ALERT协议在水情测报系统中的应用分析

摘 要：简单介绍了ALERT协议的特点及其相关行业应用情况，详细分析了ALERT协议的局限性以及改进型ALERT-2协议的最新发展情况，给出了ALERT-2针对ALERT协议的局限性所做出的一些改进，并分析了ALERT协议在水情自动测报系统中的应用前景。

关键词：ALERT协议; 水情自动测报系统; 数据采集; FSK; MSK

中图分类号：TV124 文献标识码：A

文章编号：2095-1302(2011)10-0079-03

Application And Development of ALERT Protocol in Hydrological Forecasting System

XUE Sheng-ning, HU Ming-dong, QI Yong-tao, ZHU Si-liang

(State Grid Electric Power Research Institute / NARI Group Corporation, Nanjing 210003, China)

Abstract： The characteristics and related industry application of ALERT protocol are introduced. The limitations of ALERT protocol and the update state of ALERT-2 protocol are discussed, the improved ALERT-2 is proposed, and the application prospect of the protocol is put forward.

Keywords： ALERT protocol; hydrological automatic monitoring system; data collection; FSK; MSK

0 引 言

Automated Local Evaluation in Real Time(ALERT)协议是一个公开的协议，在美国有许多基于这个协议的用户组织，这些用户组织根据应用需求不断对协议进行补充完善与改进，因此ALERT协议具有很强的生命力。

虽然ALERT协议起源于美国，最初仅应用于环境监测系统之中，但是，自70年代由美国气象观测组织推出以来，已得到了大量应用，并成功推广应用到水情自动测报、洪水预报和公共安全等领域的自动数据采集系统中，像Campbell、Vaisalla、Sutron等知名公司都具有支持ALERT协议的相关产品。

1 ALERT协议的特点

ALERT是一个系统级协议，它不仅仅涉及通信的帧格式，还详细规定了物理层的约定、以及系统的工作机制与方式等。

ALERT协议的数据帧结构相当简单，每个数据包由4字节共40位二进制码元(每字节附加一个起始位和一个停止位)的记录(record)组成。每个记录分为传感器号和数据两部分。

ALERT系统采用单向传输的纯自报工作方式及基于事件触发的工作机制。这种机制一方面在技术上实现起来简单可靠，成本较小；另一方面，也可以大大降低系统功耗并减少系统对信道的占用［1-2］。

2 ALERT协议在我国水情测报系统中的应用

ALERT协议产生于70年代，当时的水情自动测报系统的通信方式主要采用特高频方式，通信终端技术也相当有限。而采用FSK调制解调器和模拟电台进行收发信，其波特率只有300 b/s，ALERT协议主要就是为了适应这种通信条件而制定的，而且为了能让更多的厂商使用这一协议，ALERT协议制定时追求的是低功耗、简练和容易实现。

我国第一个基于ALERT体制的水情自动测报系统产生于1987年，是南京自动化研究所( 国网电力科学研究院的前身)引进美国SM公司相应产品建成的东北丰满、白山水电站水情自动测报系统［3］，其中，丰满水库水情自动测报系统一期工程有16套雨量站、8套水位站，雨量站经过后续扩充达到了26套。该系统一度引起了业内关于自报体制与应答体制的争论，随着白山水电站水情自动测报系统、新丰江水情自动测报系统、察尔森水情自动测报系统及西津水情自动测报系统的陆续成功实施，自报体制更适用于中国国情逐渐成为业内共识［4］。为了进一步规范行业系统，我国水利部颁发了《水文自动测报系统技术规范SL61-94》，该规范规定的系统工作体制及协议也是在ALERT体制及协议的基础上做了适应我国国情的一些修改。

我国早期的水情自动测报系统一般为小型系统，站点规模多为20~30套，采集的传感量一般也为单一的雨量或水位，这些特性都是ALERT体制得以广泛应用的基础。这一时期，有相当一部分厂家的产品因为遵循相同的ALERT体系和标准，甚至能够实现互联互通。

3 ALERT协议的应用局限性

到了20世纪90年代末期，随着葛洲坝、新安江和五强溪等一些大型水情自动测报系统的建设完成，ALERT系统的碰撞丢包、误码、传感器地址有限、传感器数据有限、频率效率低等局限性和缺点也越来越明显。为此，各厂家又针对这些问题开展了相应的研究，这一时期的特点是国内各厂家都纷纷结合自身的特点推出了各具特色的独有协议，例如南瑞结合ACS300数据采集平台的研制开发了ACS-RFMO无线调制解调器及NARI/SP协议，ACS-RFMO采用了MSK调制方式，并将空中速率从ALERT系统的300bps提高到了4800bps，同时采用了载波侦听-冲突避让技术，从而大大降低了碰撞丢包的概率，提高了频谱利用效率［5-6］。NARI/SP协议不仅适用于VHF信道，而且可应用于PSTN、SMS、GPRS、CDMA、北斗卫星、海事卫星等信道，NARI/SP协议还根据各信道的特点设计了NARI/SPC和NARI/SPS协议［7］。

SPC是NARI/SP的完全协议，适合VHF、PSTN、SMS、GPRS、CDMA、BEIDOU等信道。SPC提供有是否含有路由信息、是否含有CRC校验等开关信号，因而可满足不同的传输需求。针对VHF信道，SPC可以包含源地址、目的地址、中继路由等信息，所有地址均为两字节，地址范围可以从1~65535，从而解决了传感器地址有限的问题。SPC规定的传输路由最多可为15级，其中中继节点数最多可为13级。SPC将数据结构定义为"传感器号+传感器值"，其中传感器值为四字节长度的浮点数，从而解决了传感器数据有限的问题。SPC协议利用后台来对应传感器的类型，从而大大提高了系统接入传感器类型的灵活性和可扩展行。SPS是SPC的精简协议，SPS适合Inmarsat-C 、OMNITRACS信道等具有一定碰撞率、数据包容量小、按字节收费的信道。基于NARI/SP协议的水情自动测报系统已成功应用于二滩、乌江、金沙江等大型梯级流域及水电站水情自动测报系统的建设。

这一时期，国内虽然有很多厂家都能推出自己独具特色的水情自动测报系统产品，国内相关产品出现了百花齐放的局面，但由于协议互相不兼容，从而导致各厂家的产品无法互联互通，这从保护用户投资收益和标准化的角度来说，不能不说是一种倒退。相应地，国外一直走的是标准化的道路，为了使ALERT协议能适应新的形势发展需要，美国国家水文预警委员会(NHWC)于1999年专门成立了一个由用户、设备厂商、维护人员和软件设计人员组成的小组委员会，展开了新一代ALERT协议的可行性分析及研究，这个行动得到了美国商务部国家海洋大气局(National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)的支持，美国的海洋大气局资助设立了一个“ALERT-2协议开发”的开放项目，并委托saloITS公司来完成这一开发。

4 改进型ALERT-2协议的特点

ALERT-2协议与传统的ALERT一样，是一个系统级的协议，因此，它对系统工作方式具有详细的定义。首先，ALERT-2将遥测装置分为两类。一类是功能受限装置(RFD)，主要指资源(典型的如供电、计算能力、存储空间)有限的一些遥测装置，这类装置平时处于休眠状态，电台也处于关闭状态，仅在有事件发生时才工作并启动电台发信，也就是传统的ALERT装置；另一类是全功能装置(FFD)，这类装置一般不会面临严重的资源受限问题，这在水文测报系统中较多出现，而且，现在的水文观测站房一般都通有交流电。通常，全功能装置都一直处于工作状态，随时准备接收数据。

ALERT-2为用户提供了三种数据传输方式，分别为非可靠报文方式、可靠报文传输方式及可靠数据流传输方式。非可靠报文方式可以等同于传统的ALERT方式，遥测站发完之后结束通信，而不关心中心站是否收到数据，类似于UDP协议工作方式；采用可靠报文传输方式时，遥测站采取了一定的措施来确保中心站能正确收到数据；可靠数据流传输方式用于传输一序列的数据，这些数据不仅会可靠传输到目的中心站，同时，被传到目的地的顺序也是正确的，这一特点有点类似于FTP协议工作方式。

ALERT-2协议在物理层采用了GMSK调制方式，空中速率为4 800 b/s，从而解决了频谱效率低的问题；同时使用扰码和FEC前向纠错技术，又在很大程度上解决了误码问题。针对特高频这种抢占信道，ALERT-2协议定义了基于时隙的介质访问控制机制，从而减少了碰撞丢包。

另外，为了使协议能适应各种物理信道并且具有更好的扩展性和互联性，还参照OSI七层协议结构对协议进行了分层设计。一个ALERT-2协议的报文结构包含数据链路层、网络层、传输层和应用层等内容。数据链路层有7个字节，负责数据包的重传机制；网络层大小为可变长度，主要根据数据链路层的内容进行相应改变，从最小2个字节到最大8个字节，并采用非常类似IP协议的方式负责数据包在通信网络中实现端到端的通信。ALERT-2可以采用非可靠报文传输、可靠报文传输及可靠数据流传输三种方式实现数据的传输，而且针对不同的传输方式，具有不同的传输层数据格式。

针对应用层数据，ALERT-2推荐使用“类型/长度/值(TLV)”的多元结构进行传感器值的传输，TLV的是一种高度灵活的数据结构，可支持不同类型的数据格式，其中“类型”用于标识该TLV结构的类型，类似于HTML和XML数据标签，“长度”用于指出后面的“值”的长度，“值”是真正的传感器数据。采用这种结构可以从根本上解决传感器数据受限的问题，并且很容易将各种传感器数据包含在一个数据包中传输，从而解决了ALERT协议每个数据包只含单传感器数据的问题［8］。

目前， ALERT-2项目仍在花大量的时间来分析需求，还未进入设备及系统研制阶段，因而暂时还没有成熟的产品和系统成功应用，但是，由于其坚持了标准化的道路，而且是在用户和设备制造商的共同努力下完成的，因此，可以预想，ALERT-2协议将具有极强的生命力，应该引起国内相关行业人士的关注和重视。

5 结 语

过去40多年的实际应用，验证了ALERT体制及协议非常适用于基于事件触发的水文自动测报、自动气象监测等系统，但是，随着技术的发展，它的一些局限性也逐渐体现出来，ALERT-2协议的制定，则专门针对这些局限性做出了重大改进，并吸收了现代网络通信协议的先进经验，使协议具有了更好的扩展性和互联性，因而必将具有更强大的生命力和应用价值。国内现在已经开展了智能水电厂的研究，希望本篇文章能抛砖引玉，引起行业内人士对水情自动测报系统的协议标准化方面的讨论和研究。

参 考 文 献

［1］南京南瑞集团公司.ACS100数据采集器使用手册［S］,2000.

［2］胡传廉.水情自动测报系统遥测通信网实用化研究［D］.上海:上海大学,2004.

［3］左振鲁,曹年红,曹翊军,等.水情水调自动化技术回顾与展望［J］.水电自动化与大坝监测,2009(6):22-26.

［4］屠明德,陈如良.我国水电厂及水库流域水情自动测报系统的发展与展望［J］.水电厂自动化,1994(4):1-5.

［5］周雷,曹翊军.ACS-RFMO微功耗无线MODEM设计［C］.中国科协2003年学术年会论文集,2003.

［6］曹年红,曹翊军,江海深.清江水情自动测报系统单频无线组网设计［J］.水电能源科学,2010(3):131-134.

［7］南京南瑞集团公司.ACS300数据采集器使用手册 V1.4［S］,2004.

［8］Salo IT Solutions, Inc. ALERT-2 Protocol Specification Draft Version 0.1［S］. 2008.