引灤工程水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王立林，王鴻雁，謝雪濤，齊德海

（1.天津市引灤工程爾王莊管理處，天津 寶坻 301802；2.天津市引灤工程于橋水庫(kù)管理處，天津 薊縣 301900）

1 概述

引灤入津工程是一項(xiàng)由灤河水系向海河水系引水的大型調(diào)水工程，工程于1981年9月開工建設(shè)，1983年9月11日勝利通水。2009年共向天津市供水超過170億m3，極大地改善了天津市城市供水的緊張狀況，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益十分顯著。

近年來受生態(tài)環(huán)境惡化的影響，惡劣天氣連續(xù)出現(xiàn)，洪澇、干旱等各種自然災(zāi)害嚴(yán)重。因此如何合理利用水資源，改善生態(tài)環(huán)境，最大限度地降低自然災(zāi)害對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)造成的損失，已成為引灤入津工程管理者亟需解決的課題。

盡管經(jīng)過10多年的奮斗和摸索，管理水平和管理手段在不斷提高，但由于引灤入津工程流域雨情、輸水條件復(fù)雜，傳統(tǒng)的信息采集及處理手段已經(jīng)很難滿足當(dāng)前管理工作的需要。

充分利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)，建立完整、有效的引灤入津工程管理信息系統(tǒng)，已經(jīng)成為管理引灤工程的必要手段和措施。其中雨、水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)是引灤工程管理現(xiàn)代化的重要部分。

引灤工程雨、水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，即在引灤工程管理處建立系統(tǒng)中心站；根據(jù)雨、水情分布的實(shí)際狀況，分別在黎河管理處、潮白河管理處建立超短波中繼站；在引灤沿線根據(jù)實(shí)際需要設(shè)立水情遙測(cè)站點(diǎn)，采集水情信息。在隧洞管理處至宜興埠管理處沿線12個(gè)輸水?dāng)嗝嫔习惭b25套超聲波流量計(jì)，可實(shí)現(xiàn)水情自動(dòng)測(cè)報(bào)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和分析，為引灤輸水調(diào)度提供政策支持。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

水情信息采集與傳輸?shù)目傮w原則是以技術(shù)先進(jìn)、簡(jiǎn)單實(shí)用、經(jīng)濟(jì)可靠、低功耗為目標(biāo)。

設(shè)備的選擇應(yīng)以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能先進(jìn)，可靠性高，防雷省電，便于維護(hù)為原則。設(shè)備盡量選用定型產(chǎn)品，減少建設(shè)周期，核心部件要有足夠的備份。

傳輸體制及組網(wǎng)方式力求簡(jiǎn)單，應(yīng)盡量減少中繼次數(shù)和經(jīng)中繼的遙測(cè)站點(diǎn)數(shù)，控制中心和中繼站可采用雙機(jī)備份。

供電方式的選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定。水情信息遙測(cè)站，大都建在偏遠(yuǎn)地區(qū)，交流供電極不方便，同時(shí)考慮這些地區(qū)電網(wǎng)電壓及供電的不穩(wěn)定和多雷電等原因，遙測(cè)站和中繼站供電采用蓄電池供電，太陽能板向蓄電池充電的工作方式，控制中心要有安全可靠的交流電源，前置機(jī)采用交流或直流供電方式。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)通信方案的確定及依據(jù)

建設(shè)水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的通信方式有：衛(wèi)星通信、短波通信、GSM/GPRS通信等。結(jié)合引灤工程，流域?qū)嶋H情況采用超短波和GSM/GPRS混合組網(wǎng)通信方案。

（1）超短波通信是目前在水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)中應(yīng)用最多的通信方式。超短波通信的優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)傳播穩(wěn)定、通信質(zhì)量較高、技術(shù)成熟、設(shè)備投資低。缺點(diǎn)是受地形和距離的限制，如要擴(kuò)展站網(wǎng)覆蓋范圍，需設(shè)立多級(jí)中繼站。

（2）GSM/GPRS通信的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備投資低、技術(shù)先進(jìn)、通道質(zhì)量好、傳輸速率高、不受距離和地形限制、覆蓋面廣；缺點(diǎn)是運(yùn)行費(fèi)用較高。適用于地形復(fù)雜、流域面積大、技術(shù)要求高且采用超短波通信組網(wǎng)困難的水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)。

基于以上兩種通信方案，本設(shè)計(jì)采用超短波和GSM/GPRS混合組網(wǎng)通信方式。超短波通信、GSM/GPRS通信兩種方式，是目前大中流域水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)應(yīng)用較多的通信組網(wǎng)方式。其優(yōu)點(diǎn)：通信組網(wǎng)靈活、受距離和地形影響較小、覆蓋面廣、設(shè)備投資較低。缺點(diǎn)：通信網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，對(duì)運(yùn)行維護(hù)人員的素質(zhì)要求較高。

單獨(dú)水文站使用GSM/GPRS通信方式工作流程是，當(dāng)水位發(fā)生變化時(shí)啟動(dòng)GPRS發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)GPRS掛不上線超時(shí)后啟動(dòng)GSM發(fā)送短信到中心站。

含有超短波和GSM/GPRS的站點(diǎn)，當(dāng)雨量或水位發(fā)生變化的同時(shí)啟動(dòng)超短波和GSM/GPRS發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣可以減少控制環(huán)節(jié)，提高設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。所有數(shù)據(jù)經(jīng)中心站微機(jī)處理后存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。

3.2 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

引灤入津輸水工程建成后，由天津市引灤工程管理處統(tǒng)一對(duì)引灤沿線設(shè)置的6個(gè)管理處進(jìn)行運(yùn)行管理。

引灤工程雨、水情遙測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 引灤工程雨、水情遙測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 雨、水情遙測(cè)站工作體制的選定

4.1 自報(bào)式

這類遙測(cè)站在雨量、水位等參數(shù)發(fā)生一個(gè)計(jì)量單位變化時(shí)，能實(shí)時(shí)把被測(cè)值采集、發(fā)送出去，其遙測(cè)終端結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，值守功耗極低，對(duì)遙測(cè)站附屬設(shè)施如供電和發(fā)射設(shè)備要求較低，適合采用太陽能浮充蓄電池的供電方式。一方面，這種方式較采用交流供電方式，降低了從電源線引入的雷電等干擾的可能性，從而提高了遙測(cè)站設(shè)備運(yùn)行的可靠性；另一方面，由于設(shè)備配置簡(jiǎn)單，提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性，降低了系統(tǒng)造價(jià)。

4.2 應(yīng)答式

這類遙測(cè)站在雨量、水位等參數(shù)發(fā)生變化時(shí)（有的應(yīng)答式遙測(cè)站自身能對(duì)雨量、水位等參數(shù)發(fā)生的變化自動(dòng)采集和存儲(chǔ)），不主動(dòng)將被測(cè)值傳送給分中心站，只有當(dāng)分中心站發(fā)出查詢命令時(shí)，才將當(dāng)時(shí)的參數(shù)值采集、發(fā)送出去。這種工作方式具有可控性，但接收機(jī)長(zhǎng)期處于守候狀態(tài)，因此值守功耗很大，對(duì)供電設(shè)施的要求提高，增加了設(shè)備配置的復(fù)雜性，可靠性相對(duì)較低。

4.3 自報(bào)/應(yīng)答兼容式

自報(bào)/應(yīng)答兼容式遙測(cè)站綜合自報(bào)和應(yīng)答兩種方式的特點(diǎn)，既能實(shí)時(shí)自報(bào)，又具有受控功能，功能相對(duì)較強(qiáng)，其主要缺點(diǎn)是值守功耗很大，可靠性相對(duì)較低。根據(jù)實(shí)時(shí)性和可靠性要求高的特點(diǎn)，自報(bào)式遙測(cè)站是最合適的工作體制。

5 設(shè)備配置

5.1 中心站設(shè)備配置

根據(jù)系統(tǒng)的需求，中心站配置由計(jì)算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、超短波通訊及GSM/GPRS通信設(shè)備、前置通訊處理機(jī)（中心站控制儀）、供電設(shè)備及避雷設(shè)備等組成。

中心控制儀是為超短波遙測(cè)系統(tǒng)的分中心站數(shù)據(jù)接收設(shè)備。

水情遙測(cè)系統(tǒng)超短波信道所有各測(cè)點(diǎn)的水文要素都經(jīng)過它進(jìn)入計(jì)算機(jī)主機(jī)。在整個(gè)遙測(cè)系統(tǒng)中，中心控制儀起著橋梁作用。它采用CMOS器件、單一電源和低功耗的解調(diào)器等新技術(shù)，具有功能強(qiáng)、適應(yīng)性大、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

中心站的電源設(shè)備主要由：交流參數(shù)穩(wěn)壓器、電源避雷器、UPS、直流電穩(wěn)壓電源和后備蓄電池等構(gòu)成。

5.2 中繼站設(shè)備配置

中繼站可分為模擬中繼和再生中繼，模擬中繼主要用于話路等模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)接，也可用于數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)接。再生中繼用于數(shù)據(jù)通訊中。

模擬中繼和再生中繼的主要區(qū)別有以下幾點(diǎn)：

（1）模擬中繼設(shè)備比再生中繼簡(jiǎn)單。

（2）模擬中繼產(chǎn)生噪聲積累。

（3）再生中繼抗干擾能力較強(qiáng)，不存在噪聲積累問題。

在本系統(tǒng)中，模擬中繼站的技術(shù)要求比較高，功能強(qiáng)大。本設(shè)計(jì)選用的是再生中繼站。

5.3 雨、水情遙測(cè)站的主要設(shè)備與結(jié)構(gòu)

雨、水情遙測(cè)站設(shè)備由遙測(cè)數(shù)傳終端RTU、傳感器、電臺(tái)、同軸避雷器、天饋線和電源等組成。

系統(tǒng)使用的遙測(cè)數(shù)傳終端RTU是由微處理器控制的通用設(shè)備，被優(yōu)化設(shè)計(jì)用于對(duì)遠(yuǎn)端設(shè)備的監(jiān)視和控制。它具有本地處理和控制能力，可以根據(jù)應(yīng)用的需要組成不同的類型。系統(tǒng)中的中繼站系列，分中心站前端的前置通訊控制單元系列也是由遙測(cè)數(shù)傳終端RTU電路實(shí)現(xiàn)的。

6 網(wǎng)絡(luò)功能及系統(tǒng)應(yīng)用軟件的編制

6.1 網(wǎng)絡(luò)功能

中心站計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則是：安全、可靠、實(shí)用、先進(jìn)、開放性、可擴(kuò)充性和高度的統(tǒng)一性等特點(diǎn)組成的局域網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)功能支持遠(yuǎn)程訪問服務(wù)、支持分布式關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)、支持客戶機(jī)/服務(wù)器的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，支持超大型的數(shù)據(jù)庫(kù)，具有并行事務(wù)執(zhí)行、數(shù)據(jù)牽引和裝載、通訊完整性檢查功能。同時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)檢測(cè)和解決死鎖，支持橫向和縱向的數(shù)據(jù)復(fù)制，可以在多種開放式數(shù)據(jù)庫(kù)之間復(fù)制數(shù)據(jù)，能夠文件傳輸、打印及共享，并支持過程調(diào)用的分布式應(yīng)用程序，提供控制接口，支持Internet/Intranet。

6.2 系統(tǒng)應(yīng)用軟件的編制

雨、水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)軟件由信息采集傳輸系統(tǒng)、中心處理系統(tǒng)、圖形、報(bào)表系統(tǒng)、Web瀏覽系統(tǒng)組成。短信查詢系統(tǒng)、水務(wù)計(jì)算和預(yù)報(bào)調(diào)度等高級(jí)應(yīng)用軟件可選配。

中心站計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)軟件采用美國(guó)微軟公司的Windows Server 2000以上中文標(biāo)準(zhǔn)版，數(shù)據(jù)庫(kù)軟件采用SQL Server 2000以上版本中文標(biāo)準(zhǔn)版。

引灤工程雨、水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)，采用當(dāng)今的主流技術(shù)，結(jié)合引灤工程的實(shí)際狀況進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)兼顧了技術(shù)的先進(jìn)性與穩(wěn)定性，將會(huì)在今后引灤工程的現(xiàn)代化管理中，充分體現(xiàn)其作用，為引灤工程的安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行提供保障，為領(lǐng)導(dǎo)進(jìn)行科學(xué)決策提供依據(jù)。

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