灌区信息化中数据网络的建设（刘树波）

一 灌区数据网络的特点

1)网络结构简单清晰，一般采用星型结构；

2)网络内通讯组网方式较复杂，除了有双绞线外，常见的还有如光纤、短波、超短波、微波、GSM、卫星、扩频通讯等，通常采用有线和无线混合组网模式；

3)数据实时性要求高但数据流量较小(多媒体应用除外)，测控现场的水(雨)情、工情、险情等都是实时数据，但每种数据的数据量都不大，有的只需几百bps，有的甚至更低；

4)网内用户数少，网络不用建得很庞大。

二 数据网络建设内容

1) 用于数据存储、转发、浏览和决策、控制为主的计算机局域网络(LAN)，一般以管理局为主节点，设中心站和分中心站；

2) 根据现场和实际需求建设通讯网络；

3) 建设数据采集前端和控制前端。

三 数据网络的一般结构

一般在管理局设立中心站，下设若干分中心站，分中心站下属采集和控制站点。现在比较流行的做法是将中心站和分中心站组成一个统一的计算机局域网络，由于分中心站到中心站距离较远，超五类双绞线无法实现互连，可以采用光纤或扩频通讯。

计算机网络系统是实现大量信息实时迅速传输、处理、查询、共享及控制命令、防洪调度、防汛抢险指令及时下达的技术保障和物质基础。一般计算机局域网宜采用客户机/服务机或B/S(浏览器/服务器)网络类型，拓朴结构采用星型结构，组网技术采用快速以太网或千兆以太网技术，网络协议为TCP/IP协议，传输设备采用双绞线、光纤或无线网桥(扩频通讯设备)，传送信号采用交换机或集线器，网络操作系统采用Unix、Windows 2000或Linux，可以支持多种业务的开展，从数据传输的速度和网络容量上来讲都可以满足信息化当前和未来发展的需求，也可以为以后网络的升级打下基础且具有良好的可扩展性。

计算机网络的拓朴结构可以分为环形网、星形网、总线型网等。为什么要选用星型网络呢?

(1)环形网由一些中继器和连接中继器的点到点链路组成一个闭合的环，每个中继器都与两条链路相连。中继器是一种比较简单的设备，它能够接收一条链路上的数据，并以同样的速度串行地把该数据送到另一条链路上，而不在中继器中缓冲。这种链路是单向的，也就是说，只能在一个方向上传输数据，而且所有的链路都同一个方向传输，这样，数据就在一个方向上围绕着环进行循环。适于光纤，一个节点故障引起全网故障，诊断故障困难。

(2)星型拓扑是由中央节点和通过点到点链路接到中央节点的各点组成。中央节点执行集中式通讯控制策略，因此中央节点较复杂，而各个站的通讯处理负担较小。星形型结构可以方便地对网络升级和从新配置，故障容易定位，维护工作量小。

(3)总线拓扑结构采用单根传输线作为传输介质，所有的站点都通过相应的硬件接口直接连接到总线上，任何一个站的发送信号都可以沿着介质传播，而且能被所有其他的站接收。总线型结构简单，但故障诊断隔离困难。

比较三种网络结构和灌区实际情况，灌区管理局一般缺乏专门的计算机方面的技术人员，组网时易于选用易维护的星型结构。

网络操作系统（NOS-network operation system）是指能使网络上各计算机方便而有效的共享网络资源，为用户提供所需的各种服务的操作系统软件。

网络操作系统除了具备单机操作系统所需的功能外，如内存管理、CPU管理、输入输出管理、文件管理等，还应有下列功能：

（1） 提供高效可靠的网络通讯能力；

（2） 提供多项网络服务功能如远程管理、文件传输、电子邮件、远程打印等。

现在比较流行的网络操作系统有Unix、Windows 2000 Server、Linux， Unix和 Linux稳定性较好，但操作比较复杂，使用命令行形式，人机界面不好， Windows 2000 Server是Windows的传统风格，非专业人员也能很快掌握使用方法，易于管理。选用Windows 2000 Server作为网络操作系统的较多。

通信系统主要为水(雨)情、工情、险情、灾情等信息上传、为控制、防洪调度抢险救灾指挥命令的下达提供通信保障，为防汛指挥部门和工程管理单位提供联络手段，并为计算机网络系统提供信道以及召开电话会议、汛情会商、图文传真等提供通信服务。通信系统一般采用有线和无线相结合的混合组网方式，根据现场的实际情况选用合适的方式， 对于有线组网，各局域网之间的组网信道可选用光纤、ISDN、PSTN、XDSL等， 对于无线组网，利用无线网桥连接各局域网或利用短波、超短波、微波、卫星、GSM等。

现场站通过各种传感器和控制设备主要完成水情、雨情、气象、工情、灾情等各类防汛信息的采集和报送以及接收控制命令，执行相应动作，例如闸门的升降停等。

四 通讯网络建设以及设备选取

1 光纤通讯

光纤中传播的模式就是光纤中存在的电磁场场形，或者说是光场场形(HE)。各种场形都是光波导中经过多次的反射和干涉的结果。各种模式是不连续的离散的。由于驻波才能在光纤中稳定的存在，它的存在反映在光纤横截面上就是各种形状的光场，即各种光斑。若是一个光斑，我们称这种光纤为单模光纤，若为两个以上光斑，我们称之为多模光纤。

◆ 单模光纤(Single-Mode)

单模光纤只传输主模，也就是说光线只沿光纤的内芯进行传输。由于完全避免了模式色散，使得单模光纤的传输频带很宽，因而适用于大容量，长距离的光纤通讯。单模光纤使用的光波长为1310nm或1550nm。 如图1单模光纤光线轨迹图(略)。

◆ 多模光纤(Multi-Mode)

在一定的工作波长下(850nm/1300nm)，有多个模式在光纤中传输，这种光纤称之为多模光纤。由于色散或像差，因此，这种光纤的传输性能较差，频带较窄，传输容量也比较小，距离比较短。

光纤通讯有通信能力大、传输频带宽可以达到几个Gbps、传输衰耗小、抗干扰性强等优点，是实用通讯介质里最理想的一种。单模光纤在不加中继的情况下可以传输上百公里，多模光纤可达几百米。近几年光纤的价格越来越便宜，现在4芯单模光纤每公里的价格在5万元左右。如果两个站点相距10公里左右可以考虑光纤传输。但光纤的接入设备价格较高，例如带光模块的交换机一般价格昂贵，实际组网时可以用另一种接入方式，就是在光缆的两端加一对光电转换器，这样做会使系统的性能降低，但价格便宜。

2 PSTN组网

PSTN（普通电话接入）带宽低几十Kbps，可靠性低，通常用做备份链路，由于PSTN是模拟通讯方式，应用于数据传输时需要在两端加MODEM(调制解调器)，传输数据时先拨号建立双方电路连接后才能交换数据。

3 ISDN组网

综合业务数字网（ISDN）是以电话综合数字网为基础发展起来的通信网，电信局称之为“一线通”，ISDN能提供用户端到用户端的数字连接，用来承载包括语音和非话音在内的多种业务，如数字电话、四类传真、可视图文、视频业务、智能用户电报、远程控制等。ISDN利用一对用户线（一个用户号码）就能提供电话、传真、可视图文及数据通信等多种业务，可连接8台终端，有3台终端可同时工作。如在一对电话线上，计算机拨号上因特网的同时，电话仍可正常使用。

两点通讯时同样需要MODEM。

4 DDN专线

数字数据网(DDN)是数字专线，传输质量高，时延小，通信速率可根据需要在2。4KBPS--2MBPS之间选择；路由可以自动迂回，可靠性及可用率高。一线可以多用，既可以通话、传真、传送数据，还可以组建会议电视系统，或组建自己的虚拟专网（VPN），设立网管中心，自己管理自己的网络。但DDN专线的月租费较高。

5 ADSL组网

非对称数字用户线(ADSL)是一种通过现有普通电话线为家庭、办公室提供宽带数据传输服务的技术。它能够在现有的铜双绞线，即普通电话线上提供高达8Mbit/s的高速下行速率，{由于ADSL对距离和线路情况十分敏感，随着距离的增加和线路的恶化，速率会受到影响}远高于ISDN速率；而上行速率有1Mbit/s，传输距离达3km----5km。ADSL技术的主要特点是可以充分利用现有的铜缆网络（电话线网络），在线路两端加装ADSL设备即可为用户提供高宽带服务。ADSL的另外一个优点在于它可以与普通电话共存于一条电话线上，在一条普通电话线上接听、拨打电话的同时进行ADSL传输而又互不影响。ADSL也需要付一定的月租费。

6 无线扩频组网

无线局部网络(Wireless LAN)是一种灵巧的数据传输系统，它是从有线局部网络(wired LAN)自然延伸出来的一种新技术，使用无线电射频(RF)技术来越空收发数据，减少使用电线连接，安装无线网络快捷容易，无线网络可以安装在无法布线的场合，远距离传输中，相对光纤来讲无线网络并不需要很大的投资，在没有高大建筑和山体阻挡时有效距离可以达到45Km。有线局域网络的环境大多采用以太网络标准802。3，无线网络现采用802。11b标准，无线网络是有线以太网的补充及拓展，无线网络为无法布线的场合提供信息技术。

扩频通信组建无线网络的在提高信号接收质量，抗干扰，保密性，增加系统容量方面都有突出的优点。

无线网络应用于2。4GHz和5。8GHz两个民用信道， 无需频道申请，采用直接序列扩频技术， 自动速率选择(11M， 5。5M， 2M， 1M)， 在IEEE802。11 WLAN和IEEE802。3 Ethernet间透明桥接， 支持加密功能，10/100 Base-T(RJ-45)接口。

扩频通讯的一个缺点就是受地形限制，要在“视距”的范围内，所谓视距就是只能靠直线方式传输，在通讯的两点之间没有高大建筑物和高山阻挡，如果有阻挡需要加中继。

7 超短波通讯

超短波通信是利用30MHz一300MHz的超短波频段电磁波进行的无线电通信，也叫甚高频通信。超短波通信的主要特点是，由于地面吸收较大和电离层不能反射，只能靠直线方式传输，称为视距通信，传输距离约50km，远距离传输时需经中继站分段传输、称为接力通信，超短波通信的工作频带较宽，可以传送30路以下的话路或数据信号。实践中发现，超短波仍具有相当强的绕射能力，从而也可进行“超视距”通信。同时也适于利用对流层中大气湍流气团的散射作用进行长距离（数百公里）的“超视距”通信。超短波的绕射和可在城市建筑物间的反射性能，适合在高天线条件下用于城市的广播和移动通信业务。

灌区超短波通讯通常应用于数据采集和控制现场与分中心的通讯，数据交换速率较低，一般几Kbps到上百Kbps。架设和安装都比较简单，成本较低。

超短波通信组网时通常用点对多点的方式，分中心一点对现场多点，在分中心用全向天线，现场采用定向天线，全向天线向周围辐射的功率是相同的，定向天线向某一特定方向辐射的功率最大。

超短波通信时要根据现场情况和通讯距离选择合适的电台，电台的功率不同，通讯的距离不同，功率越大通讯的距离越远，选择电台时也不是功率越大越好，短距离通讯时选择功率小的电台，长距离通讯时选择功率大的电台。

超短波通信通讯设备和连接。

8 GSM通讯

泛欧数字蜂窝系统(GSM)是由欧洲主要电信运营者和制造厂家组成的标准化委员会设计出来的，它是在蜂窝系统的基础上发展而成。系统构造较复杂，我们应用的频段在此890MHZ—915MHZ。数字话音的传输低到本世纪末6Kbps或更低。灌区一般应用它的短信功能，在那些无法建设通讯网络而公用移动网络可以覆盖到的测站可以应用这种短信方式，这种方式一般不受距离限制。

9 现场传感器与RTU或与上位PC的通讯连接方式

1) RS-232通讯

这一标准适用于个人计算机与外围设备的接口。为了进行通讯，通讯伙伴之间要连接若干条互连线，并且约定如何交换数据。最简单的情况是由3 条连线组成，即发送线（Tx），接收线（Rx）和地线（GND）。RS232 的设计仅适用相距不远(15米内)的两台机器之间的通讯，而且，这一台机器的Tx 线应连接到另一台机器的Rx 线，反之，这一台机器的Rx 线应连接到另一台机器的Tx 线。典型的电压等级是+/-12V。

2) RS-485通讯

这一标准的应用范围要大的多。它是为多台机器之间进行通讯而设计的，有着很高的抗噪声能力，而且允许工作在超长距离的场合（可达1200m）。RS485 采用差动电压，通讯设备之间通讯时设备是对A+和 B-两根信号线的差值进行采样， 差值在0 与5V 之间切换。RS-485总线标准规定每个设备都有一个地址，一根总线上可以带多个设备，而RS-232只能实现点对点通讯。灌区中底层设备之间通讯多用这种连接方式。

3)RS-232或RS-485到光纤转换连接

如果232或485数据需要远距离传输或为了提高信号的抗干扰能力，可以考虑先把232或485数据先进行电光转换，用光纤传输给对方后再进行光电转换，这种做法并不复杂而且可以大大提高信号的抗干扰能力，延长信号的传输距离。需要在通讯的两端加装转换器。

五 多媒体网络

多媒体技术在灌区信息化中也有着广泛的应用，如闸室和重要枢纽的视频监控，视频会议，IP电话等。我们通常所说的多媒体是主要指视频和音频。现代技术领域的多媒体技术和传统模拟领域的工业电视方式处理的多媒体技术已有所不同，传统方式是用模拟的方式处理多媒体信息，它的弱点是不能远传，回放不方便，有很大的局限性，而现代多媒体技术是计算机技术和通讯技术相结合，在数字领域对视音频加以处理，利用计算机网络进行多媒体数据传输，可以在网络内的任何一台PC上解码回放。

监控和视频会议中的多媒体数据具有数据量大实时性强的特点，所以需要的网络带宽较宽，图像的质量和网络带宽关系密切，根据网络的具体情况选用不同的媒体处理标准，才能得到满意的结果。

多媒体数据是如何处理的呢?

首先对模拟域的媒体信息进行数字化， 数字化以后得到的媒体数据量非常大，不对它进行处理，即没办法传输也没办法存储，所以要进行压缩处理，在国际上视频和音频都有各自的压缩标准，对应视频有H。261，H。263，MPEG-1，MPEG-2和MPEG-4等，对应音频有G。711，G。722，G。728等，对于不同的压缩标准适应不同的应用场合，例如视频中H。261，H。263，MPEG-4适用于视频会议和监控等，MPEG-1适用于VCD等，MPEG-2适用于DVD等。

压缩后的视音频流在压缩设备中打包，发送给网络，存储设备和回放设备接收来自网络的视音频包，存储或回放。

多媒体应用的组网有两种方案，一种是为多媒体应用建立一个专用的网络，有的采用光纤加光端机的方案，多媒体处理用专用的编解码器，这种方案可以保证有良好的图象质量，但造价高，有可能有重复建设网络的现象。另一种方案是借用数据传输网络传输多媒体数据，让数据和多媒体数据复用一个网络，这样一来可以大大降低建设费用，只需在网络建设时适当考虑多媒体数据传输的需求，但这种方案也存在一个问题，就是图像的质量可能或多或少受到影响，这种方案造价较低。

六 防雷与接地

灌区信息化设备的通讯、采集和控制部分多安装在旷野中，极易遭受雷电的损害，采取必要的避雷措施很重要。

雷电的引入90%多是从三个途径:1)电源线，2)天线，3)长距离传输信号的信号线。

防治雷电的对策。

1) 设备选型时应考虑设备的可靠性，尽量选择通过国际或国内EMC认证机构认证的产品；

2) 电源线进出端口安装性能可靠的专用防雷器；

3) 天线的馈线前安装性能可靠的专用防雷器，天线旁加装高出天线的避雷针，防雷器和避雷针可靠接在接地网上，接地电阻小于10欧姆；

4)信号电缆外皮必须做好接地(多点重复接地)，最好将传输信号电缆埋地敷设。

5)室内设备的防雷

室内各种金属屏、柜外皮、机壳均应与接地网可靠焊接或用螺栓连接，保证接触良好，接地网形成一个完整的大接地网。对于楼内电子设备，最重要的就是将各个独立的接地网连接成一个共用接地系统，其它如分开、独立、专用等接地方案都是不妥的，在工程中也没有实际意义，应该逐级采取防雷保护措施，首先做好大楼和电源的防雷接地，然后在机房和各设备端口安装相应的避雷器，才能真正防止雷电波的侵入和反击。

6) 建筑物本身及室外设备防雷

建筑物本身的防雷装置是建筑物内电气设备及系统防雷的第一道屏障，建筑物本身的防雷性能直接影响到内部的电气设备的防雷，因此首先必须重视建筑物本体的防雷。现代建筑物防雷主要由顶部避雷带、网状接闪器、建筑物的梁、柱、楼板和四周墙体内的主钢筋作引下线，利用地下钢筋混凝土基础作为接地体。在建筑物设计和施工时就要考虑到作为网状接闪器、引下线和接地体的钢筋网络之间的电气连接，使之成为较理想的""""法拉第笼""""式避雷器。防雷网与建筑物钢筋混凝土相结合，已成为国内外公认的经济可靠的防雷方式，因此在设计、施工时都应预留从各层楼板、梁、柱内钢筋焊出接头，以便与室内外接地线相连。

为了防止直击雷，室外可根据需要，安装一支或多支避雷针，计算其保护范围，以达到保护室外所有设备要求为原则。同时对于室外架构母线和变压器中性点应加装避雷器保护，室外做一接地网，所有设备的接地引下线都与该接地体焊接，以保证等电位。

为了防止雷击产生过电压，各种设备的绝缘水平应能满足电压对该设备的绝缘要求，我们在设备定货和出厂试验时应严格把关，按照规程要求确保设备绝缘耐压水平，以防雷害击穿。这种防雷结构有很多优点：①可避免""""绕击""""；②能起""""法拉第笼""""的屏蔽作用，可大大削弱雷电电磁脉冲的侵入；③因建筑物各层的梁、柱、楼板、墙体的钢筋和金属管线等导电体在电气上已连成一体，做到几乎处处电位相等，从而保证了设备的安全；④""""笼""""式避雷装置的引下线是由为数众多的钢筋组成，大大分散了雷电流，并削弱了建筑物内信息设备所受到的脉冲电磁场冲击幅值；⑤接地体是分布在地下四周的钢筋混凝土基础，可形成均匀分布的均压网，与大地接触面广，接地电阻低且又稳定。

由于通讯电台必须通过信号电缆与通讯塔上天线相连，因此对于通讯电缆外皮必须做好接地(多点重复接地)，并与大楼的接地网连接起来形成等电位，同时加装避雷器。对于通讯电台应加串口保护器如SD25－V24／24，其它电子设备的通讯接口都应加装相应的串口保护器，其实就是各种小防雷器。

接地网的设计:接地槽的开挖深度为1米，将1.2米的角钢打入地下，再用40×5(mm)的扁铁焊接，回填时采用木碳和工业盐，再用土夯实。

接地网形式，采用环型和直型，根据地势决定，接地极间距为5米。

使用材料:接地网用40×5(mm)的扁铁，地极采用50×50×5(mm)的角铁，接地网与地极均用气焊焊接，焊接处涂上防锈漆。