北京市高级专业技术资格评审申报论文-北京市水文自动化数据传输 系统的研究.doc

北京市高级专业技术资格评审申报论文 第-13-页申报论文（高 级）题目：北京市水文自动化数据传输 系统的研究单 位：北京市水文总站姓 名：课题方向：水文水资源 2009 年 5 月 18 日摘 要数据传输系统是水文信息自动化建设中的关键环节。数据传输系统的质量直接关系到水文信息的时效性、准确性和一致性。在通信技术发展迅速，通信方式繁多的今天，正确选择即能够满足水文信息传输需要，又高度可靠的通信方式是水文自动化系统建设中需要妥善解决的问题。北京水文自动化建设中数据传输系统的设计，以实现北京水文自动化为目标，在论证以往水文信息采集遥测系统传输模式的基础上，从数据传输模式、信道选择、通信组网三个方面统一考虑，设计出了一套符合北京实际的水文自动化数据传输系统。系统采用了一点多址的数据传输模式；在全国水文遥测系统建设中第一次使用了CDMA的VPDN业务，以CDMA为主信道、GPRS为备用信道；测站和分中心采用无线模块接入，中心采用专线接入方式构建水文数据采集专网。经过两年多的实践证明，数据传输模式正确，通信信道可靠，网络结构合理，在北京市水文自动化系统中发挥了重要作用。水文信息的安全性、可靠性和时效性明显增强。关键词： 自动化，数据传输，研究目 录摘 要II目 录III绪 论1一、以往自动化建设中存在的问题21、数据不能共享22、数据可靠性差23、通信方式凌乱2二、数据传输技术对比分析21、数据传输模式对比分析2（1）中心管理模式3（2）分中心管理模式3（3）一点多址模式42、通信信道对比分析5（1）超短波通信信道5（2）GSM通信信道5（3）CDMA通信信道5（4）GPRS通信信道6（5）卫星通信信道7三、数据传输系统的解决方案71、数据传输系统的设计原则72、数据传输模式选择73、通信信道选择84、通信组网方案设计8（1）主信道方案设计8（2）备用信道方案设计9（3）信道的切换9（4）网络构建9（5）方案特点10结 论11参考文献12 -13-绪 论水文信息是防汛及水资源调度的基础数据。传统的水文信息主要依靠人工观测，明传电报、有线电话和无线电台话传等方式进行传输，信息传输错误率高、时效性差、可靠性低、劳动强度大。随着国民经济的发展和城市化进程的加快，水资源供需矛盾日益突出，水环境日趋恶化，洪涝灾害所造成的损失也越来越大。社会各部门对水文信息采集精度、频率和信息传输的时效性要求越来越高，给水文工作带来了新的机遇和挑战。依靠传统手段进行数据采集传输，已不能满足新时期水务对水文信息时效性的要求。采用现代化技术，开展自动化监测，建设水文自动化系统显得十分重要。数据传输系统是水文信息自动化建设中的关键环节。数据传输系统的质量直接关系到水文信息的时效性、准确性和一致性。在通信技术发展迅速，通信方式种类繁多的今天，正确选择能够满足水文信息传输需要，且又高度可靠的通信方式是水文自动化系统建设中需要妥善解决的问题。北京水文自动化建设中数据传输系统的设计，以实现北京水文自动化为目标，紧密结合水务工作需求和水文发展的需要；在论证以往水文信息采集遥测系统传输模式的基础上，对有关水文数据传输的技术、手段和发展趋势进行充分的调研、分析、比较；从数据传输模式、信道选择、通信组网三个方面统一考虑，设计出了一套符合北京实际的水文自动化数据传输系统。一、 以往自动化建设中存在的问题北京市的水文自动化建设工作起步于80年代后期，限于当时通讯技术不成熟，加之没有进行全市统一规划建设，基本上是单站改造或者某个小区域范围内的建设。在数据传输中存在如下问题：1、数据不能共享以往所建系统信息传输目标单一，数据不能共享，多级应用部门之间缺少通讯桥梁。水文站、区县及相关水务管理部门得不到所辖范围内的水文信息，没有形成功能全面、互联互通、信息资源共享的服务系统。2、数据可靠性差以往的遥测系统由于通讯方式单一，缺乏备用手段，造成数据传输的保障率过低，可靠性差。3、通信方式凌乱由于缺乏统一的标准和规划，以往所建系统通信设备种类繁多，全市雨量采集系统中就有超短波、PSTN、盖达卫星、海事卫星、GSM、800兆数传网等多种通讯方式，个别测站装备了3套通信设备。二、 数据传输技术对比分析1、数据传输模式对比分析要想解决好水文数据的传输问题，首先要从水文信息的传输模式入手。水文信息采集可以分为三层，第一层是数据采集层，第二层是分中心（包括水文站、区县水务局和其它水务管理单位），第三层是水情中心（防办、水文总站）。水文信息传输模式可概括为以下三种：（1）中心管理模式水文信息由信息采集点汇集到水情中心，由水情中心将信息分发到各分中心，以满足各级用户的业务需要。优点：网络清晰，易于实施，便于管理。缺点：信息采集层和水情中心的通信链路一旦断裂，所有用户都得不到采集点的水文信息。图2-1 水文信息采集传输模式（1）（2）分中心管理模式水文信息由信息采集点传到水情分中心（水文站），然后再从分中心（水文站）传输到水情中心和其它分中心。优点：网络清晰，流程自下而上，和传统的水文信息传输模式相同。分中心（水文站）处在或接近信息观测现场，可以方便的对得到的数据进行校核，以减少数据的错误率。缺点：经过分中心（水文站）的转发环节，增加了数据传输时间，并且一旦信息采集层和分中心之间的通信链路出现断裂，所有用户层都无法得到采集点的水文信息。图2-2 水文信息采集传输模式（2）（3）一点多址模式水文信息采用一点多址的方式分别传输到水情中心和分中心（水文站）以及其它相关用户，并且分中心（水文站）和水情中心实现网络互联。图2-3 水文信息采集传输模式（3）优点：充分考虑了各级用户对水文信息的时效性要求，且用户层之间实现了网络互联。任何一条链路断裂，用户层都不会影响到信息的接收。缺点：网络结构略显复杂，实施难度较大。2、通信信道对比分析通信信道是数据传输系统的中枢神经，在水情测报系统中可采用的数据通信方式可简单分为有线和无线两大类，其中有线通信主要包括架设光缆、电缆或租用电话线、X.25、DDN、ADSL等，而无线则包括短波、超短波、扩频、卫星、GSM、GPRS、CDMA通信等。（1）超短波通信信道超短波通信是利用110米波长的电磁波进行视距传输的一种。超短波通信在早期的水情测报系统中被广泛使用，由于需要建中继站，造成施工复杂、管理维护工作量大，现一般只用于短距离通信的场所。（2）GSM通信信道GSM是电信部门向用户提供的一种数字通信资源，利用GSM短信息平台组网，具有以下优势：GSM系统设备体积小、重量轻、功耗低。由于不需要架设室外天线，安装方便。缺点是：不能同时双向收发数据。相对CDMA1X及GPRS而言，它的平均传输时延较大，特别是在重大活动或重大节日等通信高峰期，容易发生信道堵塞，导致通信不畅。（3）CDMA通信信道CDMA是码分多址的英文缩写（Code Division Multiple Access），它是在数字技术的分支-扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术，可支持移动IP业务。稳定状态下的速率可在70K-80K左右，是普通拨号上网的3倍以上。可实现一对一、一对多等多种交互业务，所以组网十分灵活。可以用于数据传输、远程监控等应用。CDMA1X进行数据通信系统结构如图所示。优点：系统响应速度快，传输时效好，信道稳定可靠。一次性建设投资少，维护管理简单，运行费用较低。缺点：由于北京地区用户数众多，实测速率有所降低。图2-4 CDMA1X数据通信系统示意图（4）GPRS通信信道图2-5 GPRS数据传输系统示意图GPRS(General Packet Radio Service)是通用分组无线业务的简称，是在现有GSM网络中增加GGSN和SGSN来实现的，可为用户提供高速无线IP或X.25服务。GPRS进行数据传输的系统结构如图所示。 GPRS除实际使用速度比CDMA1X稍低外，其它的优点基本和CDMA1X相同。（5）卫星通信信道相对于其它通讯方式，卫星通信系统具有传输质量最好、传输距离不受限制、覆盖面积大、受地形及气候影响小、组网灵活、抗雷击能力强等优点。缺点是：功耗大，系统建设和运行成本高，不利于维护管理。三、数据传输系统的解决方案数据传输系统是水文信息自动化建设中的关键环节。数据传输系统的设计必须考虑新时期首都防汛抗旱和水资源调度决策对水文信息的安全性、可靠性和时效性的要求。1、数据传输系统的设计原则（1）、水情信息在10分钟之内准确传到北京市水文总站和其它相关用户。（2）、选择具有高可靠性的工作体制，通信畅通率应大于99%，系统误码率小于10-5。（3）、充分考虑通信网络的可靠性、灵活性和可扩展性。 （4）、系统应具有召测功能，可以随时远程召测实时数据和任意时段内的数据。2、数据传输模式选择经对各种数据传输模式的分析，一点多址的数据传输模式虽然具有结构复杂和实施难度大的缺点，但这些问题在设计和施工中可以得到很好的解决。该模式充分考虑了各级用户对水文信息的时效性要求，使水文总站、水文站和其它相关用户都能得到实时数据信息，各级用户层之间实现了互联。任何一条链路断裂，都不会影响到用户层的信息接收，提升了数据的保证率，更适合北京市水文自动化系统建设的需求。3、通信信道选择根据水文信息的安全性、可靠性和时效性的要求，数据传输系统的通信信道选择应以组网灵活性、主备信道互为备份、可自动切换以及具有召测功能为主要标准，同时考虑建设及运营成本。卫星通信方式虽然在可靠性、传输质量等方面具有一般信道不能比拟的优势，但建设及运营成本却相对太高，所以首先排除在本次项目中使用。GSM通信方式虽然也有很多的优点，但考虑到GSM的时效性问题及传输带宽很难保证召测功能的实现，也应将其排除。CDMA1X和GPRS通信信道基本上具有相同的优势，且组网方式基本相同，随着移动通信技术的不断发展，CDMA1X/GPRS通信网络已经覆盖全国各地，网络运行稳定，因此，选择CDMA1X及GPRS信道为本项目的通信信道。4、通信组网方案设计（1）主信道方案设计雨、水情数据传输的主信道采用采用CDMA1X网内VPDN方式。采集站点和分中心主信道采用无线方式接入CDMA1X网内。每个站点配备CDMA无线通讯模块，分配用户名和口令，并绑定一个网内固定IP地址。水情中心是所有传输数据的汇入点，从可靠性和带宽等方面因素综合考虑，采用光纤专线接入CDMA1X网内。由于每个站点都有固定的网内IP地址，所以站点与水情中心、站点与分中心、水情中心与分中心都可以双向连接，实现自报、自报-确认召测三种工作体制。（2）备用信道方案设计备用信道使用GPRS方式，组网方式同主信道。所不同的是区县水管单位、勘测队、水库管理单位尽量采用水利骨干网和水情中心连接，不设有备用信道。（3）信道的切换当CDMA1X信道出现故障时，RTU上的CDMA1X模块连续三次发送信息，若在设定时间内没有收到确认回执，系统将切换到GPRS备用信道进行数据传输。当CDMA1X信道恢复正常时，RTU将切换回主信道正常工作。水情中心和分中心可以使用主信道CDMA1X或备用信道GPRS对相应的测点进行召测。（4）网络构建在网络构建方面，北京市水务局骨干网已经覆盖到区县水务及水库管理单位，这些单位可以采用SDH通信方式组网；对于地域分散及目前尚无法接入水务局骨干网的各水文站或有移动办公需求的用户，采用CDMA1X的通信方式组网。各水文站配备的CDMA接收模块除具有数据接收功能外，还具有网络连接功能。（5）方案特点水文自动化数据传输系统，采用一点多址的数据传输模式，使水文总站、水文站和其它相关用户都能得到实时数据信息，兼顾了各级用户对水文信息的需要，并且由于各个用户层之间实现了网络互联，任何一条链路断裂，用户层都不会影响到信息的接收。在全国水文遥测系统建设中第一次使用了CDMA的VPDN业务，以CDMA为主信道，GPRS为备用信道，主、备信道自动切换，以自报、自报-确认、召测工作体制混合组网，在保证传输速率的同时，提升了数据通信的保证率。网络构建采用公专结合、互为补充，测站和分中心采用无线模块接入，中心采用专线接入方式构建的VPDN专网，具有先进性、灵活性、扩充方便等特点。使水文站能够方便快捷的联入北京市水务骨干网，为水务信息化建设铺就了信息高速公路。数据传输系统网络结构示意如图3-1所示。图3-1 系统的通信组网结构示意图结 论水文数据传输系统采用了一点多址的数据传输模式；在全国水文遥测系统建设中第一次使用了CDMA的VPDN业务，以CDMA为主信道，GPRS为备用信道；测站和分中心采用无线模块接入，中心采用专线接入方式构建水文数据采集专网。经过两年多的实践证明，数据传输模式正确，通信信道可靠，网络结构合理，在北京市水文自动化系统中发挥了重要作用。水文信息的安全性、可靠性和时效性明显增强。水情中心能在20分钟内收集齐全市所有报汛站的雨水情信息，洪水预报时间比系统建设前提前2-5小时。为北京水文工作迈向高科技的现代化、信息化打下了坚实的基础。 系统建设之初，3G网络仍不成熟，水文站和区县作为网络节点利用CDMA1X的VPDN网络联入了北京市水务骨干网，网络速度较慢，随着3G技术