重慶地區(qū)氣泡式水位雨量圖像一體站的施工選型設(shè)計

李忠芬1，徐嘯宇

(1.重慶博通水利信息網(wǎng)絡(luò)有限公司，重慶 401121；2.國網(wǎng)重慶綜合能源服務(wù)有限公司，重慶 401121)

氣泡式水位雨量圖像一體站是安裝在受洪災(zāi)影響較大的集鎮(zhèn)、重點河段、中小型水庫、重要塘壩、低洼區(qū)域等野外重要防洪部位，實現(xiàn)實時雨量、水位、圖像等水雨情信息自動采集和遠程傳輸?shù)难b置，克服了在極端暴雨氣候、洪災(zāi)時人員無法進行現(xiàn)場監(jiān)測的局限性，大大提高了監(jiān)測的實時性、準確性和數(shù)據(jù)完整性，并極大地降低了人力成本。

對于安裝在重慶地區(qū)野外重要防洪部位的氣泡式水位雨量圖像一體站，其監(jiān)測信息是重慶市水情預報的基礎(chǔ)，是防汛抗旱搶險等重要決策的支撐，為確保監(jiān)測信息的可靠性、準確性、穩(wěn)定性，應(yīng)根據(jù)重慶地區(qū)地理氣象特點對氣泡式水位雨量圖像一體站進行合理設(shè)計，使之能夠長期適應(yīng)野外的惡劣環(huán)境，以及洪災(zāi)等不利條件帶來的影響。

1 組成原理及功能

氣泡式水位雨量圖像一體站以無人值守模式自動運行，采用自報式、查詢-應(yīng)答式相結(jié)合的遙測方式，定時自報、事件加報和召測兼容的工作體制；它是以數(shù)據(jù)圖像遙測終端RTU為核心，配置有測量設(shè)備(氣泡式水位計、翻斗式雨量計等)、圖像設(shè)備(高清網(wǎng)絡(luò)數(shù)字攝像機)、通信終端、電源系統(tǒng)、防雷接地系統(tǒng)等，詳見圖1；它還配置有簡易水尺，實現(xiàn)定時拍照和遠程抓拍功能，并且由RTU根據(jù)水位變化自動調(diào)整拍照頻率，照片、水位、雨量等信息全部通過GPRS、北斗衛(wèi)星傳輸?shù)街付ǖ囊粋€或多個遠程中心平臺上；為實現(xiàn)人工觀測水位數(shù)據(jù)的傳輸，RTU支持人工置數(shù)器。

圖1 氣泡式水位雨量圖像一體站組成示意圖

氣泡式水位雨量圖像一體站采取定時采集(水位、圖像)和觸發(fā)采集(雨量)相結(jié)合的方式自動獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，實時雨量、水位、圖像及測站設(shè)備狀態(tài)等信息通過GPRS、北斗衛(wèi)星等方式采取定時自報、事件加報、召測(查詢-應(yīng)答)兼容的工作機制自動上傳到指定平臺，實現(xiàn)自動采集和自動遠距離傳輸，全程無須人工干預。正常情況下，水位根據(jù)提前設(shè)置的時間間隔(水位5 min/次,時間間隔可任意設(shè)定)定時采集數(shù)據(jù)；圖像采取定時抓拍(圖像1 h/次，時間間隔可任意設(shè)定)和自主抓拍方式(雨量或水位變化超過設(shè)定值)獲取圖像，雨量采取觸發(fā)方式自動采集，當雨量發(fā)生了0.5 mm變化時就觸發(fā)一次采集；在雨量變化達到設(shè)定時，也會自動觸發(fā)采集圖像和水位。實時雨量、水位、圖像及測站設(shè)備狀態(tài)等信息采取每隔1 h自動上報；當雨量或水位變化超過設(shè)定閾值測站自動增加報訊。

RTU遙測終端是氣泡式水位雨量圖像一體站的核心，主要完成氣泡式水位雨量圖像一體站工作流程控制、前端傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理存儲、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

測量設(shè)備主要由氣泡水位計、翻斗式雨量計、人工置數(shù)器等組成，承擔水位、雨量等監(jiān)測信息感知。其中氣泡式水位計由內(nèi)部的活塞泵產(chǎn)生的壓縮空氣流經(jīng)測量管和氣泡室，進入被測的水體中，測量管中的靜壓力P與氣泡室上的水位高度h成正比(P=ρgh)；通過測定大氣壓和氣泡壓力，取兩個信號之間的差值，計算出氣泡室上面的水位高度；氣泡式水位計安裝簡單，操作、組網(wǎng)靈活，是遙測系統(tǒng)中的水位監(jiān)測,尤其是無井水位測量最理想的水位監(jiān)測儀器，詳見圖2。

圖2 氣泡式水位計組織示意圖

圖像設(shè)備由高清網(wǎng)絡(luò)數(shù)字攝像機、補光燈等組成，數(shù)字攝像機主要進行監(jiān)測站現(xiàn)場圖像采集功能，補光燈主要用于夜間光源補充。

供電系統(tǒng)是太陽能浮充蓄電池電源系統(tǒng)，由太陽能電池板、充電控制器、蓄電池等組成。

通信終端完成信息傳輸功能，通信方式是GPRS(需要SIM卡)、北斗衛(wèi)星方式(帶北斗衛(wèi)星通信卡)，其中GPRS是主信道，北斗衛(wèi)星作為備用信道，當主信道不通時，自動切換到備用信道發(fā)送。將其串行通信口的信號線接入RTU串行通信口即可。

防雷接地系統(tǒng)由避雷針、信號避雷器、防雷接地系統(tǒng)等組成。

2 施工選型設(shè)計

2.1 RTU遙測終端選型設(shè)計

采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，由主模塊、開關(guān)量模塊、I/U(接入4～20 mA接口傳感器)模塊、RS485傳感器接入模塊、PSTN模塊、調(diào)制解調(diào)模塊、信號輸入防雷模塊等組成，各模塊自帶CPU，具備數(shù)據(jù)處理和故障檢測能力。其中主模塊具備ISP和IAP功能的FLASHROM單片機，可遠程修改、升級芯片程序，從而降低了維護工作量。針對新型接口傳感器，只需針對性地開發(fā)采集模塊，就可很快應(yīng)用，縮短開發(fā)周期。

2.2 測量設(shè)備選型設(shè)計

水位測量一般使用氣泡式水位計，其信號線采用RS485標準接口，接入到RTU的RS485-Ll對應(yīng)端口，使用前需對水位計和RTU進行地址配置，水位傳感器的分辨率≥1 cm，量程根據(jù)實際需要選定。

雨量測量一般使用翻斗式雨量計，盛雨口內(nèi)徑為200 mm，分辨率為0.5 mm，使用前需對雨量計和RTU進行地址配置。翻斗式雨量計采用雙干簧管，共有3根輸出信號線，定義一根為信號線A，另一根為信號線B，公共一根為數(shù)字地線。翻斗式雨量計信號線采用帶有屏蔽層的線纜，進入機箱后其屏蔽層需與機箱外殼做地連接，信號線需先接入防雷模塊，再連接到主模塊中。

2.3 圖像設(shè)備選型設(shè)計

由網(wǎng)絡(luò)高清數(shù)字攝像機和LED補光燈組成。500萬像素以上網(wǎng)絡(luò)高清數(shù)字攝像機，具有自動閃光燈控制功能，在夜里全黑環(huán)境下能清晰拍攝出使用反光材料的水尺圖像，距離≥50 m；LED補光燈應(yīng)是亮度≥500流明，有效距離應(yīng)>50 m的低功耗LED燈。

2.4 通信系統(tǒng)選型設(shè)計

通信設(shè)備應(yīng)當具有工信部頒發(fā)的“電信設(shè)備進網(wǎng)許可證”。采用工業(yè)級標準MODEM，7模全網(wǎng)通模塊，同時支持FDD-LTE，TDD-LTE，WCDMA，CDMA1X，EVDO，GPRS等網(wǎng)絡(luò)通信方式；通過RS-232或RS485與RTU連接，模塊可由RTU通過AT命令操作控制。

2.5 電源系統(tǒng)選型設(shè)計

電源系統(tǒng)由光伏電池板、控制器、蓄電池組成。根據(jù)重慶地區(qū)氣象(日照)特點及系統(tǒng)功耗實際情況，通常系統(tǒng)功耗估算耗電量每天至少采集發(fā)送24次，每次采集時間為30 s，傳輸時間為2 min，在電池電壓12 V時，補光燈600 mA，點亮時間5 s，RTU通信功耗按120 mA計算，RTU按最大值守功耗20 mA算，水位計以最耗電的氣泡水位計日常功耗2 mA算，月耗電量不超過32 Ah?？紤]雨季采集密度增加，其太陽能電池板、蓄電池、充電控制器的選型設(shè)計如下。

1)太陽能電池板選用依據(jù)P=Q×R×K÷(r×s)，P為功率，Q為功耗，R為日供電時間，K為安全系數(shù)，r為日有效供電時間，s為充電效率。選用不小于80 W的單晶硅太陽能電池組件,最大工作電壓17 V，開路電壓21 V；要求光電轉(zhuǎn)換效率不低于20%。

2)蓄電池選用依據(jù)F=Q×R×T÷(V×t)，F(xiàn)為蓄電池容量，Q為功耗，T為陰雨天天數(shù)，V為設(shè)備供電電壓，t充電效率。選用12 V 100 Ah鉛酸免維可充電蓄電池，其工作壽命>5年；保證重慶地區(qū)在連續(xù)陰雨天氣下的工作時間≥45 d，連續(xù)45 d陰雨天氣后能在10～20 d時間內(nèi)將蓄電池充足。

3)當蓄電池電壓<10.8 V時，控制器停止向RTU主模塊供電，同時為蓄電池充電；當蓄電池電壓<13.8 V或>10.8 V時,邊充電邊工作；當蓄電池電壓≥13.8 V，則停止向蓄電池充電。故選用12 V/24 VDC，最大充電電流為8 A(50 ℃)，具有過流、過壓、過充、過放、反極性自動保護功能。

2.6 簡易水位尺設(shè)計

在簡易水尺上標注警戒水位(準備轉(zhuǎn)移)和危險水位(立即轉(zhuǎn)移)，采用黃色線和字標注警戒水位，紅色線和字標注危險水位。

2.7 防雷接地系統(tǒng)設(shè)計

2.7.1 避雷針設(shè)計

購買定型產(chǎn)品或按照《自動氣象站場室防雷技術(shù)規(guī)范》(QX 30—2004)制作加工，避雷針的高度滿足被保護的設(shè)備外緣(或頂端)與避雷針頂端的連接線的水平角>45°，避雷針可安裝在立桿頂部或立桿側(cè)面的焊接支架上，避雷針與立桿之間要可靠絕緣。

2.7.2 接地系統(tǒng)設(shè)計

避雷針接地網(wǎng)按照設(shè)計圖紙要求，并根據(jù)監(jiān)測站周邊土質(zhì)條件確定其接地網(wǎng)建設(shè)方案；接地體角鋼尺寸為50 mm×50 mm×150 mm，把土地挖成50 cm深度的溝槽，將接地體埋設(shè)于地面以下50 cm，如果是在道路邊進行挖溝埋設(shè)，則溝的深度最少挖至80 cm深，然后將長150 cm的角鋼打入地下，避免形成跨步電壓，保證行人的生命安全；接地網(wǎng)的走向根據(jù)監(jiān)測站的具體情況確定建設(shè)方案，但接地電阻≤4 Ω；如果要將避雷針地網(wǎng)和儀器設(shè)備地網(wǎng)做成一個地網(wǎng)，務(wù)必使接地電阻≤4 Ω；儀器設(shè)備避雷接地角鋼20根，將接地電阻降到4 Ω以下；避雷針接地角鋼15根，根與根之間的距離為1.5 m，將接地電阻降到10 Ω以下；連接每根接地體的扁鋼材料尺寸為5 mm×30 mm，監(jiān)測站使用的長度預需40 m(6 m的扁鋼7根)，避雷針機座與儀器箱體機座的中心間距為2.5 m，使儀器設(shè)備達到有效避雷。詳見圖3。

圖3 防雷接地系統(tǒng)施工設(shè)計圖

2.7.3 安裝總圖設(shè)計

氣泡式水位雨量圖像一體站的現(xiàn)場施工包括測站基礎(chǔ)土建、防雷接地系統(tǒng)、氣泡水位計氣源管路敷設(shè)、設(shè)備安裝調(diào)試等工作分項，其現(xiàn)場施工安裝典型設(shè)計詳見圖4。

3 施工選型設(shè)計注意事項

氣泡式水位雨量圖像一體站設(shè)備需長期在重慶地區(qū)野外高溫差(-25～+70 ℃)、雷電、暴雨、冰雹的惡劣氣候條件下工作，為確保其可靠、穩(wěn)定地運行，施工設(shè)計期間，對氣泡式水位雨量圖像一體站的功能、設(shè)備組成、各設(shè)備設(shè)施選型選材等方面應(yīng)特別注意。

圖4 氣泡式水位雨量圖像一體站的施工安裝典型設(shè)計圖

1)氣泡式水位雨量圖像一體站設(shè)備要符合結(jié)構(gòu)簡單、可靠、低功耗、寬電壓適應(yīng)性(6～15 V)的原則，具有RUN-STOP動態(tài)功耗管理功能(不采集不供電)，適用于電池供電場合；同時有防風雨、防雷、抗冰雹、防盜、防破壞、防塵、防銹等措施；所有設(shè)備都能在無人值守的條件下工作。

2)能定時或?qū)崟r地自動采集水位、雨量、圖像等參數(shù)，其采樣間隔可任意設(shè)定。

3)能按定時或事件自報的方式通過主備式通信信道發(fā)送信息，當主發(fā)送通信信道不通時，自動切換到備用發(fā)送通信信道發(fā)送。

4)氣泡式水位雨量圖像一體站設(shè)備應(yīng)能長期在暴雨洪水等惡劣天氣條件下穩(wěn)定、可靠地工作，即便中心站接收設(shè)備出現(xiàn)故障，存儲的數(shù)據(jù)也不丟失。

5)能支持自報、自報-確認、應(yīng)答三種數(shù)據(jù)的通信方式，可混合組網(wǎng)，也可響應(yīng)召測，當接收到測控中心的召測指令，根據(jù)其指令要求將當前值、過去值或所有存貯的數(shù)據(jù)通過指定信道或指定路徑發(fā)送。

6)具備定時自檢上報、死機自動復位、站址設(shè)定、掉電數(shù)據(jù)保護、實時時鐘校準和設(shè)備測試等功能。

7)具有現(xiàn)場或遠程編程能力，可設(shè)置參數(shù)，改變路徑，讀取數(shù)據(jù)；具有人工置數(shù)功能；支持遠程喚醒，響應(yīng)監(jiān)控中心命令；在其休眠狀態(tài)下，監(jiān)控中心可隨時喚醒進行數(shù)據(jù)采集，讀取任意時段自記數(shù)據(jù)或修改其配置信息工作；具有遠程程序升級功能，方便測站的管理和維護。

8)RTU具有一包多發(fā)功能，即數(shù)據(jù)同時向縣級平臺、市水文局水情中心、市防辦、其他特殊要求用戶發(fā)送，以適應(yīng)多系統(tǒng)調(diào)用信息且互不影響。

9)設(shè)備應(yīng)具有全國工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)許可證，通信終端應(yīng)具有工信部頒發(fā)的“電信設(shè)備進網(wǎng)許可證”。

10)供電方式上采用“太陽能+電池”供電方式，同時應(yīng)具有太陽能充放電管理功能，動態(tài)功耗控制。針對重慶實際情況，在無日照情況下，能正常工作30～45 d及以上。

11)野外設(shè)施支架、保護管材、機箱應(yīng)選用熱鍍鋅鋼管，表面噴塑處理，設(shè)備應(yīng)帶全鋁鑄防水外殼，防護等級達到IP66，適應(yīng)野外高溫差、高濕度、暴雨等惡劣工作環(huán)境。

12)監(jiān)測站應(yīng)具有擴展性、端口多樣化，同時各傳感器接口應(yīng)具有防錯插設(shè)計，保證設(shè)備維護人員無須培訓即可對設(shè)備進行更換。

4 結(jié)語

按照上述氣泡式水位雨量圖像一體站的施工選型設(shè)計，2014—2017年共建設(shè)了318個氣泡式水位雨量圖像一體站，其整體運行狀況優(yōu)良，為重慶市水情預報、防汛抗旱搶險等提供了可靠、準確、穩(wěn)定的監(jiān)測信息。

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