海河流域水利通信網(wǎng)建設與發(fā)展探討

王云昭，田 宇，賈亦辰，王得潤

（水利部海河水利委員會，天津 300170）

水利通信網(wǎng)由水利通信專網(wǎng)及電信公網(wǎng)共同構成，其中水利通信專網(wǎng)是由水利部門投資建設并專門用于水利行業(yè)的通信網(wǎng)絡，電信公網(wǎng)則是由各大運營商投資建設的通信網(wǎng)絡，主要用于公眾服務[1]。海河流域水利通信網(wǎng)自20世紀80年代初開始建設，經(jīng)過幾代水利部海河水利委員會（以下簡稱海委）通信人的不懈努力，通信建設從短波、超短波到“一點多址”、數(shù)字微波、無線接入再到光纖、衛(wèi)星通信，從模擬交換到數(shù)字程控交換再到軟交換，從無到有、從小到大、從點到面取得了較快的發(fā)展[2]。到目前為止，已建成以數(shù)字微波、租用公網(wǎng)光纖電路為骨干，衛(wèi)星通信為應急保障的多手段、廣路徑的海河流域水利通信網(wǎng)，實現(xiàn)了海委與水利部，海委與委直屬各管理局、重要水庫及重點防洪地區(qū)、海河流域內(nèi)部分重點河系、?。ㄊ校┲攸c防洪地區(qū)的語音交換機聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡互聯(lián)、防汛調(diào)度視頻異地會商，為重要水情工情等多媒體信息的傳輸提供了準確、及時、安全、可靠的通信保障，取得了顯著的社會和經(jīng)濟效益。

1 海河流域水利通信網(wǎng)建設回顧

海河流域水利通信網(wǎng)主要由微波、衛(wèi)星、租用公網(wǎng)電路、語音交換、工程視頻及短波、超短波通信系統(tǒng)組成，不僅為各級防汛部門傳遞水情、傳達防汛調(diào)度指令提供了有效的通信聯(lián)絡手段，也為水利工程管理現(xiàn)代化提供了可靠的信息傳輸通道，在流域防洪搶險和水利工程管理中發(fā)揮了重要作用[3]。

1.1 微波通信

1985 年，海委在永定河泛區(qū)及小清河分洪區(qū)建設了800 MHz 無線通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)由2 條干線組成，包括1 個中心站、1 個樞紐站、3 個中繼站和3 個端站，共8 個站，分別為水利部、海委、北京市水利局、天津市水利局、屈家店樞紐管理處、廊坊市水利局、涿州市水利局和新蓋房閘，提供語音和低速數(shù)據(jù)傳輸2 種業(yè)務。隨著我國無線通信事業(yè)的飛速發(fā)展，800 MHz頻段被城市無線集群移動通信占用，在京津地區(qū)，海委已建的800 MHz 通信系統(tǒng)經(jīng)常受到嚴重的同頻干擾，設備不能正常工作，1996 年800 MHz通信系統(tǒng)停止使用。

1993 年，建設了海委至海河下游管理局及五閘（海河防潮閘、屈家店閘、西河閘、獨流減河進洪閘、獨流減河防潮閘）的“一點多址”通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用1.5 GHz 4 Mb/“s一點多址”數(shù)字微波設備，共建有7個站，其中海委為中心站、海河下游管理局及五閘為外圍站。該系統(tǒng)的建成實現(xiàn)了海委與海河下游管理局程控交換機聯(lián)網(wǎng)和低速數(shù)據(jù)傳輸，提高了海河下游管理局所轄五閘的通信水平。

1997 年，為解決永定河泛區(qū)及小清河分洪區(qū)800 MHz 通信干線停用后的通信聯(lián)絡問題，以海委至海河下游管理局及五閘“一點多址”通信網(wǎng)為基礎，建設了永定河泛區(qū)及小清河分洪區(qū)應急通信網(wǎng)。該應急通信網(wǎng)的建成不僅恢復了原800 MHz通信干線功能，同時實現(xiàn)了高質(zhì)量的語音和數(shù)據(jù)傳輸。通過該應急通信網(wǎng)，永定河泛區(qū)及小清河分洪區(qū)內(nèi)的水文遙測數(shù)據(jù)信息可快速傳輸?shù)缴霞壒芾聿块T，確保了海委、北京、天津、河北等?。ㄖ陛犑校?、地區(qū)防汛指揮部門及時掌握防汛信息和災情及防汛調(diào)度指令的上傳和下達，在防洪調(diào)度、保障泛區(qū)及分洪區(qū)內(nèi)人民生命財產(chǎn)安全方面發(fā)揮了重要作用。2000 年，國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)項目在海河流域永定河泛區(qū)及小清河分洪區(qū)建設了水利部至海委及水利部至河北省水利廳大興至保定段微波通信干線，其中水利部至海委采用SDH 155 Mb/s 數(shù)字微波、大興至保定采用PDH 34 Mb/s 數(shù)字微波。該微波干線不僅解決了海委與水利部、海委與北京市水務局和海委與重要水利管理單位之間的信道帶寬問題，而且為永定河泛區(qū)的防汛業(yè)務信息、重要水利樞紐的工情信息傳輸提供了高速的數(shù)據(jù)傳輸通道。該項目共新建、改建10 個微波站，分別為水利部、海委、北京市水務局、武清、廊坊、大興、盧溝橋、涿州、容城、保定。2012 年，對水利部至海委SDH 微波通信干線進行了更新改造，傳輸速率仍沿用SDH 155 Mb/s，進一步提高了海委至水利部之間的通信傳輸保障能力。

2008—2010 年，通過海委基層單位通信基礎設施建設項目，建設海委至滄州PDH 34 Mb/s 數(shù)字微波通信干線。該通信干線共設6 個微波站，在滄州站接入漳衛(wèi)南運河微波通信干線，實現(xiàn)海委與漳衛(wèi)南運河管理局微波干線的互聯(lián)互通。該項目的建成完善了海河流域南系的通信體系，提升了流域防洪調(diào)度通信系統(tǒng)的協(xié)同保障能力。

1.2 衛(wèi)星通信

海河流域衛(wèi)星通信系統(tǒng)建設起步較早，發(fā)展穩(wěn)健，效用發(fā)揮顯著。

1.2.1 衛(wèi)星地面站

1998 年，作為水利通信的應急備用電路，水利部在海委建設流域衛(wèi)星地面站，容量為10路語音、2路數(shù)據(jù)。1999 年，又分別在漳衛(wèi)南運河管理局、引灤工程管理局建設4 路語音的衛(wèi)星地面站。海委、漳衛(wèi)南運河管理局、引灤工程管理局衛(wèi)星地面站均為水利衛(wèi)星通信網(wǎng)的組成部分，主要用于程控交換機聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸。

2009 年，水利部組織開展衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器更新和衛(wèi)星主站改造工程，并進行流域衛(wèi)星地面站改造和轉(zhuǎn)星工作，海委于2011 年5 月完成衛(wèi)星地面站改造。至此，海河流域新一代水利衛(wèi)星通信系統(tǒng)投入使用，可實現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)、視頻圖像的傳輸，承擔起異地會商、應急搶險機動通信、數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)、語音通信等重要防汛通信任務。

1.2.2 洪水現(xiàn)場實況信息采集傳輸應急通信系統(tǒng)

2005 年，在水利部已建Ku 波段衛(wèi)星通信網(wǎng)的基礎上，海委建設洪水現(xiàn)場實況信息采集傳輸應急通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)由車載衛(wèi)星移動站和海委中心站組成，在洪水現(xiàn)場主要用于工情、險情、災情及搶險救災實況信息的采集、監(jiān)視、傳送及防洪搶險現(xiàn)場和上級防汛指揮部門之間的異地會商。

1.2.3 衛(wèi)星便攜站

2008 年，海委配備衛(wèi)星便攜站，這也是水利系統(tǒng)第一批利用水利部衛(wèi)星資源和流域管理機構衛(wèi)星地面站資源建設的衛(wèi)星便攜站，用于流域搶險救災現(xiàn)場的數(shù)據(jù)、圖像采集和傳輸及對外通信聯(lián)絡，其圖像信息傳輸帶寬為768 kbps。

2012—2017 年，依托水利部相關項目，海委和委屬各管理局配備5 臺套衛(wèi)星便攜站，帶寬提升至2 Mbps，并可根據(jù)需要進行靈活調(diào)整。此部分衛(wèi)星便攜站主要用于應急通信場景，通過水利衛(wèi)星通信平臺實現(xiàn)與中心站、其他終端站之間的語音、數(shù)據(jù)、圖像等信息的雙向傳輸。

1.2.4 衛(wèi)星小站

2012—2017 年，依托水利部項目，海委系統(tǒng)建設了21 個VSAT 衛(wèi)星小站，為偏遠山區(qū)工程管理部門、水文站間語音、數(shù)據(jù)、圖像等多種信息傳輸和防汛搶險提供了可靠的通信保障。

1.3 語音交換系統(tǒng)

海委語音交換系統(tǒng)是海河流域程控交換網(wǎng)匯接中心。通過微波、衛(wèi)星、公網(wǎng)電路等傳輸鏈路，實現(xiàn)了海委與水利部、委屬各管理局、流域內(nèi)重點水利管理單位、重點防洪地區(qū)防汛部門的程控交換系統(tǒng)互連。

海委語音交換系統(tǒng)初期使用縱橫制交換機，根據(jù)技術及工作發(fā)展需要于1994 年改造為數(shù)字程控交換機。2005 年，再次對系統(tǒng)進行升級改造，增加移動辦公等新的功能。2020 年，采用IP PBX+軟交換技術架構對系統(tǒng)進行更新改造，進一步完善系統(tǒng)業(yè)務功能。

1.4 工程視頻系統(tǒng)

自2004 年起，海委利用微波通信干線、光纖、公網(wǎng)4G等現(xiàn)有通信資源建設了工程視頻系統(tǒng)，目前已建成并投入使用的主要有盧溝橋樞紐工程視頻監(jiān)視系統(tǒng)，大寧水庫工程視頻監(jiān)視系統(tǒng)，四女寺水利樞紐工程視頻系統(tǒng)，潘家口、大黑汀水庫工程視頻系統(tǒng)，海河下游管理局所轄屈家店樞紐、西河閘樞紐、獨流減河進洪閘樞紐、獨流減河防潮閘樞紐工程視頻監(jiān)視系統(tǒng)。工程視頻系統(tǒng)的建立使水利部、海委及有關?。ㄖ陛犑校┓姥粗鞴懿块T能實時監(jiān)視水利工程運行情況，進一步提高了海河流域水利工程管理的現(xiàn)代化水平[4]。

1.5 租用公網(wǎng)電路

海河流域通過租用公網(wǎng)電路，初步形成了覆蓋全流域水行政主管部門和重點防洪工程的水利專用骨干通信網(wǎng)，其中海委至水利部租用電路寬帶為200 Mbps、海委至委屬各管理局租用電路帶寬為4～50 Mbps、經(jīng)水利部轉(zhuǎn)接至流域8 ?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）水行政主管單位租用電路寬帶為100 Mbps。

1.6 超短波通信系統(tǒng)

1994—1999 年，通過國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)等項目，采用150 和400 MHz 超短波無線電臺，海河流域在12 個蓄滯洪區(qū)建成縣至鄉(xiāng)至村的預警反饋通信系統(tǒng)。該預警反饋通信系統(tǒng)覆蓋了約36 個縣、200 個鄉(xiāng)、2 200 個自然村，為蓄滯洪區(qū)內(nèi)防洪調(diào)度、搶險救災、人員及物資轉(zhuǎn)移提供了可靠的通信保障[5]。

2 面臨形勢

2.1 數(shù)字孿生流域建設對通信業(yè)務提出新要求

當前，智慧水利建設正處于重要的戰(zhàn)略機遇期。數(shù)字孿生流域建設是貫徹落實習近平總書記關于治水重要論述和黨中央、國務院決策部署的重要舉措，是適應現(xiàn)代信息技術發(fā)展形勢的需要，是推動新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的有效措施。通信網(wǎng)絡是智慧水利的基礎，數(shù)字孿生流域建設離不開水利通信網(wǎng)的建設。進一步發(fā)展建設水利通信網(wǎng)，增強對信息交換和服務的支撐能力，加強在水旱災害防御信息傳輸、指揮調(diào)度通信、預警通信、應急搶險通信等方面的建設管理，同時針對防汛調(diào)度指揮、蓄滯洪區(qū)建設、水資源管理、水利工程管理等各項事業(yè)對通信需求的不斷增強，建立可靠、穩(wěn)定的通信系統(tǒng)，逐步完善流域水利通信網(wǎng)絡，保證水利信息化的先進性，為水利現(xiàn)代化提供有力的技術支撐。

2.2 新一代通信技術為通信業(yè)務發(fā)展提供新機遇

隨著通信網(wǎng)絡的發(fā)展與演進，網(wǎng)絡各個層次的不斷解聚是通信網(wǎng)絡發(fā)展的總體趨勢，融合是不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展主題。根據(jù)智慧水利和數(shù)字孿生海河建設發(fā)展需求，未來對通信綜合業(yè)務功能的要求將會越來越高，而現(xiàn)有通信網(wǎng)絡的結構不適合支撐綜合業(yè)務應用，不利于今后網(wǎng)絡的升級和演進。以云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、4G/5G 網(wǎng)絡為代表的新一代信息技術正成為水利信息化發(fā)展的新動力，推動水利發(fā)展向數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化轉(zhuǎn)變已經(jīng)完全具備技術條件。

2.3 海河流域水利高質(zhì)量發(fā)展對通信業(yè)務提出新需求

水利通信網(wǎng)是水利信息化的基礎設施。隨著海河流域水利高質(zhì)量發(fā)展的不斷推進，建設先進、實用的水利通信網(wǎng)，具有極其重要的現(xiàn)實價值和歷史作用。新時期的水利工作要求對水情、雨情、工情、旱情、災情等信息要“測”得更準、“看”得更多、“動”得更快，水利工程被“看”得更透、“用”得更順、“管”得更好，這就要求水利通信網(wǎng)絡“聯(lián)”得更廣、“傳”得更快，全面應用衛(wèi)星、微波、光纖等通信技術，保證語音、數(shù)據(jù)和圖像等信息更加高效、安全的傳輸。

3 海河流域水利通信網(wǎng)的發(fā)展對策

數(shù)字孿生海河建設依托骨干網(wǎng)和流域?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）網(wǎng)，提升海委及委屬各管理局水利信息網(wǎng)通信能力，利用SDN 網(wǎng)絡新技術優(yōu)化調(diào)整網(wǎng)絡結構，進行IPv6 適配改造，擴大網(wǎng)絡帶寬。同時，建設北斗三號水利短報文服務平臺，利用北斗高精度位置服務和短報文通信功能，開展創(chuàng)新應用。在水利部升級水利衛(wèi)星通信網(wǎng)的基礎上，實現(xiàn)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與地面互聯(lián)網(wǎng)和移動通信網(wǎng)的互聯(lián)互通，建成“覆蓋海河流域、隨遇接入、按需服務、安全可信”的天地一體化海河流域通信網(wǎng)絡體系，為各類信息傳輸提供必要的支撐。

3.1 完善流域水利通信網(wǎng)

按照公專結合、互為補充的原則設計海河流域水利通信網(wǎng)組網(wǎng)方案。該方案充分利用公網(wǎng)鏈路資源和4G/5G移動數(shù)據(jù)資源，結合水利專網(wǎng)的光纖、水利衛(wèi)星、微波等通信技術手段，以有線、無線融合互補的方式完善海河流域水利通信網(wǎng)。

3.2 建設應急通信系統(tǒng)

建設機動性強、通信可靠、覆蓋全廣的應急通信系統(tǒng)。加強衛(wèi)星通信技術應用，對現(xiàn)有衛(wèi)星地面站進行升級改造；對縣級以上水行政主管部門、重要水利工程（水庫、水閘、堤防等）管理單位配備衛(wèi)星電話，適當配置衛(wèi)星便攜站或衛(wèi)星應急通信車，提高應急通信反應能力。建設無線寬帶集群通信系統(tǒng)，滿足防汛救災等場景下現(xiàn)場組網(wǎng)和集群調(diào)度需求。探索局部區(qū)域應用短波電臺進行通信聯(lián)絡。

3.3 整合工程視頻系統(tǒng)

整合現(xiàn)有工程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，建設海河流域工程視頻級聯(lián)集控平臺，實現(xiàn)工程視頻監(jiān)控資源便捷查看。整合海委和委屬各管理局、流域內(nèi)?。ㄖ陛犑校┧こ桃曨l資源，支持多層級工程視頻資源的聯(lián)網(wǎng)共享與應用，與現(xiàn)有水利視頻會議系統(tǒng)融合，為水利一張圖等平臺和水旱災害防御、水利綜合監(jiān)管等業(yè)務應用提供工程視頻資源服務。

3.4 探索建設北斗三號系統(tǒng)水利應用信息平臺

聯(lián)合水文、水資源、水政、水工程管理等部門，就水文監(jiān)測、地下水監(jiān)測、水行政執(zhí)法、水利工程形變預警等業(yè)務探索建設基于北斗三號衛(wèi)星系統(tǒng)的信息感知終端試點。在海委配備北斗三號信息采集服務器，搭建起海河流域北斗三號系統(tǒng)水利應用信息平臺，匯聚各終端試點信息。將北斗三號水利應用信息平臺接入數(shù)字孿生海河平臺，實現(xiàn)二者數(shù)據(jù)互聯(lián)互通與無障礙調(diào)取。

3.5 探索建設無線接入網(wǎng)

在重要水庫和水閘工程管理區(qū)域探索建設無線接入基站，解決水利管理單位內(nèi)部大數(shù)據(jù)量通信傳輸問題，滿足防汛搶險、工程安全監(jiān)控、水量調(diào)度、水文測報、水政執(zhí)法等對通信傳輸?shù)男枰?/p>

4 結語

海河流域水利通信網(wǎng)建設與發(fā)展必須按照“需求牽引、應用至上、數(shù)字賦能、提升能力”的要求，以落實數(shù)字孿生海河通信業(yè)務發(fā)展為主線，以尋求通信技術創(chuàng)新應用為突破，為新階段流域水利高質(zhì)量發(fā)展提供安全、穩(wěn)定、可靠的通信基礎設施和技術保障。