ALERT協(xié)議在水情測報系統(tǒng)中的應用分析

Automated Local Evaluation in Real Time (A- LERT)協(xié)議是一個公開的協(xié)議，在美國有許多基于這個協(xié)議的用戶組織，這些用戶組織根據(jù)應用需求不斷對協(xié)議進行補充完善與改進，因此ALERT協(xié)議具有很強的生命力。

雖然ALERT協(xié)議起源于美國，最初僅應用于環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)之中，但是，自70年代由美國氣象觀測組織推出以來，已得到了大量應用，并成功推廣應用到水情自動測報、洪水預報和公共安全等領域的自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，像Campbell、Vaisalla、Sutron等知名公司都具有支持alert協(xié)議的相關產品。

1  ALERT協(xié)議的特點

ALERT是一個系統(tǒng)級協(xié)議，它不僅僅涉及通信的幀格式,還詳細規(guī)定了物理層的約定、以及系統(tǒng)的工作機制與方式等。

ALERT協(xié)議的數(shù)據(jù)幀結構相當簡單,每個數(shù)據(jù)包由4字節(jié)共40位二進制碼元(每字節(jié)附加一個起始位和一個停止位)的記錄(record)組成。每個記錄分為傳感器號和數(shù)據(jù)兩部分。

ALERT系統(tǒng)釆用單向傳輸?shù)募冏詧蠊ぷ鞣绞郊盎谑录|發(fā)的工作機制。這種機制一方面在技術上實現(xiàn)起來簡單可靠，成本較小;另一方面,也可以大大降低系統(tǒng)功耗并減少系統(tǒng)對信道的占用。

2  ALERT協(xié)議在我國水情測報系統(tǒng)中的應用

ALERT協(xié)議產生于70年代，當時的水情自動測報系統(tǒng)的通信方式主要釆用特高頻方式，通信終端技術也相當有限。而采用FSK調制解調器和模擬電臺進行收發(fā)信，其波特率只有300b/s,ALERT協(xié)議主要就是為了適應這種通信條件而制定的，而且為了能讓更多的廠商使用這一協(xié)議,ALERT協(xié)議制定時追求的是低功耗、簡練和容易實現(xiàn)。

我國第一個基于ALERT體制的水情自動測報系統(tǒng)產生于1987年，是南京自動化研究所(國網(wǎng)電力科學研究院的前身)引進美國SM公司相應產品建成的東北豐滿、白山水電站水情自動測報系統(tǒng)，其中，豐滿水庫水情自動測報系統(tǒng)一期工程有16套雨量站、8套水位站,雨量站經(jīng)過后續(xù)擴充達到了26套。該系統(tǒng)一度引起了業(yè)內關于自報體制與應答體制的爭論,隨著白山水電站水情自動測報系統(tǒng)、新豐江水情自動測報系統(tǒng)、察爾森水情自動測報系統(tǒng)及西津水情自動測報系統(tǒng)的陸續(xù)成功實施，自報體制更適用于中國國情逐漸成為業(yè)內共識逆。為了進一步規(guī)范行業(yè)系統(tǒng)，我國水利部頒發(fā)了《水文自動測報系統(tǒng)技術規(guī)范SL61-94》,該規(guī)范規(guī)定的系統(tǒng)工作體制及協(xié)議也是在ALERT體制及協(xié)議的基礎上做了適應我國國情的一些修改。

我國早期的水情自動測報系統(tǒng)一般為小型系統(tǒng)，站點規(guī)模多為20?30套，采集的傳感量一般也為單一的雨量或水位,這些特性都是ALERT體制得以廣泛應用的基礎。這一時期，有相當一部分廠家的產品因為遵循相同的ALERT體系和標準,甚至能夠實現(xiàn)互聯(lián)互通。

3  ALERT協(xié)議的應用局限性

到了20世紀90年代末期，隨著葛洲壩、新安江和五強溪等一些大型水情自動測報系統(tǒng)的建設完成，ALERT系統(tǒng)的碰撞丟包、誤碼、傳感器地址有限、傳感器數(shù)據(jù)有限、頻率效率低等局限性和缺點也越來越明顯。為此，各廠家又針對這些問題開展了相應的研究,這一時期的特點是國內各廠家都紛紛結合自身的特點推出了各具特色的獨有協(xié)議，例如南瑞結合ACS300數(shù)據(jù)釆集平臺的研制開發(fā)了ACS-RFMO無線調制解調器及NARI/SP協(xié)議,ACS—RFMO采用了MSK調制方式，并將空中速率從ALERT系統(tǒng)的300bps提高到了4800bps,同時采用了載波偵聽一沖突避讓技術,從而大大降低了碰撞丟包的概率，提高了頻譜利用效率。NARI/SP協(xié)議不僅適用于VHF信道，而且可應用于PSTN、SMS、GPRS、CDMA、北斗衛(wèi)星、海事衛(wèi)星等信道,NARI/SP協(xié)議還根據(jù)各信道的特點設計了NARI/SPC和NARI/SPS協(xié)議e。

SPC是NARI/SP的完全協(xié)議，適合VHF、PSTN、SMS、GPRS、CDMA、BEIDOU等信道。SPC提供有是否含有路由信息、是否含有CRC校驗等開關信號，因而可滿足不同的傳輸需求。針對VHF信道,SPC可以包含源地址、目的地址、中繼路由等信息，所有地址均為兩字節(jié)，地址范圍可以從1?65535,從而解決了傳感器地址有限的問題。SPC規(guī)定的傳輸路由最多可為15級,其中中繼節(jié)點數(shù)最多可為13級。SPC將數(shù)據(jù)結構定義為”傳感器號+傳感器值”，其中傳感器值為四字節(jié)長度的浮點數(shù)，從而解決了傳感器數(shù)據(jù)有限的問題。SPC協(xié)議利用后臺來對應傳感器的類型，從而大大提高了系統(tǒng)接入傳感器類型的靈活性和可擴展行。SPS是SPC的精簡協(xié)議，SPS適合Inmarsat-C,OMNITRACS信道等具有一定碰撞率、數(shù)據(jù)包容量小、按字節(jié)收費的信道。基于NARI/SP協(xié)議的水情自動測報系統(tǒng)已成功應用于二灘、烏江、金沙江等大型梯級流域及水電站水情自動測報系統(tǒng)的建設。

這一時期，國內雖然有很多廠家都能推出自己獨具特色的水情自動測報系統(tǒng)產品，國內相關產品出現(xiàn)了百花齊放的局面，但由于協(xié)議互相不兼容,從而導致各廠家的產品無法互聯(lián)互通,這從保護用戶投資收益和標準化的角度來說，不能不說是一種倒退。相應地，國外一直走的是標準化的道路,為了使ALERT協(xié)議能適應新的形勢發(fā)展需要,美國國家水文預警委員會(NHWC)于1999年專門成立了一個由用戶、設備廠商、維護人員和軟件設計人員組成的小組委員會,展開了新一代ALERT協(xié)議的可行性分析及研究，這個行動得到了美國商務部國家海洋大氣局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)的支持，美國的海洋大氣局資助設立了一個"ALERT-2協(xié)議開發(fā)”的開放項目，并委托saloITS公司來完成這一開發(fā)。

4  改進型ALERT-2協(xié)議的特點

ALERT-2協(xié)議與傳統(tǒng)的ALERT一樣，是一個系統(tǒng)級的協(xié)議，因此，它對系統(tǒng)工作方式具有詳細的定義。首先,ALERT-2將遙測裝置分為兩類。一類是功能受限裝置(RFD),主要指資源(典型的如供電、計算能力、存儲空間)有限的一些遙測裝置，這類裝置平時處于休眠狀態(tài)，電臺也處于關閉狀態(tài)，僅在有事件發(fā)生時才工作并啟動電臺發(fā)信,也就是傳統(tǒng)的ALERT裝置;另一類是全功能裝置(FFD),這類裝置一般不會面臨嚴重的資源受限問題,這在水文測報系統(tǒng)中較多出現(xiàn)，而且，現(xiàn)在的水文觀測站房一般都通有交流電。通常，全功能裝置都一直處于工作狀態(tài)，隨時準備接收數(shù)據(jù)。

ALERT-2為用戶提供了三種數(shù)據(jù)傳輸方式，分別為非可靠報文方式、可靠報文傳輸方式及可靠數(shù)據(jù)流傳輸方式。非可靠報文方式可以等同于傳統(tǒng)的ALERT方式，遙測站發(fā)完之后結束通信,而不關心中心站是否收到數(shù)據(jù)，類似于UDP協(xié)議工作方式；釆用可靠報文傳輸方式時,遙測站采取了一定的措施來確保中心站能正確收到數(shù)據(jù);可靠數(shù)據(jù)流傳輸方式用于傳輸一序列的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)不僅會可靠傳輸?shù)侥康闹行恼?，同時，被傳到目的地的順序也是正確的，這一特點有點類似于FTP協(xié)議工作方式。

ALERT-2協(xié)議在物理層采用了GMSK調制方式，空中速率為4800b/s,從而解決了頻譜效率低的問題；同時使用擾碼和FEC前向糾錯技術，又在很大程度上解決了誤碼問題。針對特高頻這種搶占信道，ALERT-2協(xié)議定義了基于時隙的介質訪問控制機制，從而減少了碰撞丟包。

另外,為了使協(xié)議能適應各種物理信道并且具有更好的擴展性和互聯(lián)性,還參照OSI七層協(xié)議結構對協(xié)議進行了分層設計。一個ALERT-2協(xié)議的報文結構包含數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層等內容。數(shù)據(jù)鏈路層有7個字節(jié)，負責數(shù)據(jù)包的重傳機制；網(wǎng)絡層大小為可變長度，主要根據(jù)數(shù)據(jù)鏈路層的內容進行相應改變,從最小2個字節(jié)到最大8個字節(jié)，并采用非常類似IP協(xié)議的方式負責數(shù)據(jù)包在通信網(wǎng)絡中實現(xiàn)端到端的通信。ALERT-2可以采用非可靠報文傳輸、可靠報文傳輸及可靠數(shù)據(jù)流傳輸三種方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，而且針對不同的傳輸方式，具有不同的傳輸層數(shù)據(jù)格式。針對應用層數(shù)據(jù),ALERT-2推薦使用“類型/長度/值(TLV)”的多元結構進行傳感器值的傳輸,TLV的是一種高度靈活的數(shù)據(jù)結構，可支持不同類型的數(shù)據(jù)格式，其中“類型”用于標識該TLV結構的類型,類似于HTML和XML數(shù)據(jù)標簽，“長度”用于指出后面的“值”的長度，“值”是真正的傳感器數(shù)據(jù)。采用這種結構可以從根本上解決傳感器數(shù)據(jù)受限的問題,并且很容易將各種傳感器數(shù)據(jù)包含在一個數(shù)據(jù)包中傳輸，從而解決了ALERT協(xié)議每個數(shù)據(jù)包只含單傳感器數(shù)據(jù)的問題「電。

目前，ALERT-2項目仍在花大量的時間來分析需求，還未進入設備及系統(tǒng)研制階段，因而暫時還沒有成熟的產品和系統(tǒng)成功應用，但是，由于其堅持了標準化的道路,而且是在用戶和設備制造商的共同努力下完成的，因此，可以預想,ALERT-2協(xié)議將具有極強的生命力，應該引起國內相關行業(yè)人士的關注和重視。

5  結語

過去40多年的實際應用，驗證了ALERT體制及協(xié)議非常適用于基于事件觸發(fā)的水文自動測報、自動氣象監(jiān)測等系統(tǒng)，但是，隨著技術的發(fā)展，它的一些局限性也逐漸體現(xiàn)出來,ALERT-2協(xié)議的制定，則專門針對這些局限性做出了重大改進,并吸收了現(xiàn)代網(wǎng)絡通信協(xié)議的先進經(jīng)驗，使協(xié)議具有了更好的擴展性和互聯(lián)性，因而必將具有更強大的生命力和應用價值。國內現(xiàn)在已經(jīng)開展了智能水電廠的研究,希望本篇文章能拋磚引玉，引起行業(yè)內人士對水情自動測報系統(tǒng)的協(xié)議標準化方面的討論和研究。