流量测量网络管理系统的应用及探讨

摘 要：本文介绍仪表组网的多种方式，并分析“流量测量网络管理系统”的特点和解决方案，以及接入网设备的选型。 关键词：城域网、远传仪表、远程抄表、接入网设备 一、系统需求与技术背景 中国是一个水资源相对匮乏的国家，尤其在西北和东北地区：现有水资源和日常生产、生活用水的矛盾更加突出。在这一背景下，水资源——尤其是自来水的合理开发和有效使用就成为一个非常重要的课题。在这一课题中，应首先掌握自来水的生产、使用各环节的原始数据。但是由于现在所使用的仪表的自身局限性和现有管理方法的约束，无法准确获取这些用户的实际用水情况，给进一步加强在用流量仪表的运行管理、提高自来水公司的对外服务质量和现代化管理水平带来了困难。 为了解决这一问题，国外同行业和国内其他行业多采用了仪表组网这一解决方案。自来水公司对在用仪表进行组网监控的主要目的是：对分散在营业区地域内的众多自来水用户的用水情况进行实时监测（包括该用户用水量和管网压力），并将该数据回送至管理中心——得到统计数据，以便掌握各自来水用户的用水量，再结合这些测量点所属管网的地理分布情况，测算出各营业区在不同时间段对供水量的要求和相应的管网负荷，为更有效地利用现有自来水生产能力和规划管网改造提供原始数据。 在技术上，随着传感器行业和计算机测控领域的高速发展，如今采用以先进传感器为前端，以计算机技术为核心的高性能价格比的远传型计量仪表业已成熟，只要通过合适的选型，就可以完成网络终端的功能；但采用何种方式进行基干网络的构架仍是一个值得探讨的问题。 二、通信组网方式的选择 在本系统中，基干网络主要提供现场监测点和中心控制室之间的数据传输通道。在网络方案选型时应主要考虑系统的可靠性、工程的可实现性和系统运行的经济性。 我们知道，通常的数据通信组网有两种方式，即无线方式和有线方式。其中： 采用无线方式的系统一次性投入的建设费用（包括基建和设备费用）比较大；而且随着系统覆盖范围的增加，系统的复杂性和建设成本将呈平方级上升，同时可靠性降低。另一方面，无线系统的呼通率高，呼叫响应速度快，实时性好，运行费用不受通信数据量的影响。因此，无线系统适用于地理范围小，同时要求通信密度大的应用场合，如一般规模的厂区内的仪表实时监测。 有线方式又分为专线方式和公用线路方式。其中：专线方式要求在通信的各个端点之间铺设专用的通信线路，当通信线路较长时，其建设费用将升高而可靠性下降，其特点与无线方式相似，一般应用在小规模的场合。而公用线路方式是利用现有的通信线路如普通拨号电话线、窄带ISDN、ADSL等，其特点是不用铺设通信线路，只需交纳一定的租金和使用费，而由专业的通信商业运营公司（中国电信等）提供通信物理线路和日常维护服务。在一定规模内，该方式的运行费用与距离无关，而只与通信的时间和频度有关；一般适合于通信覆盖面较广而通信频度不高的场合。由于是使用公用的通信线路，因此通信的呼通率稍差，实时性较差。 在本应用中，监测点的位置多处于管网节点和用户入口端；这就导致网络中监测点必然地理分布较广、密度不均匀，同时现场条件也比较复杂、差异性较大。这样规模的网络若采用无线方式，从建成成本角度考虑是不经济的。另外，由于监测点分布在高层建筑较多的市区，若采用无线组网方式，需要考虑在天线之间避开高层建筑的遮挡；而且随着城市建设的发展，当在传输路径上出现新的高层建筑时，需要重新调整天线的架设。因此，本应用采用有线传输方式是比较合适的。 对于自来水营业公司来说，所关心的数据是用户和管网的流量、压力等数据，这些数据并没有必要进行实时监测，只要求： 1、 在供水正常、仪表正常的情况下，所关心数据能够及时采集到； 2、 在供水不正常（如管网故障或用户异常用水等）或仪表不正常的情况下，能够及时了解该异常情况。 所以说本应用所涉及的网络是一个城域范围内的流量仪表远程抄表和故障监测网络。由于网络所要求的通信数据量不大，通信密度也不高，因此没有必要架设专用通信线路，也不必选择适合大数据量的宽带网络。 综上所述，本应用选择基于普通拨号电话线路的有线网络通信方案是合适的。 三、通信网接入设备的选择 在确定了网络基本方案后，需要考虑的一个问题是仪表的接入网问题。对于基于普通拨号电话线路的网络通信来说，MODEM（调制解调器）是一种必需设备。但由于标准调制解调器只提供与计算机接口的RS-232C连接，这就要求接入网的仪表都具有该类型的接口。这对于新上的仪表是没有问题的，但大部分在用仪表不具备该接口，因此需要加装数据采集和转换模块。解决该问题可采用专用设备（如一些专业厂家的专用数据采集通信机），也可以采用通用工业现场设备（如PLC）加MODEM的方式。 在网络规模较大的情况下，单点的连接时间将成为网络系统性能的瓶颈。在大多数人的概念中，只要调制解调器速度足够快，就将缩短单点的通信时间，这种观念是对的，但有它的适用范围——在大数据量的通信中，传输速度起了决定性的作用；而在低数据量的通信中，瓶颈是调制解调器的连接时间。 图1列出了几种通信协议下调制解调器的接入网连接时间。 图1：不同通信协议下调制解调器的平均接入网连接时间 在本应用中，一次正常的通信需要传输仪表的状态、示数和部分参量信号，数据量在100~1000bytes之间，其连接和通信的累计时间见下图。 图2：低数据量通信在不同协议下的总耗时比较 可见，针对城域范围内的流量仪表远程抄表和故障监测网络，选用V.22或V.22bis协议的调制解调器比较合适；而市场上的主流V.90协议的调制解调器是最“慢”的。另外，高等级协议（V.32以上）的调制解调器大多部分依赖计算机的CPU完成部分协议处理（随设备附带的驱动程序完成CPU接口），因此对于仪表应用来说经常会出现一些不兼容的情况，以至不能正常工作。而大多数计算机外设的生产厂家已停产V.22或V.22bis协议的调制解调器，所以在有可能的情况下可采用一些专业厂家的专用数据采集通信机。 在沈阳自来水公司铁西营业处的“流量测量网络管理系统”中，选用了新开发的专用数据采集通信机，可在6秒左右完成单测量点的数据通信。传输误码率和附加呼损都比较低，能够较好地完成仪表接入网的要求。 四、实际应用系统范例 沈阳市铁西区由于地域范围广、大型工业企业密集，给自来水公司的工作和管理带来了一定的难度。为了解决这一问题，沈阳自来水铁西营业处已对沈阳热电厂、化工厂等大的用水户供水情况进行实时监测，并将数据传送至管理中心，以便掌握各用水大户的用水量及各时间段的流量变化曲线。 在采集到的实时数据的基础上可进一步获得统计数据，形成相应的日用量、月用量报表及用水量预测分析综合报表；对于用水量突增突减率较高的用水大户进行分析、查明用水量增减的原因，避免供需纠纷；并采取相应的科学计量检测手段，以此来降低产销差率。 大用户供水监控系统还对监测对象的仪表运行状态进行监测，当发生停电、管网、仪表故障等不正常情况时，能及时向管理中心报警；并在电子地图显示出准确的地理位置。管理中心可据此做出相应的处理，并及时与用户取得联系，会同用户单位的计量部门进行技术认定；该告警记录可作为追征水量的科学依据。此项功能的应用同时防止了用户窃水行为，减少了大用户因仪表异常引起的水费征收争议，在大用户水费征收工作中得到了供需双方的认同。 沈阳自来水铁西营业处“流量测量网络管理系统”的实施，实现大用户水表的智能化管理，为远程抄表收费系统的实施提供了理论模型和实践经验。 该项目在2003年被评为沈阳市科技进步二等奖。2003年荣获沈阳市自来水公司科技进步一等奖、该成果2004年继续升级为；GPRS无线与有线流量测量网络管理系统有机相结合，并通过国际互连网上查表、监测仪表运行情况，同时进行远程维护；水量预测分析及各种数据变化曲线分析。在2004年被评为辽宁省科技进步三等奖。并取得了良好的经济效益和社会效益 对于今后的技术发展，将进入互联网高速成长的时期，而仪表也将直接接入企业内部的局域网或更大规模的广域网；从当前来看，基于TCP/IP的网络接入需要复杂的软硬件支持，一般由PC平台提供该功能，而独立的、嵌入式的、成本可承受的解决方案已经成熟。希望国内企业在该方面做出更大的努力，为“流量测量网络管理系统”更加完善，将国内仪表的自动化管理快速发展做出贡献。