GPRS城市供水調度監控系統應用方案
一、項目背景
城市供水調度監控系統的主要目的是解決自來水公司對供水各環節監測點的數據采集和監控。該系統由監控中心和各個水源監測點組成，各個水源監測點的數據采集終端（RTU或PLC）可監視和采集水位、壓力、流量、濁度、余氯、泵頻等各種數據，供控制中心及有關部門分析和決策取用，提高工作效率，保證供水質量，滿足日益增產的用水量的需求。
城市供水調度需要對各個自來水廠進行管理，包括自來水公司控制中心、水廠分控中心、管網加壓站和水源監控站等。城市供水調度系統一般包括：水司控制中心、多個水廠分控中心、多個水廠監控分站、多個水源井監控站、多個管網加壓站和多個管網測壓站。
城市供水調度監控系統可以對遠程現場的運行設備進行監視和控制，以實現管道壓力、水流量的數據傳送及閥門開關的自動控制，降低了故障率和提高了對系統的反應時間。便于及時迅速的了解及控制遠端管道及閥門，低故障率和檢修的時間，減少停水次數。各水源監測點的數據采集終端可自動采集管道壓力、水流量的實時數據與開關狀態等數據，信息傳輸到自來水公司的監控中心，監控中心通過對傳輸回的數據進行分析，可找到出故障的地點，從而當一個遠端出現故障時，能在最短的時間內解決問題，恢復供水，提高了整體的服務水平，從而實現了城市供水的信息化、現代化。
目前，自來水供水調度監控系統中采用的數據通信可簡單分為有線和無線兩大類，其中有線通信主要包括架設光纜、電纜或租用電信電話線、X.25、DDN、ADSL等，而無線則包括超短波通信、擴頻通信、衛星通信、GSM 短信/GPRS通信等。
在城市供水調度監控系統中，由于各管網監控點分布范圍廣、數量多、距離遠，個別點還地處偏僻，因此架設光纜、鋪設電纜難度大、不切合實際，向電信部門租用專用電話線又要申請很多電話線，而且有些監控點線路難以到達，況且采用電話線路時需要等待漫長的電話撥號過程，速度慢，運營成本較高，總之監控系統采用有線通信方式建設周期長、工作難度大、運行費用高，不便于大規模使用；與之相比，無線通信方式則顯得非常靈活，它具有投資較少、建設周期短、運行維護簡單、性價比高等優點。在監控系統中，無線通信方式主要包括：超短波（230MHz）無線數傳、擴頻、衛星通信、GSM數字蜂窩通信系統等，其中衛星通信由于通信費用昂貴，只在一些特殊的領域下使用，未得以普及；而擴頻通信技術雖然速率高，但只能在視距范圍內傳輸，應用也受到限制。采用超短波數傳電臺作為傳輸信道具有組網靈活、擴展容易、維修方便、運行費用低等優點，但由于系統工作于230MHz且多采用普通間接調制的數傳電臺，這就造成系統易受外界干擾、通信速率低、誤碼率高、數據傳送量不大、信號覆蓋范圍小等缺點。
二、方案選擇
經過比較分析，我們選擇中國移動的GPRS系統作為城市供水調度監控系統的數據通信平臺。目前，GSM網絡經過電信部門的多年建設，覆蓋范圍不斷擴大，已成為成熟、穩定、可靠的通信網絡，特別是中國移動新推出的GPRS數據業務。GSM/GPRS系統可提供廣域的無線IP連接。在移動通信公司的GPRS業務平臺上構建自來水供水調度監控系統，實現管網監控點的無線數據傳輸具有可充分利用現有網絡，縮短建設周期，降低建設成本的優點，而且設備安裝方便、維護簡單。
GPRS無線監控系統具備如下特點：
1、良好的實時響應與處理能力。與短消息服務比較，由于GPRS具有實時在線特性，系統無時延，系統能夠同時實時收取、處理多個/所有監測點的各種數據，無需輪巡就可以同步監測點的時鐘可很好的滿足系統對數據采集和傳輸實時性的要求。
2、遠程儀器設備控制：由于采用GPRS雙向傳輸系統，監控中心可以反向實現對儀器設備的時間校正、狀態報告、開關以及其他監測、控制等功能；
3、建設成本低：可充分利用現有GSM網絡，設備安裝即接通，而采用超短波通信時需要充分考慮現場環境，還需要配備天線鐵架等附屬設備。
4、安裝調試簡單，建設周期短：利用現有成熟GSM網絡，系統投入運行時基本不需要調試，安裝簡捷。采用超短波通信時安裝調試工作量大，要先進行現場信號測試，天線鐵架架設，天線方向角度調試等工作。
1、覆蓋范圍廣。構建供水調度監控系統要求數據通信覆蓋范圍廣，擴容無限制，接入地點無限制，能滿足山區、鄉鎮和跨地區的接入需求。
由于管網監控點數量眾多，分布在全市范圍內，部分管網監控點位于偏僻地區，而且地理位置分散。采用超短波通訊方式，覆蓋范圍只有30多公里；而采用GPRS方式，理論上在無線GSM/GPRS網絡的覆蓋范圍之內，都可以實現監控。
2、數據傳輸速率高。GPRS網絡傳送速率理論上可達171.2kbit/s，實際應用時數據傳輸速率在40Kbps左右，而目前一般的超短波數傳電臺傳送速率多為2.4kbit/s或更低。
3、系統的傳輸容量大。監控中心站要和每一個管網監控點實現實時連接。由于管網監控點數量眾多，系統要求能滿足突發性數據傳輸的需要，而GPRS技術能很好地滿足傳輸突發性數據的需要。
4、通信費用低。由于GPRS采用包月計費的方式，運營維護成本低，月通信費用將在20元之內。 三、解決方案介紹
由于GPRS通信是基于IP地址的數據分組通信網絡，監控中心計算機主機配置固定的IP地址，各個端站的GPRS模塊和該主機進行通信。
（一）系統組成
1、管網監控點：
管網監控點：各監控點通過數據采集模塊采集如壓力、流量等數據，，通過RS232接口與GPRS透明數據傳輸終端相連，通過GPRS透明數據傳輸終端內置嵌入式處理器對數據進行處理、協議封裝后發送到GSM網絡。
2、監控中心：
服務器申請配置固定IP地址，采用省移動通信公司提供的DDN專線，與GPRS網絡相連。由于DDN專線可提供較高的帶寬，當管網監控點數量增加，中心不用擴容即可滿足需求。
監控中心RADIUS服務器接受到GPRS網絡傳來的數據后先進行AAA認證，后傳送到監控中心計算機主機，通過系統軟件對數據進行還原顯示，并進行數據處理。
3、GPRS/GSM移動數據傳輸網絡：
現場監控點采集的數據經GSM網絡空中接口功能模塊同時對數據進行解碼處理，轉換成在公網數據傳送的格式，通過中國移動的GPRS無線數據網絡進行傳輸，最終傳送到監控中心IP地址。
（二）系統方案
各監控點使用GPRS透明數據傳輸終端，通過移動的GPRS網絡與監控中心相連。
各污染源數據采集點使用移動通信公司統一的STK卡，同時監控中心對各點進行登記，保存相關資料以便識別和維護處理。各信息采集點運行監控系統軟件，支持24小時實時在線，實現信息采集點24小時傳送采集的信息數據。
凡自來水公司授權的信息采集點均可以使用本系統：
1、管網監控點必須使用移動統一的STK卡，用戶使用本卡只能用于與監控中心數據通信功能。
2、終端設備使用常州致遠通用控制技術有限公司提供的GPRS移動數據通信終端。
3、用戶登記：符合自來水公司的規定。
（三）產品特性
系統采用CGC系列GPRS無線透明數據傳輸終端。產品基于中國移動的GPRS網絡，具有高性能、高可靠及抗干擾能力強等特點，提供標準232數據口可直接與計算機、RTU、PLC、GPS接收機、數碼相機、數據終端等連接，傳輸速率達171Kbps，具有遠程診斷、測試、監管功能，滿足各行業調度或控制中心與眾多遠端站之間的數據采集和控制。
1、支持900／1800／1900MHz三頻GSM/GPRS。
2、接口： RS232、RS485、TTL。
3、系統理論傳輸速率171Kbps，實際傳輸速率40Kbps。
4、支持Windows95/98/2000/XP/LINUX操作系統。
5、透明數據傳輸：CGC-DTU內嵌TCP/IP協議，為用戶的數據設備提供透明傳輸通道；
6、自動撥號連接：CGC-DTU可配置上電自動撥號上網、連接網絡，同時支持用戶端發起命令連接或遠程喚醒連接；
7、短信息備用數據通道：在GPRS網絡無法連接時可啟用短信作為備用數據傳輸通道；
8、短信息遠程維護功能；
9、實時監測網絡連接情況，掉線自動重撥功能；
10、提供主副IP及動態域名解析；
11、心跳報告時間間隔用戶可設定；
12、數據通信幀長度用戶可設定；
13、支持VPN安全功能。
14、安裝靈活、使用方便、可靠。
（四）安全措施
由于供水調度監控系統的特殊性，本系統需要極高的系統安全保障和穩定性。安全保障主要是防止來自系統內外的有意和無意的破環，網絡安全防護措施包括信道加密、信源加密、登錄防護、訪問防護、接入防護、防火墻等。穩定是指系統能夠7×24小時不間斷運行，即使出現硬件和軟件故障，系統也不能中斷運行。
數據中心可通過公網使用VPN接入到移動GPRS網，采用VPN方式成本比較低，企業不用租用專線，還可以利舊使用原有的VPN設備，移動終端需要安裝具有VPN二次虛擬撥號的功能的軟件。通過VPN方式，客戶端在連接應用服務器前，要經過Ｒａｄｉｕｓ服務器的認證整個數據傳送過程得到了加密保護，安全性比較高，可充分保障速度和網絡服務質量。
另外，數據中心也可以采用APN接入方式，租用專線接入到移動公司的GGSN設備上，這種成本高，安全性高、穩定可靠。
對于安全性要求非常高的系統，可考慮在專用APN接入的基礎上再加上VPN接入方式的混合接入方式，進一步提高系統的安全性。
1、VPN虛擬專網模式：企業內部網絡中配置VPN服務器，移動終端加載具有VPN二次虛擬撥號的功能的客戶端軟件。采用VPN安全技術，用戶通過接入企業內部虛擬專網的方式與Internet進行隔離，可對 整個數據傳送過程進行加密保護，有效避免非法入侵。
2、利用SIM卡的唯一性，對用戶SIM卡手機號碼進行鑒別授權，在網絡側對SIM卡號和APN進行綁定，劃定用戶可接入某系統的范圍,只有屬于指定行業的SIM卡手機號才能訪問專用APN，移動終端與數據中心采用中國移動分配的專門的APN進行無線網絡接入，普通手機的SIM卡號無法呼叫專門的APN。
3、對于特定用戶，可通過數據中心分配特定的用戶ID和密碼， 其他沒有數據中心分配的用戶ID和密碼的用戶將無法登錄進入系統，系統的安全性進一步增強。
4、數據加密：通過VPN對整個數據傳送過程進行加密保護。
5、網絡接入安全鑒定機制：采用防火墻軟件，設置網絡鑒權和安全防范功能，保障系統安全。
四、結論
采用GPRS構建供水調度監控系統系統，目前有包月制和按數據量兩種收費方式，按流量計算0.01元/kbyte，而包月制20元/月有50M流量，可滿足目前監控系統的實際數據量，估計日后其費用會逐步降低。對于用戶來說，由于通信費用較低，享受到了實惠。另外，由于接入設備可以移動，當管網監控點搬遷時設備可隨之遷移并可繼續使用，可以保護用戶原有投資，適合于供水調度監控工作的特點，能很好地滿足供水調監控的需求，而且，做為網絡運營商的移動通信公司也將因此獲得業務穩定的集團用戶，隨著用戶數量的增加，移動通信公司的營收也隨之增加，調動了運營商的積極性，符合網絡建設和網絡應用同步發展的要求。
城市供水調度監控系統的主要目的是解決自來水公司對供水各環節監測點的數據采集和監控。該系統由監控中心和各個水源監測點組成，各個水源監測點的數據采集終端（RTU或PLC）可監視和采集水位、壓力、流量、濁度、余氯、泵頻等各種數據，供控制中心及有關部門分析和決策取用，提高工作效率，保證供水質量，滿足日益增產的用水量的需求。
城市供水調度需要對各個自來水廠進行管理，包括自來水公司控制中心、水廠分控中心、管網加壓站和水源監控站等。城市供水調度系統一般包括：水司控制中心、多個水廠分控中心、多個水廠監控分站、多個水源井監控站、多個管網加壓站和多個管網測壓站。
城市供水調度監控系統可以對遠程現場的運行設備進行監視和控制，以實現管道壓力、水流量的數據傳送及閥門開關的自動控制，降低了故障率和提高了對系統的反應時間。便于及時迅速的了解及控制遠端管道及閥門，低故障率和檢修的時間，減少停水次數。各水源監測點的數據采集終端可自動采集管道壓力、水流量的實時數據與開關狀態等數據，信息傳輸到自來水公司的監控中心，監控中心通過對傳輸回的數據進行分析，可找到出故障的地點，從而當一個遠端出現故障時，能在最短的時間內解決問題，恢復供水，提高了整體的服務水平，從而實現了城市供水的信息化、現代化。
目前，自來水供水調度監控系統中采用的數據通信可簡單分為有線和無線兩大類，其中有線通信主要包括架設光纜、電纜或租用電信電話線、X.25、DDN、ADSL等，而無線則包括超短波通信、擴頻通信、衛星通信、GSM 短信/GPRS通信等。
在城市供水調度監控系統中，由于各管網監控點分布范圍廣、數量多、距離遠，個別點還地處偏僻，因此架設光纜、鋪設電纜難度大、不切合實際，向電信部門租用專用電話線又要申請很多電話線，而且有些監控點線路難以到達，況且采用電話線路時需要等待漫長的電話撥號過程，速度慢，運營成本較高，總之監控系統采用有線通信方式建設周期長、工作難度大、運行費用高，不便于大規模使用；與之相比，無線通信方式則顯得非常靈活，它具有投資較少、建設周期短、運行維護簡單、性價比高等優點。在監控系統中，無線通信方式主要包括：超短波（230MHz）無線數傳、擴頻、衛星通信、GSM數字蜂窩通信系統等，其中衛星通信由于通信費用昂貴，只在一些特殊的領域下使用，未得以普及；而擴頻通信技術雖然速率高，但只能在視距范圍內傳輸，應用也受到限制。采用超短波數傳電臺作為傳輸信道具有組網靈活、擴展容易、維修方便、運行費用低等優點，但由于系統工作于230MHz且多采用普通間接調制的數傳電臺，這就造成系統易受外界干擾、通信速率低、誤碼率高、數據傳送量不大、信號覆蓋范圍小等缺點。
二、方案選擇
經過比較分析，我們選擇中國移動的GPRS系統作為城市供水調度監控系統的數據通信平臺。目前，GSM網絡經過電信部門的多年建設，覆蓋范圍不斷擴大，已成為成熟、穩定、可靠的通信網絡，特別是中國移動新推出的GPRS數據業務。GSM/GPRS系統可提供廣域的無線IP連接。在移動通信公司的GPRS業務平臺上構建自來水供水調度監控系統，實現管網監控點的無線數據傳輸具有可充分利用現有網絡，縮短建設周期，降低建設成本的優點，而且設備安裝方便、維護簡單。
GPRS無線監控系統具備如下特點：
1、良好的實時響應與處理能力。與短消息服務比較，由于GPRS具有實時在線特性，系統無時延，系統能夠同時實時收取、處理多個/所有監測點的各種數據，無需輪巡就可以同步監測點的時鐘可很好的滿足系統對數據采集和傳輸實時性的要求。
2、遠程儀器設備控制：由于采用GPRS雙向傳輸系統，監控中心可以反向實現對儀器設備的時間校正、狀態報告、開關以及其他監測、控制等功能；
3、建設成本低：可充分利用現有GSM網絡，設備安裝即接通，而采用超短波通信時需要充分考慮現場環境，還需要配備天線鐵架等附屬設備。
4、安裝調試簡單，建設周期短：利用現有成熟GSM網絡，系統投入運行時基本不需要調試，安裝簡捷。采用超短波通信時安裝調試工作量大，要先進行現場信號測試，天線鐵架架設，天線方向角度調試等工作。
1、覆蓋范圍廣。構建供水調度監控系統要求數據通信覆蓋范圍廣，擴容無限制，接入地點無限制，能滿足山區、鄉鎮和跨地區的接入需求。
由于管網監控點數量眾多，分布在全市范圍內，部分管網監控點位于偏僻地區，而且地理位置分散。采用超短波通訊方式，覆蓋范圍只有30多公里；而采用GPRS方式，理論上在無線GSM/GPRS網絡的覆蓋范圍之內，都可以實現監控。
2、數據傳輸速率高。GPRS網絡傳送速率理論上可達171.2kbit/s，實際應用時數據傳輸速率在40Kbps左右，而目前一般的超短波數傳電臺傳送速率多為2.4kbit/s或更低。
3、系統的傳輸容量大。監控中心站要和每一個管網監控點實現實時連接。由于管網監控點數量眾多，系統要求能滿足突發性數據傳輸的需要，而GPRS技術能很好地滿足傳輸突發性數據的需要。
4、通信費用低。由于GPRS采用包月計費的方式，運營維護成本低，月通信費用將在20元之內。 三、解決方案介紹
由于GPRS通信是基于IP地址的數據分組通信網絡，監控中心計算機主機配置固定的IP地址，各個端站的GPRS模塊和該主機進行通信。
（一）系統組成
1、管網監控點：
管網監控點：各監控點通過數據采集模塊采集如壓力、流量等數據，，通過RS232接口與GPRS透明數據傳輸終端相連，通過GPRS透明數據傳輸終端內置嵌入式處理器對數據進行處理、協議封裝后發送到GSM網絡。
2、監控中心：
服務器申請配置固定IP地址，采用省移動通信公司提供的DDN專線，與GPRS網絡相連。由于DDN專線可提供較高的帶寬，當管網監控點數量增加，中心不用擴容即可滿足需求。
監控中心RADIUS服務器接受到GPRS網絡傳來的數據后先進行AAA認證，后傳送到監控中心計算機主機，通過系統軟件對數據進行還原顯示，并進行數據處理。
3、GPRS/GSM移動數據傳輸網絡：
現場監控點采集的數據經GSM網絡空中接口功能模塊同時對數據進行解碼處理，轉換成在公網數據傳送的格式，通過中國移動的GPRS無線數據網絡進行傳輸，最終傳送到監控中心IP地址。
（二）系統方案
各監控點使用GPRS透明數據傳輸終端，通過移動的GPRS網絡與監控中心相連。
各污染源數據采集點使用移動通信公司統一的STK卡，同時監控中心對各點進行登記，保存相關資料以便識別和維護處理。各信息采集點運行監控系統軟件，支持24小時實時在線，實現信息采集點24小時傳送采集的信息數據。
凡自來水公司授權的信息采集點均可以使用本系統：
1、管網監控點必須使用移動統一的STK卡，用戶使用本卡只能用于與監控中心數據通信功能。
2、終端設備使用常州致遠通用控制技術有限公司提供的GPRS移動數據通信終端。
3、用戶登記：符合自來水公司的規定。
（三）產品特性
系統采用CGC系列GPRS無線透明數據傳輸終端。產品基于中國移動的GPRS網絡，具有高性能、高可靠及抗干擾能力強等特點，提供標準232數據口可直接與計算機、RTU、PLC、GPS接收機、數碼相機、數據終端等連接，傳輸速率達171Kbps，具有遠程診斷、測試、監管功能，滿足各行業調度或控制中心與眾多遠端站之間的數據采集和控制。
1、支持900／1800／1900MHz三頻GSM/GPRS。
2、接口： RS232、RS485、TTL。
3、系統理論傳輸速率171Kbps，實際傳輸速率40Kbps。
4、支持Windows95/98/2000/XP/LINUX操作系統。
5、透明數據傳輸：CGC-DTU內嵌TCP/IP協議，為用戶的數據設備提供透明傳輸通道；
6、自動撥號連接：CGC-DTU可配置上電自動撥號上網、連接網絡，同時支持用戶端發起命令連接或遠程喚醒連接；
7、短信息備用數據通道：在GPRS網絡無法連接時可啟用短信作為備用數據傳輸通道；
8、短信息遠程維護功能；
9、實時監測網絡連接情況，掉線自動重撥功能；
10、提供主副IP及動態域名解析；
11、心跳報告時間間隔用戶可設定；
12、數據通信幀長度用戶可設定；
13、支持VPN安全功能。
14、安裝靈活、使用方便、可靠。
（四）安全措施
由于供水調度監控系統的特殊性，本系統需要極高的系統安全保障和穩定性。安全保障主要是防止來自系統內外的有意和無意的破環，網絡安全防護措施包括信道加密、信源加密、登錄防護、訪問防護、接入防護、防火墻等。穩定是指系統能夠7×24小時不間斷運行，即使出現硬件和軟件故障，系統也不能中斷運行。
數據中心可通過公網使用VPN接入到移動GPRS網，采用VPN方式成本比較低，企業不用租用專線，還可以利舊使用原有的VPN設備，移動終端需要安裝具有VPN二次虛擬撥號的功能的軟件。通過VPN方式，客戶端在連接應用服務器前，要經過Ｒａｄｉｕｓ服務器的認證整個數據傳送過程得到了加密保護，安全性比較高，可充分保障速度和網絡服務質量。
另外，數據中心也可以采用APN接入方式，租用專線接入到移動公司的GGSN設備上，這種成本高，安全性高、穩定可靠。
對于安全性要求非常高的系統，可考慮在專用APN接入的基礎上再加上VPN接入方式的混合接入方式，進一步提高系統的安全性。
1、VPN虛擬專網模式：企業內部網絡中配置VPN服務器，移動終端加載具有VPN二次虛擬撥號的功能的客戶端軟件。采用VPN安全技術，用戶通過接入企業內部虛擬專網的方式與Internet進行隔離，可對 整個數據傳送過程進行加密保護，有效避免非法入侵。
2、利用SIM卡的唯一性，對用戶SIM卡手機號碼進行鑒別授權，在網絡側對SIM卡號和APN進行綁定，劃定用戶可接入某系統的范圍,只有屬于指定行業的SIM卡手機號才能訪問專用APN，移動終端與數據中心采用中國移動分配的專門的APN進行無線網絡接入，普通手機的SIM卡號無法呼叫專門的APN。
3、對于特定用戶，可通過數據中心分配特定的用戶ID和密碼， 其他沒有數據中心分配的用戶ID和密碼的用戶將無法登錄進入系統，系統的安全性進一步增強。
4、數據加密：通過VPN對整個數據傳送過程進行加密保護。
5、網絡接入安全鑒定機制：采用防火墻軟件，設置網絡鑒權和安全防范功能，保障系統安全。
四、結論
采用GPRS構建供水調度監控系統系統，目前有包月制和按數據量兩種收費方式，按流量計算0.01元/kbyte，而包月制20元/月有50M流量，可滿足目前監控系統的實際數據量，估計日后其費用會逐步降低。對于用戶來說，由于通信費用較低，享受到了實惠。另外，由于接入設備可以移動，當管網監控點搬遷時設備可隨之遷移并可繼續使用，可以保護用戶原有投資，適合于供水調度監控工作的特點，能很好地滿足供水調監控的需求，而且，做為網絡運營商的移動通信公司也將因此獲得業務穩定的集團用戶，隨著用戶數量的增加，移動通信公司的營收也隨之增加，調動了運營商的積極性，符合網絡建設和網絡應用同步發展的要求。
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