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。北起漢沽區澗河口，南至大港區滄浪渠入?？?，全長139.62 公里，其中漢沽區30.614公里、塘沽區80.749公里、大港區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，但是對天津經濟發展具有影響的塘沽區大部分、大港區政府、天津港務局、大港油田、渤海石油、天津經濟開發區、天津港保稅區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。隨著沿海經濟的飛速發展，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，統一規劃、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生后，政府對海潮的破壞有了新的認識，體會到監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、科學的海潮監測積累經驗、摸索方向，為將來的大規模監測打下良好的基礎、做好技術的選型和準備。
系統建設內容
天津市沿海潮位實時監測系統包括三個部分的建設：雷達潮位數字測報、風力風向測報、實時潮位監測發布系統軟件開發。先期潮位遙測系統建設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。后續再陸續添加建設監測站點。
系統建設原則
■ 實用性：實用性將作為系統建設的基本出發點。系統的設計以方便、簡捷、高效為目標，既充分體現實時預報與統計，友好的用戶界面，業務人員可以熟練操作；
■ 可靠性：作為防潮預報系統，必須能高可靠的連續運行，本系統本著經濟實用，高性價比的原則設計，從系統硬件、系統結構、設計方案、技術保障等方面綜合考慮，使得系統能保證穩定可靠；
■ 靈活性：系統使用靈活，可以方便的察看預報信息，歷史信息，及統計信息，同時可以實時報警功能；
■ 擴展性：考慮到業務不斷發展與變化，要求系統在結構、容量和處理能力等方面具有強大的擴充能力，本系統設計中充分考慮到其擴充能力，其軟、硬件均采用工業化標準設計，并預留軟、硬件接口，保證了系統擴展能力。
系統基本功能需求
根據潮位監測的專業特點和現場的客觀條件，天津市水務部門對遠程潮位監測系統提出了如下基本要求：
■ 數據必須能夠本地保存，而且必須能夠保存至少一年的數據。現場作為中心數據的有力補充，在需要的時候可以由控制中心發命令取得，或者安排人員到現場取得，同時方便監測人員的現場辦公；
■ 現場與監測中心采用GPRS通信，領導及相關管理人員配備的PDA也能通過GPRS網絡同步接收實時監測數據，方便在特殊時期的及時響應，同時也減少中心數據庫的查詢壓力；
■ 系統具備遠程更新程序的能力。管理中心可通過GPRS網絡遠程更新現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場監測的需要；
■ 現場支持本地圖形界面，滿足現場辦公要求?，F場設備提供方便的圖像輸出端口，在發生災情或其它緊急時刻，管理人員可在現場通過顯示設備，最好是顯示器了解現場監測情況；
■ 無人職守，設備必須可靠、體積小巧?？紤]到防風的需要現場監測點體積必須小巧、可靠，同時現場設備也必須穩定可靠，關鍵是計量節省監測站有限的空間；
■ 系統拓展性好，將來新建站點只需要通過簡單設定就可以納入原有的監測體系；
■ 系統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建制成本，并簡化系統的后期維護。同時，也以此來增強維護人員對系統的掌控力，方便將來的系統擴容。
系統組件及配置方案
現場設備選擇
現場控制設備是整個系統最關鍵的部分，它是現場程序運行的基本平臺，還必須擔負現場數據存儲、現場通信等關鍵任務，其穩定性和可靠性直接影響整個系統的穩定和可靠?？梢哉f現場控制設備的選擇關系到整個系統的成敗，是整個系統的基石。
經過慎重的考慮和選型，系統最終選用臺灣泓格科技的PAC產品Wincon8331智能型控制器作為現場控制器。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CPU，并且采用無風扇設計，可有效的保證系統的穩定運行；
■ 采用微軟開發的實時操作系統Windows CE.net，并且操作系統固化在一片32M的Flash上，將操作系統與應用程序有效的隔離開來，保證操作系統不死機，以次來提升操作系統的穩定性和可靠性；
■ wincon8331提供VGA接口。在現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據，在本系統中至少可以存儲2年左右的現場數據和操作日志；
■ 支持多線程，在CPU運算能力許可下，可以同時處理多個系統任務。
除了硬件配置能充分滿足系統的要求外，wincon8331的開發過程也讓本項目系統開發的技術人員驚喜不已。這些技術人員之前對自動化系統接觸不多，而專長于內部的辦公、業務等信息系統的構造與開發。從開發工具上來說，也就是熟悉VC、VB、J-Build等高級語言開發工具。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，可以延續這些技術人員的開發習慣，并且可以在不添加其他輔助軟件的情況下，采用高級開發語言實現本地程序的圖形界面?；镜臄祿幚砭涂梢栽诒镜赝瓿?，然后將處理好的數據再發送到監測中心，減輕監測中心系統的運算壓力。最終，通過比較，采用微軟提供的EVC作為本地程序的開發工具。
現場GPRS模塊選擇
GPRS通信模塊保證現場通信的穩定性和可靠性，該項目選擇臺灣赫立訊的GPRS模塊作為現場的通信終端設備。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，性能穩定、可靠，經受過廣大用戶不同應用環境的考驗，獲得一致好評。并且通過國際FCC和CE認證；
■ 系統不當機：內建Watchdog模塊，保證系統不當機。并且具備斷線重撥功能：系統自動檢測通信狀態，當發生網絡情況不好，發生掉線狀況時自動重新撥號，在最短的時間內恢復通信；
■ 功耗低：該模塊工作功耗是0.27W－0.5W，可大大節約電能的利用；
■ 體積小，便于安裝：減少對機柜寶貴空間的需要；
■ 環境適應能力強：可適應各種復雜環境的應用；
■ 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。
現場傳感器選擇
圖2：OTT 數字雷達液位傳感器
圖3：05103v 型測風裝置
傳感器關系到監測數據的準確性和可靠性，并且傳感器屬于易損設備。在本項目中，考慮現場的的復雜情況，必須選用可靠、穩定、易維護的傳感器。本項因此，采用進口傳感器作為數據采集終端。
水位傳感器：本系統選用德國OTT數字雷達液位傳感器KALESTO，其主要技術指標如下：
■ 測量原理：采用連續調頻波；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;
■ 數字輸出：RS485/9600bit/s；
■ 內充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：本系統選用美國YOUNG公司生產的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
現場能源供應及防雷
現場具備市電供應條件，因此采用市電供應。而防雷是現場必不可少的防護措施，由專業公司提供相關設備及施工，本方案不做闡述。
監測中心主要軟件服務器
監測中心根據系統需求，在考慮將來系統可拓展性的基礎上，建制了如下三個軟件服務器：
■ 系統應用服務器。該服務器承擔系統應用層面的所有功能。主要包括：數據展示、數據分析、報表、WEB發布、數據上報、系統維護等功能模塊。考慮到將來系統的拓展，系統功能的拓展，采用VB.NET開發；
■ SQL-server數據庫服務器。主要用于遙測數據的存儲；
■ iPush Server通信服務器。該軟件由臺灣艾揚科技開發，并已在臺灣及國外環境監測、智能交通等項目中得到了廣泛的應用。主要承擔現場設備與監測中心的通信、數據同步分發、通信端口設定等功能。
通過該軟件可以使系統具備如下特點：
■ 實現現場監測數據的主動上報。只需設定現場監測數據上報的條件，當上報時間或數據變動范圍等條件滿足系統設定要求時，系統對滿足條件的數據進行主動上報，將數據主動發送到監測中心，減輕監測中心工作量。并且，發送條件可以隨時通過監測中心的軟件進行遠程更新；
■ 保證數據在GPRS和internet傳遞過程中的安全性。該功能的核心是提供數據加密與提供數據保證送達功能，克服在GPRS和internet環境中經常發生的數據丟包、數據竊取等問題；
■ 科學的規劃現場設備與監測中心的通信通路，處理監測數據的重要性等級，滿足上百點監測設備同時上報數據的需要。亦可保證系統同時、同步與現場設備進行通信，進行現場程序更新、系統對時等操作。通過此功能，為將來系統的拓展預留了足夠的空間；
■ 實現監測中心與監測現場設備間的雙向通信?？朔礼PRS網絡等動態IP網絡與固定IP間雙向通信困難的問題，使監測中心可以方便的了解監測現場設備的狀態，并可隨時向下發送命令或更新現場設備上的應用程序。
系統工作流程
每個現場監測站點需要監測影響海潮變化的三個參數：潮位、風速、風向。系統通過OTT的數字雷達液位傳感器采集潮位參數。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議讀取該傳感器采集到的潮位值。系統通過 YOUNG公司生產的05103v型測風裝置監測現場的風速和風向參數，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\參數比對表換算出風速和風向參數。
Wincon8331通過RS-232口與赫立訊的GPRS模塊連接，通過內部的撥號程序撥入internet。由于Wincon8331提供一個10/100M網絡接口，將來在系統拓展的時候，將采用wincon8331的網口與GPRS路由器連接的方式來接入internet，并由GPRS路由器來保證網絡的暢通，讓wincon8331更專注與數據采集與運算。
在普通工況下監測站點需要wincon8331每5分鐘從前端傳感器采集一次數據，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提供的現場API函數主動將數據發送到監測中心的iPush?Server，并由該API完成數據傳遞過程中的數據加密、數據保證送達、數據等級設置等工作，以保證數據的安全性和完整性。iPush?Server接收到來自現場的數據后，主動將數據同步發送到 SQL-server數據庫、主應用程序和PDA上，保證所有應用程序得到的數據是同步、同樣的數據，避免數據不同步的現象發生。
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據（OTT的數字雷達液位傳感器采集一次數據需要約30 秒），采集頻率的改變通過監測中心遠程更新現場的監測程序來完成。并且，這個過程由iPush? Server提供的動態IP尋址、數據同步廣播機制和數據保證送達機制來保障，以此來保證數據的完整性和雙向的數據通信。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，并且即使出現網絡條件不好的狀態，操作人員也不需要進行重復操作，系統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：潮位遠程監測系統總體結構
監測中心的實時監測系統的數據由iPush?Server直接主動提供，并且保證和數據庫的數據更新同步，也不需要訪問數據庫來得到數據。只有進行報表、歷史分析等功能時才需要訪問數據庫。通過這樣的訪問機制大大降低了數據庫的工作壓力，保證了系統的流暢運行，在將來系統拓展時這個優點將更加突出。
監測現場的監測、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端口就可以了解現場的監測狀態、查詢本地的歷史數據，或者通過CF讀卡器讀取wincon8331保存的數據。
系統的特點及帶來的效益
數據采集、本地數據存儲和遠程通信是遠程監測系統的核心功能。本系統的本地設備單元、本地通信單元和系統通信單元均采用市場上技術領先的產品，并通過泓格科技的有效整合保證了系統在這些方面的創新和技術領先，讓系統具備了一些獨一無二的特點，比如說本地運算體系、主動性數據交換體系、遠程同步程序更新體系等等，這些特點是其它類似系統無法比擬的。
圖5：系統軟件通信結構
特別值得一提的是系統采用分散式運算體系。由wincon8331在現場完成數據采集、數據運算、數據存儲、本地顯示、數據通信等功能，并采用主動上報的方式與監測中心進行通信，大大降低了監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據分析和數據報表等復雜工作，降低了監測中心對硬件服務器的要求。真正做到了現場、中心各司其責、獨立運做。這樣一方面加快了系統建設的速度、簡化了實施過程，也順應了業界提倡的分布運算、集中監控的潮流。