劉裕偉 劉景彬 姜懷璽

(1.天津市水務(wù)局濱海水業(yè)集團(tuán) 天津 300381; 2.北京農(nóng)學(xué)院 北京 102200)

在供水工程的管理中如何提高供水監(jiān)測(cè)水平,保障供水安全,提高水資源的合理調(diào)配已成為當(dāng)前管理部門重要的任務(wù)。針對(duì)供水過程中存在的問題,急需建立一套完善的、科學(xué)的供水信息管理系統(tǒng),適應(yīng)新形式下供水管理需求。管理系統(tǒng)應(yīng)集輸水監(jiān)測(cè)、超限報(bào)警、供水調(diào)度與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)于一體,結(jié)合辦公軟件,實(shí)現(xiàn)工程管理自動(dòng)化、信息化。

我們?cè)诮⒐┧疁y(cè)控系統(tǒng)過程中,對(duì)一些關(guān)鍵性技術(shù)進(jìn)行了分析論證,提出了具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的解決方案,這些關(guān)鍵技術(shù)中的一個(gè)重點(diǎn)即是GPRS無線通訊技術(shù),系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)、無線通訊等技術(shù),結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備,流量控制設(shè)備等,對(duì)供水過程作全面準(zhǔn)確監(jiān)控與管理。使管理者隨時(shí)掌握整個(gè)供水系統(tǒng)的最新信息,實(shí)現(xiàn)供水管網(wǎng)管理、運(yùn)行調(diào)度的自動(dòng)化。此項(xiàng)技術(shù)的合理運(yùn)用為供水測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)施和日常運(yùn)轉(zhuǎn)提供了極為重要的保障作用。“引灤供水管網(wǎng)智能化測(cè)控系統(tǒng)”對(duì)實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)供水的聯(lián)合統(tǒng)一調(diào)度,提高工程管理水平和保障供水安全有巨大的實(shí)用價(jià)值。

1 通信系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)采用通用分組無線業(yè)務(wù) (GPRS)作為無線接入方式。利用現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍,通過移動(dòng)公司GPRS核心網(wǎng)絡(luò)和短信中心遠(yuǎn)程接入,連接企業(yè)網(wǎng)絡(luò),有線連接部分使用天津移動(dòng)2M專線。無線接入部分采用安全成熟的GSM用戶鑒權(quán),將合法用戶的SIM卡與企業(yè)APN進(jìn)行綁定,對(duì)這部分用戶的數(shù)據(jù)連接分配靜態(tài)IP地址。遠(yuǎn)程接入部分在GPRS核心網(wǎng)絡(luò)為企業(yè)應(yīng)用設(shè)置專用的靜態(tài)路由和專用線路,確保路由信息的唯一性,同時(shí)在GPRS核心網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程接入連接處放置防火墻,加載安全策略確保訪問安全。

GSM手機(jī)可以通過短信網(wǎng)絡(luò),隨時(shí)隨地以無線方式與數(shù)據(jù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。不管身在何處,只要使用GSM手機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)短信查詢功能。

確定數(shù)據(jù)中心被訪問目的IP地址段及子網(wǎng)掩碼。在GPRS核心網(wǎng)APN-DNS服務(wù)器上配置APN數(shù)據(jù)和APN解析地址指向數(shù)據(jù)。

在GPRS核心網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)上劃分企業(yè)專用VLAN,在兩個(gè)路由交換模塊上分別配置靜態(tài)路由,路由交換模塊與防火墻連接的接口配置HSRP協(xié)議,進(jìn)行雙路由備份。

在GGSN上增加APN數(shù)據(jù)。配置防火墻,提供路由連通能力。在GGSN和防火墻上加載安全策略,進(jìn)行最終測(cè)試。

連接短信中心的企業(yè)接入網(wǎng)關(guān),并為某企業(yè)分配固定的短信端口。

采用GPRS VPN方式無線遠(yuǎn)程接入辦公網(wǎng),需配備GRE隧道協(xié)議的VPN服務(wù)器。

配合某企業(yè)的遠(yuǎn)端測(cè)站的全網(wǎng)優(yōu)化。

2 通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式

以中國移動(dòng)的GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)為平臺(tái),采用GPRS、SMS、CSD、USSD等方式,通過特種終端,服務(wù)于用戶的機(jī)器到機(jī)器的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。采取點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的傳輸方式,實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)同中心節(jié)點(diǎn)間的通信。

無線DDN產(chǎn)品構(gòu)成如圖1所示:

圖1 無線DDN產(chǎn)品構(gòu)成圖

無線終端:針對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用終端;

傳輸通道:從無線終端到用戶端的應(yīng)用中心之間的通道;

控制中心:終端上傳數(shù)據(jù)的匯聚點(diǎn),對(duì)分散的數(shù)據(jù)終端進(jìn)行監(jiān)控。

3 通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程

網(wǎng)關(guān)以專線形式與GPRS骨干網(wǎng)GGSN接入路由器連接;2M帶寬專線保證最大效率傳輸數(shù)據(jù);

為數(shù)據(jù)中心網(wǎng)關(guān)單獨(dú)分配專用的APN(GPRS接入點(diǎn)編碼);

GPRS數(shù)據(jù)采集終端,采用適合網(wǎng)絡(luò)要求的GPRS通信模塊,適合系統(tǒng)環(huán)境下的連續(xù)可靠的運(yùn)行;

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)關(guān)設(shè)置Radius服務(wù)器,為終端分配內(nèi)部IP地址通信通道采用無線DDN,節(jié)省建設(shè)費(fèi)用,有可靠的通信質(zhì)量;

數(shù)據(jù)在GPRS網(wǎng)中的流動(dòng)過程中,設(shè)置識(shí)別、身份認(rèn)證、校驗(yàn)等安全認(rèn)證,有效地防止誤操作或惡意入侵對(duì)系統(tǒng)的破壞;

數(shù)據(jù)交換通過標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議傳輸,并在協(xié)議層間進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)。

3.1 網(wǎng)絡(luò)接入方式

監(jiān)控中心接入:監(jiān)控中心有多種接入方式,考慮到系統(tǒng)安全和成本。本系統(tǒng)采用專線接入。通過專線接入中國移動(dòng)的路由器,移動(dòng)公司為用戶提供私有IP地址。數(shù)據(jù)安全性好,穩(wěn)定可靠,傳輸延遲小。

數(shù)據(jù)終端接入:GPRS有CMNET和APN接入方式,CMNET通常用于公眾用戶,APN針對(duì)行業(yè)用戶,通常在一個(gè)組內(nèi),用戶需設(shè)定用戶名和密碼,安全性更好。APN用戶可以申請(qǐng)綁定移動(dòng)內(nèi)網(wǎng)的固定IP地址。本系統(tǒng)采用APN接入方式。

3.2 數(shù)據(jù)鏈路傳輸方式

經(jīng)過實(shí)測(cè),網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量和穩(wěn)定性較好,考慮到冗余性和效率。采用UDP方式傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù),滿足系統(tǒng)要求傳輸速率快的需求。

3.3 傳輸時(shí)延 (從發(fā)送到接收數(shù)據(jù)之間的時(shí)間)

不同的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度,傳輸?shù)臅r(shí)延不同。一般MT U(最大傳輸單元)大于200字節(jié)不會(huì)明顯增加帶寬,但會(huì)增大平均延遲,測(cè)試結(jié)果表明MT U的最優(yōu)大小是250字節(jié)左右。目前,一個(gè)包長(zhǎng)為100到200字節(jié)之間的數(shù)據(jù)包在1秒內(nèi)互傳完畢,大于200字節(jié)的數(shù)據(jù)包平均在1秒到3秒之間。目前傳輸?shù)臄?shù)據(jù)每次在200字節(jié)以下。

3.4 穩(wěn)定性

在目前的GPRS網(wǎng)絡(luò)正常的情況下運(yùn)行,數(shù)據(jù)包傳輸成功率都在99.9%以上。

3.5 網(wǎng)絡(luò)設(shè)置

①專線接入路由器,用作專線連接到用戶路由器,并進(jìn)行配置。

包括:分配給路由器各端口地址,路由IP:192.192.192.150;路由調(diào)試 (只用靜態(tài)路由)?？紤]到保護(hù)GPRS網(wǎng)絡(luò)的安全,在路由器端口加嚴(yán)格的數(shù)據(jù)包過濾,只允許GRE隧道的兩端地址和GRE端口號(hào)、RADIUS請(qǐng)求和回復(fù)數(shù)據(jù)通過,其他一切數(shù)據(jù)不允許進(jìn)出。

②在GPRS網(wǎng)絡(luò)為濱海水業(yè)集團(tuán)建立APN(YLRG.TJ),此APN需要 RADIUS認(rèn)證,RADIUS Server位于濱海水業(yè)集團(tuán)內(nèi);保證在GPRS網(wǎng)絡(luò)上均能訪問到此APN。

在GGSN新增加APN,全市任一終端訪問該APN都回歸到GGSN。

為某企業(yè)提供APN路由,該企業(yè)的數(shù)據(jù)從GGSN進(jìn)入GRE隧道,到該企業(yè)集團(tuán)的GRE路由器結(jié)束。

數(shù)據(jù)傳輸使用中國移動(dòng)公司提供的GPRS網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品,分別為供水管網(wǎng)中設(shè)置的測(cè)控站點(diǎn)與數(shù)據(jù)中心之間建立無線通信鏈路,形成中心一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn),實(shí)時(shí)連接,永久在線的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)方式。數(shù)據(jù)中心主干鏈路接入2Mb帶寬的專線,完全滿足中心站對(duì)全部測(cè)控站點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及辦公文檔的傳輸容量的需要。

數(shù)據(jù)傳輸主干鏈路屬APN類GPRS網(wǎng)絡(luò),與GPRS公網(wǎng)物理隔離,具有高度安全性、可靠性。申請(qǐng)進(jìn)入測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的賬號(hào)由數(shù)據(jù)中心軟件系統(tǒng)嚴(yán)格管理,由移動(dòng)公司網(wǎng)管中心進(jìn)行24小時(shí)監(jiān)控并保留一年內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸記錄。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)終端通訊設(shè)備采用宏電 H7118 GPRS DT U傳輸模塊(RS-232接口,外置式);該設(shè)備抗干擾性強(qiáng)、并具防潮設(shè)計(jì),非常適合電磁環(huán)境惡劣的應(yīng)用需求及野外安置。數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕M織,通過GPRS無線數(shù)據(jù)分組網(wǎng),利用APN技術(shù)可實(shí)現(xiàn)從有線到無線的完整解決方案。

4 通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程

測(cè)站現(xiàn)場(chǎng)裝有各種傳感器和儀表,我們將儀表輸出信號(hào)引入采集設(shè)備。

現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)類型主要有電流信號(hào)、脈沖信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。流量、壓力、水位信號(hào)為4-20mA電流信號(hào),累計(jì)水量為脈沖信號(hào)。一些儀表有數(shù)字信號(hào)輸出,可通過485接入RTU,RTU可接入模擬量AI、數(shù)字量DI和脈沖信號(hào)PI。

(1)數(shù)據(jù)采集。RTU是現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集控制設(shè)備,采集管道壓力、流量、累積水量、水池水位、閥位 信 號(hào) 等。RTU 型 號(hào) 為 SuperEAI4AO2DI0DO0PI3-NR。該設(shè)備有4個(gè)模擬量輸入,2個(gè)模擬量輸出,3個(gè)脈沖量輸入,兩個(gè)通訊端口,一個(gè) RS232,一個(gè) RS485。根據(jù)信號(hào)類型,對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行了歸類。

(2)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)接入。將現(xiàn)場(chǎng)采集信號(hào)-流量、壓力、水位、閥位接入AI端,累計(jì)水量接入PI端,A0端接入電動(dòng)裝置信號(hào)輸出端。

輸入信號(hào)類型如表1所示:

表1 輸入信號(hào)類型表

圖2 輸入信號(hào)連接圖

輸入信號(hào)連接如圖2所示

(3)DTU連接與設(shè)置。DTU是中心與測(cè)站的通訊設(shè)備,DT U與RT U通過RS232相連,連接速率9600kbps。DTU上電后,內(nèi)部程序根據(jù)中心站IP和DNS等,與中心站建立連接,經(jīng)過移動(dòng)公司APN驗(yàn)證,接入濱海水業(yè)集團(tuán)監(jiān)控中心。連接成功后,程序定時(shí)上傳監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

DTU需要預(yù)先設(shè)定一些參數(shù),與中心站連接。設(shè)定的參數(shù)包括中心站IP,DNS,SIM卡號(hào)等。以大港水廠測(cè)站為例,DT U的參數(shù)設(shè)置如表2所示:

表2 DTU參數(shù)設(shè)置表

由表2可知,DTU模塊預(yù)置了中心站IP地址和自;身SIM號(hào)、IP地址等信息。DTU加電后會(huì)自動(dòng)搜索中心站IP與中心站建立GPRS連接,等待向目標(biāo)地址(中心站)上傳數(shù)據(jù),傳輸速率 30～40Kbps。每次傳送數(shù)據(jù)量約200字節(jié)。數(shù)據(jù)刷新頻率為10s。

同理,DT U亦可將中心站所要進(jìn)行的遠(yuǎn)程調(diào)水指令回傳RTU,再由RTU與現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)閥門連接,RTU進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算后對(duì)電動(dòng)閥門發(fā)出調(diào)水指令調(diào)節(jié)閥門的開度達(dá)到調(diào)節(jié)水量的目的。RTU的RS232口與通訊模塊DTU相連,連接速率為9600Kbps。數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位分別為8,N,0。

(4)采集程序。采集程序采用圖形化軟件Eladder、C語言等編寫,采集程序根據(jù)采集數(shù)據(jù)的數(shù)量,預(yù)先分配寄存器地址,將模擬量讀入指定寄存器,2s動(dòng)態(tài)更新。

5 結(jié)語

采用GPRS技術(shù)的供水測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)施有效地改善了供水過程中存在的供水?dāng)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)性差、數(shù)據(jù)精度低、故障反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、數(shù)據(jù)共享程度低、工作效率低等問題,為實(shí)現(xiàn)供水的科學(xué)管理提供了技術(shù)保障。

以GPRS為傳輸載體,將現(xiàn)場(chǎng)采集的供水?dāng)?shù)據(jù)及時(shí)準(zhǔn)確傳入中心控制系統(tǒng),是系統(tǒng)重要組成部分。隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬的逐步加大(開通3G),使實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)視頻傳輸成為可能,無線傳輸技術(shù)的發(fā)展為今后水利信息的可視化提供了良好的基礎(chǔ)條件。