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1、基于北斗卫星导航定位系统水利监控管理方案北京长缨神舟科技有限公司目录1引言61.1 概述61.2 项目必要性71.3 设计依据91.3.1 参考资料91.3.2 可行性分析102任务与功能122.1 实现任务122.2 功能需求142.2.1 气象水文数据的实时采集142.2.2 水利水情信息实时查询152.2.3 数据的实时传输152.2.4 电子地图152.2.5 路线规划162.2.6 修改远端测站参数162.2.7终端设备安装、维护简易162.2.8接收报警信息162.2.9 通信回执162.2.10 实时通信172.2.11数据库查询172.2.12历史数据回放172.2.13数据分
2、发和共享172.2.14 短信通信173性能指标要求183.1中心基本技术要求183.1.1 功能要求183.1.2 其它技术要求193.2 接口技术要求204系统总体设计214.1系统的设计目的、思路与原则214.1.1 设计目的214.1.2 研制思路与关键技术策略214.1.3 设计原则224.2系统组成结构234.2.1 系统总体结构234.2.2 子系统的组成及配置254.2.2.1气象水文数据自动采集子系统254.2.2.2 数据传输子系统304.2.2.3 数据综合应用子系统324.3系统工作原理354.3.1 系统工作模式354.3.2北斗信号上行工作原理364.3.3北斗信号
3、上行工作原理374.3.4移动通讯和增值服务工作原理384.3.5服务坐席管理子系统和各应用服务系统工作原理404.3.6数据存储、处理及备份子系统工作原理415实现方式425.1 固定式自动气象站425.2 机动式自动气象站435.3 船用气象水文数据采集435.4 雨量传感器的选择445.5 水位传感器的选择445.6 气象水文监测室数据压缩455.7北斗卫星应急灾害遥感预警通信系统用户终端设备475.7.1手持型用户终端475.7.2 车载型用户终端475.7.3灾情自动测报型用户终端475.7.4指挥型用户终端475.8 北斗卫星应急灾害遥感预警通信系统技术参数475.9 电池496应
4、用软件496.1 软件模块设计496.2应用服务客户端软件516.3基础档案模块526.4北斗终端显控模块547系统四性设计557.1系统可靠性设计557.2系统可维修性设计567.3系统测试性设计577.4环境适应性措施578风险分析588.1经济风险588.2技术风险591引言1.1 概述水是人类赖以生存的无可替代的宝贵资源,是社会经济发展的物质基础。经济发展和人类的生活离不开水的供给和保障。水利包含着水资源开发利用、除害、节约水资源、保护水资源等许多内容。水利是国民经济和社会发展第一位的基础设施和基础产业。水利是现代农业建设不可或缺的首要条件，是经济社会发展不可替代的基础支撑，是生态环境
5、改善不可分割的保障系统。水利具有很强的公益性、基础性、战略性,加快水利改革发展，不仅关系到防洪安全、供水安全、粮食安全，而且关系到经济安全、生态安全、国家安全。随着科学技术的发展和进步，大量的新技术应用于水利监控管理。利用计算机将收集到的气象水文等资料贮存、处理和输出，供各水利部门使用；利用传感器技术进行气象和水文的监测，通过固定式自动监测站、移动式自动气象水文数据采集终端的水文、温度、湿度、气压、风向、风速、降雨量等的传感器实现水文、温度、湿度、气压、风向、风速、雨量等数据的采集；利用地理信息系统(GIS)的强大功能进行收集、分析、处理资料；利用现代通讯网络，配上传真机可以进行温度、湿度、降
6、雨量等信息的传递。在信息传递手段中，用得多的是移动互联网，但移动互联网存在盲区，信号的时间滞后性比较大。而北斗卫星导航系统是我国具有自主知识产权的卫星导航系统。将温度、湿度、水文、风向、风速、降雨量等各种传感器监测到的气象水文信息，通过北斗卫星导航定位系统的通信链路，传送到水利监控管理系统，通过中心GIS的基础数据库系统与专题数据库系统随时监测灾害发生的位置，并迅速做出救灾方案。利用北斗卫星导航定位系统和系列水利监测型北斗终端设备实现多山地与水文预报信息的实时采集和传输，可大大提高了灾情预报的准确性和及时性。北斗卫星导航定位系统的引入必将对我国的水利监控管理系统的应用起到一个巨大的推进作用，也
7、是未来水利监控管理的一个热点领域。1.2 项目必要性我国是一个洪灾十分严重的国家，洪水连年不断。1954年长江中下游，1958年黄河下游，1963年海河、1975年滩上游、1981年嘉陵江、1983年汉江上游、1989年辽河、1991年华东地区等相继发生的特大洪水都造成了巨大的损失，特别是1998年长江流域、松花江流域和嫩江流域发生的大面积特大洪水造成了历史罕见的水灾，损失特别巨大。多年来，我国修建了许多防洪工程，取得了极大的成就，但是洪灾依然频繁出现，灾情严重。这除了因植被及天然蓄洪湖泊遭到严重的破坏，现有土建防洪工程尚不足以抗衡特大暴雨洪峰外，报汛不及时，水情不明也是导致灾情加重的重要原因
8、。在1998年的特大洪水中，长江流域水文自动测报系统对洪水预报和防洪调度发挥了巨大作用。而嫩江流域由于缺少测报系统，对上游来水的判断缺乏科学实时的依据，因而造成了许多不必要的经济损失。1998年洪水以后，防洪思路正在由控制洪水向洪水管理转变，水文自动测报系统的建设与使用极大地支持了这一防洪思路，在防汛决策中，水文自动测报系统正在发挥更大的作用。建设水文自动洲报系统是一项投资少、工期短而又十分有效的非工程性的防洪措施，已为世界各国所普遍采用。利用北斗导航定位系统，构建覆盖全球地域的实时气象水文数据传输，建立气象水文数据卫星传输系统，并开发气象水文数据综合应用系统，形成数据的终端采集到卫星传输、存
9、储、分发，直到数据的处理、综合应用一套完整的气象水文数据业务模式。从而充分有效地利用现有资源，提高气象水文数据传输的实时性、数据处理的准确性、决策参考的科学性，为优质、高效的水利保障提供有力的支持。由于水文自动测报是一项技术复杂的系统工程，加上野外自然条件恶劣、缺乏运行管理经验等因素，其中也存在很多问题。具体表现如下：l、目前在运行的水文自动测报系统火多采用超短波组网，大流域的超短波系统需建多级中继站。中继站大多建在比较高的山头上，系统在运行中比较容易遭受雷击，壁垒设计比较严格，建设中继站有时需要花费较大的费用，有的地方建设条件较差，由于交通不方便，系统维护比较困难。2、对于人烟稀少的流域，特
10、别是高山中继站不可能有人看管，往往是人为或者其他破坏严重的地区。由于经费渠道的不同，水文站点的建设也不相同，存在重复投资，重复建设的问题。为了节约投资，共享资源，系统设计时应在满足系统技术要求的情况下加强站网论证，充分利用当地资源，保持数据的连续性。3、在以往的系统功能设汁时多以洪水预报为最终结果，而就水利水电工程而言，水调和电调结合更为重要，且应将水电调查结果通过梯调网或其他方式传输给上级部门，以利于数据共享，充分发挥水文自动测报系统的作用。4、遥测设备的品种较多，由于厂家不同，设备性能有些区别。传感器仍显单一，水位传感器仍以浮子式水位计为主，缺点是需要建设水位测井。其他的压力传感器、超声波
11、水位计等精度不高，量程不大。另外雨雪量计、温度传感器、河道的流量传感器等多须从国外进口。为此，在系统设计时应加强系统关键设备的研究、设计和选配，保证系统的作用得到充分的发挥。5、许多单位重建设，轻管理，运行人员和运行费用不落实。这些问题都会造成水文自动测报系统的运行不正常，不能很好的发挥作用。同时也为水文自动测报系统的设计提出了更高的要求，解决不好，就会造成不必要的浪费，因此，在设计时应仔细研究，充分调研，解决问题，提出合理的解决方案。 1.3 设计依据1.3.1 参考资料1Q/HISKY.109 长缨神舟企业标准：手持型卫星导航定位通信机技术规格书2Q/HISKY.110 长缨神舟企业标准：
12、便携型卫星导航定位通信机技术规格书3Q/HISKY.111 长缨神舟企业标准：指挥型卫星导航定位通信机技术规格书4GJB 151A-1997 军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求5、北斗地面站总体技术方案，中国人民解放军卫星定位总站6、2007年发布的关于促进卫星应用产业发展的若干意见7、自然灾害情况统计制度8、2011年水利部颁发的水文监测环境和设施保护办法9、水文条例和2011年1月29日发布的中共中央国务院关于加快水利改革发展的决定1.3.2 可行性分析北斗卫星导航系统是是中国自行研制开发的卫星定位与通信系统（CNSS），是除美国的GPS、俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系
13、统。北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端三部分组成。空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站。用户端由北斗用户终端以及与美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧洲“伽利略”（GALILEO）等其他卫星导航系统兼容的终端组成。北斗卫星导航系统致力于向全球用户提供高质量的定位、通信和授时服务，其建设与发展则遵循开放性、自主性、兼容性、渐进性这四项原则。北斗卫星导航系统，促进卫星导航产业链形成，形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用。我国卫星导航系统统称COMPASS系统。北斗一号阶段为区
14、域有源阶段。目前已完成区域无源阶段，由5GEO+3IGSO+4MEO的模式实现，正在建设全球无源模式，到时，系统由约35颗卫星组成。 基于北斗卫星导航定位系统的气象监控管理系统的特点如下：1、自主知识产权、国内政策主导 北斗卫星导航系统是我国自主开发，不受外国控制的新一代导航系统。我国拥有该系统的自主知识产权，受我国政策的主导。因此，相比于国外系统，该系统将保证国内用户的利益不受国外政策和形势的变化而影响。2、高并发处理能力、覆盖区域范围大 系统具有高并发处理能力；系统覆盖中国大陆所有地区和海区，与电信蜂窝网络或集群网络相比为真正意义上的无缝隙覆盖。3、双向通信功能北斗导航系统具备双向通讯能力
15、，监控中心可与移动目标进行数字报文通信。移动目标通过相应的终端，将报告信息反馈到监控中心。4、快速定位、精密授时北斗导航定位系统的定位与授时性能与GPS相当。其定位精度一般为几十米，采用差分定位技术，可将定位精度提高到5m以内。5、发展前景广阔随着北斗系统建设，北斗系统发展成为具有全球导航能力的卫星定位系统，定位体制变为全球无源定位，而且具有区域短消息通信能力，并且通信能力与容量也将逐步提高，届时，北斗系统在水利监测平台上的应用必将有更广阔的前景。2任务与功能2.1 实现任务水文自动测报系统是流域和水库洪水调度系统的一个重要子系统，水文测报技术涉及现代通信、传感器、电子、计算机、气象、水文、地
16、理、等多种学科领域，主要解决水情信息的自动采集、传输、处理及信息服务等有关问题。30年来其技术的发展为我困的防汛抗旱和发电兴利创造了巨大的社会与经济效益。基于北斗卫星导航系统的水利监管系统能为水文水资源的合理利用、水土保持、水利建设与管理、农村水利、防汛抗旱等方面发挥监控管理和指导作用，为相关水利部门提供城市水文管理、生态水文监管、河道水库建设与管理、农村供排水管理、水文监测、防汛抗旱管理等多种服务；为各级水利相关部门进行实时调度和重大决策提供信息支持，一旦发生重大旱涝灾害或生态灾难，能迅速预警、定位灾害中心，实时紧急减灾措施。基于北斗卫星导航定位系统的水利监控管理系统的实现任务归纳如下：1、
17、水文水资源监测在水利系统中，由于洪涝、干旱和风暴潮等自然灾害频繁发生，传统方法完全由人工测量，存在一定危险性，而且缺乏合理性，在效率上也无法达到较高的水准。基于北斗卫星导航系统的水利监管系统则针对地域、地形和气候等复杂条件，建设覆盖主要江河湖泊的水文监测系统，快速可靠的采集和传输水情、雨情等各类灾情信息，保障防灾抗灾救灾指挥信息传达最大限度的减少灾害损失，能够成为灾情预警等方面的重要手段。2、生态建设及水土保持问题生态建设规划需要调查评价土地利用现状、典型样点水土流失状况、地面坡度等数据，以往取得这些数据主要依靠外业常规测量或借助地形图资料，存在问题是外业常规测量费时费钱，且地形图资料不能反映
18、最新地形地貌状况。在水土保持工程的施工放样中，以往采用经纬仪、水准仪、皮尺、罗盘等，操作比较繁琐，在地形条件复杂的区域，施工放样相当困难，精度难以保证。在工程验收时由于水土保持生态工程的特殊性，以往的验收大部分采用现场抽样查看的形式，对实施工程的图斑、位置无法精确测量和定位。在日常的对水土流失及生态环境的动态监测问题更是十分困难，用传统方法几乎无从下手。基于北斗卫星导航系统的水利监管系统能利用系统的精确授时，精确定位及数据报文传输等功能实时的对水文水情等多方面实施全天24小时监控，在生态建设及生态监测方面的整个过程中给予建设者和有关部门以最全面的数据信息以便实时决策参考。3、水利建设及管理水利
19、建设及管理，包括了水利水电勘测、物探、工程地质调查、航道维护等方面，其中数据统计是关键，传统的手工统计，效率低、准确度差，而且资料涵盖范围、涵盖深度有限。基于北斗卫星导航系统的水利监管系统能够在精确定位、航道草测、航道清障、航道导航及航道改槽等方面进行数据统计，为相关水利部门提供完善的各类水利数据的统计，从而辅助水利部门科学管理和科学决策。 4、其他在农村水利中的农田水利干渠闸门位置确定及寻检维护、农田灌溉面积确定、征费及农村节水直至大坝变形监测等问题都是传统的水利工作无法解决的问题，而基于北斗卫星导航系统的水利监管系统则通过其强大监管功能将以上问题一一解决。2.2 功能需求基于北斗卫星导航定
20、位系统的水利监控管理系统的功能需求主要归纳如下：2.2.1 气象水文数据的实时采集数据采集系统通过对卫星发送数据采集请求信息，即可通过水利监管系统的专用通信终端对其发送定位指令，远端的卫星终端收到指令后，便自动将当地水利设施的具体位置及相关信息使用北斗卫星通讯链路实时传回。2.2.2 水利水情信息实时查询如果某个水利部门想查询当地的水文信息，即可通过水利监管系统的地方水利部门专用北斗通信终端对其发送查询指令，远端的卫星终端收到指令后，便自动将该地的水文水情使用北斗卫星通讯链路传回，管理平台的用户专用通信终端收到后即可在大屏幕上可视化显示该信息。2.2.3 数据的实时传输在水文监测等监测任务执行
21、过程中，水利监管系统能通过北斗卫星定位导航系统将被监测终端所在区域的实时环境，发送至监测终端。同时，用监测端也能将收集到的待分析的环境数据信息发送给水利监管系统，当发现异常时水利监管系统利用地理信息系统，可以指定该区域内的相关部门接收端口的工作人员，向其发送数据分析结果，或利用监控中心北斗卫星通信专用通信终端的通播功能向该区域的一个或几个相关部门，或者全部的各级政府和各类部门群发分析结果。2.2.4 电子地图监控中心的数据库系统配置有包含全国陆地、海洋地理信息及交通相关信息的电子地图系统，并能在地图上动态显示监控及救援车辆和人员的具体位置及经纬度；2.2.5 路线规划该系统能基于电子地图进行动
22、态和可视化路线规划，并将设定的路线数据发送给救援车辆和人员装载的用户终端，实时控制救援的车辆和人员按指定路线行驶。一旦受控救援的车辆和人员偏离指定路线，或者作业车辆和人员超速驾驶或超时驾驶或越界，系统便会自动报警。2.2.6 修改远端测站参数可远程监控远端测站的工作状态，并可修改远端测站的工作参数。2.2.7终端设备安装、维护简易远端监测站使用的用户终端集成度高、外型小巧，安装简便；终端功耗小，适用于太阳能电池供电；终端设计抗恶劣环境，维护简易，可在无人值守状态下工作。2.2.8接收报警信息该监控系统可接收来自各气象水文监测站或观测人员的报警信号，通过北斗卫星系统定位和监控管理系统可以对遇有险
23、情或发生灾害的地区迅速进行紧急援助或制定相应对策。2.2.9 通信回执预警系统的回执确认体制保证数据传输的可靠性，远端测站向中心站发送数据时，可以选择使用运营中心和中心站通信终端提供的各类回执信息，如发送成功/失败确认、接收成功/失败确认等，便于相应子系统及时确定下一步处理措施，直到全部数据准确无误地发送完成。2.2.10 实时通信该监控管理系统可以对各气象水文监测站、观测人员或救灾的车辆和人员发送各种信息，实现各车辆和人员与指挥中心间的通讯，进行统一指挥调度。2.2.11数据库查询该监控管理系统配置有功能强大的数据库系统，能将实时数据自动入库，并具有强大的数据库查询功能，能对所有车辆和人员的
24、历史数据进行查询，通过数据库中表的关联可以实现可视化的查询功能。2.2.12历史数据回放该监控管理系统能将某一或某一组车辆和人员的历史数据在地理信息系统中进行轨迹回放、并支持相关信息查询和打印输出。2.2.13数据分发和共享数据通信系统支持将监控中心的数据分发到各分监控中心，同时支持其他远程监控节点在授权范围之内进行信息共享。2.2.14 短信通信该监控管理系统利用北斗卫星通信链路实现各用户终端间的短消息通信，并通过作业安全管理系统接入的GPRS网或CDMA网，可实现各用户终端与GSM或CDMA的手机进行短消息通信。3性能指标要求3.1中心基本技术要求3.1.1 功能要求1、数据采集功能1)
25、利用各种气象水文数据采集终端进行区域的监测管理，利用地理信息系统即“GIS”的强大功能进行收集、分析、处理资料。2) 具有接收各北斗终端的位置信息和状态信息功能。2、数据处理功能1) 对原始观测数据基于GIS气象水文资源基础数据库系统进行合理性检验；2) 接收通过VPN方式从北斗卫星地面总站传来的北斗终端位置和状态信息，进行数据合理性检验和信号完好性检验；3) 通过监控中心从北斗卫星地面总站送来的北斗终端监视信息流，对其进行处理，更新控制台组态显示，形成打印数据和日志文件。3、数据存储功能1) 对于系统运转过程中产生的观测原始数据、上报数据信息、控制信息、系统运行信息、监控信息等信息进行数据存
26、储和冗余备份；2) 存储本地控制台的操作日志等控制信息，存储日志和监控报表。4、数据通信功能1) 将系统监控中心的数据分发到各分监控中心；2) 同时支持其它远程监控节点在授权范围之内进行信息共享。5、监控功能1) 根据获得的监控区域的信息流判断各类信息数据是否正常，在发现数据异常时，系统中心立即报警，对灾害地点进行定位，并通过监控中心向当地的水利部门发送救援指令和定位的灾害地点的位置。2) 当某一监测终端在一定时限内都没有向北斗卫星系统发送数据信息时，则系统监控中心向相关的气象部门发送巡查指令，如发现监测站出现故障需要立即修整或更换。3) 具有指挥监控服务中心对北斗终端远程监测和控制功能，当接
27、收到中心控制指令时，北斗终端能够自动响应命令，并将指令执行的结果在指令响应的时间内上报中心。6、北斗终端、中心及移动网络间短信护法互转功能1) 通过北斗终端，实现终端与终端之间中英文符号混合方式短报文通信；2) 通过中心与移动网关的接口，实现岸上手机与北斗终端间短报文互联互；3) 通过中心实现对北斗终端的短报文分组群发。3.1.2 其它技术要求 1. 测试性要求1) 具有可测试性，设备设计应留有足够的测试点和测试接口；2) 可方便的通过外接仪器设备完成性能指标测试。2. 硬件要求中心设备方案设计和硬件配置过程中，应保证单站系统工作的高可靠性和实时性；设备的选型的应系列化、标准化、组合化，具有较
28、好的可维护性、兼容性和可扩充性。3. 软件要求应用软件设计采用统一的高级语言，具有良好的可扩性、可维护性和可移植性。4. 监控操作台的要求1) 操作台具有良好的人机交互界面；2) 具有良好的抗误操作能力；3) 可对操作者进行身份验证，防止非法人员侵入；4) 采取有效措施防止病毒的侵入。3.2 接口技术要求1. 与监控中心无线通信终端接口一路网络接口：RJ45以太网接口，满足TCP/IP传输协议，支持100M /1000M以太网连接。2. 与移动通信无线信道设备接口一路网络接口，通过站内局域网连接：RJ45以太网接口，满足TCP/IP传输协议。3. 与各外部节点（包括各分监控中心）接口一路网络接
29、口，通过站内局域网连接：RJ45以太网接口，满足TCP/IP传输协议。4. 数据信息采集设备将采集的数据通过接口RS-232传输给北斗用户型终端。4系统总体设计4.1系统的设计目的、思路与原则4.1.1 设计目的该系统的设计目的就是设计方案达到“技术先进、科学合理、安全可靠、经济实用”的要求。4.1.2 研制思路与关键技术策略在系统的研制和设计方案中，以技术指标论证工作为基础，并据此合理划分模块和指标分配，在满足整体机电性能指标的前提下，突出可靠性、实用性、标准性、先进性和低成本的设计指导思想，这是我们的基本研制思路。在关键技术方面，我们拟采取以下策略：1. 采用成熟稳定的基本构架采用成熟有效
30、的设备、技术、算法、器件和工艺流程，兼顾技术的先进性，来进行作业安全管理系统的设计，并确保研制系统的可测性。2. 关注可用性按照“注重性能，兼顾成本”的原则，研制时将高可靠性、高可维性作为关注的焦点，最大限度地提高其可用性。在设备选型时，优先考虑设备可靠性和寿命指标。在方案设计时，充分考虑设备备份配置和故障监控及自动切换的实现。3. 关注系统可测性系统方案设计和研制的阶段，就充分考虑系统各模块和各关键技术节点的可测试性，一方面在方案中充分考虑测试结点和测试信息的输出，另一方面进行测试设备的同步研制。通过可测试性保证充分促进系统可靠性和可用性的提高。4. 关注系统可扩展能力 系统设计时要在软硬件
31、、总体结构及子系统方案中充分考虑到系统未来用户容量的增加、服务内容多样化、应用领域的拓展给整个系统扩展带来的各种技术问题，重视软硬件选型中的可扩展性指标，以选取开放结构的软硬件体系结构作为整个系统设计的灵魂。4.1.3 设计原则l 系统建设既要能满足近期要求，又要适应长远发展，并符合防汛渡汛及经济运行管理的要求，并能与国家防汛指挥系统并轨。系统具有设计合理、功能实用、维护方便，保证系统的实用性，满足防汛指挥各个工作环节的需要。l 满足实时性要求。水情信息要满足防汛工作的需要和水利综合任务信息的要求，保证水情数据及时准确的传到中心站，供预报、调度利决策使用。l 满足经济性要求。系统设计与建设要充
32、分利用已有的建筑物作为遥测站的站房和水工建筑物，避免重复建设，节省投资。l 系统的各类信息源和信息传输都遵循现行标准规范和系统建设中制定的标准或规定，尽量使资源共享，供各相关部门使用，保证系统具有共享性。l 满足标准性要求。水情信息要统一标准，没备结构要标准化、模块化。l 在保证可靠性和性价比的前提下，选择可靠性高的先进设备，特别要求保证恶劣环境下和突发事故情况下系统的可靠运行，重视偏远采集点的硬件运行环境，合理配置硬件备份，充分考虑网络安全，确保系统可靠运行。l 按开放式系统的要求选择设备和设计网络，采用符合国际国内行业标准的设备，应用层协议，并为今后水文自动测报系统扩充留有接口，保证系统具
33、有高度开放（灵活）性、兼容性和可扩展性。l 在保证可靠性和性价比的前提下，系统具有最大的可维护性，即除设备本身具有通常意义上的可维护性外，还使用户在系统的长期运行过程中，可以方便地采购到价格合理、质量上乘的备品备件。l 尽量采用水文遥测系统技术、通信技术及计算机技术的最新科研成果，保证系统具有先进性。4.2系统组成结构4.2.1 系统总体结构基于北斗卫星导航定位系统的水利监控管理系统的联接示意图如下图4-1所示：图4-1基于北斗卫星导航定位系统的水利监控管理系统的联接示意图从4-1图中，可以清晰的看出整个水利监测管理系统主要由三个大子系统组成，它们分别是：气象水文数据自动采集子系统，数据传输子
34、系统，数据综合应用子系统。这三个大子系统有机的组合连接保证了整个管理平台的正常运行。水利监控管理系统的体系结构图如4-2图所示：图4-2 水利监控管理系统的体系结构图监控指挥中心将通过VPN的方式和北斗卫星地面总站进行连接从而获得由卫星地面总站推送的北斗卫星通信信号，通过北斗指挥机群的堆叠实现运营中心的北斗卫星通信的上行，通过和移动通信网关相连提供卫星和移动通信的互联互通。此外，所有管理平台下的北斗应用服务系统，包括车辆和人员调度管理等等，也都将通过网络与管理平台进行连接，从而获得应用系统所需要的各种信息和数据。4.2.2 子系统的组成及配置 4.2.2.1气象水文数据自动采集子系统水利局建立
35、多个气象水文观测信息采集点，包括自动气象水文监测站、卫星遥测站、移动式气象水文数据采集终端、固定式气象水文数据采集终端和测量船等，各气象水文数据采集站点按照设定的时间间隔采集区域内的各种气象水文信息资料，包括水文、温度、气压和湿度等。实现气象水文数据的动态监测，并能向相关人员提供气象水文数据的全部信息，以协助相关人员可以实现实时监控，并在数据出现异常时发出预警。气象水文数据自动采集子系统由气象水文监测室及其所辖自动气象水文监测站、卫星遥测站、浅层风等自动气象水文要素终端采集设备组成。气象水文数据自动采集子系统拓扑图如图4-3所示：图4-3 气象水文数据自动采集系统拓扑图RTU的工作流程：首先根
36、据北斗卫星终端的接口定义确定RTU与北斗卫星终端的数据交互接口为RS232标准串口，波特率为9600，N，8，1。当水位或雨量发生变化，或定时时间到时，RTU自动采集数据，打开北斗卫星终端电源，然后根据北斗卫星通信协议和RTU数据发送要求，基本完成RTU-北斗卫星终端-地面站的数据传输。在接收到中心站的确认信息后，关闭北斗卫星终端电源。气象水文数据自动采集系统配置：卫星遥测站、气象水文自动监测站、普通型用户机、计算机、测风塔、测风雷达；气象水文监测室配置：打印机、交换机、管理服务器、指挥机、数据处理机、显示器。水文自动测报系统的设备构成中，信道没备、蓄电池、太阳能板、计算机等，大部分出自专业厂
37、家：具有特色的是传感器、数传终端等，而遥测终端则属于系统的关键设备。l 传感器水文自动测报系统常用的传感器有雨量计、水位计、流量计、闸位汁、温度计以及各种电量(如电压、电流等)传感器。其中雨量、水位传感器，尽管供应商各不相同，但已基本统一。选型时，除注意其技术指标外，还必须具备在长期无人值守状态下可靠运行的功能。目前，分辨率为0.1、0.2、O.5、l mm的雨量计已成系列化，质量精度均达到国际先进水平，已出口美国等国家；机械编码水位计办已基本过关，气泡式水位计已可采用OEM方式小批量生产。不久，水下振弦式压力水位计、激光水位计、气介式超声波水位汁或雷达水位计等无测井水位计的可靠性可望能有突破
38、；遥测蒸发器国内也已研制成功；其他如风速、风向、气温及气压计等气象传感器品种质量近年也已得到了大幅度提高。l 遥测终端遥测终端(RTU)是水库水文自动测报系统的关键漫备，虽然电子技术的发展，使遥测终端可以集成在手掌大的线路板上，性能也取得很大优化，困内的遥测终端标准化程度和放性程度不高，但文用性强，便于扩展。国产的遥测终端几乎都采用5l系列8位字长的微处理器，单板结构，只用于水(工)情数据采集。卫星遥测站由卫星设备一套(含室内、室外天线、馈线)，卫星数传终端机，免维护蓄电池，太阳能电池板及充电控制器、传感器(如雨量计、水位计)等组成。遥测站的供电是保证系统长期运行的关键，考虑系统建设的原则，遥
39、测站的供电采用两种方式，一是采用太阳能电池浮充蓄电池的供电方式，该供电方式可以有效地解决交流引雷的问题。结合当地的情况，通过计算，确定太阳能和免维护蓄电池的容量。采取此种方式的卫星遥测站的组成框图如下4-4所示： 图4-4 卫星遥测站组成框图（太阳能电池）二是对有高质量交流电源的测站采用交流电源，以节省投资。此种方式的卫星遥测站框图如下4-5所示：图4-5 卫星遥测站框图（交流电源）终端数据采集设备将采集的数据通过数据接口设备，利用与其相联的北斗普通型用户机将数据发往卫星；北斗普通型用户机从卫星接收远程配置信息，并转发给终端采集设备进行参数修改。气象水文监测室配备北斗指挥型用户机及数据处理计算
40、机。气象水文监测室通过指挥机从卫星收集各终端采集设备的数据，并通过与指挥机相联的数据处理计算机对数据进行处理，用于实施气象水文保障。4.2.2.2 数据传输子系统数据传输子系统由北斗卫星及地面总站组成。数据传输系统配置：普通型用户机、卫星、地面总站。数据流程：远端站发送水文数据，水文数据经卫星到达地面控制中心，地面控制中心将水文数据处理后经卫星送往水文数据监测中心，水文数据监测中心接收水文数据，水文数据监测中心以通播方式对远端站进行确认，远端站在设定的时间间隔内，如果收不到水文数据监控中心的确认或者收到需要本机重发数据的确认，则重发水文数据，然后关机。数据采集控制单元负责控制实现自动实时采集、
41、存储雨量及水位数据，并控制卫星终端将数据发往中心站，接收中心站的确认信息及控制指令，并对指令进行响应操作。地面总站通过逆向流程将指控中心发出的远程终端配置指令通过卫星发送到相应普通型用户机，由普通型用户机发送数据采集终端，进行系统识别码、采集频率等参数的修改。传输协议的设计：根据系统组成，为确保数据、命令准确可靠传输，必须设计好传输协议。传输协议分2种：测报站至监控中心、监控中心至监测站。数据传输时采用消息发起、确认机制，测报站和监控中心的状态迁移过程如下图所示：监测站至监控中心的数据协议格式为：命令类型、长度、内容、CRC校验，其中命令类型：01：数据发送开始，长度项为0；02：发送数据；0
42、3：数据续传；CRC校验从命令类型数据内容开始计算。监控中心至监测站的数据协议格式为：命令类型、长度、内容、CRC校验，其中命令类型：Ol：允许发送开始，长度项为0；02：数据正确接收完毕；03：数据接收完毕但有误；04：下发命令；CRC校验从命令类型数据内容开始计算。根据实际项目需要，把要传输的降雨量、河道水位、流量、水库水位等数据量按照一定格式填满发送即可。发送数据长度太长时，可以采用发送数据续传的方式进行传输。4.2.2.3 数据综合应用子系统数据综合应用系统由数据分析处理机、数据显示设备、数据存储设备、数据应用工作站、网络互联设备、网络安全设备、数据交换处理机等组成。进行数据存储。气象
43、水文数据库分为设备库和数据库。设备库包括设备参数描述、传感器参数、应用参数和传输数据格式；数据库的个数、种类由设备种类属性数据库决定，数据按设备库中的传输数据格式进行存储。通过基于地理信息系统的借口界面实现对终端采集设备的状态监控、远程参数设置等的功能。负责对实时气象水文数据进行报文识别、报文格式检查、报文订正处理、要素译码和质量控制等气象水文数据预处理工作。按照不同的数据种类分类进行气象水文数据组织和管理，建立气象水文要素库。对气象水文数据数据库中的数据进行历史数据查询和实时数据显示，生成指导性数值产品，是气象水文数据与预报保障人员的接口，能为区域数值天气预报提供更为准确的初试场，能为预报员
44、和指挥员提供多种形象直观的可视化数值预报产品，提高气象水文数据的利用效率。负责系统网络互联、网络安全。通过基于地理信息系统的接口界面实现对终端采集设备进行状态监控、远程参数配置，调整终端采集设备工作状态和数据采样频率等系统管理功能。数据综合应用子系统结构示意图如图4-4所示：图4-4 数据综合应用子系统结构示意图具体配置：(1) 水情服务器水情服务器1台，采用高性能、高可靠性、多任务、多用户型工作站，至少有如下配置： CPU： P24GHz内存：512MB硬盘：36GB，Ultra 3一SCSI接口一台光驱(DVDROM)1台光盘刻录机(CDRW)1台软驱1.44GB图形显示适配F-，3D图形
45、加速，显示存储器：=64MBl台2l寸VGA彩色显示器，分辨率：1600120085Hz一个标准键盘1个光电鼠标1个网络适配器(2) 水情工作站水情工作站2台，采用高性能、高可靠性、多任务、多用，、t型工作站，至少有如下配置：CPU：PIV 2.4GHz内存：512MB硬盘：36GB，Ultra 3-SCSI接口1台光驱(DVDROM)1台软驱1.44MB图形显示适配卡，3D图形加速，显示存储器：至少64MB1台2l寸VGA彩色显示器，分辨率：=1600*120085Hz1个标准键盘1个光电鼠标1个网络适配器（3）大屏幕投影仪大屏幕投影仪1台，便携式，分辨率：1024*768dpi，亮度：50
46、00ANSI流明。(4) 打印机打印机1台，为A3幅面黑白激光打印机。(5) 网络设备局域网设备1套，包括必需的网络交换机、通信电缆、连接器、发送器、接收器等。(6)不间断电源4.3系统工作原理4.3.1 系统工作模式工作模式气象水文数据采集传输工作模式：A、气象水文数据信息采集设备将采集的数据通过接口(RS-232)传输给北斗用户型终端，终端将报文发送至北斗卫星。B、北斗卫星将收到的主叫卫星终端的报文转发到地面总站。C、地面总站收到主叫卫星终端发来的报文，在识别用户码和用户身份鉴权通过后，将报文内容连同被叫终端信息发射到北斗卫星，同时将其发送到气象水文数据卫星传输平台，气象水文数据卫星传输平
47、台将报文写入数据库，等待用户查询、下载等处理请求。D、北斗卫星将收到的报文内容及终端信息再转发至各气象水文监测室。E、气象水文数据卫星传输平台数据库存贮全部接收及转发的报文，同时各气象水文监测室和水利中心可以查询数据库中的数据并下载到本地做进一步的处理。F、各气象水文监测室对各用户机发出的控制及指令可以通过上述过程的逆过程传输至各用户机终端，最终实现双向通信的功能。G、用户终端的定位流程与上述通信处理过程相类似，不同的地方在于主叫终端发送的是定位请求，地面总站进行位置解算，将解算出来的位置信息同时发射到卫星并转发到气象水文数据卫星传输平台，定位结果只有主叫终端自己可以解调出来。数据流程:气象水文信息采集系统所采集的气象水文数据由北斗用户机发送至北斗卫
