水雨情数据GPRS+卫星双信道接收方案的实践

许 亮,杨 帆

(1.广东省水文局广州水文分局,广东 广州 510150;2.广东省水文局清远水文分局，广东 清远 511599)

1 广东省水雨情自动测报系统现状

截至2019年初，广东省已建成了由1个省中心、2 300个测站组成的广东省水雨情遥测系统，系统采用移动GPRS组网[1]。系统数据流程采用自下而上、集中处理，广州水文分局在中国移动南方基地云平台中心租用6台云服务器，在云平台服务器部署了根据《广东省实施〈水文数据通信规约〉细则》开发的数据接收处理平台，水雨情遥测站点采集到的水雨情数据通过GPRS发送至移动云平台后，通过数据专线将数据同步到省中心的遥测数据库，遥测数据库再将水雨情数据交换到省局综合数据库(云平台数据收发见图1所示)[2]。

2 水雨情遥测单一公网数据传输的不足

广东省濒临南海，陆地海岸线为4 314 km，为全国最长，台风影响显著。随台风而来的暴风暴雨来势猛、强度大、破坏力强。2017年，台风“天鸽”登陆珠海，因移动通信服务中断，GPRS数据传输的监测站通信中断，无法传回实时监测数据；2018年台风“山竹”在台山登陆，附近基站受损导致水雨情数据无法及时传输；2019年6月河源上坪镇特大洪水也导致移动通信服务中断，无法将水雨情数据及时传回。GPRS数据中断的情况常常发生在极端恶劣的天气环境下，而这时也是防汛部门最需要水雨情数据的时候[3]。

通过近年大规模的建设，广东省的水雨情监测站密度有了极大提高，但是通信手段单一，仅依靠移动GPRS信号进行通信，一旦移动基站提供的数据服务中断，遥测数据也跟随中断。要解决这个短板，必须建立在台风、暴雨等极端天气下仍可正常通信的数据传输链路，以保证极端天气情况下的遥测数据传输[4]。

3 公网+卫星双信道方案设计

近年来，我国航天科技发展迅速，2020年6月23日，最后一颗北斗卫星顺利发射组网，北斗全球导航系统星座部署全面完成。应用于通信的北斗卫星终端的可靠性进一步提高，宽带通信卫星也即将推向商用。结合广东省水文自动测报系统现状，建立卫星信道是适应当前防灾减灾形势的需要，是广东省水文事业自身发展的必然要求和迫切需要，是满足极端天气状况下应急监测的需要。为了克服单一GPRS通信存在可靠性不强问题，经分析，广州水文分局采用移动GPRS+北斗卫星双信道的数据传输模式，即GPRS和卫星同时传输数据，租用的云服务器和省局的卫星数据接收服务器同时接收遥测数据，2个服务器均可以将数据交换给综合数据库[4]，GPRS+卫星双信道数据传输流程如图2所示。

图2 GPRS+卫星双信道数据传输流程示意

3.1 中心站设计

卫星接收中心站具有接收卫星短报文数据的功能，其网络结构如图3所示。

图3 卫星数据接收示意

数据接收完成后，按前置机—遥测数据库—综合数据库的数据流程完成数据处理、存储与转发。卫星接收中心站既可以通过卫星指挥机接收短报文，也可以通过INTERNET从卫星营运商直接获取卫星短报文；同时，为方便今后我国宽带互联网卫星应用于遥测数据传输，前置机留有互联网数据接入功能[5]。

为提高系统的可靠性，卫星数据采用独立通道接收，存储、转发均与GPRS云数据接收和处理服务器平台物理隔离[4]。

卫星中心站服务器采用1主1备的方式配置2台服务器[5]。

3.2 遥测站设计

3.2.1GPRS+卫星信道通信机制

GPRS、卫星发送数据频率可在遥测站进行设置，最高报送频率为5 min 1次，考虑到测站的供电问题，GPRS设置为每5 min发送1次，卫星设为60 min发送1次，报文协议遵守《广东省实施《水文监测数据通信规约》细则》[6]。

3.2.2遥测站技术性能

1) 可接入目前水文遥测系统中使用的所有通信方式(可同时接入2种以上通信设备，并可实现主备自动切换或双信道传输)[2]。

2) 智能传感器或仪表输入输出量，RS-232、RS-485或SDI-12信号，应满足SDI-12或MODBUS-RTU通信协议的要求[7]。

3) 终端机可具备数据固态存储功能，宜能存储12个月(5 min采集时间间隔)以上的数据，并可现场和远程进行数据读取[7]。

4) 终端机的可靠性指标：平均无故障工作时间(MTBF)不宜小于25 000 h[7]。

5) 遥测终端机具有较高的可靠性，符合水文自动测报系统提出的MTBF指标要求，具有严密的防雷及可靠性措施，可以在雷电、暴雨、太阳能无充电等恶劣条件下正常工作[7]。

4 GPRS+卫星双信道方案实施

广东省水情中心于2019年7月—2019年11月安装调试完成100个GPRS+卫星双信道站点，布点原则：先选取沿海国家重点水文站，再选择GPRS信号相对较弱的水库站点。其中广州4套、江门10套、韶关13套、佛山6套、湛江8套、茂名7套、肇庆9套、惠州12套、汕头10套、梅州13套、清远9套。

4.1 卫星中心站

卫星中心站由北斗指挥机和卫星数据接收处理服务器组成，可实现对下属最多500个北斗卫星终端的管理功能。卫星指挥机满足《北斗一号用户机数据接口要求(2.1版)及(4.0版)》协议要求。卫星指挥机接收到遥测站发送的短报文后，立刻将短报文通过通信串口传送给卫星数据接收服务器(前置机)，数据处理完成后交换给综合数据库，完成整个数据传输过程，卫星指挥机如图4所示。

图4 卫星指挥机示意

4.2 遥测接收前置机和数据库

广州水文分局中心站采用卫星数据和GPRS数据各自独立的接收通道，指挥机收到水雨情短报文后通过串口将报文发送到卫星数据接收前置机，前置机收到报文后将报文存储到到卫星报文数据库，然后由后台的卫星数据解析服务将报文解析成需要的水情数据存入遥测数据库，与GPRS数据互为备份，因为同一台RTU发送的报文，原理上不存在数据差异，至于写入综合库，目前的原则是以GPRS为主，发现GPRS通信故障后，启动卫星数据写入综合库。

5 实施前后畅通率的比较

在2019年7月台风“韦帕”登录期间，扶曹水库GPRS信号差，无法传输数据，只能依靠双信道中的北斗卫星实时发送水雨情数据。

由表1可见，GPRS数据在台风期间中断，数据入库时间均为8日2日12：32前后补发，而表2中卫星数据入库时间均为准时到报，整个台风期间，该站的卫星数据到报率达到100%。实践证明，GPRS+卫星双信道使数据传输的可靠性显著提升。

表1 扶曹水库GPRS数据到报情况

表2 扶曹水库卫星数据到报情况

6 结语

广东省水情遥测系统主要依靠中国移动GPRS通信，在GPRS中断服务的情况下，水雨情数据无法传回中心，特别是在受强台风和特大暴雨等极端天气影响时更容易出现此类问题；原来遥测站采用的GPRS+卫星主备通信机制，卫星信道平时作为备用信道不通信，在作为主信道的GPRS传输失败后才启动卫星传输信道，卫星信道发生故障也不能及时判断，设备的可用性打了折扣，往往出现主信道通信失败而备用信道也没发挥作用。为解决以上问题，广州水文分局经过需求分析，探讨解决卫星信道的使用方法，经过遥测站硬件集成和终端软件配套、中心站软件平台修改，完成了基于GPRS+卫星双信道的开发，已成功部署了100个GPRS+卫星双信道水雨情遥测站点。这种传输模式的优点总结如下：

1) 解决遥测通信手段单一的问题，省水情卫星数据服务器与基于云平台服务器同时收到遥测水雨情数据，二者形成热备份，基本上解决了GPRS故障情况下遥测数据保障率低的问题；

2) 解决以前遥测站GPRS主信道与卫星备用通信模式的稳定性问题，GPRS+卫星双信道较传统的主备信道稳定性更高，卫星备用信道每天8点的平安报不能准确地反映设备的好坏，而且极不稳定，GPRS+卫星经过不断地优化，卫星数据库到报率已达到90%以上，数据传输的稳定性进一步提高。

GPRS+卫星双信道的通信传输模式为广州水文分局在极端天气情况下遥测数据的畅通提供了保障，也为应急决策支持部门提供了关键的数据支撑