实时报汛技术

实时报汛技术（共5篇）

实时报汛技术 篇1

摘要：MES, 作为当前信息化社会发展和存在的主流技术, 网络通信技术已经在各个各业得到广泛应用。而在实际的应用中, 多通信网络的实时性能和服务质量的研究更是人们研究重点。所以, 文中也围绕该问题, 在对计算机网络实时通信技术的特点进行分析的基础上, 从系统应用的角度对计算机网络通信的时间约束条件进行分析, 并针对互联网和广域网中的实时性能进行分析评价, 得到了具有较高实用价值的结果。

关键词：实时通信技术,解决方案

1 引言

在现代计算机网络技术不断发展的推动下, 人们对网络的功能和性能需求也不断提高, 其中最主要的就是基于多媒体通信和专用工业测控实时通信的综合服务质量。从传统的计算机网络构成体系中可以发现, 其主要采用分组交换的技术, 可以认为是一种面向非实时通信的数据通信技术, 比如我们现在常用的FTP以及E-mail等, 最具代表性的TCP/IP协议, 也是为了能够对整个网络的数据吞吐量进行优化, 同时为数据的通信提供一种尽力而为的服务。但是, 现在发展火热的多媒体通信需求, 以及各种工业领域中的测控网络对实时通信提出了更高的要求, 因为这些典型应用不仅需要传递传统的文本信息, 更重要的是, 还会频繁的传送音频和视频信息, 在这些数据中, 还包括了对时间要求非常严格的工业测量、控制信息和数据。针对计算机网络实时通信中的服务质量的提高, 很多研究机构和学者也都进行过深入的研究。但是, 人们现在所设计的诸多方案中还是存在或多或少的缺陷, 没有能够从互联网整体的角度对这些问题进行考虑, 只是针对某个方面的具体问题进行局部的改进和优化。

论文站在广域网的角度, 对网络性能进行分析, 首先对此类网络在通信过程中的特点进行深入讨论, 然后再将各种计算机网络详细划分成资源子网和通信子网的基础上, 针对通信子网的特点分析了计算机网络通信系统中所采用的时间约束条件;接着, 对互联网环境中的网络实时性能进行分析和评价。

2 网络实时通信的特点分析

在以太网中, 其采用的CSMA/CD算法对于每个站点而言, 所发送的数据在发送操作之前都会对网络信道中存在的其他站点情况进行监听, 如果没有任何其他站点占用信道, 则会执行数据发送操作。但是, 由于网络中所存在的传播延迟, 如果仅仅采用这种基于实现检测信道的方法, 则难以绝对避免网络冲突的发生。所以, CSMA/CD算法就要求每个站点能够边发送边监听, 这样, 在监听到冲突的情况下, 则上方会首先终止发送;接着, 站点会向网络上发送一个强干扰信号, 及时通知网络上的其他站点, 接着, 就需要等待下一个随机时间后重复上述过程。此外, 在各种数据和信息的发送过程开始后, 还会对碰撞情况进行检查, 如果发生了, 则会退出重发。

现有的以太网环境, 普遍存在实时性较差, 以及不确定性等问题。这里, 所提到的确定性主要指网络中的任何节点, 在任何负载前提下都能够在规定的时间内获得数据包发送机会, 且任何的网络站点都不能够独占所有的传输媒介;实时性则主要通过响应时间来衡量。如果要在以太网中传输实时数据和非实时数据, 考虑到实时数据和非实时数据对各种网络传输节点的竞争, 以及那些来自其他节点的数据碰撞情况, 则会造成实时数据可能经历难以预见的延时, 甚至还有可能出现长时间等待的情况。在现有的以太网传输体制中, 还缺少能够及时发现某个网络节点故障然后加以隔离的有效措施, 所以, 如果出现某个节点故障, 则会由于其对总线的独占而导致其他节点的传输失效, 使得网络通信的实时性得不到满足。

3 时间约束条件分析

前面提到, 可以将计算机网络分成资源子网和通信子网。其中, 资源子网主要指能够独立完成特定任务的设备、计算机、工作站点等;而通信子网则主要指各种通信媒介、接口设备、网络连接设备等。对于计算机网络而言, 其各个站点之间所交换的信息, 必须通过通信子网来实现, 所以, 通信子网就成为各个站点的共享资源。所以, 在实际应用中, 对通信子网的使用分配与调度是否合理, 也就决定了各个站点所提出的通信任务请求的响应快慢, 从而给整个网络的实时性产生决定性影响。为了实现各种通信任务的控制和管理, 有效避免通信数据的碰撞与冲突, 可以通过介质存储和控制的方式来对通信任务进行管理。

对于常用的MAC方式, 也就是介质访问控制方式, 其控制的对象就是各个站点访问通信子网媒介的时机。所以, 通信子系统中的使用权分配调度算法是整个存取控制方法的核心, 而这也给通信子网的通信实时性产生重要影响。

而站在整个计算机网络的层面, 其整个系统的实时性则可以从通信任务、站点、子网等三级进行综合考虑, 如果某个实时任务的实时性得到满足, 则说明其响应时间能够小于规定的时限;如果某个站点的实时性符合要求, 则说明该站点所提出的所有通信任务都能够在制定的时限内得到网络响应;对于整个通信子网, 其实时性能够符合网络需求, 则说明分布在整个通信子网上的站点所承担的所有任务, 其实时性都能够得到保证, 这其中就包括网络紧急任务的实时性也能够得到满足。

4 时延分析

在具体的网络通信过程中, 又可以分为广播式通信和点到点的通信。我们现在常用的局域网就属于一种典型的广播室通信体制, 这种网络中仅仅包含一条通信媒介, 且该媒介成为所有站点的共享资源。在各种通信任务的实时过程中, 就可以通过具体的格式来实现整体任务的划分, 并将通信内容利用通信子网中的一个站点向其他站点发送;而通信子网中的站点, 则主要根据分组的地址字段, 对数据包进行结婚或者丢弃处理。相反, 在广域网中, 则采用点到点的通信方式, 数据分组从数据源到目的地, 需要通过多个中间节点来实现, 所以, 在此过程中其关键就在于寻径算法的确定。

对于局域网中的通信实时性, 其性能的高低主要体现在端到端的通信时间延迟, 其这种时延又包括了基于资源子网的时延和通信子网的时延, 所以在实际的通信中必须确保在限定的时间限制内能够及时传输数据分组。比如, 如果控制执行器节点所发出的信息, 没有能够及时送到, 则就有可能造成整个网络系统性能的恶化, 从而使得网络性能欠佳。

5 结束语

文中针对计算机网络通信的应用环境, 对互联网和局域网中的通信特点进行分析, 并从网络通信子网的角度对实时通信中的时间约束条件等进行了深入分析。从系统应用的角度对计算机网络通信的时间约束条件进行分析, 并针对互联网和广域网中的实时性能进行分析评价, 得到了具有较高实用价值的结果。

参考文献

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[2]陈洛资编著.计算机网络软件设计.开发与编程.科学出版社, 2004.

实时报汛技术 篇2

采用Topcon Riper双频GPS接收机, 运用RTK模式完成了多个控制测量项目, 取得了良好的效果。本文主要结合工程实践, 就RTK技术在城市控制测量中的运用谈点体会。

1 RTK技术

GPS实时动态测量 (Real～Time Kine matic) 简称RTK, 是实时处理两个测站载波相位观测值的差分方法。具体作业方法是设置GPS基准站一台, 并将一些必要的数据, 如坐标系转换参数、预设精度指标、基准站坐标等输入GPS手簿, 一台或多台G PS流动站在若干个待测点上设站;基准站与流动站同时接收卫星信号;同时基准站通过电台将其观测值和设站信息一起传送给流动站;流动站将接收到的来自基准站的数据及GPS观测数据, 组成差分观测值进行实时处理。

2 工程案例1

2.1 工程概况

测区位于J市某开发区, 控制网布设面积约8kmz, 设计点位27座, 起算点采用位于测区南侧、东侧约0.8 km的J市四等平面控制点各一座, 测区北侧、西侧边缘四等平面控制点各一座。

2.2 RTK GPS测量

为了保证测量成果的精度及可靠性, 在测区北侧及东侧的起算点分别设置基准站, 分别采集起算点空间坐标解算坐标系转换参数;并分别测量待测点平面坐标, 然后取两次测量的平均值作为最终成果;两次测量结果的坐标差值统计见表1。

根据上述两次测量坐差值的统计, 可算得两次测量平均值的点位中误差为±1.25cm。

2.3 RTK成果的外部检验

2.3.1 相邻点间边长检测

检测采用TOPCONG TS602全站仪, 以两次测量平均值作为实测边长值, 共检测通视边17条;根据实测边长与RTK测量成果坐标反算所得边长的差值统计可算得相邻点间边长中误差为±11.08cm。

2.3.2 采用导线测量方式的坐标检验

在测区南侧选择待测点6座, 按一级导线测量方式观测, 起算点为以上述J市四等平面控制点为起算的按GPS静态方式观测的城市一级控制点;根据测量结果与上述RTK测量成果的坐标差值统计估算RTK测量成果的点位中误差为±1.22cm。

3 工程案例二

由于RTK测量在20KM内点位平面标称精度为±3cm, 根据控制测量规范要求Ⅰ级导线点的点位误差为±3cm, 从理论上讲RTK测量完全可以满足Ⅰ级以下导线点的技术规范要求。

在某工程道路放桩RTK测量中, 对距离基准站1km～6km的一些四等GPS控制点采用一点法进行检核比较, 结果表明平面坐标分量最大差值为3.1cm, 高程最大差值为4.9cm, 完全符合Ⅰ级导线点的规范精度要求。

在某工程1∶1000数字地形图测绘任务中, 测区长约7km, 宽0.7km, 面积约5km2。整个测区采用Ashtech Z～X双频GPS接收机用静态法共布测了5个四等GPS点, 21个一级GPS点, 点位均匀分布, 最弱点点位中误差为 (Mx:4.0cm, My:3.9cm) , 并联测了四等水准高程。为了进一步检核Ashtech Z～X双频GPS系统的测量精度, 采用GPS控制点联测法均匀地检测了其中12个GPS控制点, 基准站设在测区中间。GPS RTK测量坐标值与静态联测法坐标值的较差见表2, 其X坐标中误差为±3.1cm, Y坐标中误差为±2.3cm, H高程中误差为±5.0cm, 结果完全可满足Ⅰ级导线点 (5”以下) 的规范精度要求。

尽管GPS RTK测量的标称精度及实测精度完全满足Ⅰ级导线点5”点以下的规范精度要求, 但目前的规范对利用GPS RTK测量进行Ⅰ级导线甚至更高的精度的控制测量, 其采集数据的方法, 数量等等还没有明确的规定, 因此还需要用大量的实践来证实。实际测量中还必须采取足够的检核手段, 确保测量的准确性。

4 建议

(1) RTK测量与静态GPS测量相同, 首先得到的是WGS～84坐标, 必须通过一定的坐标转换关系才能得到用户坐标系坐标, 转换参数的求取精度对测量成果有很大影响, 因此在实际应用中首先应注意起算点精度, 特别应注意采用一定的方法检核起算点的相对精度;同时, 转换参数有一定的区域性, 它仅适用于起算点所圈定的一定区域, 外推精度随距离增加降低明显因此在实际工作中应尽量选择能覆盖整个测区且分布均匀的起算点。 (2) 若已知起算点为静态GPS控制网成果, 可利用已有WGS～84坐标及用户坐标建立坐标转换关系, 这样可节省采集起算点WGS～84坐标的时间、提高工作效率;但在利用原有成果时应注意所采用的WGS～84坐标应是在同一网平差中得到的, 因为它是由单点定位的WGS～84坐标推算得到的, 只代表某个特定的坐标对应关系。 (3) 基准站应选择位置较高的点位, 这样可明显扩大流动站作业范围, 但根据笔者对多个工程成果的统计分析, 基准站与流动站间的距离对测量成果有一定的影响, 当流动站与基准站间的距离达到5km～6km时, 两次测得的坐标差值及相邻点间距离与全站仪边长测量的成果差值超过5cm的明显增多;笔者建议在采用RTK技术进行控制测量时, 为保证成果的精度及可靠性, 流动站的作业半径应控制在5km以内; (4) 根据上述第一、第三点, 在采用RTK方式进行较大区域控制测量时可将测区划分成若干个工作区;各工作区的划分应有一定的交叉, 观测时应进行相互检核;也可以采用两次工作区划分不同的方式进行观测。 (5) 在城市控制测量中, 点位一般可埋设在建成的城市道路, 选点时应充分考虑使用的方便及安全, 但同时应尽量避开高压线、高大建筑、电台发射塔等;因此RTK方式不适合应用于建筑密集的老城区, 而在新建开发区一般均能取得较好的效果, 本文列举的两个工程实例均是在这样的测区完成的;另外, 基准站更应避开高压线、微波站、变电所等。 (6) RTK测量存在明显的时间段影响, 一般上午11点前、及下午3点之后测得的数据精度较好, 在上述工程实例观测时, 笔者曾尝试在中午12点进行观测, 但很难达到解算状态, 即使得到了坐标成果, 其可靠性往往也较低;建议不要在中午12点至14点间进行RTK测量。

5 结语

利用RTK技术进行城市控制测量操作灵活、简单, 同时减少了大量的观测数据后处理工作, 大大提高了工作效率, 彻底改变了城市控制测量的作业模式;但在实际工作中应充分认识这一技术的特点及其与传统测量模式的区别, 设法提高测量成果的可靠性。

摘要：本文以RTK技术在控制测量中的应用为研究对象, 结合两个控制测量工程案例, 详细分析了RTK控制测量的步骤, 流程和方法, 在此基础上, 笔者结合研究体会给出了7条建议, 全文是笔者长期研究基础上的理论总结, 相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。

关键词：实时动态技术,城市控制测量,GPS,工程案例

参考文献

[1]城市测量规范CJJ8～99.中国建筑工业出版社.

基于北斗的安全实时监控技术 篇3

“黑匣子”数据虽然全面但是无法远程传回和监控, 只能事后查看;

飞行记录仪, 俗称“黑匣子”中所记录的数据信息较为全面, 它的存在帮助还原了很多飞行事故的真相, 但只能用于事后查看数据, 无法向外发射数据。此外, “黑匣子”内自身脉冲信号 (起到自身位置定位作用) 发射器的电力续航时间只有30d左右, 且信号传输距离有限。

对目标飞机位置及关键状态信息监控单一且力度不够;

多数民航系统都使用二次雷达结合空管系统实现对飞机位置的监控, 但二次雷达易受到飞机高度、距离、周边环境等的影响, 并且跨境空管系统及二次雷达存在管控衔接等问题。

基于ADS-A/B/C技术的地面辅助系统在海域或陆地无人区覆盖面有限。

ADS-A/B/C系统在民航安全监控与管控中发挥着巨大的作用, ADS-A/C基于点对点式航空电信网数据链通道, 多用于海洋和内陆边远距离, ADS-B多用于本场和较近距离。

对以上问题, 问题1和问题3是系统设计以及应用成本的局限性所致, 对于问题2我们可以通过增加辅助的远程监控功能, 使民航飞机多一种安全监控的途径和方法。国外大的航空公司以及设备制造商已经开展基于民航飞机的健康诊断管理系统 (PHM) 技术研究, 如GE生产的发动机内部就安装了飞机发动机健康管理系统 (EHM) , 可实时将发动机的主要参数通过卫星通讯链路传输给地面站数据中心进行分析和监控。

北斗短报文通信是我国自主研发的北斗导航定位系统所特有的一项技术, 可实现将目标定位信息及其它关键数据通过卫星通信转发到地面接收站, 其民用技术指标为:数据长度为60个汉字 (120字节) , 发送频率1~4次/分, 军用发送频率更高。作为应用研究, 本文选择发送频率4次/分的北斗收发芯片, 实际应用建议使用更高发送频率的产品或者申请使用北斗军用产品。

针对马航事件所暴露出的民机安全监控问题, 本文提出了基于北斗短报文通信技术对民航飞机飞行位置及部分飞机平台及发动机系统、航电系统等关键参数进行实时传输和监控的技术研究。

系统设计

总体设计

本系统主要利用北斗短报文技术远程 (超过PCM有效传输距离300km) 转发功能, 将飞机位置信息及飞机部分关键状态数据发送到地面接收设备, 通过解析后进行实时位置及状态监控。系统需满足以下基本功能:

(1) 能够接收北斗系统的定位信息及时间信息;

(2) 能够实现从目标飞机到地面监控系统的北斗短报文通信传输;

(3) 能够将飞机平台部分关键参数 (不超过30个参数) 转发给北斗机载模块, 与目标飞机定位信息以北斗短报文方式下发到地面北斗接收设备;

(4) 地面部分能够接收北斗短报文数据并能实时解析及显示监控。

系统硬件组成

系统主要由机载部分和地面接收监控部分组成, 系统组成框图如图1所示。机载部分主要由机载采集子系统、上位机、北斗机载模块组成。系统核心设备是北斗收发模块, 目前主流市场上同时支持北斗1和北斗2的一体接收机产品较多, 本文选择了一款基于TD3020C北斗接收芯片以及BM3005基带芯片的产品, 该一体机具有体积小, 收发一体, 同时兼容GPS定位功能, 支持多对一短报文通信功能并可建立通信组 (每组最多8个单元) , 同时支持北斗的导航定位功能和短报文通信功能等优点。机载采集子系统作用是从飞机飞控、惯导、动力系统、航电系统等各类预留总线接口中对飞机部分关键参数进行采集。上位机为嵌入式计算机, 主要作用是通过网口接收采集器子系统转发的数据并以串口通信方式及北斗接收机模块可识别的数据格式转发给机载北斗模块, 机载北斗模块将关键参数和自身的定位信息数据一起组成短报文信息包通过自身发射天线经由北斗通信卫星链路以短报文方式发送到地面北斗接收模块, 发送数据为原码值。地面接收监控部分主要由北斗收发机、解算计算机、监控客户端等组成。地面的北斗收发模块与机载模块相同, 除短报文通信功能外, 配合模块控制软件还可实现短报文通信组管理功能。解算计算机主要实现从北斗收发模块串口接收数据, 并对数据进行处理将原码值转换成工程物理量并通过广播/组播方式发送给监控计算机。地面实时监控系统主要根据需要对解算计算机发送的飞机位置信息数据、飞机状态参数等工程物理量数据进行实时监控。

系统软件组成

该系统软件主要由上位机转发软件, 北斗收发机地面控制软件、地面解析软件、地面监控软件等组成。上位机转发软件主要完成对采集器转发网络数据进行解包、挑选所需参数、按照收发机所需串口通信格式转发数据。地面解析软件主要完成接收地面北斗收发机通过串口发出的数据, 按照北斗短报文通信格式及串口协议进行解析并按照数据的ICD文件进行工程物理量转换并以广播/组播方式发出。地面监控软件主要实现按照广播/组播协议接收解析计算机发出的工程物理量数据并在实时监控软件中实时显示。北斗收发机地面控制软件主要实现对北斗收发模块通信ID、短报文字节数、目标飞机短报文通信分组、串口通信设置等功能, 这些设置均可在地面提前设置好。按照数据的流程, 整个系统软件的流程图如图2所示。

串口通信设置及上位机软件界面如图3所示, 串口数据通信协议及数据格式如图4所示。虚线以下为上位机串口通信协议, 虚线以上为北斗收发机发出数据格式及地面数据解析协议。两个实线箭头所指表示从上位机转发的部分飞机平台关键参数在北斗收发机发送数据包中的位置, 如图4虚箭头所示, 加速度X放在Par_1位置, 其他参数依次排放。

验证实验

本实验采用金杯9坐车进行跑车验证试验。实验分两个部分, 主要验证北斗短报文通信数据的正确性以及远距离传输的可靠性 (超过传统PCM最大传输距离350km) 。

(虚线下方) 及地面解析协议 (虚线上方)

实验方法如下

将一个北斗收发机固定在监控大厅楼顶空旷处, 四周无高层建筑物遮挡, 数据线连接地面解析计算机串口;

将一个北斗收发机固定在金杯车顶, 采用蓄电池供电, 笔记本回放模拟数据作为机载采集子系统输出数据, 收发机串口数据线与上位机连接;

金杯车分别在静止、30km/h、60km/h、120km/h速度行驶, 测量短报文数据是否传输可靠;

监控大厅楼顶收发机位置不变, 将另一个收发机带到400km以外处, 采用笔记本回放模拟数据作为机载采集子系统输出数据, 测量短报文通信是否正常接收。

实验结果与分析

GPS定位系统技术及应用已非常成熟, 在实验时同时记录GPS数据, 用单点GPS数据与北斗短报文数据的位置信息进行对比, 检验北斗短报文位置信息数据的正确性。实验数据结果如图5所示。

实验过程中, 实时监控软件数据显示如图6所示, 目标位置信息数据、模拟关键参数与显示结果一致, 在直线距离525km处, 短报文通信数据传输正常, 数据显示正确。

同一时刻, 目标飞机位置信息的北斗短报文数据与GPS高度及北向速度数据对比如图7所示。

结语

本文设计了基于北斗短报文通信的民航安全监控系统, 并进行了地面跑车验证实验, 实验结果表明, 通过北斗短报文通信的卫星链路可以将运动目标的位置信息及其他重要信息传输到地面监控系统进行监控, 传输距离超过传统PCM数据的最大有效传输距离300km, 并且北斗短报文数据的位置信息数据精度接近GPS数据, 该技术在民航远程安全监控领域有一定的应用价值。

基于SPB的实时备份技术 篇4

1 SPB协议概述

SPB支持数据中心虚拟化后的大规模二层网络，其借鉴三层协议IS-IS (Intermediate System-toIntermediate System，中间系统到中间系统)的思想，将其引入二层网络，将二层的简单、灵活与三层的稳定、高性能和可扩展性相结合。从而建立一个大型而扁平的无阻塞二层网络[5]。

SPB协议涉及控制和数据两个工作平面。数据平面基于控制平面正常运行情况下才能进行。SPB的数据平面就是对用户网络的数据信息在SPB骨干网络中进行转发，使其到达目的用户网络中。该工作就是将接收到的用户数据报文进行SPB协议封装[6,7]。

而对于SPB的控制平面就是生成用户数据转发的路径，从而指导SPB的数据平面工作。而本文的NSR技术是将SPB协议的静态配置数据和动态路由链路信息实时备份至分布式设备中的备板，从而提高SPB协议运行的容错性[8]。

2 方法概述

NSR(Not-Stop Routing)技术，是一种分布式设备在主控板发生意外时，依旧能进行不间断数据转发的技术。该技术核心利用实时备份思想，将主控板的控制数据实时备份至备用主控板上，使主、备两块板的数据始终保持一致。而当主控板发生故障，促使备用主控板升级为主控板期间进入NSR数据平滑阶段，将实时备份的数据恢复，使得数据转发不中断[9,10]。实时备份流程如图2所示。

2.1 备份数据封装

由图2可以看到，支持NSR特性的应用进程使能该特性后，若需要备份的数据在运行过程中发生变化，如添加、删除、更新等，NSR就需要将该数据进行一定的格式封装，这样让备用主控板接收到数据消息后，能更好地进行数据解析，并正确的按类型进行备份。

备份数据根据TLV格式进行封装。TLV(TypeLength-Value),T代表数据类型，占1 Byte;Length代表封装数据信息的长度，也占1 Byte;Value就是代表封装数据信息。主控板将备份数据进行TLV格式封装以后，将其发送给备用主控板，备用主控板接收到消息后，进行TLV解析，当读取Length字节时，根据该字节的长度信息，读取Length长度的Value信息，并将该信息按照Type类型备份至备进程相应位置。在SPB的应用中，可以将SPB的控制数据分为以下几种类型:

(1) BK＿DATA＿SPB＿CFG:SPB视图下的配置数据。

(2) BK＿DATA＿SPB＿RUN:SPB的动态数据。

(3) BK＿DATA＿SPB＿MSTP:SPB配合协议MSTP的域数据。

(4) BK＿DATA＿LSP＿RUN:SPB的链路信息。

(5) BK＿DATA＿ADJ＿RUN:SPB的邻居状态信息。

根据以上类型，进行SPB控制数据TLV封装。并将封装数据通过备份缓存发送至备用主控板上的备用SPB应用进程中进行数据实备。使用TLV封装格式，避免了预先分配数据字段长度，当实际需封装的数据信息量少而引起的带宽浪费，提高了板间通信的灵活性。

2.2 板间通信

板间通信是成功进行实时备份的重要机制，它是主控板与备用主控板之间通信的桥梁，没有该机制，NSR技术将无法实现。采用HA(High Available，高可靠性)机制，该机制是Linux Latch系列中的高可靠性解决方案，当主控板发生故障时，触发HA进行故障检测，通知备用主控板进行升级操作，从而进行主备倒换。根据这一原理，进行NSR实时备份时，先将备份数据存储在缓存中，并主动触发HA机制，使HA读取缓存中的数据，然后发送给备用主控板，完成板间通信。而由于HA是一个独立的系统进程，主控板将数据的实时备份委托给HA进程，使SPB实时备份过程在后台操作，这样SPB进程得到空闲，继续处理SPB的控制业务。从而提高了业务处理的吞吐量。

3 NSR数据平滑

当主控板发生故障意外时，需进行主备倒换，备用主控板的应用进程需要进入NSR，进行数据平滑恢复，使得备用主控板升级成为主控板后，无缝接替原先主控板进行业控制务处理工作。

当HA检测到主控板故障后，选取一块备用主控板为新主控板。此时，原主控板进行降级操作，清除所有应用进程中的控制数据，降为备用主控板，等待新主控板的实时备份数据。而新主控板进行升级操作，数据平滑，将业务进程调用至运行态，从而升级成为主控板，继续处理控制平面的业务。而在升级过程中，新主进程需进入NSR数据平滑阶段，按照备份数据信息主次顺序进行阶段性恢复，直到所有备份信息完全恢复，达到平稳状态。根据实际业务应用进行NSR阶段划分。本文根据SPB的应用实例，将NSR数据平滑阶段分为7个阶段:

(1) NSR初始阶段。唤醒备用进程，即唤醒备SPB，使其进入运行状态。恢复SPB视图下的配置数据信息和动态数据，然后恢复SPB邻居接口及其相关配置数据，同时恢复邻居状态信息，从而恢复SPB邻居信息。根据恢复出的信息生成本端链路信息，并挂载在链路信息变化链表下。

(2) NSR数据平滑阶段。分析备份数据中的链路信息，根据备份中链路信息的增删改标记，将其做出对应增删改操作，使其恢复至最终链路信息。

(3) NSR系统平稳阶段。根据(1)中的变化链表下的链路信息与(2)中平滑的备份链路信息，重新组装成包括本地链路信息和非本地链路信息的整网链路信息。

(4) NSR链路报文生成与清理阶段。将(3)中重新组装的链路信息，生成报文，并删除备份连表信息和变化链表信息。生成的报文将在NSR平滑结束后发送至周围邻居设备。

(5) NSR第一次路由计算阶段。根据(3)中的恢复的链路信息，重新进行路由计算，得到最新的转发路径。

(6) NSR表项同步阶段。与周边设备进行表项同步，然后进行表项下发。

(7) NSR平滑结束。平滑结束，SPB继续工作，发送链路报文，同时将重新恢复的数据实时备份至新备用主控板上。

根据以上7个平滑阶段，NSR数据恢复不需要周围设备的协助，就能较好地将SPB控制信息进行恢复。NSR平滑数据，保证了网络设备在发生故障重启时能进行不间断的数据转发。而其数据平滑阶段可以根据实际应用进行划分，结合SPB协议功能数据，将其划分为7个等级。

4 NSR在SPB应用的实验结果

NSR技术主要结合了SPB协议进行阐述，并在s12510X设备上，结合TestCenter测试仪进行模拟打流，验证了NSR在发生故障情况下的不间断转发功能。模拟实验结果对比显示:不使能NSR特性的SPB进行主备倒换，TestCenter测试仪显示流量发生中断，如图3和图4所示;而使能NSR的SPB在进行主备倒换时，流量转发不发生中断，如图5和图6所示。

5 结束语

本文提出了一种新的流量转发不间断技术，即NSR技术，并在SPB协议中进行了模拟验证。NSR技术将分布式设备中主控板上的SPB控制数据进行TLV格式封装，并利用HA机制实时备份至备用主控板上。当主控板发生故障时，备用主控板升级进入NSR数据平滑阶段，用7个平滑阶段将SPB数据进行平滑恢复，实现不间断转发功能。NSR技术不仅可以在SPB中得到应用，而且还可以结合具体协议应用于其他协议中。

参考文献

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汤河水库实时洪水预报技术研究 篇5

20世纪80年代前,我国水文学家一直致力于水文物理规律的研究,研制了适合我国自然地理和水文特性的一系列水文模型,其中比较典型的是河海大学赵人俊教授研发的新安江流域模型[1],在中国得到了广泛的应用,是联合国教科文组织推荐使用的十大水文模型之一。但是,中国幅员辽阔,自然地理和水文特性差异巨大,用单一模型很难解决不同地区的水文问题。在此期间,国内也有一些学者开始探讨水文过程的实时校正问题。进入20世纪90年代后,实时校正技术的研究得到了广泛的关注。目前,水文水资源预测预报实际上就是水文数学模型加上实时校正。

在实际洪水预报作业中,实时校正方法主要有以下3种:1)滤波方法[2,3],包括卡尔曼、自适应滤波等;2)随机过程方法,如时间序列模型;3)人工智能方法[4],包括人工神经网络、进化算法等。实时校正的变量可以是预报模型的参数,也可以是预报误差或状态变量。

汤河水库洪水预报对汤河水库及其下游的防洪安全极其重要,为此要对汤河水库实时洪水预报和校正模型进行研究,以提高洪水预报精度,确保汤河水库流域人民生命财产的安全。

1 汤河水库概况

汤河水库坝址位于辽宁省辽阳市弓长岭区境内的太子河一大支流汤河干流上,是一座以防洪、工业和生活用水为主,兼顾灌溉、发电、养鱼等综合利用的国家大Ⅱ型水利枢纽工程。水库为多年调节,按百年一遇洪水设计,可能最大洪水校核。坝址以上的控制流域面积为1 228 km2,流域多年平均降雨量771.2 mm,多年平均径流量2.89亿m3。水库总库容7.07亿m3,调洪库容3.68亿m3,兴利库容3.59亿m3,多年调节水量2.15亿m3,是鞍山、辽阳2座城市生活和工业用水的主要来源。水库枢纽工程由土坝、溢洪道、泄洪洞、水电站、引水建筑物等部分组成。

汤河水库所属流域属温带半湿润和半干旱大陆性季风气候区,四季分明,气候干燥,日照时间长,蒸发量大,土壤地表干燥,植被较差,包气带较厚。降雨量年际不均匀,年最大降水量为1964年的1 155.7 mm,年最小降水量为1959年的501.0 mm;降水量年内分布极不均匀,7,8月份降水量占全年降水量的49.4%。降水历时短,降水量空间分布不均匀。

目前,汤河水库以上流域设有8个遥测雨量站和2个遥测水位站。

2 汤河水库预报系统结构

根据汤河水库坝址以上水系情况,将大坝以上流域概化为若干子系统,概化图如图1所示,图中q为单元面积出流;Qi为支流出流;Q为流域总出流。

汤河水库以上流域位于辽宁省中部,降水量中等偏旱,土层较薄,所以汤河水库模型采用双层蒸发结构。汤河水库流域水文模型结构实际上是产流采用两水源新安江模型,汇流采用经验单位线。该模型的特点是,在产流计算中将相关经验与数学模型结合,即在考虑前期影响雨量时,采用前期影响雨量指标Pa,在蒸发计算中引进两层蒸散发模型,所以这一模型充分考虑了汤河水库以上流域自身的自然地理和水文气象特性。考虑到降雨的空间分布不均匀,采用分散参数性的洪水预报模型,即分单元流域计算产汇流。以雨量站划分单元面积,即每个雨量站为1个产汇流单元,然后,对每个单元流域的出流进行河道汇流计算,最后在出口处进行叠加得到水库的总入库流量过程,即形成单元面积——河网系统。每个单元流域的洪水预报可采用不同的降雨径流模型,包括数学和经验模型。在汤河水库以上流域采用汤河水库流域水文模型。

3 汤河水库洪水预报实时校正模型

汤河水库降雨主要集中于汛期,流域包气带较薄,产流集中在地面径流和壤中流部分,洪水过程表现为有明显的涨落过程,所以通常的降雨径流模型不可能精确预报所有的洪水过程,同时考虑到误差之间存在一定的相依性,故采用人工神经网络方法构建实时校正系统。

人工神经网络是一种由大量简单的人工神经元广泛连接而成的,用以模仿人脑神经网络的复杂网络系统。人工神经网络具有高维性、并行分布处理性、自适应、自组织、自学习的优良特性[5]。这种网络依靠系统的复杂程度,通过调整内部大量节点之间相互连接的关系,达到信息处理的目的。人工神经网络具有自学习和自适应的能力,可以通过预先提供的一批相互对应的输入和输出数据,分析掌握两者之间潜在的规律,最终根据这些规律,用新的输入数据推算输出结果,这种学习分析的过程被称为“训练”。目前,人工神经网络模型很多,考虑到生产实际中既要满足预报精度,又要考虑资料的可获得性和计算的简捷方便性,为此采用前馈型网络误差反向传播(BP)算法。

在实时校正模型中,一般采用多输入单输出模型,输出为预报误差,输入为与预报误差有关的参数,通常取前若干时段的预报误差。利用历史资料对网络进行训练,求得各个连接的权重值即可建立人工神经网络模型。

在汤河水库预报校正模型中,输入采用前3个时段入库流量预报值与实测值的误差,输出为误差校正值。实时校正模型如图2所示,图中ωij为上一单元与下一单元间的权重系数,也即实时校正模型需要通过实测资料进行参数的校准。

4 汤河水库洪水预报实时校正模型参数校准

4.1 降雨径流模型参数校准

选用汤河水库2000—2010年总共11 a的资料对降雨径流模型的参数进行校准,并在这些资料中选取17次中大小洪水进行模拟计算。模型校准的准则是采用实测与模拟总径流差值最小、确定性系数最大,实测与模拟洪峰流量差值最小,并考虑洪峰滞时,最后进行综合考虑与平衡。

通过对实测资料模拟运行,实测与模拟年径流平均相对误差为2.30%,最大相对误差为15.71%;平均确定性系数为0.92;实测与模拟洪峰流量平均相对误差为5.40%,合格率为91.20%;洪水滞时合格率为92.30%。

4.2 人工神经网络模型的训练与学习

人工神经网络模型的训练是通过观测资料求各个网络连接的权重值。人工神经网络模型的学习是利用已经训练得出的各个网络连接的权重,输入实测数据计算出输出值,考察人工神经网络模型的模拟精度。

在校准时,首先用降雨径流模型对17场洪水进行模拟计算,然后对模拟与实测的结果进行比较,计算出模拟误差系列。将误差系列分为2个样本,其中3/4的样本数据用于人工神经网络模型的训练,1/4的样本数据用于人工神经网络模型的学习。

5 实例分析

以汤河水库2010年8月5日和2011年8月8日的次洪为例,对模型进行检验。2010年8月5日洪水是由8月5日2∶00—17∶00和8月8日5∶00—9日11∶00的2场暴雨形成的,8月5日流域平均降雨量为50.8 mm,点最大降雨量为麻屯81.5 mm,最小降雨量为吉洞22.5 mm;8月8日流域平均降雨量为83.8 mm,点最大降雨量为麻屯106.5 mm,最小降雨量为汤河73.9 mm。2011年8月8日2∶00—9日17∶00流域平均降雨量为95.7 mm,点最大降雨量为吉洞135 mm,最小降雨量为麻屯76.0 mm。

通过对2场洪水的模拟计算,并用校正模型进行实时校正,得到最终的预报结果,计算成果分别如表1、图3和4所示,图3和4中横坐标的标值点时刻均为0时。

由表1可见,第1场洪水经实时校正后洪峰流量相对误差由7.80%降到1.60%,确定性系数则由0.85提高到0.95;第2场洪水经实时校正后洪峰流量相对误差由21.60%降到4.70%,确定性系数则由0.81提高到0.91。由此,汤河水库水文模型加实时校正模型后,可有效地提高实时洪水预报的精度。

6 结语

汤河水库自身和下游的防洪对洪水预报精度要求很高,为了进一步提高预报精度,在汤河水库洪水预报模型中引进了基于人工神经网络的实时校正模型。人工神经网络模型具有较好的适应性和灵活性,各神经元的连接权重可以在计算中实时校准。用实测洪水资料对汤河水库预报模型进行校准与检验,从计算结果可见,校正后的预报结果令人满意。目前生产上所用的实时校正模型很多,人工神经网络模型在实际预报中的稳定性等还有待于进一步的研究。

参考文献

[1]赵人俊.流域水文模型——新安江模型与陕北模型[M].北京:水利电力出版社,1984:32.

[2]宋文饶.卡尔曼滤波[M].北京:科学出版社,1991:123.

[3]丛日凡,姜志群,张淑芬,等.水库洪水预报实时校正算法[J].水土保持应用技术,2010(4):31.