白龟山水库遥测系统北斗卫星信道建设

熊启龙，刘永强，徐章耀，郭广涛

（1.水利部淮河水位委员会水文局，安徽 蚌埠 233001；2.河南省白龟山水库管理局，河南 平顶山 467000；3.河南省平顶山水文水资源局，河南 平顶山 467000）

白龟山水库遥测系统北斗卫星信道建设

熊启龙1，刘永强2，徐章耀2，郭广涛3

（1.水利部淮河水位委员会水文局，安徽 蚌埠 233001；
2.河南省白龟山水库管理局，河南 平顶山 467000；
3.河南省平顶山水文水资源局，河南 平顶山 467000）

针对河南省白龟山水库水情自动测报系统的现状，提出以短信和北斗卫星 2 种信道同时作为系统主信道的升级改造方案，极大地增强系统的稳定可靠性和抵抗自然灾害能力，解决在连续阴雨天气、交流电停电、网络中断等极端条件下系统不能独立正常运行的问题。其在利用北斗通信信道方面作出的成功探索，对其它水情自动测报系统的建设有很好的借鉴意义。

水情自动测报系统；短信信道；北斗卫星通信信道；双信道

0 引言

河南省白龟山水库位于淮河流域沙颍河水系沙河干流上，平顶山市西南郊，距市区约 2 km。控制流域面积 2 740 km2，总库容 9.22 亿m3，是一座以防洪为主，兼顾城市生活工业、农业灌溉为一体的大（Ⅱ）型水库工程。

近年来，通过中小河流治理、山洪灾害预警、河南省水情分中心等一系列工程的建设，河南省水文局在白龟山水库流域内建设了 12 个水文遥测站点，测量参数为雨量和水位，遥测站采用中国移动GSM 短信作为主信道，将水雨情信息发送到河南省水文局中心站，河南省水文局在接收到数据后，分解入数据库，再通过水利信息网将雨水情数据实时共享到白龟山水库管理局。

为了提高系统稳定可靠性和减少对公共有线通信资源的依赖，增强系统抵抗自然灾害的能力，白龟山水库对原设备进行升级改造，在原有遥测系统的基础上增加备用通信信道，数据直接发往白龟山水库，使得白龟山水库中心站有多种方式收集流域雨水情信息，保证在极端阴雨天气、有线网络中断、交流电中断等恶劣条件下，中心站仍能通过有效手段及时掌握流域内的雨水情信息，这对白龟山水库的防汛抗旱有着极为重要的意义。

“北斗一号”卫星定位系统是我国自主研发，利用地球同步卫星为用户提供全天候、区域性的卫星定位系统。该系统由 2 颗地球静止卫星、1 颗在轨备份卫星、中心控制系统、标校系统和各类用户机等部分组成[1]。北斗卫星短信服务是北斗卫星定位系统提供的一种特有的服务，作为一种新兴的通信方式，有很大优势，抗干扰能力强，数据从发送到接收不超过 3 s，实时性高[2]。因此在原有系统 GSM短信信道的基础上，选择北斗卫星通信信道作为系统的另外一种主通信信道。

1 系统设计

目前民用的北斗卫星通信有以下特点和使用约束：

1）北斗卫星短信报文的服务频度一般是 60 s，也就是同一个北斗卫星终端在每 2 次短报文通信或者定位服务时间间隔至少要超过 60 s。服务频度也可以申请到 30 s，但是费用要高一些。

2）1 条短信报文的长度由向经销商申请的 SIM卡级别而定，比如 3 级卡最多发送 78.5 个字节；4 级卡最多可以发送 96 个字节。

3）由于使用地球同步轨道卫星进行通信，北斗卫星终端的安装地点必须保证正南方没有阻挡物，否则将接收不到信号。

4）民用北斗卫星通信发送报文没有“确认”机制，当向北斗卫星终端提交 1 条短信报文时，仅仅收到卫星终端发送的回执，而不能收到卫星系统发送的确认回执。

白龟山水库遥测系统组网示意图如图1 所示。改造原有遥测系统，在原有系统基础上保留 GSM 短信信道，增加北斗卫星通信信道。考虑到北斗卫星报文和 GSM 短信通信的特点和计费方式，设计如下数据通信方式：遥测数据第一目的地采用 GSM 短信信道发送到河南省水文局，与原有遥测系统保持兼容；遥测站第二目的地采用北斗卫星作为主信道将雨水情数据发送到白龟山水库管理局，这 2 种通信信道发送的数据是一样的。白龟山水库管理局中心站采用 2 种方式接收遥测系统数据：1）通过水利信息网络从省中心接收共享数据；2）通过北斗卫星终端接收各遥测站发送的北斗卫星短信报文数据。

采用这种设计方式的特点主要有：

1）从遥测站来看，这 2 种通信信道并不是互为备份，而是同时作为系统的主信道，发送相同的信息。

2）数据冗余，在系统信道良好的状况下，同样的数据，中心站通过不同信道接收到完全相同的2 份，互为补充和验证，极大地提高了系统数据的质量，同时也保证了数据的完整性。

3）中心站服务器拥有 2 个独立的数据库，存放通过 2 种不同信道接收的遥测信息，互为补充。

图1 白龟山水库遥测系统组网示意图

2 系统建设

2.1 单雨量遥测站建设

系统原有单雨量遥测站 9 个，遥测终端机采用淮河水委员会水文局研发的 WATER-2000C，WATER-2000C 内嵌 GSM Modem 通信模块和太阳能充电控制电路，用以发送接收 GSM 短信息和蓄电池充放电控制，每个遥测站供电系统由 1 块 6 W 太阳能板和 1 块 7 A•h/12 V 蓄电池构成。

每个遥测站需要增加 1 个北斗卫星终端，并申请 1 张 3 级用户卡，系统由于增加了北斗卫星终端的功耗，因此遥测站原有的供电系统也需要改造，更换遥测站的太阳能板功率为 20 W，蓄电池更换为20 A•h /12 V 容量的蓄电池[3]。

WATER-2000C 遥测终端机拥有 1 个独立的RS-232 接口，采用该接口与北斗卫星终端连接，由WATER-2000C 控制北斗卫星终端的供电和运行。为了节省功耗，北斗卫星终端采用掉电方式运行，当系统在值守状态下，北斗卫星终端不带电，当需要发送数据的时候，遥测终端机将其进行上电，发送报文成功后，北斗卫星终端立即掉电。

当有雨情时，达到发送门限后，遥测终端机WATER-2000C 形成 1 份报文，同时通过 GSM 短信和北斗卫星通信信道发送，由于这 2 种通信方式物理上占用遥测终端机的不同通信接口，在“实时多任务”的程序设计机制下，这 2 种“通信任务”同时发生，并不是按先后顺序进行，这种设计方式极大地提高了系统的实时性和可靠性，减少了通信运行时间，节省了系统功耗。

2.2 雨量水位短传遥测站建设

白龟山水库所属白龟山、米湾、彭河3 个雨量水位遥测站原有水位数据是采用“无线短传方式”实现，无线短传设备是由淮河水委员会水文局研发的无线短传从站 WATER-2000C-DCT 和主站 WATERYDH-2000D 组成，该无线短传设备完全兼容 WATER-2000C 所有的功能，并增加了“无线短传”功能。以白龟山遥测站为例，其组网方式如下：

雨量观测场在白龟山水文站，而水位测点在水库坝上，两者之间距离有 3～4 km。白龟山水文站安装 1 套遥测短传主站 WATER-YDH-2000D，水库坝上安装1 套短传从站 WATER-2000C-DCT，短传从站采集坝上水位数据，通过超短波信道将数据发送到短传主站，短传主站接收到水位数据后，和雨量数据一起采用 GSM 短信信道发送到河南省水文局。短传主站电源系统由 1 块 20 W 太阳能板和 1 块 38 A•h /12 V蓄电池构成。

另外，白龟山水文站配置了 1 台计算机与短传主站 WATER-YDH-2000D 通过 RS232 接口相连接，用以提取短传主站的实时雨量水位数据，构成 1 个遥测分中心，计算机将接收到的数据解码入库，用以历史和实时雨水情数据的保存、修改和查询。

本次升级改造建设，为每 1 个遥测短传主站增加 1 台北斗卫星终端，并申请 1 张 3 级用户卡；为了增加系统的续航能力，更换主站电源配置为 40 W太阳能板和 65 A•h /12 V 蓄电池。

短传主站设备WATER-YDH-2000D 有 4 个独立的串行通信接口与以下设备相连接：超短波电台（接收短传水位）、北斗卫星终端、计算机（分中心）、GSM Modem。其中超短波电台和 GSM Modem模块内嵌集成到 WATER-YDH-2000D 设备内部。

因此，当雨水情信息来临时，达到发送门限后，短传主站形成报文，分别以 3 种不同通信信道向 3 个目的地发送数据[4]：

1）通过 GSM Modem 发送遥测短信数据到河南省水文局；

2）通过北斗卫星终端发送遥测数据到白龟山水库管理局；

3）通过 RS-232 接口以有线方式发送数据到分中心计算机。

由于这 3 种通信方式物理上占用终端机不同的通信接口，在终端机“实时多任务”的程序设计机制下，这 3 种“通信任务”同时发生，发送的数据是相同的。

2.3 中心站数据接收

白龟山水库管理局中心站数据接收通过 2 种方式实现：

1）白龟山水库管理局安装 1 台北斗卫星终端，通过 RS-232 接口以有线方式连接到服务器计算机上，服务器安装北斗卫星终端数据接收软件，值守运行，用以接收遥测站通过北斗卫星终端发送的短信报文。

2）服务器安装河南省水文局提供的遥测数据共享软件，通过水利信息网接收河南省水文局共享的的遥测数据。

这 2 种方式接收的遥测数据完全是相同的，互为补充和验证。

3 系统运行与完善

3.1 系统改进完善

2013—2014 年，白龟山水库水情自动测报系统改造工程分 2 期共改造建设 9 个雨量遥测站和 3 个雨量水位短传遥测站。经过近 1 年时间的运行，总体运行状况良好，数据实时性和完整性较以前单一的接收方式有很大提高。

但是在实际运行中，发现系统中心站采用计算机连接北斗卫星终端接收遥测站数据的接收方式，存在一定的隐患：

1）北斗卫星终端在接收到短信报文后，不提供短信暂存的功能，而是直接通过 RS-232 串口发送出去，如果计算机没有接收到，就会丢失数据，没有再次接收的机会。

2）如果中心站服务器因为硬件故障、机房停电、系统崩溃等原因停机，那么系统就会丢失遥测站通过北斗卫星发送的报文。

3）由于中心站服务器采用交流电供电，即使配置大容量的 UPS，不能保证在极端自然灾害情况下机房断电长时间运行。综合考察整个系统的稳定可靠性，中心站的性能是一个瓶颈，严重拉底了系统的续航和抵御自然灾害的能力。

因此，为了消除系统隐患，提高系统整体稳定可靠性，重新设计中心站数据接收方式如下：

1）建设通信前置机 FIU（Forward Interface Unit）连接北斗卫星终端，用以接收北斗卫星终端的数据。前置机 FIU 是一种特殊设计的终端机，稳定可靠性比计算机有很大提高，功耗比较低。

2）服务器计算机通过串口与前置机 FIU 相连。前置机在接收到北斗卫星终端的短信报文后，暂存在内存中，等待服务器计算机进行提取，计算机定时将报文数据提取出来，解码入库。

3）前置机 FIU 采用大容量蓄电池进行供电，系统续航能力强，在没有外部充电的条件下，可坚持运行 15 d 以上。

3.2 系统的经济性和可靠性

采用前置机 FIU 连接北斗卫星终端接收短信报文数据的这种方式，即使服务器关闭一段时间，遥测数据都暂存在前置机内存中，当服务器恢复运行时，仍然能够将遥测数据全部提取出来，不会出现数据丢失的状况。实践证明，中心站通过北斗卫星信道 1 次收集全系统遥测站定时报北斗卫星短信报文数据，不超过 3 min。

通过以上改进措施，整个系统的稳定可靠性和续航能力得到极大增强，2014 年 8 月白龟山水库管理局水情科进行了为期 1 周的在极端天气下、中心站完全停电、移动信号和网络全部中断的紧急情况遥测系统预演习，演习过程中，整个系统的运行状况良好，演习后查看系统运行日志和审查原始数据，数据完整性和实时性都得到保障。

目前北斗卫星短信报文服务收费采用年费制，在缴纳 1 年的费用后，发送短信报文的数目不受限制，因此，在年降雨量比较大或者水位变化比较频繁的遥测站，采用北斗卫星短信报文上报雨水情数据，经济性较好。

通过遥测站增加北斗卫星通信信道和完善中心站数据接收方式，遥测站水情数据的传输不再受制于当地通信条件，成功率有很大提高，同时，中心站也在保持原有数据接收方式的基础上，增加了北斗卫星信道接收方式，使得整个系统的稳定可靠性得到极大增强。

4 结语

白龟山水库遥测系统北斗卫星信道建设在原有系统基础上扩展功能，通过增加北斗卫星终端，并配置合适的蓄电池和太阳能板建设而成，与原有系统投资相比，备用信道系统建设费用较低，系统整体可靠性得到极大提高。

实践证明，白龟山水库水情自动测报系统以GSM 短信和北斗卫星通信作为双信道的建设方案是成功可行的，系统完全可以不依靠当地公共通信资源独立运行，系统的稳定可靠性和抵抗自然灾害能力得到极大增强。白龟山水库水情自动测报系统作为河南省首批成功以北斗卫星通信信道作为系统主通信信道的遥测系统，在数据传输方式、前置机数据接收、续航能力建设等方面作出的实践性探索，对河南省乃至淮河流域水情自动测报系统双信道建设有着很好的借鉴意义。

[1] 孟宪伟，范晓东.北斗卫星通信在自动气象站数据传输中的应用[J].卫星应用，2014,27 (3): 32-34.

[2] 刘尧成，华小军，韩友平.北斗卫星通信在水文测报数据传输中的应用[J].人民长江，2007,38 (10): 120-121.

[3] 中华人民共和国水利部.SL61-2003 水文自动测报系统技术规范[S].北京：中国水利水电出版社，2003: 8-11.

[4] 中华人民共和国水利部.SL651-2014 水文检测数据通信规约[S].北京：中国水利水电出版社，2014: 8-9.

The Beidou Navigation Satellite System (BDS) Communication Channel Construction for Remote Monitoring System of Baiguishan Reservoir

XIONG Qilong1,LIU Yongqiang2,XU Zhangyao2,GUO Guangtao3

(1.Hydrologic Bureau of the Huaihe River Commission,Bengbu 233002,China;
2.Management Bureau Baiguishan Reservoir,Pingdingshan 467000,China;
3.Hydrologic Bureau in Pingdingshan City,Pingdingshan 467000,China)

In view of the current situation of automatic hydrologic information measuring and reporting system in Baiguishan Reservoir of Henan province,this paper presents the system upgrading scheme with two channels of SMS and satellite as main channels at the same time.It greatly enhances the system reliability and the ability of resisting natural disasters,and solves the problem of the abnormal operation of the system under some extreme conditions of continuous overcast and rainy weather,AC power or network disconnecting.Its successful application in using the Beidou communication channel sets up a good example for constructing other automatic hydrologic information measuring and reporting systems.

automatic system of hydrologic information collection and transmission;message channel;Beidou satellite communication channel;dual channel

TV697；TN927

A

1674-9405(2015)01-0051-04

2014-08-28

熊启龙（1979－），男，安徽临泉人，高级工程师，主要从事水利水文自动化和水文自动测报系统的研发、管理和应用维护工作。