基于GPRS/CDMA通信的山洪災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)解決方案———基于GPRS/CDMA通信的山洪災(zāi)害預(yù)警
1. 需求現(xiàn)狀
山洪災(zāi)害是山丘區(qū)在一定強(qiáng)度或持續(xù)的降雨下,因特殊的地形地質(zhì)條件而發(fā)生的自然災(zāi)害,它具有突發(fā)、破壞性大、防治困難的鮮明特點,山洪及其誘發(fā)的泥石流和滑坡,往往對局部地區(qū)造成毀滅性災(zāi)害,對國民經(jīng)濟(jì)和人民生命財產(chǎn)造成重大損失。近年來,我國山洪災(zāi)害問題日益突出,每年都造成大量人員傷亡,嚴(yán)重影響社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展。在黨中央和國務(wù)院的重視下,水利部會同國土資源部、中國氣象局、建設(shè)部、國家環(huán)??偩?,在2003-2005年開展全國山洪災(zāi)害防治規(guī)劃設(shè)計工作,并于2005年起,在全國進(jìn)行了山洪災(zāi)害的防治建設(shè)試點工作。山洪災(zāi)害的防御策略是“以防為主,防重于搶”,防御防治的方法是既要采取工程措施,提高工程防洪標(biāo)準(zhǔn),也要采取非工程措施,建立綜合防洪減災(zāi)體系,提高防災(zāi)抗風(fēng)險能力。
建立山洪災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng),是國家防治山洪災(zāi)害的一項重要的非工程性措施。山洪災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)體現(xiàn)監(jiān)測、通信及預(yù)警一體化,由監(jiān)測子系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)、決策支持子系統(tǒng)、預(yù)警子系統(tǒng)組成。
系統(tǒng)通過利用和重建氣象站網(wǎng)、水文站網(wǎng)、地質(zhì)災(zāi)害站網(wǎng),對汛情和災(zāi)害情況利用時下先進(jìn)的CDMA/GPRS等通信技術(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測,并對信息進(jìn)行加工處理,利用監(jiān)控軟件自動進(jìn)行預(yù)測、預(yù)警,通過各種有關(guān)的預(yù)警通知和警報設(shè)施,提前通知有關(guān)成員單位、防汛責(zé)任人,通知危險區(qū)居戶,做好山洪搶險組織、轉(zhuǎn)移撤離準(zhǔn)備,最大地減少人員和財產(chǎn)損失,提高對山洪災(zāi)害快速、全面、準(zhǔn)確的預(yù)報、預(yù)警以及指揮調(diào)度的技術(shù)手段。
2. CDMA和GPRS網(wǎng)絡(luò)剖析
目前,基于GPRS/CDMA無線數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)廣泛在移動辦公、工業(yè)控制、遠(yuǎn)程遙測等多方面應(yīng)用,網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商中國移動GPRS和聯(lián)通CDMA各有其特點。
GPRS(General Packet Radio Service,通用無線分組業(yè)務(wù))作為第二代移動通信技術(shù)GSM向第三代移動通信(3G)的過渡技術(shù),是由英國BT Cellnet公司早在1993年提出的,是GSM Phase2+ (1997年)規(guī)范實現(xiàn)的內(nèi)容之一,是一種基于GSM的移動分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),面向用戶提供移動分組的IP或者X.25連接。
GPRS是在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上疊加的一個新的網(wǎng)絡(luò),同時在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上增加一些硬件設(shè)備,并對原軟件升級,形成了一個新的網(wǎng)絡(luò)邏輯實體。GPRS能給用戶提供端到端的、廣域的無線IP連接。通俗地講,GPRS是一項無線高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),它以分組交換技術(shù)為基礎(chǔ),用戶通過GPRS可以在移動狀態(tài)下使用各種高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),包括收發(fā)E-mail、進(jìn)行Internet瀏覽、即時聊天等。
GPRS系統(tǒng)使用現(xiàn)有的GSM無線網(wǎng)絡(luò)。GPRS和GSM共用相同的基站和頻譜資源,只是在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上增加了一些硬件設(shè)備和軟件升級。因此,實現(xiàn)GSM升級至GPRS非常容易,且中國移動借助原GSM網(wǎng)絡(luò),所以GPRS覆蓋非常廣。目前中國移動GPRS網(wǎng)絡(luò)已覆蓋全國所有省、直轄市、自治區(qū),網(wǎng)絡(luò)遍及240多個城市。
CDMA是碼分多址的英文縮寫(Code Division Multiple Access),它是在數(shù)字技術(shù)上的分支—擴(kuò)頻通信技術(shù)上發(fā)展起來的一種新的無線通信技術(shù)。CDMA技術(shù)的原理是基于擴(kuò)頻技術(shù),即將需傳送的具有一定信號帶寬信息數(shù)據(jù),用一個帶寬遠(yuǎn)大于信號帶寬的高速偽隨機(jī)碼進(jìn)行調(diào)制,使原數(shù)據(jù)信號的帶寬被擴(kuò)展,再經(jīng)載波調(diào)制并發(fā)送出去。接收端使用完全相同的偽隨機(jī)碼,與接收的帶寬信號作相關(guān)處理,把寬帶信號換成原信息數(shù)據(jù)的窄帶信號即解擴(kuò),以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。
CDMA技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化經(jīng)歷了幾個階段。IS95是CDMAONE系列標(biāo)準(zhǔn)中最先發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn),真正在全球得到廣泛應(yīng)用的第一個CDMA標(biāo)準(zhǔn)是IS95A,這一標(biāo)準(zhǔn)支持8K編碼話音服務(wù)。在ITU向各國征求第三代移動通信無線候選技術(shù)時,IS95由于剛?cè)〉蒙逃贸晒Γ绹鳷R45標(biāo)準(zhǔn)委員會沒有將很多精力放在第三代標(biāo)準(zhǔn)的研究上,而是正在努力完成IS95B的標(biāo)準(zhǔn)。
在ITU的要求下,在當(dāng)年提出了CDMA2000的第三代標(biāo)準(zhǔn),即CDMA2000 1X和3X(1X代表 載波一倍于IS95A的帶寬,3X代表其載波三倍于IS95A的帶寬),3X又分為下行直接擴(kuò)譜和三載波兩種方式,后來直接擴(kuò)譜CDMA2000部分與WCDMA進(jìn)行了融合,所以實際上目前的CDMA2000就只包括CDMA2000 1X和三載波方式3X。
CDMA 1X是指CDMA 2000的第一階段(速率高于IS95,低于2Mbit/s),可支持308kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)部份引入分組交換,支持移動IP業(yè)務(wù)。是在現(xiàn)有CDMA IS95系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務(wù),目的是為CDMA用戶提供分組IP形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。
CDMA基于擴(kuò)頻技術(shù),占用的是全新的800M頻段(GSM占用的是900M頻段),所以不能在原GSM設(shè)備上直接升級。目前,中國聯(lián)通通過二期工程建設(shè),對CDMA網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和提升,網(wǎng)絡(luò)從IS95升級為CDMA1X網(wǎng)絡(luò);同時建成覆蓋全國31個省(自治區(qū)、直轄市)的無線數(shù)據(jù)網(wǎng)。
3. 防汛監(jiān)控主要通信方式
作為防汛信息傳輸?shù)耐ㄐ欧绞街饕校篊DMA、GSM/GPRS、超短波/短波通信、幀中繼、PSTN、DDN、衛(wèi)星通信、微波通信、Internet等多種方式,其中超短波/短波、衛(wèi)星通信、微波通信屬于專網(wǎng)信道,其余為利用公網(wǎng)信道,防汛信息傳輸信道建設(shè)原則是以公網(wǎng)為主,專網(wǎng)相輔。(公網(wǎng)無需組建通信網(wǎng)絡(luò)和中繼站,專網(wǎng)則需有額外的網(wǎng)絡(luò)投資。)
隨著通訊技術(shù)的發(fā)展,以CDMA、GSM/GPRS為主的移動通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅速。目前,中國聯(lián)通和中國移動網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣,各基站設(shè)備設(shè)施先進(jìn),對自然環(huán)境的抗風(fēng)險能力較強(qiáng),因此以CDMA、GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)形成的數(shù)據(jù)服務(wù),不受地理環(huán)境和天氣條件的限制,而組網(wǎng)方便,對應(yīng)用所需的額外設(shè)備要求不高,投資和運(yùn)行費(fèi)用低,并且數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確,安全可靠性高,時效性和帶寬基本滿足大部分業(yè)務(wù)的信息傳輸要求,因此在山洪預(yù)警系統(tǒng)里GPRS/CDMA無線傳輸通訊方式是當(dāng)下最好的選擇。
上海正偉CDMA/GPRS無線通信傳輸系統(tǒng),利用中國移動或中國聯(lián)通的傳輸網(wǎng)絡(luò)采用數(shù)字?jǐn)U頻通信技術(shù),速度快,傳輸效率高;易開發(fā)、可擴(kuò)充、永遠(yuǎn)在線;并可提供TCP/IP連接,便于數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用。因此在國內(nèi)多數(shù)省市組建的山洪防訊預(yù)警系統(tǒng)中有著廣泛而大量的使用。
4. 項目應(yīng)用關(guān)鍵點
山洪災(zāi)害預(yù)警通信傳輸機(jī)制的技術(shù)實現(xiàn)是本系統(tǒng)的關(guān)鍵之一,山洪災(zāi)害預(yù)警通信傳輸機(jī)制主要由兩部分組成:
(1) 汛情信息的傳輸;
(2) 預(yù)警信息的傳輸。
網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充通訊方式銜接
廣播
短信
電話
5. 系統(tǒng)在項目中的應(yīng)用
雨情、水情信息是重要的防汛信息,在山洪災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)中需建立一套快速及時、準(zhǔn)確可靠、先進(jìn)實用、高度自動化的境內(nèi)流域水、雨情信息的監(jiān)測系統(tǒng),為防汛和山洪災(zāi)害預(yù)警提供決策支持。
6. 應(yīng)用方式
監(jiān)測點
遙測站主要由采集系統(tǒng)和供電系統(tǒng)構(gòu)成。其中采集系統(tǒng)主要由傳感器單元、單片機(jī)處理系統(tǒng)、顯示單元和正偉數(shù)字GPRS/CDMA DTU數(shù)據(jù)通信單元構(gòu)成。遙測站直接通過上海正偉數(shù)字 GPRS/CDMA DTU數(shù)據(jù)終端單元將信息以無線傳輸方式發(fā)送出去,通過GPRS/CDMA無線網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)送到Internet,經(jīng)由Internet最終進(jìn)入數(shù)據(jù)處理中心。
通訊終端示意圖
DTU的設(shè)置
正偉 DTU 同HNY-RT8內(nèi)的單片機(jī)系統(tǒng)的232接口連接,由太陽能充電的電瓶提供12V直流工作電源,DTU的設(shè)置采用Windows系統(tǒng)自帶的超級終端軟件,設(shè)置非常方便、簡單。一般需要設(shè)置數(shù)據(jù)中心(DSC)IP地址或域名、通訊端口、DTU ID號碼、通訊協(xié)議、串口設(shè)置等等。
通訊協(xié)議的設(shè)置
在DTU上可選擇UDP與TCP傳輸協(xié)議。
UDP是一個簡單的面向數(shù)據(jù)報的傳輸層協(xié)議,不提供可靠性連接,而TCP提供一種面向連接的、可靠的字節(jié)流傳輸層服務(wù)。TCP以增加網(wǎng)絡(luò)開銷的方式提供傳輸保障。由于考慮到大中城市的通訊網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定成熟、監(jiān)控點較多的情況,系統(tǒng)一般選用UDP的傳輸協(xié)議;在縣市鄉(xiāng)鎮(zhèn)一級的通訊網(wǎng)絡(luò)中,由于通訊網(wǎng)絡(luò)的通訊效果不太好和監(jiān)控點少的現(xiàn)狀,系統(tǒng)一般選用TCP傳輸協(xié)議,兩種通訊協(xié)議能夠在一個大型通訊系統(tǒng)中并存,在保證通訊效果的情況下,又減少了網(wǎng)絡(luò)通訊費(fèi)用。
本套應(yīng)用方案經(jīng)測試,從采集終端發(fā)出數(shù)據(jù)包到數(shù)據(jù)中心收到數(shù)據(jù)包僅需1-2秒鐘,實時性滿足山洪災(zāi)害預(yù)警的需要。
監(jiān)測中心
監(jiān)測中心(即數(shù)據(jù)中心)可以分級設(shè)在各級防汛指揮部辦公室的中心機(jī)房內(nèi),主服務(wù)器采用Windows Server 2003操作系統(tǒng),數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2000。各個監(jiān)測中心與各個監(jiān)控點采用正偉GPRS/CDMA通訊系統(tǒng)建立通訊,各個監(jiān)測中心采用專用光纖同電信的Internet連接,并具有公網(wǎng)IP,防汛網(wǎng)絡(luò)同Internet的連接通過硬件防火墻進(jìn)行物理隔離。在具有internet連接的各個監(jiān)控中心,可以用正偉的GPRS/CDMA無線通訊系統(tǒng)進(jìn)行點對點、一點對多點的通訊,以備在internet網(wǎng)絡(luò)不暢的情況下做應(yīng)急通訊備份。
所有來自遙測站的數(shù)據(jù)包經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)(CDMA/GPRS和Internet)首先進(jìn)入具有固定的IP地址的硬件防火墻,硬件防火墻通過端口映射功能將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到主服務(wù)器上,再由數(shù)據(jù)中心程序(軟件)將數(shù)據(jù)讀出并進(jìn)行分析,最后寫入數(shù)據(jù)庫。
7. 后臺服務(wù)程序
數(shù)據(jù)中心的程序是在正偉公司提供的動態(tài)鏈接庫和Demo程序的基礎(chǔ)上開發(fā)的,主要用于遠(yuǎn)程DTU發(fā)送過來的數(shù)據(jù)接收,以及DSC對遠(yuǎn)程DTU的進(jìn)行參數(shù)修改、指令下達(dá)等數(shù)據(jù)發(fā)送方面。
程序安裝在防辦的主服務(wù)器上,是以后臺方式不間斷的服務(wù)。接收的數(shù)據(jù)直接寫到主服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中,同時對接收、發(fā)送以及程序的運(yùn)行狀態(tài)以日志方式進(jìn)行記錄,以便維護(hù)和管理查詢。
8. 應(yīng)用模式介紹
山洪災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)對外部提供WWW Web服務(wù),用戶可以通過Internet網(wǎng)絡(luò)登錄該系統(tǒng)Web服務(wù)器訪問預(yù)警決策系統(tǒng)來進(jìn)行汛情信息服務(wù)。
但對于無法進(jìn)行Internet連接的用戶,我們開發(fā)了專用汛情接收設(shè)備,該設(shè)備可接收數(shù)據(jù)中心發(fā)送過來的各種監(jiān)測信息,如實時雨量,水位,警戒指標(biāo),調(diào)度操作指令以及遠(yuǎn)程測站、機(jī)房的設(shè)備監(jiān)控信息(如電池電壓等、防盜等)。
山洪災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)可以承載圖像、視頻監(jiān)控,在數(shù)據(jù)采集終端增加相應(yīng)的攝像機(jī),將攝像機(jī)布置才在山洪流經(jīng)的山谷、堤壩滲漏的小溝處,通過視頻服務(wù)器進(jìn)行圖像處理后就可以通過路由器進(jìn)行傳輸,傳輸速度達(dá)到171.2—308Kbit/s,能夠滿足實時對山洪、堤壩、水庫等危情發(fā)生前的情形監(jiān)控。
9. 原理和組成
設(shè)備采用PC104嵌入式模塊、工業(yè)級觸摸屏、以及正偉的 CDMA DTU組成,設(shè)備可內(nèi)置電源系統(tǒng),能24小時不間斷運(yùn)行。本終端設(shè)備改做成便攜式裝置,用于車載和攜帶,形成移動監(jiān)控平臺。
10. 廣播系統(tǒng)的組成
山洪災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)除了根據(jù)預(yù)警條件,按照相應(yīng)的預(yù)警級別自動啟動(或會商后人工啟動)短信、電話來通知防汛成員單位責(zé)任人、有關(guān)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村負(fù)責(zé)人以及農(nóng)戶外,還需在危險區(qū)域的重點防范地方、集中院落設(shè)立廣播預(yù)警系統(tǒng)。
廣播預(yù)警系統(tǒng)由單片機(jī)處理單元、語音芯片、無線廣播控制主機(jī)、接收裝置以及警笛和大功率高音喇叭等聲光裝置組成。
11. 應(yīng)用方式
廣播預(yù)警系統(tǒng)同樣通過正偉CDMA DTU接收數(shù)據(jù)中心發(fā)過來的預(yù)警信息。單片機(jī)接收到中心預(yù)警包后,分析預(yù)警級別,再發(fā)送預(yù)警包給語音芯片,語音芯片通過喇叭發(fā)出特定預(yù)警語音,告知附近村民采取相應(yīng)措施。經(jīng)過現(xiàn)場實際驗證,數(shù)據(jù)中心發(fā)送預(yù)警包后,3秒鐘左右可以發(fā)出預(yù)警。
總結(jié)
利用CDMA/GPRS網(wǎng)絡(luò),以及所提供的數(shù)據(jù)服務(wù),借助正偉數(shù)字的CDMA/GPRS通訊產(chǎn)品,能夠順利完成各級山洪預(yù)警系統(tǒng)中的監(jiān)測采集站網(wǎng)的汛情信息傳輸、監(jiān)測中心的監(jiān)測信息傳送以及預(yù)警廣播信息的傳送,為山洪災(zāi)害的及時監(jiān)測、預(yù)警預(yù)報,以及決策會商和指揮調(diào)度工作提供了暢通、快速、可靠穩(wěn)定的通信信道。節(jié)省了傳統(tǒng)詢查的人力物力、回避了詢查人員的生命安全、為山洪發(fā)生地的廣大民眾搶得寶貴的預(yù)警數(shù)據(jù)資料和應(yīng)急行動的時間。