水庫(kù)水文無線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

(山西省晉中市瀟河流域管理局, 山西 晉中 030600)

水庫(kù)水文無線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

劉曉俊

(山西省晉中市瀟河流域管理局, 山西 晉中 030600)

本文簡(jiǎn)要分析了水庫(kù)水文自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要內(nèi)容，對(duì)水文無線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)以及自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)、應(yīng)用進(jìn)行了深入分析，結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)提出了自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中存在的問題；并探討了無線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向。

無線數(shù)據(jù)傳輸； 自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)； 自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)

1 前 言

水文自動(dòng)監(jiān)測(cè)通常是指利用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、遙測(cè)技術(shù)等現(xiàn)代科技手段對(duì)江河流域以及水庫(kù)等測(cè)區(qū)內(nèi)的水文信息進(jìn)行自動(dòng)采集、自動(dòng)存儲(chǔ)、自動(dòng)傳輸。我國(guó)自20世紀(jì)70年代中期開始對(duì)水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行研究，隨著傳感器與無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的不斷提升以及水文資料的大量積累，水文自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)在水庫(kù)雨量、水位、流量、泥沙等測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目中得到了廣泛應(yīng)用，為水庫(kù)防洪調(diào)度和水資源合理利用提供了重要決策依據(jù)。

2 水庫(kù)水文自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概述

水庫(kù)工程往往承擔(dān)著防洪、調(diào)度或灌溉供水等關(guān)系到民生的重要任務(wù)，對(duì)水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的精度和預(yù)見期要求較高，簡(jiǎn)單來講，水庫(kù)水文自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由中心站和監(jiān)測(cè)站組成，通過一定的通信通道進(jìn)行信息傳輸，具備信息采集、信息傳輸、信息處理的功能。在實(shí)際工作中，水庫(kù)自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)站通常包括水位站、流量站以及雨量站三種，并且根據(jù)《水文站網(wǎng)規(guī)劃》以及洪水預(yù)報(bào)調(diào)度要求進(jìn)行布設(shè)。水文自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信息傳輸方式非常復(fù)雜，通常情況下監(jiān)測(cè)站采取無人值守的方式運(yùn)行，以無線方式或者有線方式與分中心監(jiān)控機(jī)交換數(shù)據(jù)，分中心站負(fù)責(zé)對(duì)轄區(qū)內(nèi)水文信息進(jìn)行接收、處理、上報(bào)和分發(fā)，并通過光纖鏈路將數(shù)據(jù)傳入中心站，水文自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。數(shù)據(jù)中心對(duì)終端數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，可以判斷監(jiān)測(cè)設(shè)備的工作情況并且遠(yuǎn)程設(shè)置各個(gè)監(jiān)測(cè)單元。對(duì)于位置偏遠(yuǎn)的監(jiān)測(cè)站，還要另外設(shè)立遙測(cè)中繼站，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)發(fā)。監(jiān)測(cè)站一般配備蒸發(fā)器、風(fēng)速風(fēng)向儀、水位計(jì)、閘位計(jì)、雨量計(jì)等監(jiān)測(cè)儀表，RTU、充電器、蓄電池等基礎(chǔ)設(shè)備，其中RTU與各個(gè)傳感器間可以采用有線或者無線的方式連接；分中心站主要由無線通信終端、工控機(jī)、VPN網(wǎng)關(guān)/防火墻、交換機(jī)、服務(wù)器、工作站、激光打印機(jī)、UPS電源等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成；中心站主要?jiǎng)t由VPN網(wǎng)關(guān)/防火墻、交換機(jī)、服務(wù)器、工作站、激光打印機(jī)、UPS電源等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成。

圖1 水文自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 水文無線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與自動(dòng)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 無線通信技術(shù)

由于水庫(kù)防洪需要及時(shí)掌握上游的洪水流量，暴雨以及特大暴雨等信息，水文信息傳遞時(shí)極有可能遇到惡劣的天氣，再加上水文站一般設(shè)在地形復(fù)雜交通不便的地區(qū)，無線數(shù)據(jù)傳輸方式明顯更加適用于水庫(kù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)站可以因地制宜地選擇一種或幾種通信方式。對(duì)于急迫性和時(shí)效性要求較高的水庫(kù)測(cè)區(qū)可以選擇衛(wèi)星通信或者短波結(jié)合衛(wèi)星通信的方式，對(duì)于普通的灌溉測(cè)區(qū)水文信息則可以選擇GSM-SMS、GPRS方式進(jìn)行通信。值得注意的是，在部分地區(qū)曾經(jīng)出現(xiàn)過由于降雨等惡劣天氣導(dǎo)致GSM網(wǎng)絡(luò)通信塔中斷的現(xiàn)象，因此在進(jìn)行系統(tǒng)通信通道建設(shè)時(shí)最好準(zhǔn)備備用通道。

3.1.1 超短波通信

超短波(高頻波VHF)是頻率30～300MHz的無線電波，與短波通信方式不同，不會(huì)被電離層反射，優(yōu)點(diǎn)是受到外界環(huán)境的影響小，通信設(shè)備小巧，采用常用調(diào)頻制即可得到較高質(zhì)量的信號(hào)，建設(shè)成本低。但是這種通信方式會(huì)受到山地等高大建筑的限制，傳播距離短，當(dāng)需要長(zhǎng)距離傳輸時(shí)需要架設(shè)中繼站。

3.1.2 GPRS通信

GPRS是GSM通信方式的延伸，采用封包方式傳輸信息，利用TDMA通道提供中速的數(shù)據(jù)傳遞，傳輸速度比較快，是GSM方式傳輸速度的10倍，能夠達(dá)到56～115kpbs，分組接入時(shí)間小于1s，可以做到隨時(shí)在線。GPRS無線網(wǎng)絡(luò)底層支持TCP/IP協(xié)議，可以與Internet 無縫連接，監(jiān)測(cè)站只需進(jìn)行部分改造即可使用。GPRS通信方式不受監(jiān)測(cè)站地形的限制，但是在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)存在轉(zhuǎn)接延時(shí)問題，而且可能丟失數(shù)據(jù)包。

3.1.3 衛(wèi)星通信

衛(wèi)星通信采用的基本上都是地球同步靜止衛(wèi)星，由于采用L波段而非KU波段通信，幾乎不會(huì)受到雨水的影響。這種通信方式受地形影響很小(高山、深谷會(huì)影響衛(wèi)星通信)，傳輸距離不受限制，覆蓋范圍廣，不需申請(qǐng)專用通道，組網(wǎng)靈活，適用于測(cè)點(diǎn)分布分散、水文信息數(shù)據(jù)量小的測(cè)區(qū)。雖然衛(wèi)星通信的傳輸速率很快，但是建站成本和通信費(fèi)用都較高。目前使用較多的通信衛(wèi)星是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)站在采用衛(wèi)星通信時(shí)，衛(wèi)星數(shù)據(jù)收集平臺(tái)及接收站的天線方向性圖，應(yīng)滿足國(guó)際無線電咨詢委員會(huì)(CCIR)的規(guī)定，即對(duì)于D/λlt;100的天線基準(zhǔn)輻射方向圖提出如下公式:

式中D——天線直徑，m；

G——天線增益，dB；

λ——波長(zhǎng)，m；

φ——與天線主瓣方向的夾角，(°)。

另外，衛(wèi)星數(shù)據(jù)收集平臺(tái)及接收站應(yīng)該避免對(duì)地面無線電路產(chǎn)生干擾或者受到地面無線電路的干擾，所產(chǎn)生的干擾功率應(yīng)符合CCIR有關(guān)規(guī)定的要求。

3.1.4 Zigbee無線通信技術(shù)

Zigbee 技術(shù)是一項(xiàng)嶄新的近距離無線通信技術(shù)，頻段為2.4GHz，采用擴(kuò)頻技術(shù)，功率很低，工作模式下信號(hào)收發(fā)迅速，非工作模式下可以休眠。Zigbee技術(shù)通過安裝于各種監(jiān)測(cè)設(shè)備傳感器上的Zigbee節(jié)點(diǎn)采集水位、雨量等水文信息，各種水文信息經(jīng)處理后由Zigbee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)一步將信息發(fā)送給GPRS網(wǎng)絡(luò)。如果協(xié)調(diào)器與傳感器距離較遠(yuǎn)，可以增設(shè)路由器節(jié)點(diǎn)。Zigbee技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：Zigbee協(xié)議免除專利費(fèi)，傳輸數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)用三級(jí)安全處理；傳輸時(shí)休眠激活時(shí)延15s，搜索設(shè)備一般時(shí)延30s；組網(wǎng)方式靈活，數(shù)據(jù)容量大，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目多；采用基于循環(huán)冗余校驗(yàn)的數(shù)據(jù)包完整性測(cè)試，數(shù)據(jù)傳輸可靠安全。[1]

3.2 水文監(jiān)測(cè)設(shè)備

水文自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的合理選擇是實(shí)現(xiàn)水文數(shù)據(jù)無線監(jiān)測(cè)技術(shù)的重要環(huán)節(jié)。監(jiān)測(cè)站應(yīng)該根據(jù)當(dāng)?shù)氐氖褂脳l件配置相關(guān)雨量、水位、流量監(jiān)測(cè)設(shè)備，力求達(dá)到經(jīng)濟(jì)實(shí)用、維護(hù)方便、安全可靠的要求。目前雨量監(jiān)測(cè)站一般采用翻斗式雨量計(jì)，分辨力通常選擇0.5～1.0mm，如果水庫(kù)主要關(guān)注防洪灌溉，可以考慮采用0.5mm，如果水庫(kù)主要任務(wù)是防洪，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)大暴雨及特大暴雨，可以選擇1.0mm；水位觀測(cè)儀與當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)條件、泥沙條件以及河床穩(wěn)定性、是否結(jié)冰等因素有關(guān)，比如：浮子式水位儀雖然常用于水庫(kù)壩上水位站，但不適用于游蕩性河道。水位儀的種類包括浮子式、壓力式、光電式以及非接觸超聲波式水位觀測(cè)儀；多普勒剖面流速儀(ADCP)用于明渠流量監(jiān)測(cè)，但不能用于多沙河流；管道供水可以使用管道流量計(jì)監(jiān)測(cè)；蒸發(fā)量測(cè)量裝置應(yīng)用得比較少，使用時(shí)應(yīng)該注意不同季節(jié)溫度、風(fēng)浪等因素對(duì)蒸發(fā)情況的影響?？梢酝ㄟ^在蒸發(fā)器外安裝防浪柵格減少蒸發(fā)場(chǎng)內(nèi)的循環(huán)水進(jìn)入蒸發(fā)器，在測(cè)量管里添加網(wǎng)格設(shè)備避免水面波動(dòng)對(duì)讀數(shù)的影響。

3.3 水文無線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)存在的問題及發(fā)展方向

3.3.1 不同RTU的數(shù)據(jù)采集與傳輸

水文自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)經(jīng)過了近30年的發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的水文信息采集方式和傳輸方式。不同廠家生產(chǎn)的RTU( Remote Terminal Unit) 遙測(cè)終端產(chǎn)品各自為陣，造成RTU接口類型、通信協(xié)議和傳輸規(guī)則缺乏統(tǒng)一的規(guī)范，因此，不同的軟件系統(tǒng)間往往無法進(jìn)行順暢的互聯(lián)互通，也不能實(shí)現(xiàn)信息共享。這不僅增加了水文自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)維護(hù)管理的難度，而且給水文信息自動(dòng)監(jiān)測(cè)工作帶來了很大的不便。針對(duì)這個(gè)問題，相關(guān)文獻(xiàn)指出水文自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)具有共性，因此都可以按照業(yè)務(wù)流程分為采集層、交換層和應(yīng)用服務(wù)層，其中采集層是指負(fù)責(zé)收集、存儲(chǔ)、管理數(shù)據(jù)的軟件集合。通過約定采集層和分中心監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)傳輸，以及軟件規(guī)則可以在一定程度上解決不同RTU的信息采集傳輸問題，如圖2所示。

圖2 基于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸約定的采集層框架

因此，應(yīng)該進(jìn)一步推廣和完善水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信規(guī)約，以最終實(shí)現(xiàn)不同廠家的RTU可以互換的目的，增加系統(tǒng)的靈活性和兼容性。[2]

3.3.2 監(jiān)測(cè)設(shè)備問題

在應(yīng)用無線數(shù)據(jù)傳輸與自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的過程中發(fā)現(xiàn)，一些監(jiān)測(cè)儀器的可靠性比較差，存在著返修率高、測(cè)量精度不能滿足要求等問題。比如：氣泡水位計(jì)很難達(dá)到厘米級(jí)的精度，浮子式水位計(jì)的精度稍高但是芯片容易燒壞，翻斗式雨量測(cè)量計(jì)測(cè)量時(shí)容易受到雨強(qiáng)的影響等。所以，實(shí)際工作中有的觀測(cè)項(xiàng)目并沒有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，類似閘門開啟度、蒸發(fā)量等水文信息仍然以人工觀測(cè)為主。因此，提高設(shè)備的精度以及穩(wěn)定性，減少環(huán)境因素對(duì)測(cè)量設(shè)備的影響，以及備用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都是未來研究的重點(diǎn)。

3.3.3 數(shù)據(jù)缺插補(bǔ)存

由于水文資料必須具有連續(xù)性，全年不能中斷，一旦水文自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)生故障，就必須進(jìn)行及時(shí)的搶修，并且將數(shù)據(jù)插補(bǔ)到水文數(shù)據(jù)里。這導(dǎo)致了兩個(gè)方面的問題：?水文自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用的設(shè)備、軟件非常復(fù)雜，如何提高維修速度；?如果中斷缺測(cè)的次數(shù)多，如何插補(bǔ)數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語

隨著社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步，水利部門對(duì)水文信息自動(dòng)監(jiān)測(cè)提出了更高的要求。我國(guó)水文信息自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)雖然取得了一定進(jìn)步，但是實(shí)踐中仍有許多問題沒有解決，因此水文工作者應(yīng)該堅(jiān)持深入研究無線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)以及自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，提高水文監(jiān)測(cè)自動(dòng)化水平與可靠性，更好地滿足水庫(kù)運(yùn)行安全管理要求，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)水文事業(yè)的長(zhǎng)足發(fā)展。

[1] 張洋洋,趙建平,徐娟娟.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J].通信技術(shù),2012(04):108-111.

[2] 胡金龍,莫曉聰,高祥濤,陳寧.基于不同遙測(cè)終端的水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)研究[J].長(zhǎng)江科學(xué)院學(xué)報(bào),2013(10):118-120.

Study of Reservoir Hydrological Wireless Data Monitoring and Automatic Monitoring Technology

LIU Xiao-jun

(Shanxi Jinzhong Xiaohe River Basin Authority, Jinzhong 030600, China)

Main contents in reservoir hydrological automatic monitoring system are briefly analyzed in the paper. Features and applications of hydrological wireless data monitoring and automatic monitoring technology are deeply analyzed. Practical work experience is combined for proposing problems in automatic monitoring system and discussing development direction of wireless data monitoring technology.

wireless data transmission; automatic monitoring system; automatic monitoring technology

TV123

A

1005-4774(2014)12-0066-03