智慧水利监控管理系统解决方案.doc

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1、基 于北斗卫星导航定位系统  智慧 水利 监管 方案  *公司  目录  1 引言  6 1.1 概述 6 1.2 项目必要性 . 7 1.3 设计依据 . 9 1.3.1 参考资料  9 1.3.2 可行性分析  10 2 任务与功能 12 2.1 实现任务 . 12 2.2 功能需求 . 14 2.2.1 气象水文数据的实时采集  14 2.2.2 水利水情信息实时查询  14 2.2.3 数据的实时传输  15 2.2.4 电子地图  15 2.2.5 路线规划  15

2、 2.2.6 修改远端测站参数  16 2.2.7 终端设备安装、维护简易 . 16 2.2.8 接收报警信息 . 16 2.2.9 通信回执  16 2.2.10 实时通信  16 2.2.11 数据库查询 17 2.2.12 历史数据回放 . 17 2.2.13 数据分发和共享 . 17 2.2.14 短信通信  17 3 性能指标要求 . 17 3.1 中心基本技术要求  17 3.1.1 功能要求  17 3.1.2 其它技术要求  19 3.2 接口技术要求 . 20 4 系统总体设计 . 20 4.1 系统的设计

3、目的、思路与原则  20 4.1.1 设计目的  20 4.1.2 研制思路与关键技术策略  21 4.1.3 设计原则  22 4.2 系统组成结构  23 4.2.1 系统总体结构  23 4.2.2 子系统的组成及配置  25 4.2.2.1 气象水文数据自动采集子系统  25 4.2.2.2 数据传输子系统 . 30 4.2.2.3 数据综合应用子系统 . 32 4.3 系统工作原理  35 4.3.1 系统工作模式  35 4.3.2 北斗信号上行工作原理 . 36 4.3.3 北斗信

4、号上行工作原理 . 37 4.3.4 移动通讯和增值服务工作原理 . 38 4.3.5 服务坐席管理子系统和各应用服务系统工作原理 . 40 4.3.6 数据存储、处理及备份子系统工作原理 . 41 5 实现方式  42 5.1 固定式自动气象站 . 42 5.2 机动式自动气象站 . 43 5.3 船用气象水文数据采集 . 43 5.4 雨量传感器的选择 . 44 5.5 水位传感器的选择 . 44 5.6 气象水文监测室数据压缩 . 45 5.7 北斗卫星应急灾害遥感预 警通信系统用户终端设备  47 5.7.1 手持型用户终端 . 47 5.7.2 车载型用户终端 &

5、nbsp;47 5.7.3 灾情自动测报型用户终端 . 47 5.7.4 指挥型用户终端 . 47 5.8 北斗卫星应急灾害遥感预警通信系统技术参数 . 47 5.9 电池 49 6 应用软件  49 6.1 软件模块设计 . 49 6.2 应用服务客户端软件  51 6.3 基础档案模块  52 6.4 北斗终端显控模块  54 7 系统四性设计 . 55 7.1 系统可靠性设计  55 7.2 系统可维修性设计  56 7.3 系统测试性设计  57 7.4 环境适应性措施  57 8 风险分析  5

6、8 8.1 经济风险  58 8.2 技术风险  59 1 引言  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

7、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

8、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 1.1 概述 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

9、管理系统的应用 起到一个巨大 的推进作用， 也 是未来 水利 监控 管理 的一个热 点 领域。  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

10、 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 。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 1.2 项目必要性  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

11、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

12、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

13、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。 &n

14、bsp;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。  1.3.1 参考资料  4 GJB 151A-1997 军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求  1.3 设计依据  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、 201

15、1 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”（

16、 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

17、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，监控中心可与移动目标进行数 字报文通信。移

18、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  水文自动测报系统是流域和水库洪水调度系统

19、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

20、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、 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 2.1 实现任务  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，

21、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

22、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

23、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。  基于北斗卫星导航定位系统的 水利 监控管理系统的功能需求主 要归纳如

24、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 2.2 功能需求 &nb

25、sp;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 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

26、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

27、  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

28、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 的历史

29、 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

30、 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) 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

31、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

32、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

33、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

34、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 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

35、 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

36、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

37、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、总体结构及子系统方 案中充

38、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  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。  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。  

39、;满足经济性要求。系统设计与建设要充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。  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。  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。  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。  按开放式系统的要求选

40、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，保证系统具有高度开放（灵活）性、兼容性和可扩展性。  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。  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。  4.2.1 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：  

41、4.2 系统组成结构  监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 V P N 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 图 4-1 基于北斗 卫星

42、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 ：  移 动 通 信 网 关 北 斗 卫 星 定 位 总 站 北 斗 指 挥 机 群 移 动 通 讯 模 块 北 斗 信 号 接 收 模 块 北 斗 信 号 发 射 模 块 通 信 、 应 用 服

43、务 及 管 理 模 块 数 据 服 务 模 块 服 务 管 理 子 系 统 监 控 大 屏 幕 显 示 子 系 统 空 间 数 据 库 属 性 数 据 库 数 据 备 份 其 他 系 统 应 用 接 口 模 块 用 户 数 据 不 间 断 电 源 支 撑 数 据 存 储 、 处 理 及 备 份 子 系 统 数 据 通 信 连 接 控 制 子 系 统 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

44、 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

45、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：  监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监

46、 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 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

47、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 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。  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

48、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；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。  遥测终端  遥测终端 (RTU)是

49、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

50、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：  O D U 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 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：  O D U 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监

51、 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 2 2 0 V 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

52、 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、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

53、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 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 监 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； 03：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。