北斗传输技术在新疆某供水监测系统中的应用

姜广义

（新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000）

北斗传输技术在新疆某供水监测系统中的应用

姜广义

（新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000）

结合新疆某工程施工供水现状，介绍施工供水监测系统的建设方案，选择北斗卫星传输作为供水监测系统的通信数据传输方式。分析北斗卫星数据传输原理，阐述监测系统总体架构，并对北斗卫星的应用作进一步分析，应用结果说明，采用北斗卫星传输可节约人力、物力，平均通信畅通率达到 96.90% 以上，可为在无人荒漠区实现供水管道数据自动采集、上传和运行维护提供可靠的解决办法。

北斗卫星；传输技术；施工供水；供水监测系统；荒漠戈壁地区

0 引言

新疆某大型水利工程全长 500 多 km，2015年开工建设，目前共有 18 家施工单位在不同标段开展施工作业，施工地点地处荒漠戈壁无人区，没有地下水资源，在水利工程施工前的“四通一平”工程中，选用离施工区较近的乌伦古河及大石头 2 个供水水源地，保障施工人员生活及生产用水。

由于此施工供水管道地理位置的特殊性，周边基本全是荒漠戈壁或山区的无人区，跨度大，距离远，冬季大雪覆盖，没有道路，没有手机信号，每天派人沿线巡查供水管线，保障供水安全，显然成为难题。建设供水监测系统，保证供水安全迫在眉睫、尤为重要。如何将采集数据传回有人值守基地，必须选择可靠的通信数据传输方式。传输方式大致分为以下 3 种：

1）租用运营商专线传输通道方式。由于供水管线没有运营商公用光纤网络资源，此种传输数据方式行不通。

2）用 GPRS 解决数据传输方式。测试信号质量基本小于 -80 dbm，处于信号不稳定或无信号状态，此种传输方式也不可行。

3）卫星通信传输方式。卫星通信是最快速、可靠的传输方式，在我国境内无盲区的北斗卫星通信方式成为首选。

北斗卫星导航系统（BDS）是中国自行研制的全球卫星导航系统。北斗卫星通信的工作方式是具有点对点双向数据的传输，数据报告方式以数据包的形式传输 1 次可发送 210 B 信息，一般用户 1 次最多可发送 110 B 信息[1]，目前基于北斗卫星的气象站数据传输系统已经在新疆、福建等省份初步推广应用[2]。随着我国自主知识产权的北斗一号卫星定位导航系统的建设及稳定运营，利用北斗通信型终端可以较好地实现荒漠戈壁地区此类工程供水监测中的数据通信，且设备简单，安装简单，设备费用低。

1 工程施工供水监测系统实施策略

供水监测系统含乌伦古河、大石头供水系统（含双井子供水系统）两大部分。 其中乌伦古河供水系统主要通信节点为 T1 水池，乌伦古河泵站，T2高位水池、二级泵站，T2+ 水池；大石头供水系统（双井子供水系统）主要通信节点为大石头水源地井群、集水池，T4 加压泵站、高位水池，双井子段1～3# 水池。

泵站水泵的启停需要远方水池的水位信息作为自动工作依据，以辅助泵站运行，本项目共计 5 处远方水池水位信息需要传输至对应泵站，分别为 T1水池至乌伦古河泵站，T2 高位水池至乌伦古河泵站，T2+ 水池至 T2 二级泵站，大石头水源地集水池至大石头井群管理站，T4 加压泵站至 T4 高位水池。双井子段 1～3# 水池的水位信息传至 T4 加压泵站只做运行监测用途。

1.1 乌伦古河供水部分

本部分包含乌伦古河取水口、T1 和 T2（高位水池）等集水池的水位监测，乌伦古河泵房水泵进、出口压力监测。

乌伦古河取水口集水池水位及泵房水泵进、出口压力等监测信息通过卫星通信方式进入乌伦古河泵房监控系统，供电由泵房提供。

T1，T2 集水池水位信息通过水池现地自动采集站以卫星通信方式传输至乌伦古河泵房控制室，进入乌伦古河泵房监控系统，供电方式为太阳能供电。乌伦古河施工供水监测传输示意图如图 1 所示。

图 1 乌伦古河部分施工供水监测传输示意图

1.2 大石头供水部分

主要包含大石头供水系统 1# 水池（井群集水池）、2# 水池（T4 加压泵站集水池）、3# 水池（高位水池）水位监测，以及大石头水源地水井水泵出口及 T4 加压泵站水泵进、出口的压力监测。

大石头供水系统 2# 水池水位及 T4 加压泵站水泵进、出口压力等监测信息通过通信电缆接入泵站PLC，进入 T4 加压泵站监控系统，供电由泵站提供。

大石头供水系统 1# 和 2# 水池水位信息通过水池现地自动采集站，以卫星通信方式传输至大石头水源地管理站，进入大石头水源地监控系统。供电方式采用太阳能供电。大石头水源地供水监测示意图如图 2 所示。

图 2 大石头供水系统供水监测示意图

2 北斗卫星数据传输原理及监测系统总体架构

2.1 卫星数据传输原理

短报文发送方首先将包含接收方 ID 号和通讯内容的通讯申请信号加密后通过卫星转发入站；地面中心站接收到通讯申请信号后，经脱密和再加密后加入持续广播的出站广播电文中，经卫星广播给用户；接收方用户机接收出站信号，解调解密出站电文，完成 1 次通讯。与定位功能相似，短报文通讯的传输时延约为 0.5 s，通讯的最高频度为 1.0 s/次。

2.2 北斗监测数据传输总体架构

北斗监测数据传输系统是由中心指挥机和北斗数据通信终端两部分组成的数据传输系统。系统应用于无人值守自动监测站，负责将采集器输出的水位、水量等数据通过北斗卫星，传送给供水监测数据监控中心的中心指挥机，然后传送给中心监控计算机平台，以实现实时供水监测数据的远程监控。监测系统分为施工供水遥测站和监控中心两大部分，遥测站采集及数据传输方式示意图如图 3 所示[3]。

图 3 施工供水遥测站示意图

乌伦古河监测系统安装在乌伦古河泵房控制室，进入乌伦古河泵房监控系统；大石头供水系统1# 和 2# 水池水位信息通过水池现地自动采集站，以卫星通信方式传输至大石头水源地管理站，进入大石头水源地监控系统。

2 个监测中心站均安装接收数据的服务器，系统由北斗指挥机组和中心监控软件组成，监控软件可以单独运行在一台服务器上，监测中心站完成数据接收、协议转换、查错补数、解压缩、数据输出等工作，具有统计、分析、管理、备份、查询等功能，软件能够全年不间断工作。

2.3 北斗通信传输模块主要性能、特点

北斗通信传输模块主要有以下特点：信号捕获和跟踪灵敏度高，适用于野外等恶劣环境；采用开放接口，与其它系统有良好的兼容性。北斗传输模块的接收和发射指标波束宽度如表 1 所示，额定环境条件下的接收指标如表 2 所示。

3 北斗卫星传输模式的应用

2016年 8月，采用北斗传输模式的供水监测系统在新疆荒漠戈壁地区建设完成，投入使用至今运行良好， 扣除天气因素，数据通信成功率接近100%，新疆地区晴天较多，干扰因素较小，数据运行更加稳定。

在荒漠戈壁地区采用北斗传输模式具有以下优势：

1）北斗通信终端体积小、功耗低。

2）可实现水文数据的自动拆分包功能，数据长度不受限。

3）系统具有自动补包重传功能，厂家标称数据通信成功率可提供至 99.9%。黄河水利委员会参加实验的 7 个测站在 1 s 内同时发数，共进行了 9 639 组数据发射，平均通信畅通率为 96.90%；在长江水利委员会做的 23 对 1 的试验中，进行了 27 600 次发射，畅通率为 97.65%[2]。

4）具有协议转换功能，应用灵活，兼容互操作性强，可与现有系统实现无缝进入。

5）每个站点的北斗传输终端建设需一次性投入8 000～10 000 元，卫星传输月租用费约为 800 元，投资不大。在大雪覆盖的山区，没有道路的无人区，利用北斗卫星传输技术建设供水监测系统就不需要每天派人到位于山区的供水管道沿线巡查，节约了大量的人力、车辆、物品投入。

表 1 接收和发射指标波束宽度

表 2 额定环境条件下的接收指标

4 结语

在荒漠戈壁北疆无人区环境下，北斗卫星传输技术解决了供水监测采集数据实时上传问题，并对管道运行情况进行实时监视，提升了运维效率，节约了人力、物力投入。近半年的建成投运实践表明，本供水监测系统为在无人荒漠区实现供水管道数据自动采集和上传及运行维护提供了可靠的解决办法，数据准确有效，实现了自动化监测，具有重要的经济价值。供水监测系统数据传输采用的北斗通信技术是我国未来卫星通信业务的主流，不受地域、时域和周边环境限制，实现对供水管线数据的远程监测，系统具有测量误差小，数据通信稳定及效率高等特点，应用领域和前景广阔。

[1] 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.

[2] 王玉华，赵学民，刘艳武. 北斗卫星通信功能在水文自动测报系统中的应用[J]. 水文，2003，23 (5): 50-52.

[3] 刘玲瑞，田万荣，林立，等. 北斗卫星通信技术在新疆山区水文气象监测中的应用[J]. 水利规划与设计，2014 (1): 26-29.

Application of Beidou transmission technology ina water supply monitoring system in Xinjiang

JIANG Guangyi
(Xinjiang Constructionand Management Bureau of Ertix River Basin Development Project, Urumqi 830000, China)

Combining with the present situation of water supply for project construction in Xinjiang, this paper introduces the construction scheme of the water supply monitoring system for the construction, in which Beidou satellite transmission is selectedas communication data transmission method of the water supply monitoring system. Itanalyses data transmission principle of Beidou satellite, expounds the overallarchitecture of the monitoring system. Application results show that, transmission using Beidou satellite can save manpowerand material resources, theaverage communication flow rate isabove 96.90%. It can providea reliable solution for dataautomaticacquisition, uploadand operation maintenance of pipeline water supply in uninhabited Desertarea for reference.

Beidou satellite; water supply technology; the construction of water supply; water supply monitoring system; Gobi Desertarea

TN927

A

1674-9405(2017)02-0054-04

10.19364/j.1674-9405.2017.02.012

2017-01-20

姜广义（1982-），男，山东曹县人，工程师，研究方向：水利信息化。