水文行业通信规约测试与实践

时间：2024-07-28

赵越，李晓辉

（水利部水文仪器及岩土工程仪器质量监督检验测试中心，江苏南京 210012）

0 引言

为确保水文数据采集、传输、处理各组成单元之间，以及子系统间实现高度的信息共享，标准化工作对于水文、水资源自动监测系统的成功建设非常关键。近年来我国水文系统已充分认识到水文、水资源通信规约的重要性。四川、江苏 2 省的水文水资源勘测局先后编写了《水文测报系统技术规约和协议》、《江苏省水文自动测报系统数据传输规约》等地方标准。在行业标准层面，2012 年《水资源监测数据传输规约》已经颁布施行，《水文监测数据通信规约》（报批稿）完成了编制工作并通过审查。

这些规约的编制对规范水文监测数据传输设备互相兼容、资源共享提供了坚实的技术支撑，同时也对规约的测试工作提出新的要求。

规约的测试工作分为规约测试和规约符合性测试。

1 规约测试

测试规约即对规约本身技术内容的测试。规约作为标准，其技术内容的准确性、完整性和可用性在编制过程中必须经过严格测试。

在规约标准编制送审稿、报批稿阶段应进行规约测试，以验证其是否完整、准确。以《水文监测数据通信规约》为例，介绍在征求意见稿、送审稿阶段进行的规约测试。

1.1 测试目的

通过规约测试达到以下目的：1）是否完全涵盖水文、水资源的所有功能要求；2）固定数据正文内容临界拆包或拆包状态的执行策略；3）数据自报、查询、控制和响应的功能；4）测试规约报文结构是否准确。

1.2 测试系统组成

测试系统由中心站、信道设备和 RTU 设备共同组成，结构如图1 所示。

图1 测试系统示意图

为了尽可能反映水文水资源监测系统硬件的实际情况，规约测试时，若采用一般常用的计算机软件模拟 RTU 是不能反映水文水资源监控设备实际能力的，为此采用实际系统中应用的 RTU 设备进行必要升级改造，通过实际信道（GPRS，GSM，北斗卫星）参与测试。

1）中心站。包括计算机及相应软件，应具有数据收发、查询、控制功能，对发送、接收的信息帧实时显示和分析。可提取信息帧的分层信息，如链路层标志和功能码、应用层信息对象标识等，便于直观判断信息交换的正确性。

2）RTU 设备。应具备以下能力：能连接规约所规定的全部采集参数所对应的传感器，并能完成数据采集功能，或置入有效数据，模拟采集功能；按照规约要求处理、发送相关数据；接收中心站指令并做出相应动作。

3）信道设备。为模拟实际链路环境下的规约运行情况，测试信道为 GPRS（CDMA），GSM，北斗卫星。各信道设备的型号、版本号如表1 所示。

表1 信道设备

中心站 GPRS 接入方式为固定 IP。

1.3 测试内容

1.3.1 规约功能码遍历

对《水文监测数据通信》进行规约测试，通过遍历规约的所有功能码检查报文结构是否合理，功能是否完整。

1.3.2 场景测试用例

按照数据流向，可将水文水资源监测系统划分为以下 3 类场景：1）传感器到 RTU；2）RTU 到中心站；3）中心站到 RTU。规约测试重点为 RTU 至中心站之间的通讯功能检查，即场景 2 和 3，在场景 2 和 3 下设置了 RTU-中心站的自报、应答，中心站-RTU 的查询，中心站-RTU 的控制及响应等 4 大类场景。

1.4 测试结果

在《水文监测数据通信》规约编制过程中，共进行了 2 次规约测试。通过测试确定该规约报文结构合理，基本满足水文监测数据传输的要求。但在测试中仍发现以下一些问题：

1）文字错误，导致上下文表述不一致；

2）帧结构不准确；

3）报文功能码不能满足水文、水资源测控系统需要。

根据测试结果对《水文监测数据通信》文本进行修订使之完整、准确，并于 2012 年 9 月26 日通过报批稿的标准审查，正式上报待批，在国家水资源能力建设和甘肃省中小河流治理中，该规约和《水资源监测数据传输规约》被广泛应用。

2 规约符合性测试

规约符合性测试即对被测设备规约符合性进行测试。依据有关通信规约标准（如《水资源监测数据传输规约》、《水文监测数据通信》等），根据制造企业或用户委托要求，进行标准一致性或系统设备兼容性的测试。

2.1 测试内容

1）物理层的检验项目，包括字节格式和传输速率是否正确。

2）链路层的检验项目，有帧格式是否正确，传输规则是否满足规约要求等项目。

3）基本应用功能检验，包括：测站参数设置，自报、召测，时钟同步等。

4）数据正确性的检验，包括：测量数据、固态存储、内存下载数据是否正确，实时数据是否正确。

同时测试要求 RTU 设备具有物理层功能，即数据（模拟数据）采集、发送，RTU 系统参数和数据的贮存。规约符合性测试内容包括传感器（模拟传感器）数据采集、传输，以及 RTU 设置。

2.2 测试方法

基于规约测试阶段的经验，为确保测试软件的准确、公正，相关单位编制了“水资源数据传输规约测试软件”和“水文数据传输规约测试软件”。在软件编制过程中先后安排了数种 RTU 与其交叉测试，以《水文监测数据通信》为例，该软件先后与 3种 RTU 交叉测试。通过交叉测试和文档校核，确保测试软件符合《水文监测数据通信》的规定。

为了更贴近水文、水资源监测工作实际需要，本次测试信道选用 GPRS（CDMA），同时兼容北斗卫星等其他信道。

规约测试主要依靠设备的规约实现文档和测试系统进行。规约实现文档应逐项列出该规约所实现的应用功能、选项和报文类型等；测试系统可以是安装了测试软件的计算机，通过 GPRS 等信道与被测设备相连。测试软件应完全遵循相应标准，有以下几方面功能：

1）工作模式（自报、兼容、查询应答）[1]的选择。

2）信息的构造。可灵活构造信息帧, 选择帧格式、命令、状态标志和数据等。

3）信息的实时分析、捕捉和存储。对发送、接收的信息帧实时显示和分析，实时提取信息帧的分层信息，如链路层标志和功能码、应用层信息对象标识等。

4）错误显示和统计。初步具备对通信中发生的错误如应答、标志错误的显示和统计。

2.3 测试步骤

1）测试前根据测试内容制作详细的测试大纲，列出测试项目。

2）链路测试。测试系统根据测试大纲发送单个或 1 组信息帧。当测试特定内容（如数据格式）时，可发送数据召唤命令，检查响应的数据报文。

3）按测试大纲逐一进行测试。主要测试通信过程中发送、接收的信息帧是否正确，包括帧格式、状态标志和数据类型等；接收传感器数据是否准确，并进行记录；对接收的报文作简单判断，遇到错误时此项测试中断。

4）测试完成后对测试记录进行分析，如各项内容均通过，可以认定此规约实现符合相应标准；如有部分内容未通过，则必须找出原因以便进行修改。

5）依据测试结果形成检测报告。

2.4 测试中注意事项

规约符合性测试过程中，发现在相同技术环节发生一些共性问题，测试时必须要注意，以下以《水文监测数据通信规约》为例进行探讨。

2.4.1 规约测试的物理属性

测试要求 RTU 设备具有物理层功能，在测试过程中要求密码、地址等要素在系统掉电后不应丢失，被测要素应与 RTU 设备实际采集要素一致。

2.4.2 CRC 校验

CRC 校验的基本思想是利用线性编码理论，在发送端根据要传送的 k 位二进制码序列，以一定的规则产生 1 个校验用的监督码（既 CRC 码）r 位，并附在信息后边，构成 1 个新的二进制码序列数共（k + r）位，最后发送出去。在接收端，根据信息码和 CRC 码之间所遵循的规则进行检验，以确定传送中是否出错。

《水文监测数据通信规约》采用 CRC16 校验，测试过程中应注意 CRC 校验中的几个要素：初始值为 FFFF，方向为右移，多项式为 0xA001[2]4-14。

2.4.3 帧结构部分

在《水文监测数据通信规约》中，不同类型的报文需要考虑使用不同的正文开始符和结束符（主要针对分包传输），报文上行和下行的方向标识符不一样，需要注意。

所有召测回应报文，都不再发送确认。如果回应报文为多包传输，也不再发送确认，只进行接收。

2.4.4 正文结构

在 ASCII 报文中，各要素、数据、要素和数据、要素和其他元素、数据和其他元素之间都需要用空格分隔，其他元素包括测站分类码、正文结束符等。协议中明确规定不需要增加的部分除外。

在 HEX 报文中，标识符采用 2 字节 HEX 码，第 1 个字节为引导符，第 2 个字节为数据定义字节，按照规约实现文档附录 C[2]41-46的规定进行。对于附录中规定固定用 F0 之类的，应把 F0 作为数据定义字节，例如测站标识符为“F1 F1”。

2.5.5 要素无数据情况

数据组中的数据应与要素标识符组中编列的要素标识符一一对应。当某个要素某个时间点没有数据时，对于 ASCⅡ 编码报文应在数据组相应位置上填列字符“M”，对于 HEX/BCD 编码报文应在数据组相应位置上填列与其他数据位数一样的“A”。此类 HEX/BCD 编码报文中标识符规定的数据长度定义适用于每组数据，即每组数据长度应一致。