淺談鐵路降雨量自動(dòng)觀測系統(tǒng)

程馳，徐學(xué)存

(中國鐵道科學(xué)研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081)

淺談鐵路降雨量自動(dòng)觀測系統(tǒng)

程馳，徐學(xué)存

(中國鐵道科學(xué)研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081)

為了減少降雨對重載鐵路行車安全的影響，針對蒙西運(yùn)煤通道的實(shí)際需求，本文提出建立一套可以實(shí)時(shí)監(jiān)控降雨量的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)降雨量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)觀測、標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)中心搭建和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳等功能，以達(dá)到提前預(yù)警的目的，最大程度降低運(yùn)營安全風(fēng)險(xiǎn)。

降雨量；自動(dòng)觀測

目前，為了緩解國家資源分布不均、東部能源使用緊張的情況，國家正在加速建設(shè)高速重載貨運(yùn)鐵路，將要開工建設(shè)的高速重載鐵路(蒙西運(yùn)煤通道)將極大緩解我國煤炭資源運(yùn)輸?shù)木o張情況。重載鐵路蒙西運(yùn)煤通道線路長，沿線跨越7省區(qū)，氣候環(huán)境、降雨量等差異較大，特別是湖北、湖南、江西等地降雨季節(jié)較長，降雨強(qiáng)度較大，加之南方地區(qū)河網(wǎng)密布，地基條件多以軟土路基為主，長時(shí)間的持續(xù)降雨容易造成重載鐵路軟土路基沉降和河道沖刷，嚴(yán)重影響重載鐵路行車安全，造成安全和環(huán)境隱患。為了減少降雨對重載鐵路行車安全的影響，需要建立起一套可以實(shí)時(shí)監(jiān)控降雨量的系統(tǒng)，以達(dá)到提前預(yù)警，最大程度降低運(yùn)營安全風(fēng)險(xiǎn)。

目前在鐵路建設(shè)、運(yùn)營領(lǐng)域，還沒有專門的針對降雨量自動(dòng)監(jiān)控的比較成熟的、具備一定規(guī)模的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)系統(tǒng)，本文主要是結(jié)合科研課題針對蒙西運(yùn)煤通道的實(shí)際需求，在監(jiān)控系統(tǒng)的降雨量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)觀測、標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)中心搭建和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳方面進(jìn)行重點(diǎn)研發(fā)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)概述

本文研究的雨量自動(dòng)觀測系統(tǒng)主要采用雨量計(jì)作為現(xiàn)場測量儀器，就地收集數(shù)據(jù)，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行撥號接入互聯(lián)網(wǎng)，將現(xiàn)場設(shè)備接口模擬至特定的服務(wù)器，計(jì)算機(jī)通過接入互聯(lián)網(wǎng)訪問該服務(wù)器，將虛擬的端口再映射到本地，從而實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場設(shè)備的直接通信。

2 系統(tǒng)設(shè)備組成

本雨量自動(dòng)觀測系統(tǒng)主要包括硬件組成及數(shù)據(jù)中心兩部分。

其中硬件組成包括：雨量計(jì)、自控設(shè)備、GPRS無線信號傳輸裝置以及太陽能蓄電池供電裝置；數(shù)據(jù)中心主要是計(jì)算機(jī)或其他終端可以通過程序接受/發(fā)送數(shù)據(jù)，最終將硬件收集的信息反饋給客戶端軟件使用者，以實(shí)現(xiàn)程序編寫、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳等功能。

3 系統(tǒng)工作原理

雨量計(jì)將降雨量這一物理量轉(zhuǎn)換成模擬數(shù)字信號傳輸至自控設(shè)備，自控設(shè)備對模擬數(shù)字信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換、計(jì)算，結(jié)果存儲(chǔ)在自控設(shè)備中。當(dāng)需要發(fā)送降雨量信息時(shí)，自控設(shè)備將降雨量數(shù)據(jù)送至與之相連的SIM卡上以數(shù)據(jù)的形式發(fā)出。

當(dāng)數(shù)據(jù)中心客戶端收到SIM卡發(fā)出的數(shù)據(jù)信息后，會(huì)通過相應(yīng)的軟件自動(dòng)將收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行判斷、處理。同時(shí)，通過軟件也可向自動(dòng)觀測設(shè)備發(fā)送相應(yīng)的指令信息。當(dāng)觀測設(shè)備收到相應(yīng)的指令信息后會(huì)自動(dòng)將收到的信息送至與之相連的自控設(shè)備，自控設(shè)備對收到的指令信息進(jìn)行判斷，然后完成相應(yīng)的操作。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

雨量自動(dòng)觀測系統(tǒng)的硬件主要由雨量計(jì)、自控設(shè)備、太陽能供電裝置組成。自控設(shè)備主要由數(shù)據(jù)處理模塊、無線傳輸模塊組成，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、開關(guān)量輸出/輸入、串行通信接口等功能。

(1)本自動(dòng)觀測系統(tǒng)選用的是翻斗式雨量計(jì)：該雨量計(jì)是由感應(yīng)器及信號記錄器組成的遙測雨量儀器，感應(yīng)器由承水器、上翻斗、計(jì)量翻斗、計(jì)數(shù)翻斗、干簧開關(guān)等構(gòu)成；記錄器由計(jì)數(shù)器、錄筆、自記鐘、控制線路板、信號輸出端子等構(gòu)成。

(2)數(shù)據(jù)處理模塊主要是由智能數(shù)據(jù)采集分析模塊(RTU)、AD轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等，完成對模擬信號的AD轉(zhuǎn)換、計(jì)算、存儲(chǔ)、顯示等操作。雨量自動(dòng)觀測點(diǎn)位大多地處偏僻地區(qū)，普遍無法實(shí)現(xiàn)交流供電，針對這種問題，本雨量觀測系統(tǒng)采用太陽能電池板+蓄電池的直流供電方式。太陽能電池只能在光照下給蓄電池充電，而系統(tǒng)在必要時(shí)需要連續(xù)工作，因此設(shè)備必須盡可能降低對蓄電池電能的消耗。

(3)無線傳輸模塊(DTU)主要是指GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸模塊及其與數(shù)據(jù)采集分析模塊(RTU)連接的接口電路，完成數(shù)據(jù)信息的發(fā)送和接收任務(wù)。GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸模塊內(nèi)安裝一張開通GPRS功能的SIM卡。監(jiān)控系統(tǒng)通過GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸模塊與上位機(jī)終端服務(wù)器組成一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。

5 系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心

針對整套降雨量自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，其核心部分是搭建一套完整的數(shù)據(jù)中心，以實(shí)現(xiàn)程序編寫、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳等功能。

數(shù)據(jù)中心主要包含三個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)：①建立一個(gè)可以接收遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的服務(wù)器系統(tǒng)，包含編寫一個(gè)接口程序以及數(shù)據(jù)庫等；②編寫基于本設(shè)計(jì)服務(wù)器系統(tǒng)的訪問客戶端，客戶端包括計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序、基于互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器的頁面、智能手機(jī)終端應(yīng)用3種不同類型；③編寫一個(gè)計(jì)算機(jī)演示程序，可在脫機(jī)狀態(tài)下展示本設(shè)計(jì)服務(wù)器系統(tǒng)的全部功能。

根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，數(shù)據(jù)中心擬按照如下總體框架搭建，主要包括服務(wù)器系統(tǒng)和演示程序兩部分。

6 系統(tǒng)主要功能

6.1 滑坡預(yù)警

根據(jù)鐵路沿線布設(shè)的雨量自動(dòng)觀測系統(tǒng)，在一個(gè)地區(qū)的滑坡易發(fā)區(qū)劃或危險(xiǎn)區(qū)劃，結(jié)合降雨臨界值，可以設(shè)定不同的預(yù)警級別，實(shí)時(shí)監(jiān)測雨量加上該區(qū)域預(yù)報(bào)雨量，就可進(jìn)行滑坡預(yù)警預(yù)報(bào)。

利用密集布設(shè)的雨量自動(dòng)觀測點(diǎn)位，即可在鐵路運(yùn)行期間提前進(jìn)行警示 (尤其當(dāng)有極端氣候條件出現(xiàn)時(shí))，可以為鐵路運(yùn)營單位有針對性地采取臨災(zāi)措施提供有力的幫助。

6.2 路基沉降預(yù)警

長時(shí)間的持續(xù)降雨容易造成重載鐵路軟土路基沉降和河道沖刷，嚴(yán)重影響重載鐵路行車安全，造成安全和環(huán)境隱患。

針對鐵路沿線特別是松軟路基及易積水路段，結(jié)合路基沉降觀測設(shè)備，可以根據(jù)雨量觀測點(diǎn)位布設(shè)的某段具體線路，精確進(jìn)行路基沉降預(yù)警。

6.3 地下水文情況變化趨勢分析

根據(jù)數(shù)據(jù)中心客戶端軟件可對水文情況變化趨勢進(jìn)行分析，主要包括隧道排水量～降雨量相關(guān)性分析、地表水水位～降雨量相關(guān)性分析等。

7 系統(tǒng)應(yīng)用效果及前景

(1)利用該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對水位、流量、雨量進(jìn)行自動(dòng)數(shù)據(jù)采集，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)無線傳輸至數(shù)據(jù)中心客戶端軟件。投入使用后可大幅提高雨量自動(dòng)觀測系統(tǒng)工作的效率，并可以節(jié)省大量人工成本。

(2)雨量自動(dòng)觀測系統(tǒng)由現(xiàn)場設(shè)備、數(shù)據(jù)采集與無線傳輸模塊、計(jì)算機(jī)等硬件組成，并通過數(shù)據(jù)中心軟件實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)與分析，并提供給用戶訪問。

(3)通過拓展傳感器、測量儀器，結(jié)合地理位置信息，進(jìn)一步開發(fā)數(shù)據(jù)中心客戶端功能后，該系統(tǒng)還可應(yīng)用于各種需要進(jìn)行遠(yuǎn)程無線環(huán)境監(jiān)測的場合，是目前鐵路建設(shè)、運(yùn)營期間環(huán)境監(jiān)控工作值得推廣的一種自動(dòng)化系統(tǒng)。

[1] 張瑞芳，黃忠平，劉峰，等.基于GPRS的客車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].鐵道機(jī)車車輛，2010，4(30)：40-45.

[2] 劉志雄，余臻，陳燕萍.GPRS DTU數(shù)據(jù)中心的通信設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2007(12)：26-29.

[3] 王志偉，沈杰峰，郭啟峰，等.基于Socket 的GPRS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集方法[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006(25)：36-38.

[4] 黃金國.基于web技術(shù)GPRS技術(shù)的遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2011，10(3)：40-42.

[5] 羅云燕.水情遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都:西南交通大學(xué), 2002.

Discussion of Rainfall Automatic Monitoring System in the Railway Operation Period

CHENG Chi，XU Xuecun

(EnergySaving&EnvironmentalProtection&OccupationalSafetyandHealthResearchInstitute,
ChinaAcademyofRailwaySciences,Beijing100081,China)

In order to reduce the impact of rainfall on the railway safety and to meet the actual demand of the Mengxi heavy load railway, it is necessary to establish a real-time rainfall monitoring system, which has functions as rainfall data real-time observation, standardized data center and data upload.This paper is about the research of the rainfall automatic monitoring system, and to reach the achievements of early warning and operational safety.

rainfall; automatic observation

2015-12-29；

2016-01-13

中國鐵道科學(xué)研究院青年基金項(xiàng)目《重載鐵路(蒙西運(yùn)煤通道)沿線雨量自動(dòng)觀測系統(tǒng)研發(fā)報(bào)告》(編號：2014YJ034)。

程馳(1984—)，男，河南洛陽人，碩士，助理研究員，主要從事鐵路項(xiàng)目施工期環(huán)境監(jiān)控和鐵路項(xiàng)目竣工環(huán)境保護(hù)驗(yàn)收調(diào)查工作。

2095-1671(2016)01-0008-03

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