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

　　在水文監(jiān)測系統中，常常需要對眾多的水位點進行實時監(jiān)測，大部分監(jiān)測數據需要實時發(fā)送到管理中心的后端服務器進行處理。由于監(jiān)測點分散，分布范圍廣，而且大多設置在環(huán)境較惡劣的地區(qū)，通過電話線傳送數據往往事倍功半。通過GPRS無線網絡進行數據傳輸，成為水文部門選擇的通信手段之一。污染源監(jiān)測設備可將采集到的污染數據和告警信息通過GPRS網絡及時發(fā)送到水文監(jiān)測部門，實現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)測自動化技術的應用和發(fā)展

　　1、 水文監(jiān)測的范圍與內容：

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

　　監(jiān)測范圍：江、河、湖泊、水庫、渠道和地下水等水文參數。

　　監(jiān)測內容：水位、流量、流速、降雨（雪）、蒸發(fā)、泥沙、冰凌、墑情、水質等。

　　2、 人工監(jiān)測技術存在的問題：

　　從水文傳統的人工監(jiān)測技術分析來看，主要存在以下問題：

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

　?。?） 據處理基本靠人工處理判斷，費時易錯；

　?。?） 水文信息的采集、傳輸、處理的實時性和準確性較差，無法適應現代水文的需求。

　　因此，要用自動化技術促進水文監(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。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據通信主要采用手工抄錄或PSTN電話線傳輸。采用電話線傳輸數據時，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)測數據的實時傳輸問題。

　　二、方案優(yōu)點：

　　中國移動GPRS系統可提供廣域的無線IP連接。在移動通信公司的GPRS業(yè)務平臺上構建水文信息采集傳輸系統，實現水文信息采集點的無線數據傳輸具有可充分利用現有網絡，縮短建設周期，降低建設成本的優(yōu)點，而且設備安裝方便、維護簡單。經過比較分析，我們選擇中國移動的GPRS系統作為水文信息采集傳輸系統的數據通信平臺。

　　GPRS無線水文監(jiān)控系統具備如下特點：

　　1、實時性強：

　　GPRS具有實時在線特性，系統無時延，無需輪巡就可以同步接收、處理多個或所有監(jiān)測點的各種數據?？珊芎玫臐M足系統對數據采集和傳輸實時性的要求。

　　2、可對各監(jiān)測點儀器設備進行遠程控制：

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

　　3、建設成本少低：

　　由于采用GPRS公網平臺，無需建設網絡，只需安裝好設備就可以，建設成本低。

　　4、監(jiān)控范圍廣：

　　構建水文信息采集傳輸系統要求數據通信覆蓋范圍廣，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量眾多，分布在全省范圍內，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網絡已覆蓋省內絕大部分地區(qū)，基本不存在盲區(qū)，可實現大范圍的在線監(jiān)控，滿足水文信息采集傳輸系統對覆蓋范圍的要求。

　　6、系統的傳輸容量大：

　　水文中心站要和每一個水文信息采集點實現實時連接。由于水文數據信息采集點數量眾多，系統要求能滿足突發(fā)性數據傳輸的需要，而GPRS技術能很好地滿足傳輸突發(fā)性數據的需要。

　　7、數據傳送速率高：

　　每個水文信息采集點每次數據傳輸量在10Kbps之內。GPRS網絡傳送速率理論上可達171.2kbit/s，目前GPRS實際數據傳輸速率在40Kbps左右，完全能滿足本系統數據傳輸速率（≥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：

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　　1、水文信息采集點：采用廈門宇能科技有限公司的YN4010 GPRS透明無線數據傳輸終端，通過RS232/RS485/TTL與水文設備采集點連接，接入移動公司為水文局提供的專用的GPRS網絡,網絡對水文信息采集點的接入地點、時間、數量沒有限制可以隨時增減?？梢詽M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：本系統中網絡代理服務器可采用INTELNET公網連接，采用公網固定IP， GPRS數據傳輸終端上電后，它會根據預先設定在其內部的IP地址來主動訪問網絡代理服務器，通過代理服務器和監(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，當主站要向某個監(jiān)控終端提出數據請求時，它會根據IP地址和ID號來找到對應的終端，將命令下發(fā)到該終端，終端響應后通過GRPS數據傳輸終端把數據發(fā)到網絡代理服務器端口，通過端口影射轉發(fā)到監(jiān)控中心主站，即完成了一個應答式的通訊流程，當水文信息采集點數量增加，中心不用擴容即可滿足需求。

　　3、GSM /GPRS移動數據傳輸網絡：現場監(jiān)控點采集的數據經GSM/GPRS網絡空中接口功能模塊同時對數據進行解碼處理，轉換成在公網數據傳送的格式，通過中國移動的GPRS無線數據網絡進行傳輸，最終傳送到監(jiān)控中心IP地址。

　　4、可以通過數據中心直接遠程控制YN4010 DTU I/O接口開關水管閥門，實現智能化的管理模式。 　

　　（二）系統方案：

　　各監(jiān)控點使用廈門宇能科技有限公司YN4010 GPRS DTU透明數據傳輸終端，通過移動GPRS網絡與監(jiān)控中心相連。各污染源數據采集點使用移動通信公司統一的STK卡，同時監(jiān)控中心對各點進行登記，保存相關資料以便識別和維護處理。各信息采集點運行監(jiān)控系統軟件，支持24小時實時在線，實現信息采集點24小時傳送采集的水文信息數據。

　　凡省水文局授權的信息采集點均可以使用本系統：

　　1、水位信息采集點必須使用移動統一的SIM卡，用戶使用本卡只能用于與水文站數據通信功能。

　　2、終端設備使用廈門宇能電力科技有限公司提供的GPRS移動數據通信終端。

　　3、用戶登記，符合省級水文局的規(guī)定。

　?。ㄈ┊a品特性：

　　水文信息采集傳輸系統采用YN4010 GPRS DTU。產品基于中國移動的GPRS網絡，提供RS232、RS485、TTL接口，利用GPRS數據業(yè)務實現無線聯網，產品支持各種行業(yè)應用，如實現信用卡實時認證、POS機的遠程控制維護、遠程業(yè)務點接入等。在水文信息采集傳輸系統方案中，YN4010 GPRS DTU可通過外置或嵌入方式與水文信息采集點設備連接。

　　1、支持900／1800／1900MHz三頻GSM/GPRS。

　　2、接口： RS232、RS485、TTL。

　　3、系統理論傳輸速率171Kbps，實際傳輸速率40Kbps。

　　4、支持Windows95/98/2000/XP/LINUX操作系統。

　　5、透明數據傳輸：YN4010EP-DTU內嵌TCP/IP協議，為用戶的數據設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、連接網絡，同時支持用戶端發(fā)起命令連接或遠程喚醒連接；

　　7、短信息備用數據通道：在GPRS網絡無法連接時可啟用短信作為備用數據傳輸通道；

　　8、短信息遠程維護功能；

　　9、實時監(jiān)測網絡連接情況，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定；

　　12、數據通信幀長度用戶可設定；

　　13、支持VPN安全功能。

　　14、安裝靈活、使用方便、可靠。

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　　由于水文數據采集系統的特殊性，本系統需要極高的系統安全保障和穩(wěn)定性。安全保障主要是防止來自系統內外的有意和無意的破環(huán)，網絡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)定是指系統能夠7×24小時不間斷運行，即使出現硬件和軟件故障，系統也不能中斷運行。

　　數據中心可通過公網使用VPN接入到移動GPRS網，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，客戶端在連接應用服務器前，要經過Radius服務器的認證整個數據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絡服務質量。

　　另外，數據中心也可以采用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，可考慮在專用APN接入的基礎上再加上VPN接入方式的混合接入方式，進一步提高系統的安全性。

　　1、VPN虛擬專網模式：企業(yè)內部網絡中配置VPN服務器，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，用戶通過接入企業(yè)內部虛擬專網的方式與Internet進行隔離，可對整個數據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，在網絡側對SIM卡號和APN進行綁定，劃定用戶可接入某系統的范圍,只有屬于指定行業(yè)的SIM卡手機號才能訪問專用APN，移動終端與數據中心采用中國移動分配的專門的APN進行無線網絡接入，普通手機的SIM卡號無法呼叫專門的APN。

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

　　4、數據加密：通過VPN對整個數據傳送過程進行加密保護。

　　5、網絡接入安全鑒定機制：采用防火墻軟件，設置網絡鑒權和安全防范功能，保障系統安全。

　　四、結論：

　　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，系統流量費用目前有包月制和按數據量兩種收費方式，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據采集系統的實際數據量，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，由于接入設備可以移動，當水文觀測站和水文信息采集點搬遷時設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構建水文數據采集系統，不僅能很好地滿足水文信息采集的需求，而且，做為網絡運營商的移動通信公司也將因此獲得業(yè)務穩(wěn)定的集團用戶，隨著用戶數量的增加，移動通信公司的營收也隨之增加，調動了運營商的積極性，符合網絡建設和網絡應用同步發(fā)展的要求。