c 建立必要的信 令连接后将短消息传递给m s 移动台，向m s 传送的短消息并不需要用户介入【7 l 。 传送完成的消息可自动存于s i m 卡内，直到用户读完以后认为不再有用时将其删 除。存在s i m 卡内的短消息不会因移动台电源关闭而丢失，它可以通过任一移动台读出 该消息。在g s mp h a s e l 阶段，发向没有空余存储空间的s i m 卡的短消息将丢失。在 g s mp h a s e 2 阶段，规定了一种能使移动台进行粗略流量控制的机制，它可以在存贮器 满时指示网络。 业务流程说明： 1 ) s c 将短消息发到网关m s c ； 2 ) 网关m s c 向归属位置寄存器( h l r ) 查询目的m s 的路由信息； 3 ) h l r 将目的m s 的路由信息返回给归属位置寄存器； 4 ) 网关m s c 根据返回的路由信息将短消息发往目的m s 所在的服务m s c ； 5 ) 服务m s c 向v l r 请求手机当前的状态信息； 6 ) v l r 向服务m s c 发送命令寻呼目的m s ； 7 ) 服务m s c 寻呼目的手机； 8 ) 目的m s 响应m s c 的寻呼，发送接入请求； 1 0 大连理工大学硕士学位论文 9 ) 服务m s c i 句v l r 发送目的m s 的接入请求； l o ) v l r 向m s c 回应目的m s 的状态信息； 1 1 ) 服务m s c 将短消息发给目的m s ； 1 2 ) 目的m s 回应短消息证实消息发送给服务m s c ： 1 3 ) 服务m s c 将发送成功的消息发送给网关m s c ： 1 4 ) 网关m s c 向s c 发送证实消息。 短消息中心提醒业务 为了提高短消息业务的可靠性，在移动台处于不可及的情况下，要让短消息不丢失， 并采取措施尽快把短消息传给用户。传送的短信如果没有确认，短消息中心会在一段时 间内可将其保存，一旦用户恢复与网络的联系，短消息可由s m s c 立即传送给用户。 移动台不可及的情况分为3 种： 第1 种情况是当被s m s 网关查询时，移动台不在服务区域、未获得服务授权、或有 未成功发送报文正等待告警，h l r 就会立即告之不能发送。 第2 种情况是m s c v l r 己收到报文，但不能传送。此时，它先向s m s 网关发送 故障提示，作为m a p hf o r w a r ds h o r tm e s s a g e 报文的应答。然后，网关方面 会向s m s c 发送否定报告，另一方面向i j l r 发送m a p cs e tm e s s a g ew a i t r l n g d a t a 报文，在收到报文确认后进行表格更新。该事件会储存在v l r 和h l r 内的用户 记录中。 第3 种情况是m s c v l r 向用户发送有效报文后发现不可送达。 k 另外，移动台内的软件必须能够对短消息进行解码和存储。短消息也能存储在s 1 m 卡中供用户以后取用。当移动台不在服务区内或s i m 卡存储容量己满，s m s c 会保留短 消息等移动台回到服务区或用户s i m 卡又有了存储空间之后再发送。如果一个移动台曾 因存储容量不足拒绝接收的话，那么有存储容量之后通知s m s c 。 ( 4 ) 短消息的技术应用范围 随着g s m 短消息作为一种数据传输模式，具备网络覆盖面广、用户投资小、运营 费用少的优点，对于解决监控点分散、覆盖面广、监控点移动、实时性要求较低的监控 采集系统具有无可比拟的优势。针对不同的对象，系统进行相应的设计，可应用到生产 和生活的许多领域。 水利部门为取得水文数据往往要在河道旁或湖泊边建立许多水文站。这些水文站定 时获取水文数据，并通过一定的传输通道将数据传送回数据中心。水文数据的特点是数 据量较小、采集间隔时间长、采集点分散，特别适合利用短消息进行通信。它通过短消 息模块，利用其开关量输入和原有的传感器等设备相连实现数据采集：利用其继电器输 城市供水监控系统的研究与设计 出和原来的被控设备相