牛智星，嵇海祥，崔彥萍，陳宇飛，胡春杰

(1.水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京 210012；2.江蘇南水科技有限公司，江蘇 南京 210012；3.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；4.江蘇省水文水資源勘測(cè)局，江蘇 南京 210029)

近年來(lái)，隨著中小河流水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)、國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程、國(guó)家防汛抗旱指揮系統(tǒng)二期工程等項(xiàng)目的實(shí)施，大量的水文監(jiān)測(cè)站點(diǎn)建設(shè)完成，其中大多數(shù)站點(diǎn)都實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)測(cè)報(bào)，在防洪抗旱、興利、水文基礎(chǔ)資料收集方面起到了巨大支撐作用[1- 5]。

但由于參與項(xiàng)目建設(shè)的廠家較多，數(shù)據(jù)接收和存儲(chǔ)不統(tǒng)一，不僅在系統(tǒng)的使用、管理等方面存在諸多不便，影響到后續(xù)業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用，也造成了基礎(chǔ)軟硬件設(shè)施資源的浪費(fèi)[6- 7]，并且智慧水利建設(shè)、水文現(xiàn)代化建設(shè)也對(duì)水文數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)匯集提出了更高的要求[8- 9]。因此，建設(shè)一套水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一接收軟件，整合各類水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)一接收入庫(kù)，統(tǒng)一原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，對(duì)于提高用戶對(duì)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的管理效率，將各類水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更好服務(wù)于各類水利信息化應(yīng)用，具有重要意義。

王美玲等[10]研究制定了省級(jí)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約，開(kāi)發(fā)了數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上建設(shè)了GPRS/CDMA雙信道的江蘇省水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全省已建水文系統(tǒng)的整合；胡波等[6]分析了武漢市水文局水雨情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)接收和處理等方面存在的弊端，對(duì)統(tǒng)一接收平臺(tái)軟件所具備的功能進(jìn)行了設(shè)想；許亮[11]論述了將廣東省各分局分散水雨情遙測(cè)數(shù)據(jù)接收改造為基于云平臺(tái)的省局統(tǒng)一接收模式，在省水情中心部署了接收處理軟件，取得了一定成效；王志飛等[12]基于微服務(wù)架構(gòu)，設(shè)計(jì)了智慧水文綜合監(jiān)測(cè)平臺(tái)，其中包含了水文數(shù)據(jù)接收整合平臺(tái)，具有一定的先進(jìn)性。以上研究或應(yīng)用對(duì)水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一接收進(jìn)行了大致的論述，但缺乏較為詳細(xì)的功能設(shè)計(jì)和應(yīng)用實(shí)踐，文章聚焦數(shù)據(jù)接收環(huán)節(jié)，參考相關(guān)規(guī)范[13- 14]要求，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了統(tǒng)一接收軟件，并在云南省水文系統(tǒng)中成功運(yùn)用。

1 總體設(shè)計(jì)

在水利信息化建設(shè)中，包含了水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、接收、處理、共享、應(yīng)用等多個(gè)環(huán)節(jié)，其中數(shù)據(jù)接收是屬于基礎(chǔ)而又關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。在低耦合的設(shè)計(jì)模式下，數(shù)據(jù)接收的核心任務(wù)是把水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)、準(zhǔn)確和完整地接收、存儲(chǔ)下來(lái)，建立起高質(zhì)量的原始數(shù)據(jù)資源，在此基礎(chǔ)上可開(kāi)發(fā)豐富的數(shù)據(jù)處理服務(wù)和水利業(yè)務(wù)應(yīng)用，數(shù)據(jù)接收流程如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)接收流程圖

為滿足數(shù)據(jù)統(tǒng)一接收和存儲(chǔ)的要求，水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一接收軟件應(yīng)重點(diǎn)滿足以下幾個(gè)功能：

(1)在通信規(guī)約方面，軟件應(yīng)能兼容多種數(shù)據(jù)通信規(guī)約，特別是能支持行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)約如SL 651—2014《水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信規(guī)約》，并可通過(guò)模板化設(shè)計(jì)靈活擴(kuò)展以兼容其他通信規(guī)約；

(2)在通信信道方面，應(yīng)能支持GPRS/4G/5G、北斗衛(wèi)星、GSM短信、超短波等多種信道的數(shù)據(jù)接收；

(3)在監(jiān)測(cè)要素方面，軟件應(yīng)能支持接收雨量、水位、流量、蒸發(fā)、墑情、地下水、氣象、視頻圖像、測(cè)站設(shè)備狀態(tài)信息等多種監(jiān)測(cè)要素；

(4)在數(shù)據(jù)解析處理方面，軟件應(yīng)能根據(jù)設(shè)定的規(guī)則分析出異常值，并進(jìn)行數(shù)據(jù)過(guò)濾、異常記錄等工作，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可追溯性；

(5)軟件應(yīng)能對(duì)測(cè)站進(jìn)行遠(yuǎn)程管理；

(6)需設(shè)計(jì)完整的數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)，用來(lái)存儲(chǔ)原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

基于以上分析，通過(guò)歸納總結(jié)，軟件詳細(xì)分為測(cè)站信息管理、測(cè)站遠(yuǎn)程管理、數(shù)據(jù)查詢、測(cè)站運(yùn)行監(jiān)視、Z-Q/V曲線管理、系統(tǒng)設(shè)置、日志管理、權(quán)限管理等功能模塊，如圖2所示。軟件使用C/S架構(gòu)，采用C#.NET語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。

2 功能設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)站信息管理

測(cè)站信息管理分為測(cè)站基本信息管理和測(cè)站監(jiān)測(cè)要素管理。

2.1.1測(cè)站基本信息管理

測(cè)站基本信息包括RTU站碼、水文編碼、站名、站類、分組、報(bào)文頭、測(cè)站位置、DTU卡號(hào)及其他功能設(shè)置。其中，RTU站碼指的是遙測(cè)終端設(shè)置的站碼，水文編碼指的是測(cè)站標(biāo)準(zhǔn)的八位水文編碼，因?yàn)榭赡艽嬖谕凰木幋a的測(cè)站的多個(gè)參數(shù)由不同遙測(cè)終端來(lái)監(jiān)測(cè)；分組是便于對(duì)遙測(cè)站進(jìn)行管理，可根據(jù)行政區(qū)劃、流域、建設(shè)項(xiàng)目來(lái)區(qū)分；報(bào)文頭指代了該測(cè)站所用的數(shù)據(jù)通信規(guī)約，不同通信規(guī)約有不同的代號(hào)；DTU卡號(hào)用來(lái)存儲(chǔ)通信模塊中通信卡的卡號(hào)，如SIM卡號(hào)或北斗衛(wèi)星卡號(hào)。測(cè)站基本信息管理包括增加、修改、刪除等操作。

2.1.2測(cè)站監(jiān)測(cè)要素管理

測(cè)站監(jiān)測(cè)要素定義了測(cè)站含有哪些傳感器，即監(jiān)測(cè)了哪些水文要素或設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，一般包含雨量、水位、流速、蒸發(fā)、墑情、氣象、終端蓄電池電壓等，每種監(jiān)測(cè)要素都對(duì)應(yīng)一個(gè)唯一的編碼值。此外，還定義了在解析這些監(jiān)測(cè)要素?cái)?shù)據(jù)時(shí)對(duì)應(yīng)的計(jì)算分析參數(shù)，如計(jì)算系數(shù)、基值、奇異值過(guò)濾參數(shù)(上下限及允許跳變)等。測(cè)站監(jiān)測(cè)要素管理包括對(duì)測(cè)站的監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行增加、修改、刪除等操作。

圖2 水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一接收軟件功能結(jié)構(gòu)圖

2.2 測(cè)站遠(yuǎn)程管理

測(cè)站遠(yuǎn)程管理即軟件通過(guò)傳輸信道和測(cè)站進(jìn)行遠(yuǎn)程交互，包括讀取/修改測(cè)站工作參數(shù)、校對(duì)測(cè)站時(shí)鐘、查詢測(cè)站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、測(cè)站固態(tài)存儲(chǔ)下載等功能。

2.2.1測(cè)站工作參數(shù)

測(cè)站工作參數(shù)一般包括測(cè)站工作模式(自報(bào)式、查詢-應(yīng)答式、兼容式)、自報(bào)間隔、水位/雨量加報(bào)閾值、雨量計(jì)分辨率、水位基值等，軟件可遠(yuǎn)程讀取或修改測(cè)站工作參數(shù)。

2.2.2校對(duì)測(cè)站時(shí)鐘

校對(duì)測(cè)站時(shí)鐘即以服務(wù)器時(shí)間為準(zhǔn)對(duì)測(cè)站時(shí)鐘進(jìn)行校對(duì)，一般包含自動(dòng)校時(shí)和手動(dòng)校時(shí)兩種模式：①自動(dòng)校時(shí)，軟件根據(jù)測(cè)站來(lái)報(bào)計(jì)算測(cè)站時(shí)鐘與服務(wù)器時(shí)鐘差值，若差值超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)自動(dòng)發(fā)送校時(shí)指令完成測(cè)站時(shí)鐘校對(duì)；②手動(dòng)校時(shí)，人工操作發(fā)送校時(shí)指令完成測(cè)站時(shí)鐘校對(duì)。

2.2.3查詢測(cè)站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

查詢測(cè)站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是軟件發(fā)送指令查詢測(cè)站某監(jiān)測(cè)要素或全部監(jiān)測(cè)要素實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，此功能一般要求測(cè)站的工作模式處于查詢-應(yīng)答式的工作模式，即測(cè)站通信模塊實(shí)時(shí)在線。

2.2.4固態(tài)存儲(chǔ)下載

固態(tài)存儲(chǔ)下載是指軟件可發(fā)送指令下載測(cè)站終端存儲(chǔ)的某監(jiān)測(cè)參數(shù)在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)，用于彌補(bǔ)中心站缺報(bào)數(shù)據(jù)，下載的數(shù)據(jù)可選擇單獨(dú)存放在文件系統(tǒng)或入數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.3 數(shù)據(jù)查詢

數(shù)據(jù)查詢主要包括對(duì)測(cè)站原始報(bào)文、原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。

測(cè)站原始報(bào)文可對(duì)某站在選定的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間內(nèi)的來(lái)報(bào)情況進(jìn)行查詢，內(nèi)容包括報(bào)文接收時(shí)間、數(shù)據(jù)時(shí)間、來(lái)報(bào)信道類型、報(bào)文解析結(jié)果、報(bào)文類型、報(bào)文正文等。

原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查詢可查看不同監(jiān)測(cè)要素的原始編碼、處理后數(shù)值等，以圖表形式展現(xiàn)，通過(guò)原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可查看監(jiān)測(cè)要素?cái)?shù)據(jù)處理過(guò)程，當(dāng)數(shù)據(jù)異常時(shí)便于溯源。

2.4 測(cè)站運(yùn)行監(jiān)視

對(duì)測(cè)站運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，如通過(guò)判斷測(cè)站來(lái)報(bào)是否正常對(duì)測(cè)站狀態(tài)做出警示，若測(cè)站超過(guò)一定時(shí)間不來(lái)報(bào)，則認(rèn)為該測(cè)站出現(xiàn)異常，軟件界面上該測(cè)站顯示為醒目紅色，同時(shí)將相關(guān)警示信息記錄入數(shù)據(jù)庫(kù)。

此外，還可對(duì)測(cè)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的完整度進(jìn)行監(jiān)視，如每天特定時(shí)刻檢查前一天數(shù)據(jù)是否完整，若有缺報(bào)情況，軟件可自動(dòng)發(fā)送指令進(jìn)行固態(tài)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)下載以彌補(bǔ)缺失數(shù)據(jù)。

2.5 Z-Q/V曲線管理

Z-Q/V曲線管理可為有水位監(jiān)測(cè)的河道站或水庫(kù)站導(dǎo)入水位流量或水位庫(kù)容關(guān)系曲線，軟件即可根據(jù)來(lái)報(bào)的水位實(shí)時(shí)推算出流量或庫(kù)容。

2.6 系統(tǒng)設(shè)置

系統(tǒng)設(shè)置包括信道設(shè)置和數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)置。

2.6.1信道設(shè)置

信道設(shè)置可增加、刪除、修改通信信道信息，通信信道接口一般有兩類：網(wǎng)絡(luò)端口(如GPRS/4G/5G)和串口(如北斗衛(wèi)星、GSM短信、超短波等)，軟件支持多個(gè)信道同時(shí)接收數(shù)據(jù)。

2.6.2數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)置

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)置主要是設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)連接參數(shù)，包括數(shù)據(jù)庫(kù)類型(SQL Server或Oracle)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)端口、數(shù)據(jù)庫(kù)名、用戶名、密碼等數(shù)據(jù)庫(kù)連接參數(shù)的設(shè)置。

2.7 日志管理

軟件運(yùn)行日志、錯(cuò)誤日志等都按照時(shí)間、類型存放于數(shù)據(jù)庫(kù)中，可進(jìn)行查詢。

2.8 權(quán)限管理

權(quán)限管理分為管理員和一般用戶兩種角色，管理員可進(jìn)行軟件的所有操作；一般用戶只可進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢、瀏覽，不能進(jìn)行增加、刪除、修改等操作。

3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

原始數(shù)據(jù)庫(kù)參考SL 323—2011《實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)與標(biāo)識(shí)符》進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)需要在原有數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上添加字段或新增庫(kù)表。文章主要介紹以下新增的數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)：

(1)測(cè)站監(jiān)測(cè)要素表，存儲(chǔ)測(cè)站監(jiān)測(cè)哪些水文要素或測(cè)站運(yùn)行狀態(tài)要素，以及每個(gè)監(jiān)測(cè)要素在解析時(shí)所用的相關(guān)計(jì)算參數(shù)、要素合理數(shù)值范圍等；

(2)測(cè)站遠(yuǎn)程管理任務(wù)表，存儲(chǔ)對(duì)測(cè)站進(jìn)行讀取/修改工作參數(shù)、固態(tài)存儲(chǔ)下載等任務(wù)的庫(kù)表結(jié)構(gòu)；

(3)測(cè)站原始報(bào)文表，存儲(chǔ)測(cè)站原始報(bào)文相關(guān)情況的庫(kù)表，如來(lái)報(bào)時(shí)間、報(bào)文類型、報(bào)文內(nèi)容、來(lái)報(bào)信道等；

(4)測(cè)站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)表，存儲(chǔ)測(cè)站設(shè)備電壓、信號(hào)強(qiáng)度、報(bào)警信息等實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)信息；

(5)接收信道信息表，存儲(chǔ)接收信道相關(guān)的IP地址、協(xié)議(如TCP或UDP)、端口號(hào)、串口號(hào)、波特率等信息；

(6)視頻圖像路徑表，存儲(chǔ)接收的視頻或圖像數(shù)據(jù)在文件系統(tǒng)內(nèi)的路徑。

4 應(yīng)用實(shí)踐

利用開(kāi)發(fā)的水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一接收軟件在云南多個(gè)地市水文分局進(jìn)行了部署應(yīng)用，在分局層面統(tǒng)一整合接收了多個(gè)廠家的不同通信規(guī)約的遙測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)，采用了4G網(wǎng)絡(luò)、北斗衛(wèi)星、GSM短信等多種信道，涉及水雨情監(jiān)測(cè)、地下水監(jiān)測(cè)、墑情監(jiān)測(cè)、流量在線監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)，各類數(shù)據(jù)在分局接收入庫(kù)，再通過(guò)水利專網(wǎng)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)共享至省水文局相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)。

該軟件實(shí)現(xiàn)了各分局軟件、數(shù)據(jù)、遙測(cè)設(shè)備的統(tǒng)一管理，提高了相關(guān)人員工作效率，顯著地提升了測(cè)站數(shù)據(jù)報(bào)送暢通率，有效地支撐了各分局各項(xiàng)水文業(yè)務(wù)應(yīng)用，特別是報(bào)汛和在線整編兩大核心業(yè)務(wù)，取得了優(yōu)異的效果。

5 結(jié)語(yǔ)

文章從實(shí)用角度出發(fā)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一接收軟件并在云南水文系統(tǒng)成功應(yīng)用，軟件功能全面、運(yùn)行穩(wěn)定，可在多廠商各類水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)一整合接收中推廣應(yīng)用，改善智慧水利和水文現(xiàn)代建設(shè)中的數(shù)據(jù)匯集體系。此外，根據(jù)應(yīng)用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，建議在進(jìn)行統(tǒng)一整合接收時(shí)，重視通信規(guī)約的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題，盡量使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)約如SL 651—2014，必要時(shí)還可在規(guī)約框架下作一些具體的規(guī)定，方便軟件開(kāi)發(fā)和統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。