Automated Local Evaluation in Real Time (A- LERT)協(xié)議是一個(gè)公開(kāi)的協(xié)議，在美國(guó)有許多基于這個(gè)協(xié)議的用戶(hù)組織，這些用戶(hù)組織根據(jù)應(yīng)用需求不斷對(duì)協(xié)議進(jìn)行補(bǔ)充完善與改進(jìn)，因此ALERT協(xié)議具有很強(qiáng)的生命力。

雖然ALERT協(xié)議起源于美國(guó)，最初僅應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之中，但是，自70年代由美國(guó)氣象觀測(cè)組織推出以來(lái)，已得到了大量應(yīng)用，并成功推廣應(yīng)用到水情自動(dòng)測(cè)報(bào)、洪水預(yù)報(bào)和公共安全等領(lǐng)域的自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，像Campbell、Vaisalla、Sutron等知名公司都具有支持alert協(xié)議的相關(guān)產(chǎn)品。

1  ALERT協(xié)議的特點(diǎn)

ALERT是一個(gè)系統(tǒng)級(jí)協(xié)議，它不僅僅涉及通信的幀格式,還詳細(xì)規(guī)定了物理層的約定、以及系統(tǒng)的工作機(jī)制與方式等。

ALERT協(xié)議的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡(jiǎn)單,每個(gè)數(shù)據(jù)包由4字節(jié)共40位二進(jìn)制碼元(每字節(jié)附加一個(gè)起始位和一個(gè)停止位)的記錄(record)組成。每個(gè)記錄分為傳感器號(hào)和數(shù)據(jù)兩部分。

ALERT系統(tǒng)釆用單向傳輸?shù)募冏詧?bào)工作方式及基于事件觸發(fā)的工作機(jī)制。這種機(jī)制一方面在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)單可靠，成本較小;另一方面,也可以大大降低系統(tǒng)功耗并減少系統(tǒng)對(duì)信道的占用。

2  ALERT協(xié)議在我國(guó)水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

ALERT協(xié)議產(chǎn)生于70年代，當(dāng)時(shí)的水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的通信方式主要釆用特高頻方式，通信終端技術(shù)也相當(dāng)有限。而采用FSK調(diào)制解調(diào)器和模擬電臺(tái)進(jìn)行收發(fā)信，其波特率只有300b/s,ALERT協(xié)議主要就是為了適應(yīng)這種通信條件而制定的，而且為了能讓更多的廠商使用這一協(xié)議,ALERT協(xié)議制定時(shí)追求的是低功耗、簡(jiǎn)練和容易實(shí)現(xiàn)。

我國(guó)第一個(gè)基于ALERT體制的水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)產(chǎn)生于1987年，是南京自動(dòng)化研究所(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院的前身)引進(jìn)美國(guó)SM公司相應(yīng)產(chǎn)品建成的東北豐滿(mǎn)、白山水電站水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)，其中，豐滿(mǎn)水庫(kù)水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)一期工程有16套雨量站、8套水位站,雨量站經(jīng)過(guò)后續(xù)擴(kuò)充達(dá)到了26套。該系統(tǒng)一度引起了業(yè)內(nèi)關(guān)于自報(bào)體制與應(yīng)答體制的爭(zhēng)論,隨著白山水電站水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)、新豐江水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)、察爾森水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)及西津水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的陸續(xù)成功實(shí)施，自報(bào)體制更適用于中國(guó)國(guó)情逐漸成為業(yè)內(nèi)共識(shí)逆。為了進(jìn)一步規(guī)范行業(yè)系統(tǒng)，我國(guó)水利部頒發(fā)了《水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范SL61-94》,該規(guī)范規(guī)定的系統(tǒng)工作體制及協(xié)議也是在ALERT體制及協(xié)議的基礎(chǔ)上做了適應(yīng)我國(guó)國(guó)情的一些修改。

我國(guó)早期的水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)一般為小型系統(tǒng)，站點(diǎn)規(guī)模多為20?30套，采集的傳感量一般也為單一的雨量或水位,這些特性都是ALERT體制得以廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。這一時(shí)期，有相當(dāng)一部分廠家的產(chǎn)品因?yàn)樽裱嗤腁LERT體系和標(biāo)準(zhǔn),甚至能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)互通。

3  ALERT協(xié)議的應(yīng)用局限性

到了20世紀(jì)90年代末期，隨著葛洲壩、新安江和五強(qiáng)溪等一些大型水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的建設(shè)完成，ALERT系統(tǒng)的碰撞丟包、誤碼、傳感器地址有限、傳感器數(shù)據(jù)有限、頻率效率低等局限性和缺點(diǎn)也越來(lái)越明顯。為此，各廠家又針對(duì)這些問(wèn)題開(kāi)展了相應(yīng)的研究,這一時(shí)期的特點(diǎn)是國(guó)內(nèi)各廠家都紛紛結(jié)合自身的特點(diǎn)推出了各具特色的獨(dú)有協(xié)議，例如南瑞結(jié)合ACS300數(shù)據(jù)釆集平臺(tái)的研制開(kāi)發(fā)了ACS-RFMO無(wú)線調(diào)制解調(diào)器及NARI/SP協(xié)議,ACS—RFMO采用了MSK調(diào)制方式，并將空中速率從ALERT系統(tǒng)的300bps提高到了4800bps,同時(shí)采用了載波偵聽(tīng)一沖突避讓技術(shù),從而大大降低了碰撞丟包的概率，提高了頻譜利用效率。NARI/SP協(xié)議不僅適用于VHF信道，而且可應(yīng)用于PSTN、SMS、GPRS、CDMA、北斗衛(wèi)星、海事衛(wèi)星等信道,NARI/SP協(xié)議還根據(jù)各信道的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了NARI/SPC和NARI/SPS協(xié)議e。

SPC是NARI/SP的完全協(xié)議，適合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校驗(yàn)等開(kāi)關(guān)信號(hào)，因而可滿(mǎn)足不同的傳輸需求。針對(duì)VHF信道,SPC可以包含源地址、目的地址、中繼路由等信息，所有地址均為兩字節(jié)，地址范圍可以從1?65535,從而解決了傳感器地址有限的問(wèn)題。SPC規(guī)定的傳輸路由最多可為15級(jí),其中中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)最多可為13級(jí)。SPC將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義為”傳感器號(hào)+傳感器值”，其中傳感器值為四字節(jié)長(zhǎng)度的浮點(diǎn)數(shù)，從而解決了傳感器數(shù)據(jù)有限的問(wèn)題。SPC協(xié)議利用后臺(tái)來(lái)對(duì)應(yīng)傳感器的類(lèi)型，從而大大提高了系統(tǒng)接入傳感器類(lèi)型的靈活性和可擴(kuò)展行。SPS是SPC的精簡(jiǎn)協(xié)議，SPS適合Inmarsat-C,OMNITRACS信道等具有一定碰撞率、數(shù)據(jù)包容量小、按字節(jié)收費(fèi)的信道。基于NARI/SP協(xié)議的水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)已成功應(yīng)用于二灘、烏江、金沙江等大型梯級(jí)流域及水電站水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的建設(shè)。

這一時(shí)期，國(guó)內(nèi)雖然有很多廠家都能推出自己獨(dú)具特色的水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品出現(xiàn)了百花齊放的局面，但由于協(xié)議互相不兼容,從而導(dǎo)致各廠家的產(chǎn)品無(wú)法互聯(lián)互通,這從保護(hù)用戶(hù)投資收益和標(biāo)準(zhǔn)化的角度來(lái)說(shuō)，不能不說(shuō)是一種倒退。相應(yīng)地，國(guó)外一直走的是標(biāo)準(zhǔn)化的道路,為了使ALERT協(xié)議能適應(yīng)新的形勢(shì)發(fā)展需要,美國(guó)國(guó)家水文預(yù)警委員會(huì)(NHWC)于1999年專(zhuān)門(mén)成立了一個(gè)由用戶(hù)、設(shè)備廠商、維護(hù)人員和軟件設(shè)計(jì)人員組成的小組委員會(huì),展開(kāi)了新一代ALERT協(xié)議的可行性分析及研究，這個(gè)行動(dòng)得到了美國(guó)商務(wù)部國(guó)家海洋大氣局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)的支持，美國(guó)的海洋大氣局資助設(shè)立了一個(gè)"ALERT-2協(xié)議開(kāi)發(fā)”的開(kāi)放項(xiàng)目，并委托saloITS公司來(lái)完成這一開(kāi)發(fā)。

4  改進(jìn)型ALERT-2協(xié)議的特點(diǎn)

ALERT-2協(xié)議與傳統(tǒng)的ALERT一樣，是一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的協(xié)議，因此，它對(duì)系統(tǒng)工作方式具有詳細(xì)的定義。首先,ALERT-2將遙測(cè)裝置分為兩類(lèi)。一類(lèi)是功能受限裝置(RFD),主要指資源(典型的如供電、計(jì)算能力、存儲(chǔ)空間)有限的一些遙測(cè)裝置，這類(lèi)裝置平時(shí)處于休眠狀態(tài)，電臺(tái)也處于關(guān)閉狀態(tài)，僅在有事件發(fā)生時(shí)才工作并啟動(dòng)電臺(tái)發(fā)信,也就是傳統(tǒng)的ALERT裝置;另一類(lèi)是全功能裝置(FFD),這類(lèi)裝置一般不會(huì)面臨嚴(yán)重的資源受限問(wèn)題,這在水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)中較多出現(xiàn)，而且，現(xiàn)在的水文觀測(cè)站房一般都通有交流電。通常，全功能裝置都一直處于工作狀態(tài)，隨時(shí)準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。

ALERT-2為用戶(hù)提供了三種數(shù)據(jù)傳輸方式，分別為非可靠報(bào)文方式、可靠報(bào)文傳輸方式及可靠數(shù)據(jù)流傳輸方式。非可靠報(bào)文方式可以等同于傳統(tǒng)的ALERT方式，遙測(cè)站發(fā)完之后結(jié)束通信,而不關(guān)心中心站是否收到數(shù)據(jù)，類(lèi)似于UDP協(xié)議工作方式；釆用可靠報(bào)文傳輸方式時(shí),遙測(cè)站采取了一定的措施來(lái)確保中心站能正確收到數(shù)據(jù);可靠數(shù)據(jù)流傳輸方式用于傳輸一序列的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)不僅會(huì)可靠傳輸?shù)侥康闹行恼?，同時(shí)，被傳到目的地的順序也是正確的，這一特點(diǎn)有點(diǎn)類(lèi)似于FTP協(xié)議工作方式。

ALERT-2協(xié)議在物理層采用了GMSK調(diào)制方式，空中速率為4800b/s,從而解決了頻譜效率低的問(wèn)題；同時(shí)使用擾碼和FEC前向糾錯(cuò)技術(shù)，又在很大程度上解決了誤碼問(wèn)題。針對(duì)特高頻這種搶占信道，ALERT-2協(xié)議定義了基于時(shí)隙的介質(zhì)訪問(wèn)控制機(jī)制，從而減少了碰撞丟包。

另外,為了使協(xié)議能適應(yīng)各種物理信道并且具有更好的擴(kuò)展性和互聯(lián)性,還參照OSI七層協(xié)議結(jié)構(gòu)對(duì)協(xié)議進(jìn)行了分層設(shè)計(jì)。一個(gè)ALERT-2協(xié)議的報(bào)文結(jié)構(gòu)包含數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層等內(nèi)容。數(shù)據(jù)鏈路層有7個(gè)字節(jié)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的重傳機(jī)制；網(wǎng)絡(luò)層大小為可變長(zhǎng)度，主要根據(jù)數(shù)據(jù)鏈路層的內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)改變,從最小2個(gè)字節(jié)到最大8個(gè)字節(jié)，并采用非常類(lèi)似IP協(xié)議的方式負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包在通信網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)端到端的通信。ALERT-2可以采用非可靠報(bào)文傳輸、可靠報(bào)文傳輸及可靠數(shù)據(jù)流傳輸三種方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，而且針對(duì)不同的傳輸方式，具有不同的傳輸層數(shù)據(jù)格式。針對(duì)應(yīng)用層數(shù)據(jù),ALERT-2推薦使用“類(lèi)型/長(zhǎng)度/值(TLV)”的多元結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳感器值的傳輸,TLV的是一種高度靈活的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可支持不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)格式，其中“類(lèi)型”用于標(biāo)識(shí)該TLV結(jié)構(gòu)的類(lèi)型,類(lèi)似于HTML和XML數(shù)據(jù)標(biāo)簽，“長(zhǎng)度”用于指出后面的“值”的長(zhǎng)度，“值”是真正的傳感器數(shù)據(jù)。采用這種結(jié)構(gòu)可以從根本上解決傳感器數(shù)據(jù)受限的問(wèn)題,并且很容易將各種傳感器數(shù)據(jù)包含在一個(gè)數(shù)據(jù)包中傳輸，從而解決了ALERT協(xié)議每個(gè)數(shù)據(jù)包只含單傳感器數(shù)據(jù)的問(wèn)題「電。

目前，ALERT-2項(xiàng)目仍在花大量的時(shí)間來(lái)分析需求，還未進(jìn)入設(shè)備及系統(tǒng)研制階段，因而暫時(shí)還沒(méi)有成熟的產(chǎn)品和系統(tǒng)成功應(yīng)用，但是，由于其堅(jiān)持了標(biāo)準(zhǔn)化的道路,而且是在用戶(hù)和設(shè)備制造商的共同努力下完成的，因此，可以預(yù)想,ALERT-2協(xié)議將具有極強(qiáng)的生命力，應(yīng)該引起國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)人士的關(guān)注和重視。

5  結(jié)語(yǔ)

過(guò)去40多年的實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證了ALERT體制及協(xié)議非常適用于基于事件觸發(fā)的水文自動(dòng)測(cè)報(bào)、自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)，但是，隨著技術(shù)的發(fā)展，它的一些局限性也逐漸體現(xiàn)出來(lái),ALERT-2協(xié)議的制定，則專(zhuān)門(mén)針對(duì)這些局限性做出了重大改進(jìn),并吸收了現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，使協(xié)議具有了更好的擴(kuò)展性和互聯(lián)性，因而必將具有更強(qiáng)大的生命力和應(yīng)用價(jià)值。國(guó)內(nèi)現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)展了智能水電廠的研究,希望本篇文章能拋磚引玉，引起行業(yè)內(nèi)人士對(duì)水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化方面的討論和研究。