水情信息分中心建设方案探讨

水情信息分中心建设方案探讨
国家防汛指挥系统水情分中心建设方案探讨
吴恒清
(水利部淮委水文局，安徽蚌埠 233001)
摘要：通过分析常规报汛存在的问题、防汛指挥系统的设计思路，总结中国水文自动测报系统的技术发展状况，提出了国家防汛指挥系统水情分中心建设中的通信信道、测报方式、信息传输格式、水文资料收集、传感器和电源等设计方案选择建议，并以Motorola遥测、遥控技术为例介绍了国外水文自动测报系统中采用的先进技术。

关键词：技术现状；建设方案；MDLC通信协议
1 常规报汛存在的问题
我国现有水情信息的传递基本上仍沿袭传统的报汛方式。

其信息流程基本是如下两种方式：其一，测站报汛人员通过公用通信网或水情无线报汛网采用语音方式把水情信息传送到地市水文局；其二，采用电报或传真方式把水情报文传送到地市水文局，地市水文局再将水情报文通过电信局报房采取一报多发方式或通过邮电分组数据交换网传送到各级防汛指挥部门。

信息经多次中转，传输时间长，实时性、可靠性较差。

目前各省（区、市）防汛指挥部收齐全部报汛站水情信息约需1-3h，有时甚至更长。

落后的信息传递方式根本满足不了防汛、洪水预报和调度的需要。

2 国家防汛指挥系统总体设计思路
针对上述状况，国家防汛指挥系统设计大纲要求，改变水情信息的传输手段和信息处理技术，以地市辖区为范围建设水情分中心，提高防汛信息收集、处理的自动化水平，以实现：①水情信息20min内到达地市，30min内到达国家防总；②解决水情信息收集的同时，实现信息存储，便于水文资料整编。

3 国内水文自动测报系统的技术现状
国内水文自动测报技术研究和引进始于80年代初。

国内建设较早的有浙江浦阳江、黑龙江拉林河、广东西枝江、滦河潘家口、汉水丹江口水库水文自动测报系统（简称系统）。

80年代末期90年代初，我国水文自动测报技术有了较大发展。

1987年，当时的水电部水调中心牵头组织了全国较有代表性的水文自动测报技术科研院所组成攻关项目组，以实现水文自动测报系统设备国产化为目标，并以淮河正阳以上流域和黄河的洛河流域为试点建设区，建设全部采用国产化设备的水文自动测报系统。

这2个系统于1989年建成，也是当时全国最大、最复杂的系统。

系统经过两年的试运行，于1992年4月通过水利部鉴定验收。

经过这两个系统的建设，使我国水文自动测报技术水平、设备性能、可靠性都有了较大的提高。

在此基础上经过改进完善，为今后系统建设奠定了较好的技术基础。

目前我国大多数运行着的系统都是这一代设备的改进型。

10多年来，据不完全统计，全国已经建成的大小系统所包含的站点有6 000多个。

目前已经建成系统的建设目的大多数都是防汛报汛，很少考虑水文资料的存储整编，也就是说系统在防汛基础上没能密切结合水文需求，因此造成水文自动测报系统和常规水情测报两张皮。

基于这些原因，当时设计的系统一般只能自动测报水位和雨量两个参数，少数系
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统外加了一个功能不全的人工置数仪，用于发送流量、水库蓄水量等参数，但所能置入的参数远不能满足水情要求，大多数系统中都没有现场数据存储器(固态存储器)。

从多年的实践和管理经验可以总结出，水文自动测报系统建设和运行中存在的瓶颈问题有以下4个：
（1）
系统的电源寿命短，这是影响系统可靠运行的关键。

（2）
水位测井测量精度差、维护难度大。

主要原因是河流含沙量大，测井经常淤积；河道滩地太宽，测井建设困难。

（3）
防汛报汛和水文资料收集整编没有相结合。

（4）
运行管理经费难于落实。

4 水情信息分中心建设方案探讨4.1 水情分中心建设方案
（1）
测站至水情分中心的通信信道。

水文自动测报系统适宜采用无线通信信道。

全国范围内已建水文自动测报系统通信信道大多数都采用超短波通信信道，少数采用公用电话、移动通信、短波或卫星通信信道。

从使用情况来看，采用超短波通信设备组网的系统运行可靠性比较高、运行费用低，只要系统管理能够跟得上，完全可以满足防汛和水文数据采集要求。

但有些报汛站位于偏远山区，通信条件很差，且离地市较远，这些地区则适宜采用短波、海事卫星、通信卫星信道组网测报水情、水文数据。

此外，在有些发达地区，程控电话网十分普及，可靠性也很高，电话线也是一种良好的组网信道，完全可以通过电话线（包括移动电话）遥测水情数据。

浙江省一些地区已经采用这种方式，可以节省很多投资（建设铁塔和中继站的费用），运用效果良好。

人工观测数据传输宜采用有线信道。

目前，水文自动测报系统所能测报的水文参数主要有水位和雨量，但防汛所要求的水情信息还包括流量、闸门开启、蒸发、含沙量等，这些数据量不大，而且每天观测次数不多，发送段次相应较少。

需要发送这些数据的测站一般都是水文站。

从目前公用通信事业发展趋势看，水文站一般都能安装或已经安装了程控电话。

因此这些人工观测数据可以从公用电话网进行传输。

两种不同来源的数据采用不同的信道分开传输，即使其中一种信道出现故障，另一条信道仍然可以使用，因而从通信信道和信息源角度都可以起到互为备份之目的。

（2）
水情信息测报方式。

水位、雨量数据采用自动测报方式采集。

自动测报方式又分为自报式和查询应答式。

目前，水位、雨量传感器技术已经相当成熟，影响测报精度的已经不是传感器，而主要是水位测井。

由于这部分水文数据需要整编，因此需要在现场进行数据存储，以保证数据的完整性。

不能自动测报的水情信息采用人工观测、人工置数、自动传输方式。

水文自动测报系统所能测报的水文参数主要有水位和雨量，但防汛所要求的水情信息还包括流量、闸门开启、蒸发、含沙量等。

这些信息采用人工观测，定时以人工置数方式置入数传仪，以便随时主动发送或等待水情分中心定时召测方式向上级防汛部门传输。

当遥测雨量计或者遥测水位计出现故障时，所有水情信息（包括雨量、水位）均采用人工置数方式置入数传仪，以便随时主动发送或等待分中心定时召测。

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（3）
水情信息传输格式。

水情报文五位码编码方式运用了几十年，实践已经证明它是一种相当科学的水情信息编码。

目前，全国水文系统都运行着五位码译电程序，可靠性相当高。

同时由于水情分中心的建设是一个逐步实施的过程，这就要求新老系统互相兼容。

特别是各省（区、市）防汛指挥部和国家防总，他们所
接收的信息面广，因此更需要解决新建水情分中心与原有的水情信息系统相兼容的问题。

因此，地市（分中心）向省（区、市）防汛指挥部和国家防总宜采用五位码水情报文格式传输水情数据。

不管是自报式还是查询应答式水文自动测报系统，它们所报送的信息格式还应是水文自动测报系统所独有水情信息传输格式。

如果自动测报的水位、雨量在测站就转换成五位码，有下列弊端：其一，五位码传输有段次，且不能单独传输水位数据，也就是说报水位的同时需要报流量，即使报送的流量可以查表，但软件量很大，造成测站软件十分庞大，相应降低系统可靠性；其二，用五位码传输要大大减少数据量，失去了水文自动测报系统信息量大的优点，而地市一级是防汛前线，恰恰需要掌握大量的信息。

此外，大量的水文自动测报信息报到水情分中心后入数据库，可以直接利用这些数据进行水文资料整编，不需要到现场取数。

但是自动测报信息格式在目前情况下无法满足国家防总、省（区、市）防汛指挥部的要求，因此在水情分中心除了按照国家防汛指挥系统设计大纲规定的数据库格式将数据入库外，还应将数据转换成标准水情电报五位码格式向上级防汛部门传输。

人工观测的数据采用人工置数，可以直接采用标准水情电报五位码格式在数传仪（或人工置数仪）上置入并传输。

水情分中心则在收到报文可以直接向上级防汛部门转发，不需要经过处
理，减少中间环节。

分中心可以采用原有的水情译电软件系统将人工置数译电后写入数据库，不需要重新开发软件。

（4）
水文资料整编。

在水情分中心中，水文资料整编的数据源应该主要是该分中心数据库，因为整编所需要的数据主要为雨量和水位。

由于水情分中心可以收集到大量的来自于水文测站的遥测数据，因此只要遥测站设备没有故障，不会造成数据丢失。

但是遥测站设备要是真的出现故障，即使有现场固态存储器，恐怕也无济于事了，因为固态存储器也是遥测设备的一部分。

因此，系统设计首先要解决的是如何提高系统可靠性问题。

有了一个可靠的系统，有无固态存储器并不十分重要。

（5）
电源。

电源是水文自动测报系统可靠运行的关键，在该系统建设过程中，必须要求承建单位提供可靠的电源保障方案。

主要从以下4个方面考虑：①合理的电源容量；②质量好的电源设备；③良好的防雷设计；④良好的电源充放电保护措施。

（6）
传感器。

水文自动测报系统中常用的传感器主要有雨量和水位传感器，其中雨量传感器主要有翻斗式遥测雨量计。

而水位传感器则是多种多样，如：浮子式水位计、压力式水位计（含气泡式水位计）、超声波水位计、激光水位计等等。

根据多年实践经验，浮子式水位计的精度、可靠性最高，完全满足水文资料收集
要求，但测井建设有一定难度；气泡式水位计其次，但其成本高；其他的水位计近年来技术发展也较快，精度和可靠性都在提高，但在现场应用的成功经验不足。

4.2 改造现有水文自动测报系统
目前全国已建大小水文自动测报系统有200多个，如何改造这些系统，使这些系统能满足国家防汛指挥系统设计要求，达到水情分中心建设标准，充分发挥已建系统的社会经济效益，减少资源浪费，也是我们应该探讨的问题。

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在现有老系统中，可以在水位、雨量传感器上并联固态存储器存储数据，实现水位、雨量的自动遥测和数据存储。

在系统中增配水情数传终端（或称人工置数仪）通过有线或无线发送无法遥测的流量、闸门开启、蒸发、含沙量等人工观测水情参数。

通过无线发送人工观测数据时有两种途径：其一，可以在已经建设的专用无线通信网上接入水情数传终端，这种方式最经济、可靠，既充分利用了原有设备，不造成浪费，又实现了多种通信信道互为备份，可谓两全其美。

其二，若已建水文自动测报系统是自报式，则可以改造电台，将电台换为整机电台，适当修改系统的中继机、水情分中心计算机软件，即可传输人工观测数据；若已建水文自动测报系统是查询应答式，则只需修改系统遥测终端（含中继）和分中心计算机软件，即可传输人工观测数据。

采用有线信道传输人工观测水情信息可以完全独立于水文自动测报系统。

防汛通信需要的是万无一失，因此将人工观测数据传输设计成独立于主系统的备份手段，对提高测站至地市水情分中心的水情信息传输可靠性作用明显。

有线信道一般采用公用电话网，电话信道目前已经越来越可靠，完全可以满足水情数据传输，且可以同已建水文自动测报系统互为备份。

此外，有许多水文自动测报系统建成之后，系统的信息应用只局限在本部门，没有实现资源共享，造成极大的浪费。

因此在水文自动测报系统的改造任务中，零星水文自动测报系统的联网也是当务之急。

尤其要解决水文自动测报系统的统一规划、统一管理、分期建设和资源共享，真正做到“建一处成一处”，避免重复建设。

4.3 引进国外水文自动测报技术
近年来，随着改革开放的深入，国外水文自动测报系统技术也在不断引进。

本文介绍Motorola公司的遥测、遥控技术，供水情息分中心设计建设时参考。

Motorola公司的遥测、遥控产品MOSCAD采用了RTU大容量内部数据存储器、Motorola MDLC通信协议和可编程逻辑控制技术作为系统平台，这也正是采用目前的国产设备组网无法实现的独特技术。

（1）
RTU内部数据存储器。

虽然在RTU（即遥测终端）内部设计大容量数据存储器的技术不难，但目前国产设备中采用这种技术能可靠运用于现场的还不多。

国内推广最多的固态存储器实际上是
串联（或并联）在传感器和遥测终端中间的一个设备，如果固态存储器一旦出现故障，则所有信息无法存储和传输。

事实上，在遥测终端上是否设计存储器并不很重要，关键是要设计高可靠性的遥测设备。

MOSCAD采用计算机总线结构，类似于一台工业控制计算机，其存储器集成在CPU板上，且由于MOSCAD按照军标设计，MTBF大于25年，因此可靠性得到了保证。

（2）MDLC通信协议。

MDLC通信协议是MOTOROLA公司优化设计用于SCADA系统的一种数据通信协议。

该协议与网络通信介质无关，即系统可以工作于无线（超短波、卫星等）、有线（电话线、光纤）、局部网等各种通信媒体上。

MDLC协议的设计基于国际标准化组织（ISO）的开放系统互联（OSI）七层模型，在不同的通信媒体中都能获得可靠、高效的通信效果和提供网络管理功能。

MDLC协议有如下特点：①支持存储／转发，实现中继功能；
②采用超短波通信组网，一般只需要一个频点，节省频率资源；
③远程数据和程序上装／下载及诊断；④提供数据通信网络管理功能，解决通信中碰撞检测、拥塞调度及纠错重发问题；支持通信信道状态检测，自动优化选择通信路由；⑤MDLC协议支持RTU 数量达65 000个，在数据传输过程中，能根据传输质量的好坏实现变帧长传输；⑥CRC校验使得数据通信误码率优于10-6 ，保证数据传输可靠性。

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利用简单的通信协议实现测站与中心站站间的数据传输，是多数信息采集系统，特别是国产设备采用的方法。

这种方法的特点是简单、实用。

但由于不具有数据通信网络管理功能，故数据通信安全可靠性差。

MOSCAD系统不论采用何种通信信道，其通信都是通过MDLC通信协议实现的。

这种方法安全可靠，数据传输有效性高，支持同一信道上的多点到点的并行传输。

由于MDLC协议已经固化在所有的RTU的CPU模板中，所以关于通信中的管理调度完全不需要用户开发设计。

水情信息采集传输系统除了可以在正常情况下实现数据采集传输外，其最主要的作用是要能够处理突发事件。

在突发事件产生时，往往会在通信信道上发生碰撞和拥塞。

此外现代无线信道容易受到外界的干扰，易产生误码，必需具有查错和纠错的能力。

中继站是无线遥测系统的关键环节，中继站故障往往会使一部分测站数据无法上达，而在狂风暴雨条件下，由于天气的影响也会使中继站无法中继某些测站的数据，所以测站RTU自动检测信道状态和自动在存储转发范围内利用临近测站实现中继的功能是水情信息传输系统中必不可少的。

而这一切通过简单的通信协议是很难完全实现的。

为此MOTORLA为其MOSCAD数据通信提供了专用的MDLC通信协议。

MDLC是目前世界上独有的可用于SCADA系统无线通信，且满足ISO/OSI七层模型的广域网通信协议。

它为MOSCAD数据通信系统提供了完全的数据通信能力，存储转发功
能，冲突检测和纠错能力，远程检测、配置和诊断能力等。

MDLC 通信协议为实现水文数据无差错传输提供了可靠保证。

5 结语近年来，由于国家对水利水文事业的高度重视，水文自动测报系统技术在飞速发展，建设步伐不断加快，因此在水文自动测报系统建设中吸取成功经验和技术，采用合理的技术方案，因地制宜地进行系统设计，是水情分中心建设最为关键的环节。

本文的目的旨在总结我们多年来建设管理水文自动测报系统的一些经验教训，希望在国家防汛指挥系统水情分中心的建设中起到抛砖引玉的作用。

作者简介：吴恒清（1963-），男，福建寿宁人，高级工程师，1984年毕业于福州大学无线电技术专业，工学学士，从事遥测、通信技术工作。

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