GSM技术在我国水情信息传输中的应用设想

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GSM技术在我国水情信息传输中的应用设想

秦建敏1，王宝国2

1：太原理工大学测控技术研究所，太原理工大学北区293#信箱，030024
2：北京军区油料训练大队，
摘要：本文简要介绍了移动通信中GSM短消息技术特点,首次提出在我国水情信息传输领域用这一新技术取代原有的信息传输手段的设想。由于GSM短消息技术具有覆盖面广、标准化程度高、组网灵活、运营成本低、信号传输快捷可靠、安装简便，防雷与抗干扰性能好，在我国水情测报领域具有广阔的应用前景，是我国水情监测设备改型换代较为理想的新型技术。
关键词：GSM; 水情信息; 移动通信; 短消息;

一． 我国水情信息采集与传输概况分析

我国国土面积辽阔，在960万km2的土地上，江河众多，流域面积在1万km2以上的就有79条。根据水文气象资料统计，我国的洪水灾害主要集中在黄河、长江、淮河、海河、松花江、辽河和珠江七大江河的中下游平原地区。这些平原地区的地面高程处于江河洪水位以下，历史上都曾遭受过洪水淹没，总面积约有73.8万km2。在这里居住着我国半数以上的人口，是我国政治、经济和文化的发达地区。特定的地理和气候因数决定了我国洪涝灾害频繁。根据历史资料统计分析，我国平均不到两年就发生一次较大的洪水灾害。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月的长江和松花江的洪水都曾造成举世震惊的灾害，其经济损失都在数千亿元。随着这些洪水威胁地区人口的不断增加和社会经济的快速发展，洪灾范围和经济损失都呈现上升趋势。1996年洪水损失就远高达2200亿元，1998年洪水损失就远高于此数。然而，我国又是一个水资源贫乏的国家，缺水和旱灾又是我国另一个主要的自然灾害。在干旱严重期，北方特别是西北地区，许多农村山区人畜饮水困难，许多中小城市，甚至大城市供水紧张。近几年来，黄河断流现象有逐渐上延的趋势。这些都给国民经济发展及人类生存造成极大的威胁。为了防治洪旱灾害，我国投入了大量的人力、物力和财力，建设了一批又一批的防洪抗旱工程，大大增强了我国抗御洪、旱灾害的能力。与此同时，我国还加强了非工程防洪抗旱措施，建立了各级防洪抗旱指挥机构和覆盖全国的报汛网，还在重点防洪区建立了防汛专用通信网和洪水预报、警报系统，它们在历年防洪抗旱斗争中发挥了重要作用；但是这些措施尚不能满足防洪抗旱指挥决策的需要，亟待加大投入，提高技术水平，增加可靠性和可信度，加大覆盖面积，组建报汛通信网络。
基金项目：山西省自然科学基金资助项目（20021036）

雨量、河道站的水位、流量、水库站的进出库流量、蓄水量、闸坝站的闸上下水位、闸门开度、潮位站的潮水位、风向风力等统称为水情信息。水情信息是防汛抗旱信息中量大、实时性强、有严密报送制度的基础信息，是预报、防汛抗旱决策的重要依据。目前全国共有8600多个报汛站点，其中向国家防办报汛的站点有近3000个。由于报汛站中相当一部分河道站测验设施陈旧、落后，采集精度与自动化程度很低，甚至依靠人员观察.。对于采集到的水情数据，大多数站点是通过有线电话报汛，需要架设专用电话线，传输速度慢，因此，“测不到、报不出”的事件时有发生。按照国家“十五”计划，国家防汛指挥系统应在30分钟内就应将全国水情数据能够加以汇总，目前的实际状况无法达到上述要求。近十多年全国各地水利部门、电力部门、气象及农业部门等组建了很多自我服务的水情信息采集系统，也采用了如水情卫星遥测等先进技术，但它们基本上都是各自独立的运行系统，水情传输手段各异，往往在关键的防汛时期不能发挥出作用。
在上述存在的问题中，水情信息的传输是一个亟待解决的问题。在水情数据采集现场，通过卫星虽然可以快捷、可靠地传输水情信息，但投资高，短时间内难以大面积推广；通过公用电话网络可以大范围改善信息传输方式，但其数据传输速度低、受频带宽度限制，每个设备需要架设专用线路，实现一对一的传递模式，无法满足大数据量实时传输的要求，都不是解决水情数据理想的手段。目前，随着我国移动通讯技术的迅速发展，特别是近几年手机短信息技术（GSM技术）在数据传输、控制领域的大量应用，为解决大范围标准化水情信息传输问题提供了一个可行的途径。

二． GSM技术简介及其特点

2．1 GSM技术简介及其特点
计算机技术、网络通信技术的发展给水文检测技术提供了更加快捷、可靠、方便的数据采集、处理和远程传输的手段。GSM技术即是近几年受到人们普遍关注的新技术之一。
GSM(Global System for Mobile communications)系统是欧洲邮电管理委员会(CEPT)下属的移动通信特别小组，从1992年起开始制定，并在1998年颁布实施的新的数字式蜂窝移动通信标准，也即我们目前所说的第二代移动通讯技术。它是目前基于时分多址技术的移动通讯体制中比较成熟、完善、应用最广泛的一种系统。目前已建成的覆盖全国的GSM数字蜂窝移动通信网，是我国公众通信网的主要方式。
GSM 系统除了具有一般数字系统所有的容量大、业务类型多、设备小型化、成本低、服务质量好、安全性能好等优点外，还有本身的一些特点。其一，该标准允许移动用户进行全球漫游及非严格的小区交接。其二，GSM的协议使得呼叫控制过程类似ISDN(Integrated Services Digital Network)以便与ISDN 兼容，并且又包括了与蜂窝通信有关的特别功能，如本地登记和小区交接。GSM 标准提供的数字化端到端的连接等。这一系统主要提供话音、短信息、数据等多种业务。
2．2 GSM短消息业务概述
短消息服务(SMS)是GSM技术应用的一项重要内容，它具有一些突出特点如：一次可传输140个字节的数据，数据的内容可以是字符或数字；可以在GSM网络内端对端传输，还可以从GSM网络外(如互联网)发送短消息给一个端点站；短消息通过设在移动通信部门的短消息中心(MSC)用GSM系统的信令信道传送，与语音信道不冲突，即使终端处在通话状态下也可进行传送；在短消息传送过程中，不进行呼叫连接建立和释放的过程；MSC具有短消息的存储功能，在终端设备关机时，可以保持消息在一定时间内有效等。利用这些特点，及其双向传输的性能，可方便地实现对于采集站设备的信息采集和远程控制，即实现遥测和遥控。
短消息业务是GSM/DCS1800系统中唯一不需要建立端到端业务通道服务。点对点短消息是以任意形式的字母数字串，通过数字控制信道传送的。空闲时占用独立专用控制信道(SDCCH)，信息速率为782b/s；通话时占用慢速随路控制信道(SACCH)，信道速率为383b/s。为了避免时延过长，以及对这些争抢接入信道负荷过大，每条短消息最大帧长度为140个字节(按ASCII字符7bit编码为160个字符)。因此可以在任何时候发送或接收短消息的传输协议数据单元TPDU(Transport Protocol Data Unit)， 无论话音或数据通信是否正在进行。由于公众GSM网络在全球范围内实现了联网和漫游，建立GSM系统不须再组建专用通信网络，所以具有实时传输数据功能的短消息应用将可以做成传输各种检测、监控数据信号和控制命令的数据通信系统，可以广泛用于包括水文检测在内的远程监控、定位导航、个人通信终端等。

三． GSM短信息传输技术在水文数据检测中的应用设想

目前，我国已基本上建成了可以覆盖全国大多数省区面积的移动通讯网络，特别是在人口众多、经济发达的城市周边地区，移动通讯网络覆盖面积几乎接近100%，手机普及率已超过固定电话，特别是其具有的短信息传输业务具有许多有线电话无法实现的功能。例如：GSM短信息传输是无线数据传送信息，可以不受地域环境限制、传输信息源数量限制，快捷、准时传输数据业务；其价格低廉，按目前移动通信最普及的短信息发送收费标准，每条短信息为0。1元，每条信息最长可达140字节，如果对采集水情数据进行压缩编码处理后，这一容量对于单次报送来讲是完全足够的，且价格还等于或低于通过电话传输方式。采用GSM短信息传输技术不需水文单位再重复投资建设新的传输基础设施与通信平台，信息接口与设备简单，标准化程度高，通讯设备通用性好，易于与计算机、互联网联结，实现传输数据的网络化处理，当与互联网联结后，数据传输距离可以遍及世界，当大面积推广时仅需对设备通讯接口加以改造，投资很小；同时，由于移动通信局对短消息具有存储记忆功能以及发送端与接收端可以随时发送实时信息而不必像电话通信那样占用很长的线路接通等待时间，避免了卫星通信报送时间因信道拥挤而可能出现的数据阻塞现象，使在数据量集中报送的时间内也可以实现大面积、多测报点的同步报汛；由于数据传输采用的是数字传输方式，其抗干扰能力、数据保密处理都是原有电话传输方式无法比拟的。由于GSM短信息传输技术所具有的上述种种优点，我认为将其作为我国水情信息传输的新一代技术手段是最为理想也是最易于大规模改造的技术手段选择。
图1所示是采用GSM短消息传输技术后水情采集与传输系统结构。
水情信息处理中心 水情信息处理中心 ------- 水情信息处理中心
RS232 RS232 RS232
GSM-MODEM GSM-MODEM ------ GSM-MODEM





移动通讯数据中心站





GSM-MODEM GSM-MODEM ------ GSM-MODEM



水情检测仪器 水情检测仪器 ------ 水情检测仪器
图1 GSM短消息传输技术水情采集与传输系统结构
各个测站可采用现有的各种水情检测仪器测得的水情信号并送入数据处理仪，数据处理仪通过标准的RS232通信借口可以和附加的GSM-MODEM（调制解各调器）相接并通过移动通讯数据中心站台发送数据到各水情信息处理中心或任何需要水位数据的地方。水情信息接收单位只要在信息接收终端附加一GSM-MODEM（调制解各调器），安装相应的通信软件即可获得各测站的实时测量数据和历史数据。目前,我们已基于这一新型技术开发出与之配套的水库大坝安全监测与水情预报系统,准备在山西省晋中市所辖4个水库进行安装应用。
在实施这一系统改造时，也将会遇到一些问题。比如：有些测站位于偏远的地理位置，移动通讯网覆盖不到，或信号较弱；一些旧的数据采集设备智能化程度低，需要更新后才具备RS232接口；当通信高峰时期，移动通信也会遇到信息接收时延、滞后问题等等。但是，与其它方案相比，采用GSM短信息传输水情所遇到的困难是最小也是比较容易解决的。比如信息滞后问题，由于短消息可以在移动通信中心储存，使信息传输可靠性大大提高。信号弱，可以外接车载电台天线等提高信号接收效果，或采用电话、GSM混合系统加以解决。随着移动通信网的不断改善，更新改造费用会愈来愈少，服务范围和质量会越来越好，当这一技术被各水情数据采集站采用时，一个网络化的，可以在办小时以内实现全国实时水情报汛的现代化的系统就完全有可能成为现实。

参考文献

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[4] TC35 Cellular Engine Handware Interface Description, Siemens Inc.,2001

作者简介:秦建敏 ，1951年5月出生，教授，1977年毕业于太原工学院电子系半导体器件专业留校任教,

1985年毕业于重庆大学电机系理论电工助教进修班; 太原理工大学测控技术研究所副所长,教授;

1989、1997、2002年曾三次公派赴德国Erlangen大学电机工程系、Hannover大学系统工程研究所进修学习。联系地址: 太原市迎泽西大街79号太原理工大学北区293#信箱测控所，邮编：030024

TEL：0351-6018249/6014801 Email:qinjm@public.ty.sx.cn