分析GPRS与互联网在水利信息化中的应用

　　0引言
　　我国已建成的水库有8万多座，中小型水库占总数的99.5%，这些水库大都建设于20世纪5070年代，大部分水库防洪标准低、工程质量差，工程的安全运行直接影响到广大人民群众生命和财产的安全。2013年，水利部建设管理与质量安全中心和水利部南京水利水文自动化研究所，对全国3000余座水库大坝安全监测进行了调查，大中型水库监测项目配备较为完善的约占70%，小型水库安全监测普遍存在管理人员数量和素质都相对较弱、经费不足、监测项目不全、监测设施不满足规范要求，以及工作开展较少等情况。1954年以来，小型水库占已溃坝总数的96.4%，小型水库安全风险远高于大中型水库。
　　2013年，水利部建管司发文水利部关于加强水库大坝安全监测工作的通知(水建管〔2013〕250号),强调做好中小型水库的安全监测工作。在中小水库除险加固工程中，大坝安全监测系统得以完善，在系统长年运行期间，往往因基层管理单位技术力量、维保资金等问题不能正常发挥大坝监测系统的作用。针对现状，深圳市通过市场化途径，将小型水库的安全监测实行社会化专业服务方面的探索， 取得良好的效果。如何利用快速发展的互联网技术，构建成本较低、管理高效的信息化系统， 是水利工程信息化和现代化管理的重要基础。常规的水利工程信息化， 包括大坝安全监测、水雨情、视频、水质、闸门监控等子系统。根据中小水库工程数量多、规模小， 大坝监测系统测点数量少、费用紧、管理力量弱的现状， 本文对基于互联网的中小水库信息化系统模式进行了分析研究。
　　1 GPRS与互联网技术
　　GPRS是一种高效率、低成本的中小型水库信息化系统的组网方式。GPRS是GSM的延续，GPRS是以封包( packet)方式来传输，因此使用者所承担的费用是以其传输资料流量计算的， 使用成本低。GPRS最突出的应用是实现监控中心与测站间一对多的无线通信，非常适合交通不便、测点分布范围广的情况，如滑坡体、地下水、堤防及小型水库。市场上有多种成熟的GPRS通信模块销售， 系统维护便利。GPRS通信避免了敷设通信线缆及沟槽开挖等， 可以节约大量安装成本。
　　利用互联网进行数据传输具有广泛的硬件条件和经济基础，可以低成本实现异地网络上的计算机间快速传输数据。众多的计算机和通信设备通过通信线缆按不同形式连接起来组成计算机网络，使用TCP/IP协议实现不同设备间彼此通信，完成信息在网络内相互传输。互联网信息高速公路可以突破地域的限制，实现快速、高效、低成本的将数据从信息采集端传输到使用端。中国互联网络信息中心(CNNIC)发布第37次《中国互联网络发展状况统计报告》中指出，截至 2015年12月，中国网民规模达6.2亿人，可见互联网的应用有非常广泛的基础。半数中国人在使用互联网，上网设备正在向手机端集中，互联网的普惠、便捷、共享特性，已经渗透到各行各业。
　　云技术是指在广域网或局域网内将硬件、软件、网络等系列资源统一起来，实现数据的计算、储存、处理和共享的一种托管技术。云服务将硬件资源集约化后分割出租，相比传统专用服务器而言主要优势在于能够动态调配资源。云服务器、云数据库可实现直接迁移，可靠性高;快速部署，灵活扩展，方便升级;可避免常规的硬盘失效、病毒攻击;数据存到云关系型数据库RDS(relational database service)，由专业人员维护，提高可靠性的同时降低了单个项目的维护成本。对于一般用户来说，可以理解为:不用买自己的计算机，只要能上网、支付服务商一定的租金就可以在能上网的地方方便地使用存储、计算服务。
　　移动互联网是未来另一个发展前景巨大的网络应用。随着宽带无线接入技术和移动终端技术的飞速发展，手机、平板电脑快速普及， 相应的信息管理系统从C/S和B/S结构进一步发展，各类移动端的应用逐渐丰富。
　　2 典型应用模式
　　2.1 测点分布范围广的单个水库
　　托口水电站位于湖南省怀化市，枢纽采用分散式布置，由主坝、副坝、电站厂房、引水系统、通航建筑物和河湾地块防渗工程组成，属坝、厂分离式电站。河湾地块共布置50个地下水观测孔，散布于5km范围内。其中32个测点较为分散， 为避免长距离敷设电缆，系统为每个测点单独设站，使用振弦式渗压计+MCU实现数据采集，采用太阳能供电、GPRS通信。主、副坝灌浆平洞内及业主营地周边的18个测点的电缆引到廊道出口，再接入2个测量模块后，同样采用GPRS方式通信接入自动化系统。
　　系统网络拓扑结构如图1所示，托口水电站采用固定IP方式接入Internet，在网络防火墙上设置端口映射，将TCP协议的5002端口映射到局域网内的监控主机。每个MCU内的GPRS模块上电后自动拨号接入移动网络，通过设定的数据中心IP以及端口号等参数，主动向监控主机发起通信链路请求，GPRS模块与监控主机握手成功后保持这个通信连接，MCU与监控机间通过该链路进行数据双向通信。
　　托口水电站的监控主机安装了数据采集软件，实现了常规的自报、选测等运行方式，同时具有检查系统通信状态、查询或设置MCU内置时钟等功能，完全实现了与有线方式通信一样的功能。
　　这种模式具有以下优势:
　　(1) GPRS通信避免长距离敷设通信线缆，降低了系统造价，提高了构建系统的效率。采用GPRS无线通信以及太阳能供电，只需要局部竖立测杆，不需要在各测站之间开沟敷设通信、电源电缆，降低了开挖、管材、电缆等相关费用，避免了相关征地、破坏农作物、植被的问题，显著降低了系统的造价，同时缩短了现场安装调试的时间。
　　(2) 系统防雷抗干扰性能得到提高。系统采用太阳能供电、GPRS通信，避免了数据采集系统从电源、通信线路上引来的雷击问题。传感器引出线缆用钢管保护、MCU与测压管(镀锌钢管)可靠连接，项目虽处于南方多雷地区，但系统运行稳定，没有发生雷击损坏。
　　同时应注意几个问题:
　　(1) 网络防火墙的端口设置应有专业人员操作，并妥善保管密码。系统建设时，需要在防火墙内设置某个端口映射到监控主机，对进口设备，其操作界面是英文版专业术语，为避免电厂网络出现异常或事故，该项操作一般应由专业人员设置。防火墙、交换机长期处于在正常工作状态，很长时间内都不需使用密码，当管理单位的网管人员变动时，更应使密码处于受控状态。
　　(2) 采用双通道GPRS模块提高系统的可靠性。GPRS模块应支持GPRS和短消息双通道传输数据，且支持与多中心进行数据通信。当网络的GPRS信号不能正常工作时，能自动切换到短信息方式运行，以提高系统的可靠性。GPRS模块与多中心通信功能可实现将监测数据发送到二个或以上不同地域的监控中心，实现异地备份保证数据安全。
　　(3) GPRS模块本身、运营商网络质量影响着系统通信的可靠性。GPRS模块上电后拨号通过运营商网络连接Internet，并维持链接状态，有时会出现网络信号临时中断或变弱等不稳定情况，信号恢复正常后GPRS自动恢复连接，期间就可能造成系统短暂的延时现象。为避免GPRS模块本身的质量问题，使用的GPRS模块应通过在线空闲、数据中心关闭后恢复、重复上电、拨号及短信干扰、域名解析、欠费等测试。
　　2.2 水库群统一管理
　　从2010年开始，按照统一规划、逐步实施的方式，广西将多个地市的中小型水库的安全监测数据在南宁集中管理。管理系统网络拓扑结构如图2所示，南宁建立大坝安全监测数据管理中心，设数据库服务器、WEB服务器、交换机及防火墙等，固定IP，各个水库通过互联网定期将监测信息自动写到南宁数据库内，实现数据集中、专业人员管理。
　　各水库的监控主机与MCU间双向通信，实现数9周克明，等 GPRS与互联网在水利信息化中的应用水利水电技术第48卷2017年第1期据采集，数据保存在本地数据库，由上传管理模块自动将数据上传到南宁的管理中心。
　　数据管理中心安装有网络版的信息管理软件。信管软件采用C/S与B/S结合的方式实现，C/S部分主要包括软件的设置、数据分析处理等专业性较强的功能，B/S部分主要是进行信息发布，如查询观测数据、浏览各种图形、报表，并可下载到本地。
　　这种模式具有以下优势，同时应注意几个问题:
　　(1) 水库可以不设监控主机。当单个水库只有几个或数十个测点时，水库现场的数据采集设备可以考虑采用GPRS/GSM通信方式，采用3.1节方案，可以直接将监测数据通过网络发送到数据管理中心，水库可不设监控主机，解决水库现场缺少技术人员、办公场所的问题。
　　(2) 各个水库可根据现状选择经济的接入Internet方式。小型水库大都处于偏远山区，网络服务商的基础设施有别，连接Internet的方式各有不同，可以通过PSTN公共电话网、ADSL拨号、ISDN拨号或DDN专线等等，实现监控主机接入Internet即可。有些方式不能保证监控主机随时与Internet连接，因此采用在各个水库的监控主机上安装数据上传软件，水库监控中心主动向地区数据管理中心同步数据的方案。
　　(3) 单个水库的监测系统现地通信方式可以有多种。当水库规模较大时，测点可能有几十个或上百个，信息化系统需要的数据采集设备较多，现地通信可以采用电缆、光缆通信。当监测点很少时可以考虑采用GSM或超短波通信，以减少系统的通信线路敷设工作量。相对来说，有线通信方式要比无线可靠，即时性也要好。
　　2.3 国际工程
　　南欧江干流共有七级水电站在建，是我国一带一路建设与老挝水电富国战略的相关项目。五、六级水电站位于老挝北部的丰沙里省境内，均为二等大型工程，五级电站大坝为碾压混凝土重力坝，六级水电站大坝为复合土工膜堆石坝，最大坝高约88m，是目前国内同类坝型的最高坝。在五、六级水电站施工期间，各设置了一个施工期气温、雨量测点。两级电站坝址间有4h车程，距离营地间均有5 8km，路况较差，超短波信号不能直通。
　　为避免大坝与管理营地间长距离敷设通信线缆，降低项目造价，二个水电站的测站均采用GPRS通信(国内GPRS模块、当地SIM卡)、太阳能供电，租用国内服务器构建系统。该项目业主在老挝没有建立 Internet网站，没有固定IP，为接收GPRS 数据，在南京租用阿里云服务器，将数据采集、管理、查询都集中在一个统一平台，现场不设数据采集电脑，通过Internet，工程管理及技术服务人员使用客户端软件查询或下载保存在云服务器上的监测数据。将二个项目纳入统一平台， 在水库不设专用服务器及附属设备，服务器的维护、升级由专业服务商完成， 避免了水库管理单位技术力量不足的现状。
　　这种模式现场不设监控主机实现了跨境传输数据，实施中应注意几个问题:
　　(1) 国际工程应考虑时区差别的问题。国外项目采用 GPRS 通信， 租用国内的云服务器时， 数据采集软件读取国内服务器的时间， 设置到现场的数据采集设备中的时钟芯片， 为准确地将当地时间设置到数据采集设备，应考虑老挝时间与北京时间1h的时差。
　　(2) 应采用 2G、3G 兼容的 GPRS 模块。老挝、越南、柬埔寨等东南亚一带的国家地广人稀， 通信基础设施仍较薄弱， 移动通信服务比我国发展略微落后。这些国家一般采用国际通用的 GSM 或 CDMA450Hz 制式， 有些水利工程所在的偏远山区移动通信网络更新较慢，可能采用 2G 上网模式， 甚至无法上网， 只能采用 GSM 方式通信; 有些邻近大城市的地区可能采用 3G 上网。国内 GPRS 模块到东南亚一般能正常使用， 但应尽量选用 2G、3G 兼容的 GPRS 模块， 同时考虑到设备当地采购不方便、维修周期长的现状， 应储备适量的备用品。
　　(3) 重视水利数据的保密问题。互联网极大地方便了远距离通信， 突破了数据传输的空间限制， 配合相关应用软件， 管理人员可以在最短的时间内获取水利信息， 带来方便的同时，也存在一定的隐患。水利部、国家保密局在 2000 年发文， 规定国际河流的水文资料、洪水水情实时信息属于机密级， 大型和重点中型水库水质监测资料、水库垮坝等属于秘密级。这些数据在网络上传输需要按照相关规范加密处理，服务器也应设防火墙并以最高安全模式运行。
　　3 结语与展望
　　GPRS 可以实现监控中心与测站间一对多的无线通信，适合中小水库、堤防、滑坡、地下水监测等应用。GPRS 无线通信避免了长距离敷设线缆， 提高系统防雷性能的同时，降低了信息化系统的造价。租用云服务器作为监控主机实现现场不设数据采集计算机， 进而降低了工程运行管理人员的技术要求。
　　本文构建的基于互联网的大坝安全监测系统，监测数据以分布式采集、集中式管理的模式， 将众多小型水库的信息化系统集中到设备、人才较好条件的地区相关机构统一管理， 有效地避免了水库技术力量薄弱、资金缺乏的问题， 为区域性水库群的大坝安全管理提供了一种成本低、效率高、专业性强的统一管理模式。这种模式适合各省市、流域机构对中小水库大坝信息化统一管理，具有广阔的推广前景。
　　互联网、GPRS 技术给信息化系统构建带来方便的同时， 还存在一些需要进一步完善的地方: 在人为破坏、地震、台风等异常自然灾害发生导致光缆、基站故障时， 采用 Internet、GPRS通信的系统受第三方建设的网络所制约将不能正常运行，因此，数据采集设备应具备内置蓄电池、现场数据采集接口，确保监测数据不中断;中小水库所在地的移动通信基础设施建设、GPRS模块的可靠性还有待提高; 进一步降低数据采集设备和GPRS模块功耗，缩小体积方便现场安装应用;完善网络安全管理，保证水利信息的安全性。