GSM技術(shù)在我國水情信息傳輸中的應(yīng)用設(shè)想

秦建敏1，王寶國2

1：太原理工大學(xué)測(cè)控技術(shù)研究所，太原理工大學(xué)北區(qū)293#信箱，030024
2：北京軍區(qū)油料訓(xùn)練大隊(duì)，
摘要：本文簡要介紹了移動(dòng)通信中GSM短消息技術(shù)特點(diǎn),首次提出在我國水情信息傳輸領(lǐng)域用這一新技術(shù)取代原有的信息傳輸手段的設(shè)想。由于GSM短消息技術(shù)具有覆蓋面廣、標(biāo)準(zhǔn)化程度高、組網(wǎng)靈活、運(yùn)營成本低、信號(hào)傳輸快捷可靠、安裝簡便，防雷與抗干擾性能好，在我國水情測(cè)報(bào)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，是我國水情監(jiān)測(cè)設(shè)備改型換代較為理想的新型技術(shù)。
關(guān)鍵詞：GSM; 水情信息; 移動(dòng)通信; 短消息;

一．?我國水情信息采集與傳輸概況分析

我國國土面積遼闊，在960萬km2的土地上，江河眾多，流域面積在1萬km2以上的就有79條。根據(jù)水文氣象資料統(tǒng)計(jì)，我國的洪水災(zāi)害主要集中在黃河、長江、淮河、海河、松花江、遼河和珠江七大江河的中下游平原地區(qū)。這些平原地區(qū)的地面高程處于江河洪水位以下，歷史上都曾遭受過洪水淹沒，總面積約有73.8萬km2。在這里居住著我國半數(shù)以上的人口，是我國政治、經(jīng)濟(jì)和文化的發(fā)達(dá)地區(qū)。特定的地理和氣候因數(shù)決定了我國洪澇災(zāi)害頻繁。根據(jù)歷史資料統(tǒng)計(jì)分析，我國平均不到兩年就發(fā)生一次較大的洪水災(zāi)害。1954年8月的淮河洪水、1963年8月的海河洪水、1975年8月的淮河洪水、1998年8月的長江和松花江的洪水都曾造成舉世震驚的災(zāi)害，其經(jīng)濟(jì)損失都在數(shù)千億元。隨著這些洪水威脅地區(qū)人口的不斷增加和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，洪災(zāi)范圍和經(jīng)濟(jì)損失都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。1996年洪水損失就遠(yuǎn)高達(dá)2200億元，1998年洪水損失就遠(yuǎn)高于此數(shù)。然而，我國又是一個(gè)水資源貧乏的國家，缺水和旱災(zāi)又是我國另一個(gè)主要的自然災(zāi)害。在干旱嚴(yán)重期，北方特別是西北地區(qū)，許多農(nóng)村山區(qū)人畜飲水困難，許多中小城市，甚至大城市供水緊張。近幾年來，黃河斷流現(xiàn)象有逐漸上延的趨勢(shì)。這些都給國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人類生存造成極大的威脅。為了防治洪旱災(zāi)害，我國投入了大量的人力、物力和財(cái)力，建設(shè)了一批又一批的防洪抗旱工程，大大增強(qiáng)了我國抗御洪、旱災(zāi)害的能力。與此同時(shí)，我國還加強(qiáng)了非工程防洪抗旱措施，建立了各級(jí)防洪抗旱指揮機(jī)構(gòu)和覆蓋全國的報(bào)汛網(wǎng)，還在重點(diǎn)防洪區(qū)建立了防汛專用通信網(wǎng)和洪水預(yù)報(bào)、警報(bào)系統(tǒng)，它們?cè)跉v年防洪抗旱斗爭中發(fā)揮了重要作用；但是這些措施尚不能滿足防洪抗旱指揮決策的需要，亟待加大投入，提高技術(shù)水平，增加可靠性和可信度，加大覆蓋面積，組建報(bào)汛通信網(wǎng)絡(luò)。
基金項(xiàng)目：山西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（20021036）

雨量、河道站的水位、流量、水庫站的進(jìn)出庫流量、蓄水量、閘壩站的閘上下水位、閘門開度、潮位站的潮水位、風(fēng)向風(fēng)力等統(tǒng)稱為水情信息。水情信息是防汛抗旱信息中量大、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、有嚴(yán)密報(bào)送制度的基礎(chǔ)信息，是預(yù)報(bào)、防汛抗旱決策的重要依據(jù)。目前全國共有8600多個(gè)報(bào)汛站點(diǎn)，其中向國家防辦報(bào)汛的站點(diǎn)有近3000個(gè)。由于報(bào)汛站中相當(dāng)一部分河道站測(cè)驗(yàn)設(shè)施陳舊、落后，采集精度與自動(dòng)化程度很低，甚至依靠人員觀察.。對(duì)于采集到的水情數(shù)據(jù)，大多數(shù)站點(diǎn)是通過有線電話報(bào)汛，需要架設(shè)專用電話線，傳輸速度慢，因此，“測(cè)不到、報(bào)不出”的事件時(shí)有發(fā)生。按照國家“十五”計(jì)劃，國家防汛指揮系統(tǒng)應(yīng)在30分鐘內(nèi)就應(yīng)將全國水情數(shù)據(jù)能夠加以匯總，目前的實(shí)際狀況無法達(dá)到上述要求。近十多年全國各地水利部門、電力部門、氣象及農(nóng)業(yè)部門等組建了很多自我服務(wù)的水情信息采集系統(tǒng)，也采用了如水情衛(wèi)星遙測(cè)等先進(jìn)技術(shù)，但它們基本上都是各自獨(dú)立的運(yùn)行系統(tǒng)，水情傳輸手段各異，往往在關(guān)鍵的防汛時(shí)期不能發(fā)揮出作用。
在上述存在的問題中，水情信息的傳輸是一個(gè)亟待解決的問題。在水情數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場(chǎng)，通過衛(wèi)星雖然可以快捷、可靠地傳輸水情信息，但投資高，短時(shí)間內(nèi)難以大面積推廣；通過公用電話網(wǎng)絡(luò)可以大范圍改善信息傳輸方式，但其數(shù)據(jù)傳輸速度低、受頻帶寬度限制，每個(gè)設(shè)備需要架設(shè)專用線路，實(shí)現(xiàn)一對(duì)一的傳遞模式，無法滿足大數(shù)據(jù)量實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊螅疾皇墙鉀Q水情數(shù)據(jù)理想的手段。目前，隨著我國移動(dòng)通訊技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是近幾年手機(jī)短信息技術(shù)（GSM技術(shù)）在數(shù)據(jù)傳輸、控制領(lǐng)域的大量應(yīng)用，為解決大范圍標(biāo)準(zhǔn)化水情信息傳輸問題提供了一個(gè)可行的途徑。

二．?GSM技術(shù)簡介及其特點(diǎn)

2．1 GSM技術(shù)簡介及其特點(diǎn)
計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展給水文檢測(cè)技術(shù)提供了更加快捷、可靠、方便的數(shù)據(jù)采集、處理和遠(yuǎn)程傳輸?shù)氖侄巍SM技術(shù)即是近幾年受到人們普遍關(guān)注的新技術(shù)之一。
GSM(Global System for Mobile communications)系統(tǒng)是歐洲郵電管理委員會(huì)(CEPT)下屬的移動(dòng)通信特別小組，從1992年起開始制定，并在1998年頒布實(shí)施的新的數(shù)字式蜂窩移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，也即我們目前所說的第二代移動(dòng)通訊技術(shù)。它是目前基于時(shí)分多址技術(shù)的移動(dòng)通訊體制中比較成熟、完善、應(yīng)用最廣泛的一種系統(tǒng)。目前已建成的覆蓋全國的GSM數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)，是我國公眾通信網(wǎng)的主要方式。
GSM?系統(tǒng)除了具有一般數(shù)字系統(tǒng)所有的容量大、業(yè)務(wù)類型多、設(shè)備小型化、成本低、服務(wù)質(zhì)量好、安全性能好等優(yōu)點(diǎn)外，還有本身的一些特點(diǎn)。其一，該標(biāo)準(zhǔn)允許移動(dòng)用戶進(jìn)行全球漫游及非嚴(yán)格的小區(qū)交接。其二，GSM的協(xié)議使得呼叫控制過程類似ISDN(Integrated Services Digital Network)以便與ISDN?兼容，并且又包括了與蜂窩通信有關(guān)的特別功能，如本地登記和小區(qū)交接。GSM?標(biāo)準(zhǔn)提供的數(shù)字化端到端的連接等。這一系統(tǒng)主要提供話音、短信息、數(shù)據(jù)等多種業(yè)務(wù)。
2．2 GSM短消息業(yè)務(wù)概述
短消息服務(wù)(SMS)是GSM技術(shù)應(yīng)用的一項(xiàng)重要內(nèi)容，它具有一些突出特點(diǎn)如：一次可傳輸140個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的內(nèi)容可以是字符或數(shù)字；可以在GSM網(wǎng)絡(luò)內(nèi)端對(duì)端傳輸，還可以從GSM網(wǎng)絡(luò)外(如互聯(lián)網(wǎng))發(fā)送短消息給一個(gè)端點(diǎn)站；短消息通過設(shè)在移動(dòng)通信部門的短消息中心(MSC)用GSM系統(tǒng)的信令信道傳送，與語音信道不沖突，即使終端處在通話狀態(tài)下也可進(jìn)行傳送；在短消息傳送過程中，不進(jìn)行呼叫連接建立和釋放的過程；MSC具有短消息的存儲(chǔ)功能，在終端設(shè)備關(guān)機(jī)時(shí)，可以保持消息在一定時(shí)間內(nèi)有效等。利用這些特點(diǎn)，及其雙向傳輸?shù)男阅埽煞奖愕貙?shí)現(xiàn)對(duì)于采集站設(shè)備的信息采集和遠(yuǎn)程控制，即實(shí)現(xiàn)遙測(cè)和遙控。
短消息業(yè)務(wù)是GSM/DCS1800系統(tǒng)中唯一不需要建立端到端業(yè)務(wù)通道服務(wù)。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)短消息是以任意形式的字母數(shù)字串，通過數(shù)字控制信道傳送的。空閑時(shí)占用獨(dú)立專用控制信道(SDCCH)，信息速率為782b/s；通話時(shí)占用慢速隨路控制信道(SACCH)，信道速率為383b/s。為了避免時(shí)延過長，以及對(duì)這些爭搶接入信道負(fù)荷過大，每條短消息最大幀長度為140個(gè)字節(jié)(按ASCII字符7bit編碼為160個(gè)字符)。因此可以在任何時(shí)候發(fā)送或接收短消息的傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)單元TPDU(Transport Protocol Data Unit)， 無論話音或數(shù)據(jù)通信是否正在進(jìn)行。由于公眾GSM網(wǎng)絡(luò)在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)和漫游，建立GSM系統(tǒng)不須再組建專用通信網(wǎng)絡(luò)，所以具有實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)功能的短消息應(yīng)用將可以做成傳輸各種檢測(cè)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)信號(hào)和控制命令的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，可以廣泛用于包括水文檢測(cè)在內(nèi)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、定位導(dǎo)航、個(gè)人通信終端等。

三．?GSM短信息傳輸技術(shù)在水文數(shù)據(jù)檢測(cè)中的應(yīng)用設(shè)想

目前，我國已基本上建成了可以覆蓋全國大多數(shù)省區(qū)面積的移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)，特別是在人口眾多、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的城市周邊地區(qū)，移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積幾乎接近100%，手機(jī)普及率已超過固定電話，特別是其具有的短信息傳輸業(yè)務(wù)具有許多有線電話無法實(shí)現(xiàn)的功能。例如：GSM短信息傳輸是無線數(shù)據(jù)傳送信息，可以不受地域環(huán)境限制、傳輸信息源數(shù)量限制，快捷、準(zhǔn)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；其價(jià)格低廉，按目前移動(dòng)通信最普及的短信息發(fā)送收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，每條短信息為0。1元，每條信息最長可達(dá)140字節(jié)，如果對(duì)采集水情數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼處理后，這一容量對(duì)于單次報(bào)送來講是完全足夠的，且價(jià)格還等于或低于通過電話傳輸方式。采用GSM短信息傳輸技術(shù)不需水文單位再重復(fù)投資建設(shè)新的傳輸基礎(chǔ)設(shè)施與通信平臺(tái)，信息接口與設(shè)備簡單，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，通訊設(shè)備通用性好，易于與計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)結(jié)，實(shí)現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化處理，當(dāng)與互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)結(jié)后，數(shù)據(jù)傳輸距離可以遍及世界，當(dāng)大面積推廣時(shí)僅需對(duì)設(shè)備通訊接口加以改造，投資很小；同時(shí)，由于移動(dòng)通信局對(duì)短消息具有存儲(chǔ)記憶功能以及發(fā)送端與接收端可以隨時(shí)發(fā)送實(shí)時(shí)信息而不必像電話通信那樣占用很長的線路接通等待時(shí)間，避免了衛(wèi)星通信報(bào)送時(shí)間因信道擁擠而可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)阻塞現(xiàn)象，使在數(shù)據(jù)量集中報(bào)送的時(shí)間內(nèi)也可以實(shí)現(xiàn)大面積、多測(cè)報(bào)點(diǎn)的同步報(bào)汛；由于數(shù)據(jù)傳輸采用的是數(shù)字傳輸方式，其抗干擾能力、數(shù)據(jù)保密處理都是原有電話傳輸方式無法比擬的。由于GSM短信息傳輸技術(shù)所具有的上述種種優(yōu)點(diǎn)，我認(rèn)為將其作為我國水情信息傳輸?shù)男乱淮夹g(shù)手段是最為理想也是最易于大規(guī)模改造的技術(shù)手段選擇。
圖1所示是采用GSM短消息傳輸技術(shù)后水情采集與傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
水情信息處理中心 水情信息處理中心 ——- 水情信息處理中心
RS232 RS232 RS232
GSM-MODEM GSM-MODEM —— GSM-MODEM

移動(dòng)通訊數(shù)據(jù)中心站

GSM-MODEM GSM-MODEM —— GSM-MODEM

水情檢測(cè)儀器 水情檢測(cè)儀器 —— 水情檢測(cè)儀器
圖1 GSM短消息傳輸技術(shù)水情采集與傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
各個(gè)測(cè)站可采用現(xiàn)有的各種水情檢測(cè)儀器測(cè)得的水情信號(hào)并送入數(shù)據(jù)處理儀，數(shù)據(jù)處理儀通過標(biāo)準(zhǔn)的RS232通信借口可以和附加的GSM-MODEM（調(diào)制解各調(diào)器）相接并通過移動(dòng)通訊數(shù)據(jù)中心站臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)到各水情信息處理中心或任何需要水位數(shù)據(jù)的地方。水情信息接收單位只要在信息接收終端附加一GSM-MODEM（調(diào)制解各調(diào)器），安裝相應(yīng)的通信軟件即可獲得各測(cè)站的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。目前,我們已基于這一新型技術(shù)開發(fā)出與之配套的水庫大壩安全監(jiān)測(cè)與水情預(yù)報(bào)系統(tǒng),準(zhǔn)備在山西省晉中市所轄4個(gè)水庫進(jìn)行安裝應(yīng)用。
在實(shí)施這一系統(tǒng)改造時(shí)，也將會(huì)遇到一些問題。比如：有些測(cè)站位于偏遠(yuǎn)的地理位置，移動(dòng)通訊網(wǎng)覆蓋不到，或信號(hào)較弱；一些舊的數(shù)據(jù)采集設(shè)備智能化程度低，需要更新后才具備RS232接口；當(dāng)通信高峰時(shí)期，移動(dòng)通信也會(huì)遇到信息接收時(shí)延、滯后問題等等。但是，與其它方案相比，采用GSM短信息傳輸水情所遇到的困難是最小也是比較容易解決的。比如信息滯后問題，由于短消息可以在移動(dòng)通信中心儲(chǔ)存，使信息傳輸可靠性大大提高。信號(hào)弱，可以外接車載電臺(tái)天線等提高信號(hào)接收效果，或采用電話、GSM混合系統(tǒng)加以解決。隨著移動(dòng)通信網(wǎng)的不斷改善，更新改造費(fèi)用會(huì)愈來愈少，服務(wù)范圍和質(zhì)量會(huì)越來越好，當(dāng)這一技術(shù)被各水情數(shù)據(jù)采集站采用時(shí)，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的，可以在辦小時(shí)以內(nèi)實(shí)現(xiàn)全國實(shí)時(shí)水情報(bào)汛的現(xiàn)代化的系統(tǒng)就完全有可能成為現(xiàn)實(shí)。

參考文獻(xiàn)

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[3]?王曉英，基于TC35GSM模塊的機(jī)械設(shè)備監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，微計(jì)算機(jī)信息，2003年第19卷，第4期，16-18
[4] TC35 Cellular Engine Handware Interface Description, Siemens Inc.,2001

作者簡介:秦建敏 ，1951年5月出生，教授，1977年畢業(yè)于太原工學(xué)院電子系半導(dǎo)體器件專業(yè)留校任教,

1985年畢業(yè)于重慶大學(xué)電機(jī)系理論電工助教進(jìn)修班;?太原理工大學(xué)測(cè)控技術(shù)研究所副所長,教授;

1989、1997、2002年曾三次公派赴德國Erlangen大學(xué)電機(jī)工程系、Hannover大學(xué)系統(tǒng)工程研究所進(jìn)修學(xué)習(xí)。聯(lián)系地址:?太原市迎澤西大街79號(hào)太原理工大學(xué)北區(qū)293#信箱測(cè)控所，郵編：030024

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