基于GPRS/CDMA通信的山洪災害預警系統(tǒng)解決方案

需求現(xiàn)狀

　　山洪災害是山丘區(qū)在一定強度或持續(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)造成毀滅性災害，對國民經(jīng)濟和人民生命財產(chǎn)造成重大損失。近年來，我國山洪災害問題日益突出，每年都造成大量人員傷亡，嚴重影響社會經(jīng)濟發(fā)展。在黨中央和國務院的重視下，水利部會同國土資源部、中國氣象局、建設部、國家環(huán)保總局，在2003-2005年開展全國山洪災害防治規(guī)劃設計工作，并于2005年起，在全國進行了山洪災害的防治建設試點工作。山洪災害的防御策略是“以防為主，防重于搶”，防御防治的方法是既要采取工程措施，提高工程防洪標準，也要采取非工程措施，建立綜合防洪減災體系，提高防災抗風險能力。

　　建立山洪災害預警系統(tǒng)，是國家防治山洪災害的一項重要的非工程性措施。山洪災害預警系統(tǒng)體現(xiàn)監(jiān)測、通信及預警一體化，由監(jiān)測子系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡子系統(tǒng)、決策支持子系統(tǒng)、預警子系統(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)災害站網(wǎng)，對汛情和災害情況利用時下先進的CDMA/GPRS等通信技術進行實時監(jiān)測，并對信息進行加工處理，利用監(jiān)控軟件自動進行預測、預警，通過各種有關的預警通知和警報設施，提前通知有關成員單位、防汛責任人，通知危險區(qū)居戶，做好山洪搶險組織、轉(zhuǎn)移撤離準備，最大地減少人員和財產(chǎn)損失，提高對山洪災害快速、全面、準確的預報、預警以及指揮調(diào)度的技術手段。

CDMA和GPRS網(wǎng)絡剖析

　　目前，基于GPRS/CDMA無線數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務廣泛在移動辦公、工業(yè)控制、遠程遙測等多方面應用，網(wǎng)絡運營商中國移動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)作為第二代移動通信技術GSM向第三代移動通信(3G)的過渡技術，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，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)絡基礎上疊加的一個新的網(wǎng)絡，同時在網(wǎng)絡設備上增加一些硬件設備，并對原軟件升級，形成了一個新的網(wǎng)絡邏輯實體。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，它以分組交換技術為基礎，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，包括收發(fā)E-mail、進行Internet瀏覽、即時聊天等。

　　GPRS系統(tǒng)使用現(xiàn)有的GSM無線網(wǎng)絡。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)絡基礎上增加了一些硬件設備和軟件升級。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，所以GPRS覆蓋非常廣。目前中國移動GPRS網(wǎng)絡已覆蓋全國所有省、直轄市、自治區(qū)，網(wǎng)絡遍及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)字技術上的分支—擴頻通信技術上發(fā)展起來的一種新的無線通信技術。CDMA技術的原理是基于擴頻技術，即將需傳送的具有一定信號帶寬信息數(shù)據(jù)，用一個帶寬遠大于信號帶寬的高速偽隨機碼進行調(diào)制，使原數(shù)據(jù)信號的帶寬被擴展，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碼，與接收的帶寬信號作相關處理，把寬帶信號換成原信息數(shù)據(jù)的窄帶信號即解擴，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

　　CDMA技術的標準化經(jīng)歷了幾個階段。IS95是CDMAONE系列標準中最先發(fā)布的標準，真正在全球得到廣泛應用的第一個CDMA標準是IS95A，這一標準支持8K編碼話音服務。在ITU向各國征求第三代移動通信無線候選技術時，IS95由于剛?cè)〉蒙逃贸晒Γ绹鳷R45標準委員會沒有將很多精力放在第三代標準的研究上，而是正在努力完成IS95B的標準。

　　在ITU的要求下，在當年提出了CDMA2000的第三代標準，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又分為下行直接擴譜和三載波兩種方式，后來直接擴譜CDMA2000部分與WCDMA進行了融合，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)絡部份引入分組交換，支持移動IP業(yè)務。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，目的是為CDMA用戶提供分組IP形式的數(shù)據(jù)業(yè)務。

　　CDMA基于擴頻技術，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設備上直接升級。目前，中國聯(lián)通通過二期工程建設，對CDMA網(wǎng)絡進行了網(wǎng)絡優(yōu)化和提升，網(wǎng)絡從IS95升級為CDMA1X網(wǎng)絡；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)。

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)絡和中繼站，專網(wǎng)則需有額外的網(wǎng)絡投資。）

　　隨著通訊技術的發(fā)展，以CDMA、GSM/GPRS為主的移動通信網(wǎng)絡發(fā)展迅速。目前，中國聯(lián)通和中國移動網(wǎng)絡覆蓋廣，各基站設備設施先進，對自然環(huán)境的抗風險能力較強，因此以CDMA、GSM/GPRS網(wǎng)絡為基礎形成的數(shù)據(jù)服務，不受地理環(huán)境和天氣條件的限制，而組網(wǎng)方便,對應用所需的額外設備要求不高，投資和運行費用低，并且數(shù)據(jù)傳輸準確，安全可靠性高，時效性和帶寬基本滿足大部分業(yè)務的信息傳輸要求，因此在山洪預警系統(tǒng)里GPRS/CDMA無線傳輸通訊方式是當下最好的選擇。

　　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)絡采用數(shù)字擴頻通信技術，速度快，傳輸效率高；易開發(fā)、可擴充、永遠在線；并可提供TCP/IP連接，便于數(shù)據(jù)傳輸應用。因此在國內(nèi)多數(shù)省市組建的山洪防訊預警系統(tǒng)中有著廣泛而大量的使用。

項目應用關鍵點

山洪災害預警通信傳輸機制的技術實現(xiàn)是本系統(tǒng)的關鍵之一，山洪災害預警通信傳輸機制主要由兩部分組成：
(1)汛情信息的傳輸;
(2)預警信息的傳輸。

網(wǎng)絡補充通訊方式銜接
廣播
短信
電話

系統(tǒng)在項目中的應用

　　雨情、水情信息是重要的防汛信息，在山洪災害預警系統(tǒng)中需建立一套快速及時、準確可靠、先進實用、高度自動化的境內(nèi)流域水、雨情信息的監(jiān)測系統(tǒng)，為防汛和山洪災害預警提供決策支持。

應用方式
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)絡轉(zhuǎn)送到Internet，經(jīng)由Internet最終進入數(shù)據(jù)處理中心。

通訊終端示意圖

DTU的設置
　　正偉 DTU 同HNY-RT8內(nèi)的單片機系統(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的設置采用Windows系統(tǒng)自帶的超級終端軟件，設置非常方便、簡單。一般需要設置數(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、串口設置等等。

通訊協(xié)議的設置
　　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。TCP以增加網(wǎng)絡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)絡中，由于通訊網(wǎng)絡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)絡通訊費用。

　　本套應用方案經(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，實時性滿足山洪災害預警的需要。

監(jiān)測中心
　　監(jiān)測中心（即數(shù)據(jù)中心）可以分級設在各級防汛指揮部辦公室的中心機房內(nèi)，主服務器采用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)絡同Internet的連接通過硬件防火墻進行物理隔離。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)進行點對點、一點對多點的通訊，以備在internet網(wǎng)絡不暢的情況下做應急通訊備份。

　　所有來自遙測站的數(shù)據(jù)包經(jīng)過網(wǎng)絡（CDMA/GPRS和Internet）首先進入具有固定的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)到主服務器上，再由數(shù)據(jù)中心程序(軟件)將數(shù)據(jù)讀出并進行分析，最后寫入數(shù)據(jù)庫。

后臺服務程序
　　數(shù)據(jù)中心的程序是在宏電公司提供的動態(tài)鏈接庫和Demo程序的基礎上開發(fā)的，主要用于遠程DTU發(fā)送過來的數(shù)據(jù)接收，以及DSC對遠程DTU的進行參數(shù)修改、指令下達等數(shù)據(jù)發(fā)送方面。
　　程序安裝在防辦的主服務器上，是以后臺方式不間斷的服務。接收的數(shù)據(jù)直接寫到主服務器的數(shù)據(jù)庫中，同時對接收、發(fā)送以及程序的運行狀態(tài)以日志方式進行記錄，以便維護和管理查詢。

應用模式介紹
　　山洪災害預警系統(tǒng)對外部提供WWW Web服務，用戶可以通過Internet網(wǎng)絡登錄該系統(tǒng)Web服務器訪問預警決策系統(tǒng)來進行汛情信息服務。

　　但對于無法進行Internet連接的用戶，我們開發(fā)了專用汛情接收設備，該設備可接收數(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，調(diào)度操作指令以及遠程測站、機房的設備監(jiān)控信息（如電池電壓等、防盜等）。

　　山洪災害預警系統(tǒng)可以承載圖像、視頻監(jiān)控，在數(shù)據(jù)采集終端增加相應的攝像機，將攝像機布置才在山洪流經(jīng)的山谷、堤壩滲漏的小溝處，通過視頻服務器進行圖像處理后就可以通過路由器進行傳輸，傳輸速度達到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。

原理和組成
　　設備采用PC104嵌入式模塊、工業(yè)級觸摸屏、以及正偉的 CDMA DTU組成，設備可內(nèi)置電源系統(tǒng)，能24小時不間斷運行。本終端設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。

廣播系統(tǒng)的組成
　　山洪災害預警系統(tǒng)除了根據(jù)預警條件，按照相應的預警級別自動啟動（或會商后人工啟動）短信、電話來通知防汛成員單位責任人、有關鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村負責人以及農(nóng)戶外，還需在危險區(qū)域的重點防范地方、集中院落設立廣播預警系統(tǒng)。

　　廣播預警系統(tǒng)由單片機處理單元、語音芯片、無線廣播控制主機、接收裝置以及警笛和大功率高音喇叭等聲光裝置組成。

應用方式
　　廣播預警系統(tǒng)同樣通過正偉CDMA DTU接收數(shù)據(jù)中心發(fā)過來的預警信息。單片機接收到中心預警包后，分析預警級別，再發(fā)送預警包給語音芯片，語音芯片通過喇叭發(fā)出特定預警語音，告知附近村民采取相應措施。經(jīng)過現(xiàn)場實際驗證，數(shù)據(jù)中心發(fā)送預警包后，3秒鐘左右可以發(fā)出預警。

總結(jié)
　　利用CDMA/GPRS網(wǎng)絡，以及所提供的數(shù)據(jù)服務，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)測信息傳送以及預警廣播信息的傳送，為山洪災害的及時監(jiān)測、預警預報，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警數(shù)據(jù)資料和應急行動的時間。