項目情況介紹
天津市位于華北平原的東部，海河流域的尾閭，北依燕山，東臨渤海，西南與河北省平原接壤。全市總面積11305平方公里，其中平原面積占全市陸地面積的94.2％。該市海岸線長152.8公里，沿海海擋跨越漢沽、塘沽、大港三個行政區(qū)。北起漢沽區(qū)澗河口，南至大港區(qū)滄浪渠入?？冢L139.62 公里，其中漢沽區(qū)30.614公里、塘沽區(qū)80.749公里、大港區(qū)28.257公里。
圖1：wincon8331 智能型控制器外觀及配置
天津市海岸線雖然不長，但是對天津經(jīng)濟發(fā)展具有影響的塘沽區(qū)大部分、大港區(qū)政府、天津港務局、大港油田、渤海石油、天津經(jīng)濟開發(fā)區(qū)、天津港保稅區(qū)以及天津新港造船廠、長蘆鹽場等單位分布在沿海塘、漢、大三區(qū)。隨著沿海經(jīng)濟的飛速發(fā)展，防潮工作十分重要。天津市海擋建設雖然在一九九二年大潮后，市政府加大投資力度，統(tǒng)一規(guī)劃、修建了高標準海擋，建成了路擋結合的海防路。但天津沿海46.5公里重點海擋只有26.2公里達到百年一遇標準，其余的重點海擋達不到十年一遇標準；另外90.7公里一般海擋達五十年一遇的有20.1公里，其余的一般海擋，達不到五年一遇標準。特別是在東南亞海嘯災難發(fā)生后，政府對海潮的破壞有了新的認識，體會到監(jiān)測與防護并重的重要性。因此，加大了對海潮就有了本項目的建設。并希望通過本項目的建設，為長期、系統(tǒng)、科學的海潮監(jiān)測積累經(jīng)驗、摸索方向，為將來的大規(guī)模監(jiān)測打下良好的基礎、做好技術的選型和準備。
系統(tǒng)建設內(nèi)容
天津市沿海潮位實時監(jiān)測系統(tǒng)包括三個部分的建設：雷達潮位數(shù)字測報、風力風向測報、實時潮位監(jiān)測發(fā)布系統(tǒng)軟件開發(fā)。先期潮位遙測系統(tǒng)建設1個中心站（防汛辦公室），大港電廠海泵房、塘沽石化碼頭、漢沽鹽廠海泵房等3個遙測站。后續(xù)再陸續(xù)添加建設監(jiān)測站點。
系統(tǒng)建設原則
■ 實用性：實用性將作為系統(tǒng)建設的基本出發(fā)點。系統(tǒng)的設計以方便、簡捷、高效為目標，既充分體現(xiàn)實時預報與統(tǒng)計，友好的用戶界面，業(yè)務人員可以熟練操作；
■ 可靠性：作為防潮預報系統(tǒng)，必須能高可靠的連續(xù)運行，本系統(tǒng)本著經(jīng)濟實用，高性價比的原則設計，從系統(tǒng)硬件、系統(tǒng)結構、設計方案、技術保障等方面綜合考慮，使得系統(tǒng)能保證穩(wěn)定可靠；
■ 靈活性：系統(tǒng)使用靈活，可以方便的察看預報信息，歷史信息，及統(tǒng)計信息，同時可以實時報警功能；
■ 擴展性：考慮到業(yè)務不斷發(fā)展與變化，要求系統(tǒng)在結構、容量和處理能力等方面具有強大的擴充能力，本系統(tǒng)設計中充分考慮到其擴充能力，其軟、硬件均采用工業(yè)化標準設計，并預留軟、硬件接口，保證了系統(tǒng)擴展能力。
系統(tǒng)基本功能需求
根據(jù)潮位監(jiān)測的專業(yè)特點和現(xiàn)場的客觀條件，天津市水務部門對遠程潮位監(jiān)測系統(tǒng)提出了如下基本要求：
■ 數(shù)據(jù)必須能夠本地保存，而且必須能夠保存至少一年的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場作為中心數(shù)據(jù)的有力補充，在需要的時候可以由控制中心發(fā)命令取得，或者安排人員到現(xiàn)場取得，同時方便監(jiān)測人員的現(xiàn)場辦公；
■ 現(xiàn)場與監(jiān)測中心采用GPRS通信，領導及相關管理人員配備的PDA也能通過GPRS網(wǎng)絡同步接收實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，方便在特殊時期的及時響應，同時也減少中心數(shù)據(jù)庫的查詢壓力；
■ 系統(tǒng)具備遠程更新程序的能力。管理中心可通過GPRS網(wǎng)絡遠程更新現(xiàn)場控制器上運行的程序，更改采集周期、存儲方式等關鍵程序指標，或完全更新程序，以滿足不同時期對現(xiàn)場監(jiān)測的需要；
■ 現(xiàn)場支持本地圖形界面，滿足現(xiàn)場辦公要求。現(xiàn)場設備提供方便的圖像輸出端口，在發(fā)生災情或其它緊急時刻，管理人員可在現(xiàn)場通過顯示設備，最好是顯示器了解現(xiàn)場監(jiān)測情況；
■ 無人職守，設備必須可靠、體積小巧?？紤]到防風的需要現(xiàn)場監(jiān)測點體積必須小巧、可靠，同時現(xiàn)場設備也必須穩(wěn)定可靠，關鍵是計量節(jié)省監(jiān)測站有限的空間；
■ 系統(tǒng)拓展性好，將來新建站點只需要通過簡單設定就可以納入原有的監(jiān)測體系；
■ 系統(tǒng)各組件采用市場上的通用硬件和軟件，以此來有效的降低系統(tǒng)建制成本，并簡化系統(tǒng)的后期維護。同時，也以此來增強維護人員對系統(tǒng)的掌控力，方便將來的系統(tǒng)擴容。
系統(tǒng)組件及配置方案
現(xiàn)場設備選擇
現(xiàn)場控制設備是整個系統(tǒng)最關鍵的部分，它是現(xiàn)場程序運行的基本平臺，還必須擔負現(xiàn)場數(shù)據(jù)存儲、現(xiàn)場通信等關鍵任務，其穩(wěn)定性和可靠性直接影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠?？梢哉f現(xiàn)場控制設備的選擇關系到整個系統(tǒng)的成敗，是整個系統(tǒng)的基石。
經(jīng)過慎重的考慮和選型，系統(tǒng)最終選用臺灣泓格科技的PAC產(chǎn)品Wincon8331智能型控制器作為現(xiàn)場控制器。該設備外觀及基本配置如圖1：
Wincon8331尺寸為：229mm×110mm×90mm，不占用太大的機柜空間，而且支持導軌安裝，可以很好的滿足現(xiàn)場對設備空間的限制。而且，該設備還具備如下特點：
■ 采用低功耗的StrongARM處理器作為系統(tǒng)CPU，并且采用無風扇設計，可有效的保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行；
■ 采用微軟開發(fā)的實時操作系統(tǒng)Windows CE.net，并且操作系統(tǒng)固化在一片32M的Flash上，將操作系統(tǒng)與應用程序有效的隔離開來，保證操作系統(tǒng)不死機，以次來提升操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性；
■ wincon8331提供VGA接口。在現(xiàn)場接上普通顯示器就可以進行圖像顯示。同時設備還提供標準的USB接口和PS/2鍵盤鼠標接口，可支持鍵盤鼠標操作和USB存儲設備。以此來滿足系統(tǒng)對本地操作的需要；
Wincon8331提供一片128M的CF卡作為存儲器，可存儲復雜的程序，并可以以文件的形式存儲大量的數(shù)據(jù)，在本系統(tǒng)中至少可以存儲2年左右的現(xiàn)場數(shù)據(jù)和操作日志；
■ 支持多線程，在CPU運算能力許可下，可以同時處理多個系統(tǒng)任務。
除了硬件配置能充分滿足系統(tǒng)的要求外，wincon8331的開發(fā)過程也讓本項目系統(tǒng)開發(fā)的技術人員驚喜不已。這些技術人員之前對自動化系統(tǒng)接觸不多，而專長于內(nèi)部的辦公、業(yè)務等信息系統(tǒng)的構造與開發(fā)。從開發(fā)工具上來說，也就是熟悉VC、VB、J-Build等高級語言開發(fā)工具。所以，驚喜的是 wincon8331采用windows風格圖形界面，并且支持EVC和VB.net程序開發(fā)，可以延續(xù)這些技術人員的開發(fā)習慣，并且可以在不添加其他輔助軟件的情況下，采用高級開發(fā)語言實現(xiàn)本地程序的圖形界面?；镜臄?shù)據(jù)處理就可以在本地完成，然后將處理好的數(shù)據(jù)再發(fā)送到監(jiān)測中心，減輕監(jiān)測中心系統(tǒng)的運算壓力。最終，通過比較，采用微軟提供的EVC作為本地程序的開發(fā)工具。
現(xiàn)場GPRS模塊選擇
GPRS通信模塊保證現(xiàn)場通信的穩(wěn)定性和可靠性，該項目選擇臺灣赫立訊的GPRS模塊作為現(xiàn)場的通信終端設備。該模塊具有如下特點：
■ 可靠性強：該模塊設計科學，制造工藝精湛，性能穩(wěn)定、可靠，經(jīng)受過廣大用戶不同應用環(huán)境的考驗，獲得一致好評。并且通過國際FCC和CE認證；
■ 系統(tǒng)不當機：內(nèi)建Watchdog模塊，保證系統(tǒng)不當機。并且具備斷線重撥功能：系統(tǒng)自動檢測通信狀態(tài)，當發(fā)生網(wǎng)絡情況不好，發(fā)生掉線狀況時自動重新?lián)芴?，在最短的時間內(nèi)恢復通信；
■ 功耗低：該模塊工作功耗是0.27W－0.5W，可大大節(jié)約電能的利用；
■ 體積小，便于安裝：減少對機柜寶貴空間的需要；
■ 環(huán)境適應能力強：可適應各種復雜環(huán)境的應用；
■ 具備自動休眠功能，并提供多種喚醒功能：事件驅動、定時喚醒、呼叫喚醒、中心端喚醒；
■ 提供遠程參數(shù)修改功能；
■ 提供強大的管理軟件，用戶幾乎不用編程即可使用。
現(xiàn)場傳感器選擇
圖2：OTT 數(shù)字雷達液位傳感器
圖3：05103v 型測風裝置
傳感器關系到監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性和可靠性，并且傳感器屬于易損設備。在本項目中，考慮現(xiàn)場的的復雜情況，必須選用可靠、穩(wěn)定、易維護的傳感器。本項因此，采用進口傳感器作為數(shù)據(jù)采集終端。
水位傳感器：本系統(tǒng)選用德國OTT數(shù)字雷達液位傳感器KALESTO，其主要技術指標如下：
■ 測量原理：采用連續(xù)調(diào)頻波；FM: 24.125 GHz;
■ 波段：24，125GHZ。
■ 輻射角：5°C；
■ 供電：10.5～15 VDC；
■ 量程：0～30米；
■ 精度：1cm;
■ 分辨率：1mm;
■ 數(shù)字輸出：RS485/9600bit/s；
■ 內(nèi)充N2，防雷電；
■ 防護等級：IP68；帶繼電保護；
■ 工作溫度：-40～+85°C
分速風向傳感器：本系統(tǒng)選用美國YOUNG公司生產(chǎn)的05103v型測風裝置，其主要技術指標如下：
■ 風速: 0-60 m/s
■ 最大抗風: 100 m/s
■ 風向: 3
■ 分速: ±0.3 m/s （0.6 mph）
■ 風向: ±3 degrees
■ 最小臨界值:＊
■ 風速: 1.0 m/s
■ 風向: 1.1 m/s
■ 供電:8-24 VDC （5 mA @ 12 VDC）
■ 工作溫度:-50 to 50° C
■ 信號輸出:0-1.00 VDC full scale;0-5.00 VDC optional
現(xiàn)場能源供應及防雷
現(xiàn)場具備市電供應條件，因此采用市電供應。而防雷是現(xiàn)場必不可少的防護措施，由專業(yè)公司提供相關設備及施工，本方案不做闡述。
監(jiān)測中心主要軟件服務器
監(jiān)測中心根據(jù)系統(tǒng)需求，在考慮將來系統(tǒng)可拓展性的基礎上，建制了如下三個軟件服務器：
■ 系統(tǒng)應用服務器。該服務器承擔系統(tǒng)應用層面的所有功能。主要包括：數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)分析、報表、WEB發(fā)布、數(shù)據(jù)上報、系統(tǒng)維護等功能模塊?？紤]到將來系統(tǒng)的拓展，系統(tǒng)功能的拓展，采用VB.NET開發(fā)；
■ SQL-server數(shù)據(jù)庫服務器。主要用于遙測數(shù)據(jù)的存儲；
■ iPush Server通信服務器。該軟件由臺灣艾揚科技開發(fā)，并已在臺灣及國外環(huán)境監(jiān)測、智能交通等項目中得到了廣泛的應用。主要承擔現(xiàn)場設備與監(jiān)測中心的通信、數(shù)據(jù)同步分發(fā)、通信端口設定等功能。
通過該軟件可以使系統(tǒng)具備如下特點：
■ 實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的主動上報。只需設定現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)上報的條件，當上報時間或數(shù)據(jù)變動范圍等條件滿足系統(tǒng)設定要求時，系統(tǒng)對滿足條件的數(shù)據(jù)進行主動上報，將數(shù)據(jù)主動發(fā)送到監(jiān)測中心，減輕監(jiān)測中心工作量。并且，發(fā)送條件可以隨時通過監(jiān)測中心的軟件進行遠程更新；
■ 保證數(shù)據(jù)在GPRS和internet傳遞過程中的安全性。該功能的核心是提供數(shù)據(jù)加密與提供數(shù)據(jù)保證送達功能，克服在GPRS和internet環(huán)境中經(jīng)常發(fā)生的數(shù)據(jù)丟包、數(shù)據(jù)竊取等問題；
■ 科學的規(guī)劃現(xiàn)場設備與監(jiān)測中心的通信通路，處理監(jiān)測數(shù)據(jù)的重要性等級，滿足上百點監(jiān)測設備同時上報數(shù)據(jù)的需要。亦可保證系統(tǒng)同時、同步與現(xiàn)場設備進行通信，進行現(xiàn)場程序更新、系統(tǒng)對時等操作。通過此功能，為將來系統(tǒng)的拓展預留了足夠的空間；
■ 實現(xiàn)監(jiān)測中心與監(jiān)測現(xiàn)場設備間的雙向通信?？朔礼PRS網(wǎng)絡等動態(tài)IP網(wǎng)絡與固定IP間雙向通信困難的問題，使監(jiān)測中心可以方便的了解監(jiān)測現(xiàn)場設備的狀態(tài)，并可隨時向下發(fā)送命令或更新現(xiàn)場設備上的應用程序。
系統(tǒng)工作流程
每個現(xiàn)場監(jiān)測站點需要監(jiān)測影響海潮變化的三個參數(shù)：潮位、風速、風向。系統(tǒng)通過OTT的數(shù)字雷達液位傳感器采集潮位參數(shù)。該傳感器通過RS- 485口與wincon8331主機連接，wincon8331通過EVC編寫的通信程序按照該公司提供的通信協(xié)議讀取該傳感器采集到的潮位值。系統(tǒng)通過 YOUNG公司生產(chǎn)的05103v型測風裝置監(jiān)測現(xiàn)場的風速和風向參數(shù)，由于該裝置提供兩路0-5V的電壓輸出，故通過在wincon8331上插入泓格公司的I-8017H并行模擬量采集模塊采集該裝置輸出的電壓值，再通過YOUNG公司提供的電壓\參數(shù)比對表換算出風速和風向參數(shù)。
Wincon8331通過RS-232口與赫立訊的GPRS模塊連接，通過內(nèi)部的撥號程序撥入internet。由于Wincon8331提供一個10/100M網(wǎng)絡接口，將來在系統(tǒng)拓展的時候，將采用wincon8331的網(wǎng)口與GPRS路由器連接的方式來接入internet，并由GPRS路由器來保證網(wǎng)絡的暢通，讓wincon8331更專注與數(shù)據(jù)采集與運算。
在普通工況下監(jiān)測站點需要wincon8331每5分鐘從前端傳感器采集一次數(shù)據(jù)，并按時間順序存儲在wincon8331的CF卡上。在完成存儲工作后，利用iPush?Server提供的現(xiàn)場API函數(shù)主動將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測中心的iPush?Server，并由該API完成數(shù)據(jù)傳遞過程中的數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)保證送達、數(shù)據(jù)等級設置等工作，以保證數(shù)據(jù)的安全性和完整性。iPush?Server接收到來自現(xiàn)場的數(shù)據(jù)后，主動將數(shù)據(jù)同步發(fā)送到 SQL-server數(shù)據(jù)庫、主應用程序和PDA上，保證所有應用程序得到的數(shù)據(jù)是同步、同樣的數(shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)不同步的現(xiàn)象發(fā)生。
在汛期或者其它要求情況下，wincon8331需要每30秒從前端傳感器采集一次數(shù)據(jù)（OTT的數(shù)字雷達液位傳感器采集一次數(shù)據(jù)需要約30 秒），采集頻率的改變通過監(jiān)測中心遠程更新現(xiàn)場的監(jiān)測程序來完成。并且，這個過程由iPush? Server提供的動態(tài)IP尋址、數(shù)據(jù)同步廣播機制和數(shù)據(jù)保證送達機制來保障，以此來保證數(shù)據(jù)的完整性和雙向的數(shù)據(jù)通信。這樣，所有站點的程序更新和對時可以通過一次操作來完成，并且即使出現(xiàn)網(wǎng)絡條件不好的狀態(tài)，操作人員也不需要進行重復操作，系統(tǒng)會利用保證送達機制自動處理，大大降低操作人員的工作量。
圖4：潮位遠程監(jiān)測系統(tǒng)總體結構
監(jiān)測中心的實時監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)由iPush?Server直接主動提供，并且保證和數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)更新同步，也不需要訪問數(shù)據(jù)庫來得到數(shù)據(jù)。只有進行報表、歷史分析等功能時才需要訪問數(shù)據(jù)庫。通過這樣的訪問機制大大降低了數(shù)據(jù)庫的工作壓力，保證了系統(tǒng)的流暢運行，在將來系統(tǒng)拓展時這個優(yōu)點將更加突出。
監(jiān)測現(xiàn)場的監(jiān)測、通信程序都是采用EVC編寫，該語言支持圖形化界面。這樣當有工作人員需要到現(xiàn)場進行辦公時，只需攜帶便攜式顯示器通過連接 wincon8331的VGA端口就可以了解現(xiàn)場的監(jiān)測狀態(tài)、查詢本地的歷史數(shù)據(jù)，或者通過CF讀卡器讀取wincon8331保存的數(shù)據(jù)。
系統(tǒng)的特點及帶來的效益
數(shù)據(jù)采集、本地數(shù)據(jù)存儲和遠程通信是遠程監(jiān)測系統(tǒng)的核心功能。本系統(tǒng)的本地設備單元、本地通信單元和系統(tǒng)通信單元均采用市場上技術領先的產(chǎn)品，并通過泓格科技的有效整合保證了系統(tǒng)在這些方面的創(chuàng)新和技術領先，讓系統(tǒng)具備了一些獨一無二的特點，比如說本地運算體系、主動性數(shù)據(jù)交換體系、遠程同步程序更新體系等等，這些特點是其它類似系統(tǒng)無法比擬的。
圖5：系統(tǒng)軟件通信結構
特別值得一提的是系統(tǒng)采用分散式運算體系。由wincon8331在現(xiàn)場完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)運算、數(shù)據(jù)存儲、本地顯示、數(shù)據(jù)通信等功能，并采用主動上報的方式與監(jiān)測中心進行通信，大大降低了監(jiān)測中心服務器運算和通信的負擔。讓中心服務器可集中進行數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)報表等復雜工作，降低了監(jiān)測中心對硬件服務器的要求。真正做到了現(xiàn)場、中心各司其責、獨立運做。這樣一方面加快了系統(tǒng)建設的速度、簡化了實施過程，也順應了業(yè)界提倡的分布運算、集中監(jiān)控的潮流。