0 引言
城市市政管網(wǎng)系統(tǒng)承擔著供水、供電、供燃氣、供熱、排水等任務，維持和保障城市生產(chǎn)和生活的正常運行。然而，許多城市市政管線存在著管線不配套、不規(guī)范、運行可靠性和安全性差、運行費用高等諸多問題，城市管網(wǎng)的監(jiān)測" title="監(jiān)測">監(jiān)測和維護等工作還處于定期或定點人工巡視和現(xiàn)場檢查的階段，缺乏有效監(jiān)控、預警以及科學的監(jiān)測和維護。
因此，開發(fā)針對城市市政管網(wǎng)的監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對管網(wǎng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)控，并在此基礎上實施動態(tài)監(jiān)測分析，為管網(wǎng)突發(fā)事件處理、災害預警綜合防御、相關信息分析、管網(wǎng)合理規(guī)劃設計提供依據(jù)；同時對管網(wǎng)圖籍資料等信息進行科學有效的管理，為精確判斷管網(wǎng)中出現(xiàn)的災情及損壞提供準確信息和決策支持，解決我國長期以來市政管網(wǎng)系統(tǒng)運行安全保證率和信息化管理程度低等存在的諸多問題?；?a class="cblue" href="http://ihrv.cn/search/?q=GPRS" title="GPRS">GPRS城市市政管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)改變了設備落后、功能單一、監(jiān)測方法不完善的現(xiàn)狀，將監(jiān)測系統(tǒng)與預警系統(tǒng)聯(lián)動，提升了系統(tǒng)的安全性，加強了系統(tǒng)的信息化管理程度，并能夠?qū)暮Ψ阑加谖慈弧?/p>
1 GPRS技術
GPRS是通用分組無線業(yè)務(general packet radio service)的簡稱，是在原有的基于電路交換方式的GSM網(wǎng)絡上增加了SGSN和GGSN等功能實體，為GSM用戶提供分組交換的數(shù)據(jù)業(yè)務。GPRS充分利用了原有GSM網(wǎng)絡的資源，允許用戶在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，提供了一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務。
1．1 GPRS技術的主要特點
1)GPRS采用分組交換技術，高效傳輸高速或低速數(shù)據(jù)和信令，優(yōu)化了對網(wǎng)絡資源和無線資源的利用。2)支持中、高速率數(shù)據(jù)傳輸" title="數(shù)據(jù)傳輸">數(shù)據(jù)傳輸，可提供9．05～17l．2kbit／s的數(shù)據(jù)傳輸速率。3)GPRS網(wǎng)絡接入速度快，提供了與現(xiàn)有數(shù)據(jù)網(wǎng)的無縫連接，并且時時在線，用戶始終處于連線或在線狀態(tài)。4)GPRS支持TCP、UDP等通信協(xié)議，可以和IP網(wǎng)、X．25網(wǎng)互聯(lián)互通。5)GPRS的設計使得它既能支持間歇的爆發(fā)式數(shù)據(jù)傳輸，又能支持偶爾的大量數(shù)據(jù)的傳輸。6)GPRS可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸，數(shù)據(jù)流量的有效采集，并基于數(shù)據(jù)信息實現(xiàn)對管網(wǎng)監(jiān)測。
管網(wǎng)終端需要對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行實時采集并要快速、高效的傳送給監(jiān)控中心，如果傳輸延遲監(jiān)控中心就不能高效利用采集到的數(shù)據(jù)對換熱站進行監(jiān)控，所以要求傳輸網(wǎng)絡必須快速。GPRS通信技術剛好適合這種傳輸要求，能為管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集提供一種高性價比的通信手段。
1．2 GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)組成部分
GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)分為三個部分：監(jiān)控終端設備、GPRS數(shù)據(jù)傳輸終端、監(jiān)控中心主站。
1)監(jiān)控終端設備。主要完成數(shù)字量與模擬量的采集。監(jiān)測點DTU采用固定IP地址的SIM卡。GPRS數(shù)據(jù)傳輸終端上電后，它會根據(jù)預先設定在其內(nèi)部的IP地址主動訪問中心GPRS DTU服務器，和監(jiān)控中心建立TCP／IP鏈路。監(jiān)控中心服務器建立PPP(Point to Point Protocol)撥號，進入GPRS APN內(nèi)網(wǎng)，獲取固定IP地址。當主站要向某個監(jiān)控終端提出數(shù)據(jù)請求時，它會根據(jù)IP地址和ID號來找到對應的終端，將命令下發(fā)到該終端，終端響應后通過GRPS數(shù)據(jù)傳輸終端把數(shù)據(jù)發(fā)到網(wǎng)絡代理服務器端口，通過端口影射轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)控中心主站，即完成了一個應答式的通信流程。
2)GPRS數(shù)據(jù)傳輸終端。GPRS數(shù)據(jù)傳輸終端實現(xiàn)監(jiān)控中心主站與監(jiān)控終端的通信?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集模塊以RS232接口方式輸出，直接與DTU的RS232接口鏈接，進行數(shù)據(jù)傳輸，完成信息的上傳與下發(fā)。
3)監(jiān)控中心主站。主要完成人機交互工作。中心服務器主要負責網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路建立和數(shù)據(jù)收發(fā)的透明中轉(zhuǎn)，系統(tǒng)最里面層為操作系統(tǒng)及系統(tǒng)軟件；第二層為系統(tǒng)支持軟件層，主要是數(shù)據(jù)采集和傳輸，就是將各種數(shù)據(jù)從不同的終端根據(jù)各種通信協(xié)議采集過來，再通過網(wǎng)絡分發(fā)給需要這些數(shù)據(jù)的系統(tǒng)；第三層為基礎應用層，將采集過來的數(shù)據(jù)經(jīng)過各種處理，通過GUI(Graphieal User Interface)界面顯示給監(jiān)控人員；第四層為高級應用層，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)供管網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)進一步管理和決策用。
2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構
基于GPRS的管網(wǎng)數(shù)據(jù)測控系統(tǒng)主要有監(jiān)控主機、GSM／GPRS網(wǎng)絡以及GPRS數(shù)據(jù)傳輸單元(GPRS DTU)組成。宏觀上看，系統(tǒng)分為硬件平臺和軟件平臺兩個部分。
2．1 硬件平臺結(jié)構
硬件平臺分為監(jiān)測中心和檢測終端兩個部分。檢測終端采集傳感器數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)打成IP包，通過GPRS模塊的SM卡接入GPRS網(wǎng)絡，發(fā)送到外部Internet網(wǎng)絡，再通過GPRS服務器，將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測中心，由監(jiān)測中心的PC機接收和處理數(shù)據(jù)。管網(wǎng)硬件數(shù)據(jù)測控系統(tǒng)硬件組成圖如圖1所示：
監(jiān)測終端設備采用基于單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后通過RS232接入GPRS通信模塊，從而實現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡通信。數(shù)據(jù)終端將數(shù)據(jù)經(jīng)過UDP／IP、PPP協(xié)議封裝后發(fā)送至GPRS網(wǎng)絡，通過GPRS數(shù)據(jù)網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。
軟件平臺分為終端軟件和監(jiān)測中心軟件兩個部分。
終端軟件負責監(jiān)視終端硬件的運行狀態(tài)和上傳數(shù)據(jù)。終端軟件的主要任務是定時讀取采集數(shù)據(jù)、通過GPRS發(fā)送數(shù)據(jù)、接收和執(zhí)行來自遠端PC的命令。其中的讀取采集數(shù)據(jù)任務對實時性要求并不是很高，把它用分時操作來實現(xiàn)，而其他的兩個任務則通過用戶進程來實現(xiàn)。
監(jiān)測中心軟件主要負責數(shù)據(jù)的接收、儲存、查詢和呈現(xiàn)等功能。監(jiān)控中心軟件系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮睦砟睿K化的設計方法，根據(jù)需求將各種不同的功能封裝成相互獨立的幾大功能模塊，如實時數(shù)據(jù)顯示、管網(wǎng)信息查詢、報警處理、統(tǒng)計報表等。
2．3 監(jiān)控系統(tǒng)的工作過程
1)現(xiàn)場測控設備實時采集管網(wǎng)運行數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理、分析，根據(jù)分析結(jié)果對現(xiàn)場設備的運行狀態(tài)進行調(diào)節(jié)；2)響應GPRS通訊終端的數(shù)據(jù)發(fā)送請求，將采集處理后的數(shù)據(jù)上傳給通訊終端。通訊終端將數(shù)據(jù)打成IP包，通過GPRS網(wǎng)絡，經(jīng)Internet發(fā)送至調(diào)度中心；3)調(diào)度中心軟件將IP包解包，還原數(shù)據(jù)，并根據(jù)管網(wǎng)總體運行情況實現(xiàn)遠程監(jiān)控。
3 現(xiàn)場數(shù)據(jù)和無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)
3．1 現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)采集
現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過A／D轉(zhuǎn)換模塊傳送至單片機，并經(jīng)過MAX232處理傳輸給無線通信模塊，以RS232接口的模式與GPRS透明數(shù)據(jù)傳輸終端相連，通過GPRS網(wǎng)絡傳送至數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的實時在線連接?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的結(jié)構如圖2所示：
1)數(shù)據(jù)中心服務器申請配置固定IP地址，采用移動通信公司提供的DDN專線，與GPRS網(wǎng)絡相連。由于DDN專線可提供較高的帶寬，當現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)采集點數(shù)量增加，中心不用擴容即可滿足需求。
2)數(shù)據(jù)中心服務器接受到GPRS網(wǎng)絡傳來的數(shù)據(jù)后，傳送到數(shù)據(jù)中心計算機主機，通過系統(tǒng)軟件對數(shù)據(jù)進行還原顯示，并進行數(shù)據(jù)處理。
3)數(shù)據(jù)中心計算機主機可進行業(yè)務管理，對現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)進行校驗、計算、存儲、分析、管理等，可對異常情況進行報警，同時對管網(wǎng)的使用情況實時監(jiān)控。
3．3 GPRS／GSM移動數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡
現(xiàn)場儀表采集的數(shù)據(jù)經(jīng)GSM網(wǎng)絡空中接口功能模塊同時對數(shù)據(jù)進行解碼處理，轉(zhuǎn)換成在公網(wǎng)數(shù)據(jù)傳送的格式，通過GPRS無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡進行傳輸，最終傳送到數(shù)據(jù)中心IP地址。由于GPRS通信是基于IP地址的數(shù)據(jù)分組通信網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)中心計算機主機配置固定的IP地址，各現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)采集點采用GPRS模塊和該主機進行通信。
通過GPRS無線通信，可以建立遠程數(shù)據(jù)設備和本地數(shù)據(jù)設備兩兩之間的串口通信連接，將遠程數(shù)據(jù)設備通過GPRS DTU發(fā)送的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)至連接在指定串口上的本地數(shù)據(jù)設備；或?qū)⑦B接在指定串口上的本地數(shù)據(jù)設備發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過GPRS RTU轉(zhuǎn)發(fā)至遠程數(shù)據(jù)設備。
4 結(jié)束語
基于GPRS的城市市政管網(wǎng)的監(jiān)測系統(tǒng)，充分利用了GPRS網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)可靠性高、實時在線、時延小、能夠同時實時收取和處理多個／所有監(jiān)測點的各種數(shù)據(jù)的特性，很好的滿足了系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集和傳輸實時性的要求，在建設成本和維護成本上都有很大的優(yōu)勢，可以提高工作效率和管理水平，保證管網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。隨著GPRS網(wǎng)絡的進一步完善，并融合虛擬儀器以及GIS等先進技術，建立完善的GIS空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，對于提升我國城市市政管網(wǎng)的管理水平，加快城市市政管網(wǎng)信息化系統(tǒng)動態(tài)管理的建設步伐，實現(xiàn)城市管網(wǎng)管理與運行控制一體化有著重大的現(xiàn)實意義和廣泛的實用價值。