武都水庫(kù)水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的構(gòu)建及其關(guān)鍵技術(shù)

徐 輝

（四川省綿陽(yáng)市武引工程管理局，621000，綿陽(yáng)）

四川省武都水庫(kù)是以防洪、灌溉為主，兼顧發(fā)電、工業(yè)及生活用水等綜合利用的大型水利工程，電站裝機(jī)容量15萬kW，多年平均年發(fā)電量6.15億kW·h。由于水庫(kù)流域地處龍門山暴雨區(qū)，暴雨量集中，強(qiáng)度大，加之山高坡陡，水系發(fā)育，在暴雨洪水形成過程中匯流時(shí)間短，流速大，對(duì)水庫(kù)工程及下游江油、綿陽(yáng)的城市防洪提出了很高的要求。

武都水庫(kù)水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)通過在武都水庫(kù)及江油、綿陽(yáng)等城市所在水系的上游廣大地區(qū)設(shè)立雨情、水文監(jiān)測(cè)站，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)上游雨量和河道水位，提前預(yù)測(cè)來水量，并按預(yù)定方案及時(shí)準(zhǔn)確地作出水庫(kù)繼續(xù)蓄水還是開閘放水的決定，保證武引工程安全，幫助武都水庫(kù)實(shí)現(xiàn)由50年一遇提升到100年一遇的防洪能力，從而保障了下游城市的防汛安全，同時(shí)大大提高了涪江的天然來水利用率及武都水庫(kù)的綜合發(fā)電能力。

一、水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的構(gòu)建

1.水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)與其他信息化子系統(tǒng)的關(guān)系

根據(jù)規(guī)劃，武引綜合信息化系統(tǒng)包含多個(gè)專業(yè)自動(dòng)化子系統(tǒng)，水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)是其中最主要的子系統(tǒng)之一，其關(guān)系如圖1所示。

武引綜合信息化系統(tǒng)平臺(tái)是武引集團(tuán)公司全部自動(dòng)化信息的總節(jié)點(diǎn)，它從各專業(yè)子系統(tǒng)中提取各種生產(chǎn)運(yùn)行和管理所需關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)，并將部分專業(yè)信息集中對(duì)外發(fā)布，同時(shí)負(fù)責(zé)武引集團(tuán)公司與其外部系統(tǒng) （指省防辦、氣象局、水文局、四川省電力公司等的自動(dòng)化系統(tǒng)）的信息交換。除向綜合信息化系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)外，各專業(yè)子系統(tǒng)之間也會(huì)存在信息交流（如水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)和機(jī)組自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)）。水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)在武引綜合信息化系統(tǒng)平臺(tái)建成以前，將由中心站的通信/Web服務(wù)器承擔(dān)對(duì)外部的信息發(fā)布工作。

圖1 水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)與綜合信息化系統(tǒng)的關(guān)系

2.水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的構(gòu)成、功能結(jié)構(gòu)及信息流轉(zhuǎn)

（1）水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)構(gòu)成

水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)由1個(gè)中心站、1個(gè)分中心站、12個(gè)雨量站及 8個(gè)水位站組成。

（2）水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)

根據(jù)功能結(jié)構(gòu)劃分，水情自動(dòng)測(cè)報(bào)由5個(gè)內(nèi)部子系統(tǒng)構(gòu)成，即遙測(cè)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)（即遙測(cè)站）、遙測(cè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)、分中心站子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸廣域網(wǎng)和中心站子系統(tǒng)。見圖2。

①遙測(cè)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)（即遙測(cè)站）：由通信終端（GSM通信設(shè)備、北斗衛(wèi)星通信終端設(shè)備）、天饋線、數(shù)據(jù)采集器、蓄電池、太陽(yáng)能電池及傳感器組成，其任務(wù)是完成遙測(cè)站數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集。

通信終端、數(shù)據(jù)采集器和蓄電池等設(shè)備集成在全密封筒形機(jī)箱內(nèi)，筒形機(jī)箱置于高強(qiáng)度防銹鋁合金立筒（直徑約 300 mm，高 2 m，亦稱“法拉第筒”）內(nèi)；太陽(yáng)能電池、天線和雨量傳感器等安裝在鋁合金立筒上。遙測(cè)站整體設(shè)備采用一體化及防雷性能卓越的筒式結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)了電磁屏蔽和電磁隔離，具有良好的抗雷擊防干擾性能；雨量傳感器為翻斗式雨量計(jì)（承雨口內(nèi)徑為φ200 mm，分辨力為1.0 mm，準(zhǔn)確度為±1.0 mm），水位傳感器為浮子式水位計(jì) （分辨力1.0 cm，測(cè)量范圍0～40 m）。供電系統(tǒng)采用太陽(yáng)能電池浮充免維護(hù)蓄電池供電方式，能滿足40天無日照連續(xù)工作。

遙測(cè)站數(shù)據(jù)采集控制器采用HR 9800—ZK 31，它負(fù)責(zé)自動(dòng)實(shí)時(shí)采集雨量、水位或人工置入的水文數(shù)據(jù)，其固態(tài)存貯器可儲(chǔ)存1年內(nèi)2個(gè)傳感器每個(gè)傳感器采樣步長(zhǎng)15min的全部數(shù)據(jù)?？蓴U(kuò)展4、8、16等多個(gè)傳感器和大容量固態(tài)存貯裝置。

②遙測(cè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)：遙測(cè)站至分中心站的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)采用北斗衛(wèi)星信道和GSM雙信道混合組網(wǎng)方案。凡GSM覆蓋地區(qū)，均選用GSM信道；GSM沒有覆蓋的地區(qū)，選用北斗信道。對(duì)于某些在洪水預(yù)報(bào)中比較重要的站點(diǎn)采用雙信道熱備份通信方式，GSM為主信道，北斗為備用信道。

隨著通信基站越來越多，信號(hào)覆蓋范圍越來越廣，信號(hào)質(zhì)量越來越好，選用信道的方式也有所變化。特別是修改GSM信道通信后，可以大大節(jié)約通信費(fèi)用 (GSM 0.1元/條，北斗0.5元/條)；同時(shí)換下來的北斗衛(wèi)星通信設(shè)備可加到重要測(cè)站作雙信道熱備份通信，以增加系統(tǒng)可靠性。

北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸速率誤碼率小于10-6，GSM傳輸誤碼率小于10-5。

③分中心站子系統(tǒng)：是水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)執(zhí)行中心，負(fù)責(zé)對(duì)遙測(cè)站的控制、維護(hù)和管理，不僅接收、存儲(chǔ)和預(yù)處理來自遙測(cè)站的全部信息，還將產(chǎn)生各種本專業(yè)的輔助決策信息。分中心站子系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

④數(shù)據(jù)傳輸廣域網(wǎng)：是分中心至中心站的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，鑒于目前武引水調(diào)大樓還未開始建設(shè)，中心站暫時(shí)安放在水庫(kù)建設(shè)開發(fā)公司防洪值班室，分中心站在廠房未建成之前安放在一期取水樞紐值班室，兩地距離僅500 m，有一根光纖連接兩地，于是利用此光纖，增加相應(yīng)光纖收發(fā)器便將中心站和分中心站連接成一個(gè)局域網(wǎng)。

⑤中心站子系統(tǒng)：運(yùn)行業(yè)務(wù)軟件，為武引綜合信息化系統(tǒng)平臺(tái)提供水雨情基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并在該系統(tǒng)建成前承擔(dān)對(duì)外發(fā)布信息。

（3）各內(nèi)部子系統(tǒng)間的信息流轉(zhuǎn)

整個(gè)系統(tǒng)采用中心站/分中心站結(jié)構(gòu)，中心站擬建在綿陽(yáng)市武引水調(diào)大樓內(nèi)（大樓未建成之前安放在水庫(kù)建設(shè)開發(fā)公司防洪值班室），分中心站擬建在武都水庫(kù)電站副廠房（廠房未建成之前安放在一期取水樞紐值班室）。整個(gè)系統(tǒng)信息流轉(zhuǎn)如下：

①信息總體流向基本上行，即遙測(cè)站→分中心站→中心站→外部系統(tǒng)，同時(shí)也存在下行信息，主要是控制和決策信息，其信息量遠(yuǎn)小于上行流向。

②遙測(cè)站采集的水、雨情實(shí)時(shí)信息經(jīng)遙測(cè)通信網(wǎng)信道傳送至分中心站，分中心站在特定情況下有可能遠(yuǎn)程修改遙測(cè)站運(yùn)行參數(shù)，所以也存在分中心至遙測(cè)站的反向信道。

③分中心站產(chǎn)生的輔助決策信息和處理后的部分水雨情基礎(chǔ)信息將通過上行信道傳送至中心站，同時(shí)還將接收并執(zhí)行來自中心站的決策指令。

④中心站設(shè)置一臺(tái)Web服務(wù)器專門負(fù)責(zé)水情信息的對(duì)外發(fā)布。

在中心站、分中心站的計(jì)算機(jī)中，服務(wù)器采用Windows 2000 Server操作系統(tǒng)、SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，安裝相應(yīng)專業(yè)軟件；工作站采用Windows 2000 Professional系統(tǒng)，安裝相應(yīng)專業(yè)軟件。

二、系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

1.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)配置

武引集團(tuán)公司下屬各部門辦公所在地分布于綿陽(yáng)、江油、武都等地，相距較遠(yuǎn)，規(guī)劃用光纖將各地聯(lián)成一個(gè)千兆環(huán)網(wǎng)，并遵循各專業(yè)信息化系統(tǒng)與辦公、上網(wǎng)用計(jì)算機(jī)嚴(yán)格分離的原則，以保證信息系統(tǒng)的安全。由于武引集團(tuán)公司總部辦公所在地的調(diào)度大樓還未開建，武都水庫(kù)、電站等工程正加緊施工，離建成還有一段時(shí)間，因此計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)只能是局部統(tǒng)籌配置。水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)分中心站暫安放在取水樞紐值班室，中心站則安放在項(xiàng)目部防洪值班室，相距僅500 m，利用兩地之間的光纖將中心站和分中心站連接成一個(gè)局域網(wǎng)。

IP要設(shè)置在同一網(wǎng)段內(nèi)，在武引綜合信息化系統(tǒng)建成之前，系統(tǒng)要對(duì)外提供服務(wù)的話，可為Web服務(wù)器申請(qǐng)一個(gè)固定IP，其他計(jì)算機(jī)使用IE可直接查看相關(guān)信息。

2.雙機(jī)熱備份及磁盤陣列的配置技術(shù)

分中心作為水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)執(zhí)行中心，不僅接收、存儲(chǔ)和預(yù)處理來自遙測(cè)站的全部信息，還將產(chǎn)生一些如洪水預(yù)報(bào)等功能的輔助決策信息，這些工作主要靠2臺(tái)熱備份服務(wù)器來完成。由第一臺(tái)服務(wù)器作主服務(wù)器，當(dāng)它發(fā)生故障時(shí)，第二臺(tái)服務(wù)器自動(dòng)替換它作為主服務(wù)器，完成同樣工作。

兩臺(tái)熱備份服務(wù)器各有2塊網(wǎng)卡，其中一塊作網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)使用，另一塊網(wǎng)卡專門用于兩臺(tái)服務(wù)器間的通信使用，它們通過一個(gè)普通網(wǎng)絡(luò)交叉線相連，這根交叉線叫作服務(wù)器的心跳線。安裝在兩臺(tái)服務(wù)器上的軟件通過心跳線來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)方的運(yùn)行狀態(tài)。一旦正在工作的主服務(wù)器因?yàn)殡娫词?、主要部件失效或者啟?dòng)盤失效等導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生故障，心跳線會(huì)反映給備份服務(wù)器，后者可以立即投入工作。這樣可以最迅速和最大限度地保證網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)的正常運(yùn)行，這一過程稱為“心跳檢測(cè)”。這兩塊作服務(wù)器間通信使用的網(wǎng)卡IP地址盡量不要與另兩塊設(shè)在同一網(wǎng)段上。

為保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)能夠保存到可靠的磁盤上，本系統(tǒng)采用了3塊硬盤組成的磁盤陣列作為存儲(chǔ)設(shè)備。它有2根專用數(shù)據(jù)線分別與2臺(tái)服務(wù)器相連。兩臺(tái)服務(wù)器及磁盤陣列聯(lián)結(jié)如圖4。設(shè)備連接好后，使用一個(gè)雙機(jī)熱備軟件rose進(jìn)行兩臺(tái)服務(wù)器及磁盤陣列的配置。兩臺(tái)服務(wù)器安裝好rose軟件后，可選擇在其中任一臺(tái)上進(jìn)行配置。

3.串口服務(wù)器配置

使用串口服務(wù)器的原因有兩個(gè)：一是每臺(tái)服務(wù)器自身串口不夠，而連接的串口設(shè)備較多，需要擴(kuò)展串口數(shù)量；二是一套串口設(shè)備要兩臺(tái)服務(wù)器都能使用。

串口服務(wù)器設(shè)備選用DiGATTO I/OLAN終端服務(wù)器，它是一款基于TCP/IP協(xié)議的通信服務(wù)器，包含4個(gè)RS232串行口、一個(gè)100M/10M自適應(yīng)的以太口，所有串行數(shù)據(jù)可以通過以太口進(jìn)行收發(fā)，并可通過以太口或串行口1進(jìn)行調(diào)試或設(shè)置。將其IP地址設(shè)到服務(wù)器同一個(gè)網(wǎng)段，再通過串口映射器軟件com port over tcp/ip將1、2、3、4 號(hào)串口仿真成服務(wù)器的 4、5、6、7 號(hào)串口。

串口設(shè)備連接要與專業(yè)應(yīng)用軟件端口設(shè)置相對(duì)應(yīng)。將負(fù)責(zé)GSM短信發(fā)送的短信模塊端口設(shè)置成com4，負(fù)責(zé)接收各測(cè)站數(shù)據(jù)的北斗衛(wèi)星通信模塊、GSM通信模塊端口分別設(shè)置成 com5、com6。

4.洪水預(yù)報(bào)軟件中的參數(shù)配置

洪水預(yù)報(bào)軟件自動(dòng)調(diào)用專用動(dòng)態(tài)外國(guó)鏈接庫(kù)及相應(yīng)的參數(shù)文件（主要有流域特征文件、預(yù)報(bào)參數(shù)文件、蒸發(fā)文件），從相應(yīng)的年份子目錄中讀取最近的初始土壤含水量資料，并直接從水情數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取雨量、流量資料，計(jì)算完成后可將預(yù)報(bào)成果存入數(shù)據(jù)庫(kù)，用圖形方式顯示預(yù)報(bào)成果。要保障系統(tǒng)準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，第一次正確配置至關(guān)重要。

①軟件重新安裝后需修改系統(tǒng)數(shù)據(jù)源配置文件Podbc.ini，這樣軟件才能正確讀取服務(wù)器中的雨量、流量等信息。將其中默認(rèn)的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器IP地址設(shè)為本系統(tǒng)雙機(jī)熱備份服務(wù)器對(duì)外提供的虛擬IP地址。

②在站名、站碼、站號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系文件中分別按雨量站、流量站、流量控制站配置相應(yīng)測(cè)站的站名、站碼、站號(hào)。

③在流域特征文件中分別設(shè)置流域塊、控制站及下屬單元和各單元集雨面積、單元流域內(nèi)所設(shè)立的測(cè)站號(hào)、權(quán)重。由于本系統(tǒng)含有武都水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)和綿陽(yáng)城市洪水預(yù)報(bào)兩個(gè)預(yù)報(bào)功能，因此需要分別配置它們各自的流域特征文件。

武都水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)將整個(gè)流域分成2個(gè)小流域塊，分別由南壩、壩上測(cè)站作控制站，進(jìn)行流量校正；第一個(gè)流域塊又細(xì)分為集雨面積分別為 500 km2、400 km2的2個(gè)單元；第二個(gè)庫(kù)區(qū)流域塊只有1個(gè)570 km2單元。每個(gè)單元所轄的測(cè)站因代表的集雨面積不同而設(shè)置不同的權(quán)重，各單元內(nèi)測(cè)站權(quán)重之和為1。武都水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)流域塊、單元及測(cè)站關(guān)系如圖5所示。

④在模型系數(shù)文件中設(shè)置相關(guān)參數(shù)。

三、結(jié) 語(yǔ)

圖5 武都水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)流域塊、單元及測(cè)站關(guān)系圖

武都水庫(kù)水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)于2006年6月建成投入運(yùn)行，至今已穩(wěn)定運(yùn)行多年，在歷年的防汛工作中，都比較全面準(zhǔn)確地收集了所需的水雨情信息，較為準(zhǔn)確地作出了洪水預(yù)報(bào)，發(fā)揮了系統(tǒng)應(yīng)有的設(shè)計(jì)功能，起到了重要作用。系統(tǒng)建成之后，在運(yùn)行過程中出現(xiàn)一些問題是難免的，只能順著信息流轉(zhuǎn)鏈條往前查找，直到找到故障源頭。通過了解水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)與武引其他信息化子系統(tǒng)的關(guān)系，弄清它們之間的信息流轉(zhuǎn)，有利于站在全局的高度統(tǒng)籌進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置及日常管理維護(hù)。通過了解水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)構(gòu)成、功能結(jié)構(gòu)及內(nèi)部子系統(tǒng)間的信息流轉(zhuǎn)，掌握關(guān)鍵技術(shù)，便于迅速查找和確定系統(tǒng)異?；蚬收喜考?，為解決問題提供依據(jù)。也只有這樣，才能更好地提高對(duì)于系統(tǒng)的維護(hù)管理水平，從而使水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)更好地發(fā)揮作用。

[1]水利部水利信息中心，北京金水信息技術(shù)有限公司.全國(guó)水利信息化規(guī)劃（“金水工程”規(guī)劃）[R].2003.

[2]電力工業(yè)部成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.水利水電工程水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)定[S].1996.

[3]DL/t1014-2006水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)規(guī)程[M].北京：中國(guó)電力出版社，2007.