（检测技术与自动化装置专业论文）地下水流量远程监控系统的组态软件设计与应用.pdf

太原理i 人学硕十研究生学位论文 地下水流量远程监控系统的组态软件设计与应用 摘要 中国属于世界上可“重缺水的国家之一，在全国6 6 9 座城市中，有4 0 0 多个城市存在供水不足问题，比较严重的缺水城市达1 1 0 个，还有数千 万人需要解决饮用水问题，严重制约着当地经济和社会发展。进入2 l 世 纪，我国水资源供需矛盾将更为突出。据预测，到2 1 世纪中叶，我国 人均水资源拥有量将减少到1 7 5 0 立方米，届时，全国大部分地区将面 临水资源更加紧张、缺水甚至严重缺水的局面。地下水是水资源的重要 组成部分，在我国：i 匕方地区及许多城市，地下水是重要的供水水源，对 当地的经济社会发展起着十分重要的作用。近2 0 年来，我国地下水开 采量平均以每年2 5 亿立方米的速度增加，超采地下水，已使部分地区 陷入了生态困境。 水利事业直接与国家经济建设、人民生命财产安全有着密切的联 系，水资源的严重短缺和浪费已经成为制约我国经济快速发展的主要因 素之一，是一件关系国计民生的大事。为了保障水利系统的正常运行， 必须能够及时准确地了解水情信息。信息化的发展，是当今世界经济和 社会发展的趋势，也是关系我国产业优化升级和实现工业化、现代化的 关键环节。由于缺乏严格、准确的地下水流量计量，用水量和水费缴纳 奎堕垄! ：叁竺塑塑壅尘兰堡丝茎 之间没有直接联系，致使地下水浪费的现象普遍存在。为了提高用水效 率，应开展用水计量的研究，这对于地下水资源利学合理的利用具有十 分重要的意义。随着有偿用水政策的不断推广和管理现代化的要求，如 何建立一个完善的用水计量体系成了亟待解决的问题。 在此背景下，结合我省地下水流量监测现状，以晋中市榆次区水资 办流量监测项目为依托，本人与他人合作设计并研制成功了地下水流量 远程监控系统。该系统计量准确，采用g s m 短消息进行数据的远程传 输，从而将各监测站点形成网络，便于集中管理。监测站点使用可编程 序控制器? l c 进行开发；管理软件采用工控组态软件组态王6 5 进 行设计，界面友好，功能完备，操作简便。系统具有可靠性、可维护性、 安全性及较强的操作性，实现了地下水流量管理手段的现代化与自动 化。 该系统已投入使用，试运行近一年，从实际应用情况来看，系统运 行稳定、可靠，达到了预期的效果。 本课题成功完成之后，可以很好地应用到实际的流量监测系统中， 也可以经过修改后用于其它系统中，如极地冰层厚度自动测报系统、 g s m 水库大坝水情遥测预报系统等，因此具有理论和实用价值。 本文将电子信息处理技术、移动通讯g s m 短消息数据传输技术与 工程实际应用需求相结合，设计了地下水流量远程监控系统，重点研究 开发了该监测中心的组态管理软件，全文分五部分对开发设计的原理、 太原理l ：人学硕十研究生学位论文 ：l 一作过程进行了分析沦述。包括： 第一章绪论，沦述了课题研究背景、山西省地下水流量! 监测情况及 课题的提出与任务。 第二章介绍了地下水流量远程监控系统的结构与通信方式。包括我 囡目前水情自动测报系统通信方式的比较，g s m 短信息的特点、网络 结构、传输过程，g s m 通信模块的通信流程，以及g s m 短信息在分布 一集中控制管理系统中的应用方案。阐明了采用g s m 短消息数据传输 技术作为本系统信息传输手段的原因。 第三章分析了基于开放结构的地下水流量远程监控系统的硬件实 现，包括系统组成，系统各部分功能，系统工作原理和设备选型。 第四章是本文的重点部分，详细论述了监控管理软件的设计过程。 包括组态技术的概念，国内外组态软件的特点，开发软件的选择等。分 别从画面组态、用户管理组态、通信组态、数据库组态及报表组态五个 方面系统的介绍了监控管理软件的开发方法。 第五章对本课题研制成功的地下水流量监控系统的应用情况进行 了介绍和总结，提出了设计开发的创新点，分析了系统的不足之处以及 今后改进和进一步深入研究的建议。 关键字：峪控管理软件，组态，组态王6 5 ，g s m ，短消息 奎堕型1 叁竺堕：! 塑壅尘兰笪堡兰 t h ed e s i g na n d a p p l i c a t i o no ft h ec o n f i g u r a t i o n s o f t w a r ef o r t h er e m o t em o n i t o r i n ga n d c o n t r o l l i n gs y s t e mo fg r o u n d w a t e r f l o w a b s t r a c t c h i n ai sac o u n t r yt h a tl a c k sw a t e rr e s o u r c e s ，o v e r4 0 0o fi t s a l l6 6 9 c i t i e sa r eu n d e rt h ew a t e rd e f i c i ts t r e s s ，c o m p a r a t i v e l y ，c i t i e so fs e v e r ew a t e r s h o r t a g ec l i m b e dan u m b e ro f11 0 ，a n dt h o u s a n d so f p e o p l ea r ec o n f r o n t i n g w i t hap r o b l e mo fd r i n k i n gw a t e rs u p p l y , w h i c hs e r i o u s l yr e s t r i c tt h el o c a l e c o n o m ya n ds o c i a ld e v e l o p m e n t i nt h e21s tc e n t u r y ，t h ec o n f l i c to fw a t e r s u p p l ya n dd e m a n d sw i l lb em o r ea n dm o r es e r i o u s i ti s p r e d i c t e dt h a tb y t h em i do f215 c e n t u r y , t h ep e rc a p i t ap o s s e s s i o no fw a t e rr e s o u r c e so fo u r c o u n t r yw o u l db ed o w nt o17 50c u b i cm e t e r so n l y a tt h ea p p o i n t e dt i m e ， m o s ta r e a so fo u rc o u n t r yw o u l db ef a c e dw i t ha ne v e nw o r s es e v e r ew a t e r s h o r t a g e g r o u n d w a t e ri so n eo ft h ei m p o r t a n tc o m p o s i t i o np a r t so fw a t e r r e s o u r c e s i nt h en o r t h e r np a r to fc h i n aa n ds o m ec i t i e s ，g r o u n d w a t e ri st h e i m p o r t a n tw a t e rs u p p l ya n dp l a y sav i t a lr o l ei nt h el o c a le c o n o m ya n ds o c i a l d e v e l o p m e n t i nt h ep a s tt w od e c a d e s ，t h em e a nv a l u eo fg r o u n d w a t e ry i e l d 奎堕! 呈坠：! i ! 堡塑塞尘堂笪堡苎 88 p 。e d i n gu pa tt h er a t eo f2 5 b i l l i o nc u b i cm e t e r se a c hy e a r s o m ea r e a s a r ei nt h et r o u b l eo fg x o u n d w a t e ro v e r d r a f t i n g h o w e v e r ，m o r ea t t e n t i o ni s n o tp a i dt ow a t e rr e s o u r c e ss a v i n g a n dw a t e rw a s t i n gi ss t i l l s e r i o u sa n d s h o c k i n g w a t e r c o n s e r v a n c yi s d i r e c t l y a n d c l o s e l yr e l a t e dt ot h en a t i o n a l e 。o n o m yd e v e l o p m e n ta n dt h e s a f e t yo fp e o p l e sl i v e sa n dp r o p e r t y ，i ti sa m a t t 。v i t a lt on a t i o n a lw e l l b e i n ga n dt h ep e o p l e sl i v e l i h o o d t og u a r a n t e e t h en o r m a lo p e r a t i o no fw a t e r s y s t e m ，i ti sn e c e s s a r yt ok n o wt h ew a t e r i n f o r m a t i o n p u n c t u a l l y a n d a c c u r a t e l y t h ed e v e l o p m e n to ft h e i n f o r m a t i o n a l i z a t i o ni st h e o b j e c t i v et r e n do ft h ee c o n o l l l i ca n ds o c i a l d 。v 。1 0 p m e n ti nt h ew o r l dt o d a y a n da l s o ，i ti st h ek e yl i n kf o ra c h i e v i n gt h e i n d u 8 t 。i a l i z a t i o n ，m o d e r n i z a t i o na sw e l la s o p t i m i z a t i o na n du p g r a d i n go f i n d u s t r i a ls t r u c t u r e d u et ot h el a c k i n go fs t r i c ta n dp r e c i s em e a s u r e m e n t f o r g r o u n d w a t e rf l o w , t h e r ei sn od i r e c t c o n s e q u e n c eb e t w e e nt h ew a t e r 。o n 8 u m p t i o na n df e ec h a r g i n g w h i c hr e s u l t si nt h eg r o u n d w a t e rw a s t i n gt o i m p r o v e t h e e f f i c i e n c y o fw a t e r u t i l i z a t i o n ， r e s e a r c h e s o nw a t e r m e a s u r e m e n ta r er e q u i r e d t h er e s e a r c hi s e s p e c i a l l yi m p o r t a n tf o r t h e 8 。i e n t i f i ca n dr e a s o n a b l eu s a g eo fg r o u n d w a t e r w i t h t h eg e n e r a l i z a t i o no f u 8 。r p 8 y p o l i c ya n dt h ec a l l f o rm a n a g e m e n tm o d e r n i z a t i o n ，i ti su r g e n tt o e s t a b li s hap e r f e c tw a t e rm e a s u r e m e n t s y s t e m v 一 奎堕堡i ：叁：i ! ! 堡：! 婴堑尘翌堕堡壅 i nt h i sc a s e ，i ，c o o p e r a t ew i t ho t h e r s ，r e l y i n go nt h es t a t u sq u oo fw a t e r f l o wi ns h a n x i p r o v i n c e ，a n dw i t ht h es u p p o r to ft h ef l o wm o n i t o r i n g p r o j e c ti nj i n z h o n gc i t y ，y u c id i s t r i c t ，s u c c e s s f u l l yd e s i g na n di n v e n tt h e c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r eo ft h er e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mo f g r o u n d w a t e rf l o w , a n dt h ew h o l es y s t e ma n dr e s e a r c hi sb a s e do nt h e p r e s e n ts t a t u so fg r o u n d w a t e rm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gi no u rp r o v i n c e t h em e a s u r e m e n to ft h es y s t e mi sp r e c i s e ，a n dt h et e c h n o l o g yo fg s m s h o r t m e s s a g ei su s e di ni n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n ，w h i c he n a b l e san e t w o r ka n d c o n v e n i e n tt om a n a g e t h em o n i t o r i n gs t a t i o ni se q u i p p e do f p r o g r a m m a b l e c o n t r o l l e r p l c ，a n dt h em a n a g e m e n ts o f t w a r ei s k i n g v i e w6 5 t h e s o f t w a r e ，w i t hc o m p r e h e n s i v ef u n c t i o n ，i sh u m a n c e n t e r e dp r o g r a m m e d ， e a s ya n ds i m p l et oo p e r a t e t h i ss y s t e mi sr e l i a b l e ，m a i n t a i n a b l e ，s a f ea n d c o n v e n i e n tt o o p e r a t e t h es y s t e m r e a l i z e st h em o d e m i z a t i o na n d a u t o m a t i z a t i o no fg r o u n d w a t e rf l o wm a n a g e m e n t t h es y s t e mh a sb e e na p p l i e df o rn e a r l yo n e y e a r , j u d g i n gf r o mi t sf i e l d a p p l i c a t i o n ，i ti ss t a b l e ，r e l i a b l ea n dm e e t st h ep r o s p e c t i v ee f f e c t t h i sp r o j e c tc a nb e p r a c t i c a l l yu s e di nm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n g s y s t e mo fg r o u n d w a t e ri n f o r m a t i o n ，a n da l s om o d i f i e da n da p p l i e di no t h e r s y s t e m s ，f o re x a m p l e ，t h ea u t o m a t i cm e a s u r i n ga n dr e p o r t i n gs y s t e mf o rt h e t h i c k n e s so fi c ei np o l a rr e g i o n ，t h er e m o t ec o n t r o lf o r e c a s ts y s t e mf o rt h e v i 奎堕堡l 叁兰婴：| 二塑壅尘主垡堕塞 a st h ek e yp a r to ft h ea r t i c l e t h e f o u r t hc h a p t e rg i v e sad e t a i l e d d i s c u s s i o na b o u tt h e d e s i g np r o c e s so ft h e m o n i t o r i n g a n d c o n t r o l l i n g m a n a g e m e n ts o f t w a r e ，i n c l u d i n gt h ed e f i n i t i o no fc o n f i g u r a t i o nt e c h n o l o g y , t h ef e a t u r e so ft h e c o n f i g u r a t i o n s o f t w a r e ，o p t i o n s o ft h es o f t w a r e d e v e l o p m e m t ，e t c as y s t e m a t i c a li n t r o d u c t i o ni sp r o v i d e da b o u tt h em e t h o d o fs o f t w a r ed e v e l o p m e n tf r o mf o u ra s p e c t s ，n a m e l yi n t e r f a c e c o n f i g u r a t i o n c o m m u n i c a t i o n c o n f i g u r a t i o n ，d a t a b a s e c o n f i g u r a t i o n a n d r e p o r t c o n f i g u r a t i o n t h ef i f t hc h a p t e rs u m m a r i z e st h e m o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mo f g r o u n d w a t e rf l o wa n dp o i n t so u tt h ec r e a t i v e p o i n t s ，a l s o ，a n a l y z e st h e s h o r t c o m i n g so ft h es y s t e ma n da p p l i c a t i o na n dp o p u l a r i z a t i o no ft h e s o f t w a r ei no t h e rp r o j e c t s k e y w o r d s ：m o n i t o r i n gs o f t w a r e ，c o n f i g u r a t i o n ，k i n g v i e w 6 5 ，g s m ， s h o r tm e s s a g e v i i i 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 1 1 课题研究背景 11 1 我国地下水资源现状 第一章绪论 地下水是重要的自然资源与生态环境要素，在我国水资源中占有举足轻重的地 位，由于其分布广、水质好、不易被污染、调蓄能力强、供水保证程度高，f 被越来 越广泛地丌发利用。尤其在中国北方、干旱半干旱地区的许多地区和城市，地下水成 为重要的甚至唯一的水源。但是，由于气候的变化和人类经济活动的影响，导致我国 地下水资源循环条件，地下水数量、质量和分布规律等发生了明显变化。 近2 0 年，我国地下水开采量平均以每年2 5 亿立方米的速度增加。地下水占总供 水量的比例已从1 9 8 0 年的1 4 增长到2 0 0 0 年的1 9 8 。到1 9 9 5 年初，中国地下水丌 采量已占可丌采量的5 3 左右。超采地下水，已使部分地区陷入了生态困境。对地下 水的不合理丌采，导致部分地区出现地下水位下降，形成区域地下水位的降落漏斗。 目前全国己形成区域地下水降落漏斗1 0 0 多个，面积达1 5 万平方公里。华北平原深 层地下水己经形成了跨冀、京、津、鲁的区域地下水降落漏斗，有近7 万平方公里的 地下水水位低于海平面。区域地下水下降使平原或瓮地湿地萎缩或消失、地表植被破 坏，生态环境退化。由于过量丌采地下水，河北平原、陕西西安、山西大同和江苏苏 锡常等地区已经发生地裂缝，对城市基础设施建设构成严重威胁。 沿海地区的大连、秦争岛、沧州、青岛、北海和海南新英湾地区的地下水位下降， 引起海水入侵，地下水水质恶化，i i j 东半岛和辽宁半岛情况最为严重。地下水经过层 层过滤才能形成，因此大多数地下水杂质不多，我国南方大部分地区地下水可直接饮 用，但由于在工业发展的同时，一些地区忽视了对地下水资源的保护，越是经济发达 的地区地下水水质恶化越严重。在长江三角洲、珠江三角洲等南方经济发展核心地区， 浅层地下水水质已经很羞，全国约有一半城市市区的地下水污染比较严重，地下水水 质呈下降趋势。目前，地下水污染严重地区主要分布在城镇及周边、排污河道两侧、 1 太原理i 人学硕- i ： i ) 究生学能论文 排污农灌区等地表污染水体分柿区。地下水环境污染呈现由点向面、由城市向农村扩 展的趋势，由污染造成的缺水城市和地区r 益增多。各地都不同程度地存在着与饮用 水水质有关的地方病区。我国北方丘陵l u 区分布着与克山病、大骨节病、甲状腺肿大 等地方病有关的高氟水、高砷水、低碘水和高铁锰水。掘国家有关部门统计，现在全 固约有7 0 0 0 多万人仍在饮用不符合饮用水水质标准的地下水。 11 2 山西省地下水资源现状 山西是严重缺水的省份之一，全省人均水资源量不到4 0 0 立方米，不及全国人均 占有量的出2 分之一，居全国倒数第二。地下水资源尤其短缺。目前，全省地下水资源 可利用量为5 0 9 1 亿立方米，丌采量却已达到3 8 7 3 亿立方米。 山西是全国能源重化工基地之一，随着城市、工业规模的不断发展，对水资源的 需求量逐年增加，特别是对地下水的丌发利用呈上升趋势。多年来全省地下水的开采 量，占到总取水量的7 0 左右。从上世纪7 0 年代到8 0 年代，特别是改革丌放以来， 山西省对地下水缺乏统一规划、统一管理、统一_ 丌发，出现了水井分布不均、地下水 水位下降、局部地区超采的现象。从超采区分布情况看，超采区大部分分布在地下水 补给条件较好，水量丰富，丌发利用条件优越的边山冲洪积扇及瓮地的中部，为城市 及工农业集中丌采地下水地带。高强度、不合理的丌采状况改变了区域地下水的天然 流场，形成了多处大面积地下水降落漏斗。 超量丌采地下水，使含水层中水的浮托力与松散岩层7 l 隙水的支持力消失，增大 了粘性土或砂性土的压缩性，同时改变了自然状态下地下水的流向、流速、水力坡度， 部分增加了地下水潜蚀、搬运能力，使土体收缩，而产生地面沉降，由于不均匀沉降 出现了地裂缝。全省以丌采地下水为主要水源的城市，如太原、大同、运城及晋中、 榆次、介休均发现不同程度的地面沉降和裂缝。 不合理丌采地下水可以) j l j 局j 整个地下水含水系统的污染程度。据统计，上世纪 8 0 年代以来，全省工业生活污废水排放量逐年增加，1 9 8 0 年为5 5 亿m ，1 9 8 4 年为 6 9 亿m ，2 0 0 0 年达9 4 5 5 亿m = ，其中9 5 未经处理直接排入河道、农阳或渗入地下。 据有关资料分析，太原、大同、阳泉、长治、运城等一些地区浅层地下水受到不同程 2 太原理i 人学硕十研究生学位论文 度的污染“1 。而在地下水漏斗区，由于水位不断下降，井越打越深，有些井上部井壁 封闭不严，或不加封闭，有的井7 i 采混合水，这种井实际上已成为浅层污染水进入中、 深层水的通道，使中深层水也遭到不同程度的污染。近年来，岩溶水的大量开采，城 市污水沿岩溶河谷排放渗漏，采煤、矿坑废水通过竖井排放等人类活动的影响，岩溶 水环境条件发生了很大变化，岩溶水已受到不同程度的影响或污染，个别泉域污染严 重。 随着乡镇企业的发展，地下水无序丌采加剧，地下水污染己由过去城市工业区污 染，逐步向面上及垂向发展，水质污染问题更加严重，加剧了本来短缺的水资源紧张 局面。 面对地下水资源日益梢竭的严峻形式，必需加强地下水的监测，地下水监测项目 包括：水位、水量、温度、水质。 在地下水水量监测方面由于缺乏严格、准确的地下水流量计量，用水量和水费缴 纳没有直接联系，致使地下水浪费的现象普遍存在。为了提高用水效率，应丌展用水 计量的研究，这对于地下水资源科学合理利用具有十分重要的意义。推行节约用水， 建立用水计量、控制地下水动态监测体系，是有效实现宏观用水总量控制和微观定额 管理的关键性措施。 1 13 山西省地下水流量监测情况 e l i 西省地下水监测网点建设起步于2 0 世纪6 0 年代，经过近4 0 年的建设、发展， 己初步建设成覆盖全省主要城市和地区的地下水监测网络系统。地下水监测机构也出 过去的以国土资源部门( 原地矿部门) 为主，演变为水利部门、城建部门、环保部门等 多家机构共同盟测。各监测机构因其监测目的、地下水管理职能等的不同而各自为战， 导致地下水监测资料不能共享，形成重复监测、监测费用浪费的监测现状。 国土资源部门作为传统的地下水监测机构，经过数十年的建设，形成了基本控制 全省区域地下水位、水质的监测网络。目前设有大同、朔州、忻州、太原、晋中、长 治、侯马等7 个监测站，有4 7 4 个地下水位监测点，5 1 0 个地下水水质监测点，4 个 水量监测点，2 3 4 个水温控制点，控制面积2 5 9 4 9 k m ：。其中大同站主要监测范围为大 1 奎垦堡l ：生：! ! ! ! 堕塑壅尘堂堡堡圣 同市城区，控制面积6 2 5 k m 2 ，主要监测第四系松散层孔隙水。忻州站主要监测范围为 忻州盆地的第四系松散层孔隙水，控制面积3 0 0 0 k m 2 。太原站主要监测太原市附近平 原区地下水及部分奥陶系岩溶水，控制面积11 6 5 k m 2 。晋中站主要监测太原断陷瓮地 第四系松散层孔隙水，控制面积4 2 2 2 k m ! 。侯马站主要监测运城、临汾断陷盆地第四 系松散层孔隙水，控制面积1 1 4 8 7 k m ! ( 其中运城篙地5 9 8 1 k m 。，临汾断陷贫地5 5 0 6 k m 2 ) 。 长治站j i i 测范围为长治断陷龠地及沁水向祭i 山地区，控制面积4 5 0 0 k m 2 。朔州站监测 范围为朔州地区平原区松散层孔隙水，控制面积1 0 0 0 k m ：“，。 在地下水流量监测方面我省不断强化用水计量，建立健全地下水计量设施，为鼓 励节约用水、提高用水效率，山西省物价局、碉才政厅联合下发”关于调整水资源费收 费标准及有关问题的通知”。这是实施”节水山西”战略的关键一步，将大力促进全社 会节约用水，有效提高用水效率，并使地下水超采局面得到一定控制，以保障水资源 的可持续利用。 但随着计划经济体制向市场经济体制的转变，社会经济发展对地下水监测成果要 求的不断提高，山西省地下水流量监测面临着一些f 1 益突出的问题，主要包括以下几 个方面： 1 由于地下水流量监测投资不足，监测仪器设备简陋陈旧，不能及时维修，监测 设施本身就不够准确，所得到的监测成果也就不能满足监测要求。 2 地下水监测站的分布一般较分散、偏远，各监测站点未形成网络，测量数据从 各临测站报至水文监测中，1 5 所需的程序繁琐、费时。 3 地下水计量方面主要采用人工检测的方法获取数据，不仅消耗大量的人力物 力，而且有可能出现漏检、误检，造成不必要的损失。 4 堋4 量数据的处理主要依靠人工完成，没有专用的流量数据处理管理软件及地下 水资费管理软件。 因此需要提高地下水流量监测数据的准确性和及时性，加强地下水流量自动测报 系统的建设，丌发地下水流量数据管理软件，实现由人工监测向远程自动测报的转变。 从而促进我省地下水流量管理的自动化与现代化。 4 太原理i 人学硕十研究! e 学他论文 1 2 课题的提出与任务 针列ij i 西省地一f 水流量脓测现状，2 0 0 4 年12 月，山西省晋l ：f r 市榆次区水资办委 托太原理工大学测控技术研究所丌发地下水流量远程监控系统。计划在纺织公司建立 首个采用g s m 短消息数据传输技术的地下水流量监测站，进行试点。 地下水流量远程监控系统主要功能以及技术要求如下： i 系统应具有可靠性、可维护性、安全性、较强的操作性。 2 流量计量准确。 3 远程传输采集数据。 4 采集数据的处理与管理。 整个地下水流量远程监控系统由监测现场数据采集处理和计算机( 手机) 通信与 组态管理软件组成，由本人和另一位同学共同完成。本人主要设计丌发了地下水流量 远程监控系统监控中心的组态管理软件，包括界面设计，通信实现，数据库设计以及 报表生成等： 作，并在多个工程项目应用中改进和拓宽了组念管理软件的功能和应用 领域。 5 太原理i ：火学硕士研究生学位论文 2 1 系统结构概述 第二章系统结构与通信方式 地下水远程流量监控系统是应用计算机、通信和自动化技术完成地下水流量数据 的实时采集、传输和处理的信息系统，是多种学科、多种技术在水文领域中的应用。 按用户规划，本系统在试点运行成功之后，将在整个晋中市区域内设立多个地下 水流量监测站点，形成监控网络。结合工程实际情况，系统按照开放式系统结构( o p e n s y s t e m s a r c h i t e c t u r e ) 思想进行设计，采用分布式的数据采集和监控系统结构。完整的 系统结构如图2 1 ： 监测站点 图2 - 1 系统结构图 f i g2 ls y s t e ms t r u c t u r e 6 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 在列地下水流量进行监测和数据管理过程中，系统中监测站点与监测中心之间需 不断进行现场数据与系统监控指令的交互传递，其采用的通信方式是保障系统可靠工 作的最关键技术，因而成为本课题分析和研究解决的首要问题。 22 几种通信方式的比较 我国目j j i 水情自动测报系统的通信方式主要有短波通信、超短波通信和卫星通信 22 1 短波通信 短波通信是利用波长为1 0 0 c m 1 0 m 的电磁波进行的无线电通信，它利用地波或 低电离层进行几十公罩到几百公早的中、近距离通信，利用电离层反射进行数千乃至 上力公里的远距离通信，短波通信可用较简单的设备实现远距离的通信，造价低廉， 使用灵活机动，坚固耐用，抗毁能力强。 由于电离层是一种典型的时变传输媒介，存在瑞利衰落、多径效应、多普勒频移 等复杂 j 寸变因素，使收端码元在时删上展宽，包络发生畸变，因而数据传输产生码i 刮 干扰和误码。短波信道是带宽受限的信道，射频频谱非常拥挤，信道间互相干扰严重。 传统的短波通信以单边带( s s b ) 为主，兼容低速数据和电报”1 。 短波通信适用于短时应急通信，因此，长期以来我国的一些水文站点均采用短波 电台作为备用应急通信手段或主要的报汛通讯手段，目前在通讯不发达的地区，如西 北、西南等，人工报汛的水文站点仍采用短波电台。 由于短波通信受电离层的影响，通信质量差和信道稳定性差，受气候的影响大， 在实际应用中已很少采用。 2 22 超短波通信 超短波通信属于移动通信系统，是处于移动状态的通信对象之| 白j 的通讯。包括移 动用户之问，固定用户与移动用户之阳j 的通汛。超短波通信常用的频段有三个： 7 太原理1 人学硕十研究生学位论文 15 0 m h z 频段、2 3 0 m h z 频段和4 0 0 m h z 频段。早期的水文自动测报系统常用15 0 m h z 、 4 0 0 m h z 频段，这些是民用频段，设备配置较为方便。但由于是民用频段，使用部门 多，干扰相当严重。为此，国家无线电管理委员会为防汛批复了专用的2 3 0m h z 频 段。 超短波通信有以下特点： 1 信道稳定，一般不受气候影响，通信质量好，在汛期能发挥很好的作用。 2 j 支术成熟、设备简单、配套殴备容易、投资省、建设周期短、易于实现。 3 实时性能好、功率小、功耗低、很适合于山区供电得不到保障的场合。 4 使用、维护费用不高。 但超短波通信的通讯距离较短，因此也有很多不足之处，若要远距离传输或在山 高谷深的山区，不得不采用多级串联中继，使系统的可靠性大为降低。另外，中继站 一般地处高山之上，因地势高，易遭雷击，且维护、管理都是较大的问题。 2 23 卫星通信 利用卫星通信传送水情数据在国外已较普遍。很多发展中国家也丌始用卫星传送 水情数掘。卫星通讯是属于微波范围( 3 0 0 m c - - 3 0 0 g c ) ，是一种视距通讯。因此，远 距离信号传送不仅要受到地面高l l i _ 乖l 地形阻隔的影响，而且要受到地球曲率的限制。 譬如天线高度为5 0 m 时，因受地球曲率的限制，其最大通信距离约5 0 k m 。提高通信 距离的唯一办法，只有架设高空中继，地球卫星转接器就是最好的一种中继形式。在 高空适当位置分设三个与地球同步的静止卫星，其通信区域几乎可以覆盖全球。 卫星通信有四种方案“1 ： 1 通信卫星采用v s a t 小型地面站卫星通信系统，这种系统十年前才在美国发展 起来，近年来，在其它国家也有了迅速发展。v s a t 已被认为是卫星通信的重要方面。 1 9 9 5 年11 月，亚洲二号通信卫星发射上天，定位于东经1 0 5 。的赤道上空。我国气 象、水i f , 0 、电力、农业等部门都分别购买了其中的转发器，对于使用这种卫星通讯， 我国已有较成熟的经验。 2 使用同步气象卫星，这是一种专用于水文、气象数据采集及其它气象因素探测 8 太原理i ：人学硕十研究生1 7 值论文 的同步：l ! 星。这种卫星的数据转发上行频率较低，约为4 0 0 m h z ，因而站点用的卫星 平点及地而接收站造价较低，工作可靠，实时性好。该卫星采集数据方式已经成为国 外水文、气象收集资料的主要发展方面，有相当成熟的经验和成套的设备供应。目前 国际气象组织正在运行的四颗同步气象卫星中，位于东经1 4 0 0 的同本g m s 卫星的工 作范围覆盖了我国大部地区。根据国际气象组织的有关规定，我国可以申请使用这颗 卫星进行水文、气象数据的传报。 3 使用极轨卫星，这种卫星的轨道通过地球两极上空，因而对于地面其位置是不 吲定的。当卫星经过地丽上空时，可以收集平台的数据并转发至地面接收站。目前有 法、美公司研制的n o a a 卫星的a r g o s 系统可以使用。 4 第四方案是使用海事卫星，这是一种专用于航行船舶通讯的同步卫星，国际海 事卫星组织( i n m a r s a t ) 在1 9 9 2 年丌始提供商业卫星通讯服务。其i n m a r s a t c 系统 采用卫星通信技术，确保了在任何时间都可以将数据发送到目的地，确保了发送数据 不受电离层变化的影响，也不受拥挤的无线电频率干扰的影响，保证了数据通信的可 靠性。i n m a r s a t c 终端具有体积小、重量轻、价格便宜等优点，已推广到水文、气象、 电力等领域。 卫星通信的传输质量好，传输距离不受限制，覆盖面积大，受地形、气候的影响 小，组网灵活，但卫星终端设备成本较高。另外，虽然系统采取按时收费，还依然有 较高的使用成木，实际应用也不是很广泛。 通过比较可以发现以一l 几种通信方式在经济上、技术上存在着一些不足，近年来 人们一直在现场监控设备与控制中心之间寻找一种新的通讯方式，以降低投资、减少 运营费用。 随着移动通信的技术迅速发展，作为2 g 时代无线数据通讯的一个基本业务即短 消息业务被丌发出来。此标准于2 0 世纪8 0 年代提出，原本是在g s m 系统中最为简 单和方便的数据通信方式，但一经推出便得到迅猛的发展，并取得了前所未有的成功。 短消息已作为了一种无线数据的载体，而不是将其仅仅作为文本信息来看待。g s m 短信息信技术的发展，为应用公共通信信道进行短数掘传输提供了简捷快速的技术手 段，由此为满足短数据传输的建设周期大大缩短，同时通信终端设备的体积和成本大 9 太原理：人学硕十研究生学位论文 大下降，已经成为水文信息传输专用通信网的替代方式。 23g s m 通信与g s m 短消息业务 从2 0l ! ：纪2 0 年代开始移动通信技术得到了发展，2 0 世纪4 0 年代进入了建设公 用移动通信系统的阶段。随着移动通信的无线传输、信道管理及移动交换等技术的发 展成熟，无绳电话、无线寻呼、陆地蜂窝移动通信、卫星移动通信等移动通信系统相 继发展起来。自2 0 世纪8 0 年代中期以来，蜂窝移动通信从第一代的模拟蜂窝移动通 信系统发展成第二代的数字蜂窝移动通信系统。作为欧洲一个数字蜂窝移动通信标准 的g s m ( g t o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 系统于1 9 9 1 年正式在欧洲面世，由 于其公丌的规范标准和诸多优点，很快就在全世界范围内的到了广泛的应用，实现了 世界范围内移动用户的联网漫游。 全世界已有近一百个国家和地区建立了g s m 数字移动通信网。中国移动通信公 司以g s m 系统组建了国家数字移动通信网。 23 1g s m 系统组成 g s m 系统主要由交换子系统( n s s ) 、基站子系统( b s s ) 、操作和支持子系统( o s s ) 三部分组成。 系统结构如图2 2 。 1 0 太原理l ：人学硕十研究生学位论文 8 t s 基站收矬器 b s c 墼站控制嚣 b s s 摹站子系统 m s c 咎动空羲中一d 0 m s c 嘲关m s c m s 硌动台 e i r 醴鲁标苟器 t i l , r 归属位置寄存嚣 v l r 访问位置寄存珊 al j c 鉴救中心 心2 - 2g s m 系统结构 f i g 2 - 2g s ms y s t e ms l r u c t u r e 1 ，交换子系统 交换子系统( n s s ) 主要完成交换功能和客户数据与移动性管理、安全性管理所 需的数掘库功能。交换予系统( n s s ) 由m s c 、h l r 、v l r 、e l r 及a u c 组成。 ( 1 ) 移动交换中一1 5 m s c ：是g s m 系统的核心，它完成最基本的交换功能，即实 现移动用户与其它网络用户之问的通信连接。为此，它提供面向系统其它功能实体的 接口，到其它网络的接口以及与其它m s c 互连的接口。m s c 从h l r 、v l r 、a u c 这三种数据库中取得处理用户呼叫请求所需的全部数据，同时这三个数据库也会根据 m s c 最新信息进行自我更新。m s c 为用户提供承载业务，基本业务与补充业务等一 系列服务。 对于容量较大的通信网，一个n s s 可以包括若干个m s c 、h l r 和v l r ，在建 立固定网用户与g s m 移动用户之f 刚的呼叫时，呼叫往往首先被接到入口 m s c ( g m s c ) ，再由入口m s c 负责获耿移动用户位置信息，然后进行接续。g m s c 具有与固定网和其它n s s 实体互通的接口。 ( 2 ) v l r ：是一个数据库，是存储m s c 为了处理所管辖区域中m s ( 统称拜访客 户) 的来晤、去话呼叫所需检索的信息，例如客户的号码，所处位置区域的识别，向 客户提供的服务等参数。v l r 是一个动态数据库，需要随时与有关的h l r 进行大量 1 1 太原理 ：人学硕一i ：t 0 f 究生学f 市沦文 的数掘交换以保证数据的有效性。当用户离丌其覆盖区时，用户的有关信息将被删除。 v l r 在物理实体上总是