天津滨海新区风暴潮监测预报预警数据通讯网络设计与实现

杨 逍 ，刘 颉 ，梁 捷 ，张东亮 ，吕九红 ，路亚娟 ，张晓娟 ，邹 涛

（1.国家海洋技术中心，天津 300112；2.天津市海洋环境监测预报中心，天津 300457）

天津滨海新区风暴潮监测预报预警数据通讯网络设计与实现

杨 逍1，刘 颉1，梁 捷1，张东亮1，吕九红1，路亚娟1，张晓娟1，邹 涛2

（1.国家海洋技术中心，天津 300112；2.天津市海洋环境监测预报中心，天津 300457）

首先概述了“天津滨海新区风暴潮监测预报预警技术与示范”项目的背景，然后介绍使用GPRS-APN数据传输网络和3G网络通讯技术实现测站观测数据和视频图像传输、控制功能，最后介绍了项目数据通讯网络的运行情况。

GPRS；DTU；视频监视；风暴潮

天津滨海新区位于渤海湾湾顶，是历史上风暴潮灾害的多发区和严重区。2008年国家海洋局下达了海洋公益项目“天津滨海新区风暴潮监测预报预警技术与示范”，项目的目标是完善风暴潮实时监测，改进监测监视的手段，整合优化观测站点和监测数据采集网络，实现可视化监视，建立滨海新区小区域、精细化温带风暴潮增减水数值预报模式，利用高精度风暴潮漫滩数值模式实现风暴潮灾害淹没风险评估，为天津滨海新区经济的持续快速发展保驾护航。

数据通讯网络负责将测站测量的数据和视频图像传送到数据集成平台和视频服务器上，供用户浏览和使用，它是项目实施的基础和根本，对项目的进展具有决定作用。保证数据通讯网络的正常运转是整个项目的关键任务。

1 监测系统设计

系统各测站观测要素主要是潮汐、风向、风速、气压和视频图像。潮汐、风向、风速、气压等水文气象数据实时观测，根据《海滨观测规范》的要求，每分钟发送一次数据至数据中心，天津市海洋环境监测预报中心通过数据中心获取水文气象数据，进行风暴潮的数值预报。

系统测站安装视频监视设备，可以实现对测站现场的可视化监测，视频监视由用户控制，按需开启，视频数据压缩后经电信3G无线网络实时传送至视频服务器，用户通过Internet，使用视频客户端软件浏览测站视频。

由于水文气象数据和视频数据对网络要求不同，水文气象数据特点是数据量小、实时连续传输，而且对保密性和可靠性有要求，因此还要考虑网络私密性；视频数据特点是虽然数据量大，但不需要24 h连续传输，而且无保密要求，因此网络传输只需要保证高速率。基于以上原因，将视频数据传输网络与水文气象数据传输网络分开。

1.1 系统测站组成

系统共建设3个测站，其中南港工业区测站和北疆电厂测站采用风光互补方式供电，各测站主要由采集控制箱、风力发电、视频球机、风速计、路灯、外控电源箱、气压计、水位计和灯杆组成，以南港工业区测站为例，其结构如图1所示。

1.2 水文气象数据网

测站分布在天津沿海地区，彼此距离较远，专线的架设和使用费用较高，不适宜。

GPRS是通用分组无线业务 (General Packet Radio Service)的英文简称，是在原有GSM系统上发展出来的一种承载业务，目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务。GPRS采用与GSM同样的无线调制标准、同样的频带、同样的突发结构、同样的调频规则以及同样的TDMA帧结构，这种分组数据信道结构与电路交换的话音业务信道极其相似。因此现有的基站子系统 (BBS)从一开始就可以提供全面的GPRS覆盖。

GPRS是一种覆盖面广、组网灵活、安全可靠、接口简单、透明传输的中小数据量专用无线数据传输系统。采用GPRS无线数据通信系统，以中国移动的GSM/GPRS网络为通信平台，通过无线数据传输终端设备(GPRS DTU)，在用户设备与数据中心之间建立完全透明、可靠的串行数据传输通道。采用GPRS数据传输终端进行应用开发，不必关心GPRS网络协议、TCP/IP协议等。GPRS通信模式突出特点：

（1）永远在线：GPRS DTU开机就能自动连接到GPRS网络上，并与用户数据中心建立通信链路，随时收发用户数据设备的数据，具有很高的实时性；

图1 天津滨海新区风暴潮监视预报预警系统南港工业区测站整体结构示意图

（2）按量计费：GPRS DTU一直在线，按照接收和发送数据包的数量来收取费用，没有数据流量的传递时不收费用；

（3）组网简单安全：GPRS系统可以通过中国移动的APN模式构建与Internet隔离的专属的局域网，既为用户提供私密的网络环境，又同时保持接入便利、扩容简单、节省接入投资等优点；

（4）维护费用低廉：由于采用中国移动的GPRS数据业务，因此链路维护也由中国移动负责，免除通信链路维护的后顾之忧；

（5）安全可靠：由于采用中国移动的GPRS数据业务，所以在不影响上网的前提下，GPRS DTU的发射功率非常小，天线非常短，而且无需高架，克服了有线传输和无线电台传输容易引雷击坏设备的缺点。

与GPRS类似的接入方式还有CDMA网络以及3G网络，从收费方式和网络覆盖情况看，中国移动的GPRS网络比较适宜水文数据的传输。

水文气象数据传输网络如下：水文气象数据中心通过基于GPRS或者EDGE的无线路由器接入；各个测站采用DTU方式接入；中国移动对所有接入通过APN方式组成局域网。

1.3 视频监视网络

视频监视对网络速度要求较高，GPRS网络最高速度只有160 kbps，不能满足视频传输要求。3G是C网和G网的最新产品，技术上比CDMA和GPRS先进的通信方式和网络，特别是传输速率有成倍增长，在传输多媒体信息应用中更具优势。

图2 观测系统网络结构

视频监视采用EVDO移动数据网络进行组网和数据通讯。它的具体内容包括：视频监控的视频主机将视频数据压缩、打包，然后通过EVDO无线路由器接入网络，视频数据中心服务器软件接收数据并分发给监控终端软件，通过监控软件，用户可以实时掌握各个被监控测站的情况，并对发生的情况做出反应和处理。

1.4 通讯系统总体结构

整个系统的网络通讯结构如图2所示。

2 监测系统实现

监测系统共分测站、数据汇集中心、数据分发中心及天津市海洋局、国家海洋预报中心4级。测站提供水文气象观测数据，数据汇集中心负责数据的接收和质量控制，数据分发中心负责数据的分发，数据汇集中心和数据分发中心共同组成数据集成平台，国家海洋预报中心和天津市海洋局作为用户使用测站测量的数据和视频，国家海洋预报中心根据测站观测的数据进行风暴潮的数值预报。它们关系如图3所示。

图3 天津滨海新区风暴潮预报预警系统层次结构图

系统各个测站对观测要素进行实时测量、记录，并响应汇集中心请求命令将每分钟测量数据经GPRS网络发送至数据汇集中心，测量数据经汇集中心质控后存储并采用TCP/IP协议经无线电网络发送到数据分发中心；分发中心负责将接收的数据转发给天津市海洋局，并按固定格式保存为文件后经北海分局专线网络传送给国家海洋预报中心。国家海洋预报中心根据上传的水文和气象数据，进行风暴潮的数值预报和风暴潮灾害淹没风险评估。测站根据实际情况集成视频观测功能，实现对测站现场风浪、增水情况的实况可视化监视。

2.1 数据汇集中心

数据汇集中心负责接收系统各测站的测量数据，对各观测要素的测量数据进行质控，对各测站测量的水位数据转换为潮位数据，质控后的数据保存到数据库，同时画数据时间序列曲线；采用TCP/IP协议将数据经无线电网络传送到数据分发中心；响应数据分发中心发送的数据查询指令，转发数据分发中心对测站视频和路灯的控制命令。从局域网中获取东突堤测站每分钟的测量数据，并按格式组织后发送给数据分发中心。

图4 天津滨海新区风暴潮监测预报预警技术与示范项目数据汇集中心主界面

汇集中心显示各个测站的测量数据，可以根据建设测站的多少进行显示。数据汇集中心主界面如图4所示。

如图4中所示，以不同的颜色表示测站不同的状态，黑色表示没有完成建站的测站，红色表示完成建站但工作不正常的测站，绿色表示完成建站且工作正常的测站；正常工作的测站如果超过2 min没有得到实时分钟数据，则以红色显示。

数据汇集中心每天创建日志文件，记录数据汇集中心接收和发送的全部数据信息。每分钟自动生成一条查询测站数据指令；具有自动补漏功能，在系统没有获取实时数据时，自动向测站发送请求当天漏接数据的指令；具有手动操作功能，可以操控测站的视频和路灯开关，可以获取测站存储一年历史数据中的任意分钟数据；具有整点数据查询功能，可以查询指定测站各要素的整点数据；具有历史数据查询功能，可以从汇集中心存储数据库中查询指定测站特定日期范围内的数据，查询数据可以导入Excel表中；具有各测站潮位高低潮判断功能，每小时自动判断一次各测站高低潮，如果判断出高低潮则将判断结果发送给分发中心；具有数据库备份、还原功能。数据汇集中心的主流程如图5所示，处理接收到的分发中心命令流程如图6所示。

图5 天津滨海新区风暴潮监测预报预警技术与示范项目数据汇集中心主流程图

图6 天津滨海风暴潮系统汇集中心处理接收分发中心命令流程图

2.2 数据分发中心

数据分发中心负责将从数据汇集中心接收的数据进行显示、存储，同时将接收的数据转发给天津市海洋局显控程序，实时生成各测站每分钟的数据文件及生成各测站的整点潮位数据和高低潮数据文件，并将这两类数据文件经北海分局的专线网络发送给国家海洋预报中心。

响应天津市海洋局显控程序的数据查询，转发天津市海洋局显控程序对各测站视频和路灯的操控命令到数据汇集中心。提供GPS校时、数据库备份、历史数据查询等功能。

数据分发中心通过局域网的FTP服务，获取局域网内东突堤测站测量的分钟数据文件，从中提取相关信息后进行显示，并将数据发送给天津市海洋局显控程序。

2.3 天津市海洋局显控程序

天津市海洋局显控程序，可以接收、显示系统各测站的实时分钟数据和高低潮信息。可以从数据分发中心查询各测站历史数据，可以通过数据分发中心、数据汇集中心的转发而控制各测站的路灯和视频开关。同时提供GPS校时功能。

2.4 视频图像

系统中各级用户均可以控制视频的开关状态，各级用户通过视频客户端软件，经Internet连接到视频服务器，查看各测站监视视频情况，在视频客户端程序上可以获取测站视频的图像和录像，截取测站视频图像如图7和图8所示。

图7 天津港测站监测视频图像

图8 南港工业区测站监测视频图像

3 系统运行情况

2011年5月底，系统各测站均能正常工作，将数据汇集中心放置在塘沽东突堤海洋观测站内，6月3日将数据分发中心放置在国家海洋局天津海洋环境监测中心站内，天津市海洋局显控终端放置在国家海洋技术中心，经调试系统各部分通讯正常。

7月14日，将数据汇集中心数据库拷回，进行数据处理。从6月1日0点开始至7月14日10时58分，对各测站数据进行统计，北疆电厂测站、大沽灯塔测站和南港工业区测站实时测量数据通讯成功率分别为91.604%、69.710%和91.962%，经汇集中心自动补漏后3个测站的测量数据通讯成功率分别为99.922%、96.642%和99.988%。大沽灯塔测站由于信号不稳定，通讯效果稍差，考虑使用高增益通讯天线替代普通天线，提高通讯成功率。对于自动补漏后没有接收到的测量数据，可以通过人工操作界面，以手动方式向各测站发送命令获取指定时间数据。

视频服务器运行正常，各级用户可以根据各自的用户名和密码查看各测站视频图像。

目前，各测站测量数据已按设计要求发送到国家海洋预报中心，项目进入试运行阶段。

4 结语

GPRS-VPN通讯网络方式适用网络站点分散、单次通讯数据最小、通讯密度大的需求，采用该种组网方式，还可以解决通讯内容保密问题。该种组网方式灵活、快捷，具有较好的网络覆盖基础。但在离岸边较远的海中，GPRS信号较差，通

[1]吴丰林，方创林，蔺学芹.环渤海地区风能资源开发与大规模非并网风电产业基地建设[J].资源科学，2008，11，1640-1645.[2]张东亮，张锁平，梁捷.GPRS数据通信在天津沿海潮位监测系统中的应用[J].海洋技术，2006，4，25-28.

[3]郑琰，焦坡，张晶莹.基于无线专网的配变实时监测管理系统[J].电力系统保护与控制，2009，16，96-98.

[4]张东亮，齐占辉，刘颉.新技术在天津滨海新区风暴潮监测中的应用[C]//北海区海洋观测学术会议，2010.

Design and Implementation of Data Communication Networks for Storm Surge Monitoring and Early Warning of Tianjin Binhai New Area

YANG Xiao1,LIU Jie1,LIANG Jie1,ZHANG Dong-liang1,LV Jiu-hong1,LU Ya-juan1,ZHANG Xiao-juan1,ZOU Tao2
(1.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China;2.Tianjin Marine Environmental Monitoring Central Station,SOA,Tianjin 300457,China)

At first the project background of"storm surge monitoring and early warning technology and demonstration of Tianjin Binhai new area"was outlined.Then the realization of control function and transmission of video and observation data from station using GPRS-APN data transmission network and the 3G network was introduced.Finally the operation of data communication network of the project was introduced.

GPRS;DTU;video surveillance;storm surge

P71，TN915

B

1003-2029（2012）01-0052-06

2011-08-25

国家海洋局海洋公益性行业科研专项资助项目——天津滨海新区风暴潮监测预报预警技术与示范（200805018）

杨逍（1976-），男，工程师，主要研究方向为数据通讯技术和水声测量数据处理。Email：yangchk@21cn.com