北疆水庫水情自動測報系統(tǒng)改造設計

(新疆伊犁河流域開發(fā)建設管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

北疆恰海水庫水情自動監(jiān)測報告系統(tǒng)建于2002年，投入運行后，實現(xiàn)了水、雨數(shù)據(jù)的實時、快速傳輸，并進行了準確的預測和計算。在蓄水、連續(xù)重大洪水和特大洪水過程中，均能及時、準確地預報水情，為水庫防洪調度提供了科學合理的基礎數(shù)據(jù)，為防洪減災作出貢獻。

1 系統(tǒng)概況

北疆恰海水庫水情自動測報系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用SQLServer2000,采用B/S結構實現(xiàn)基于Web方式的應用功能，具有實時數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、系統(tǒng)配置、圖表生成等功能。建設規(guī)模為1∶6∶42，即1個中心站、6個中繼站、42個遙測水情站,系統(tǒng)由中心站、中繼站和遙測站組成，通信方式為超短波，無信道冗余。中心站負責接收遙測站傳送來的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行存儲、檢索、處理、顯示和分析，為防洪、調度提供決策依據(jù)；中繼站負責信號轉發(fā)；遙測站主要完成對水位、雨量、氣溫參數(shù)的采集、存儲，并通過超短波電臺通信設備向中繼站、中心站傳送數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)的功能和存在的問題

由于當時通信條件和其他技術條件的限制，北疆水庫水情自動測報系統(tǒng)經過連續(xù)12年的運行，該系統(tǒng)存在以下問題：

a.通信信道質量下降。隨著區(qū)域經濟建設的發(fā)展和人類活動的增加，特別是庫克蘇中繼站，超短波通信信道的質量受到一定程度的影響，傳輸數(shù)據(jù)經常丟失。

b.單數(shù)據(jù)傳輸通道。由于當時通信技術的影響，不存在冗余信道和備份信道，影響了實時數(shù)據(jù)采集，降低了系統(tǒng)的通暢率。

c.設備常年在野外使用，設備出現(xiàn)了不同程度的老化，蓄電池饋電、信號突然中斷、遙測儀數(shù)據(jù)亂碼,系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到一定的影響。

d.系統(tǒng)采用的技術和平臺由于其依賴指定版本的操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫軟件和辦公軟件，系統(tǒng)部分硬件停產，導致系統(tǒng)無法升級。

e.目前運行數(shù)據(jù)采集、通信、數(shù)據(jù)庫存儲和預報應用的服務器、系統(tǒng)工作站等設備運行負擔較重。

f.系統(tǒng)軟件功能不完整，如涉及安全的身份認證和報警功能，涉及業(yè)務應用的水文預報功能。

g.系統(tǒng)整體的可靠性、數(shù)據(jù)傳輸暢通率、設備的可維護性、數(shù)據(jù)的實時性和精度等關鍵性指標不能完全滿足智能水情自動測報系統(tǒng)要求。

3 水情自動測報系統(tǒng)的改造設計

3.1 升級設計總體要求

水情監(jiān)測預報系統(tǒng)需要準確、及時、可靠的流域水雨情信息。作為局部改造的一部分，通過升級傳感器設備、數(shù)據(jù)采集設備、數(shù)據(jù)遠程通信終端設備、系統(tǒng)通信網(wǎng)絡等，對水情監(jiān)測與報告系統(tǒng)進行升級，數(shù)據(jù)精度、數(shù)據(jù)暢通率可以達到更高的精度。該系統(tǒng)支持IEC61850標準通信協(xié)議，可以訪問控制中心的高速數(shù)據(jù)總線，與其他相關系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)，為洪水預報、防洪調度和發(fā)電調度提供科學、準確、詳細的基礎數(shù)據(jù)支持。數(shù)據(jù)庫表結構符合《水情信息編碼標準》(SL 330—2011)和《實時雨水情數(shù)據(jù)庫結構和標識符標準》(SL 323—2005)。

3.2 系統(tǒng)總體結構

遙測站網(wǎng)：雙通道通信網(wǎng)絡是當前水文遙測系統(tǒng)的主要通信組網(wǎng)方式，也是當前水文編碼的要求。整個遙測系統(tǒng)網(wǎng)絡應采用GPRS/短消息信道、北斗衛(wèi)星雙信道通信組網(wǎng)模式，各遙測站采用雙信道建設模式，各站數(shù)據(jù)通過GPRS/短消息信道和北斗衛(wèi)星模式發(fā)送到控制中心。組網(wǎng)結構見圖1。

圖1 測站組網(wǎng)結構示意圖

數(shù)據(jù)采集：控制中心部署數(shù)據(jù)采集軟件和設備，并根據(jù)需要配置相應的網(wǎng)絡、通信服務器、數(shù)據(jù)庫服務器等。遙測站數(shù)據(jù)通過GPRS/GSM、北斗衛(wèi)星發(fā)送到控制中心的采集服務器，并通過通信服務器傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫服務器。對數(shù)據(jù)進行處理和分析，進行洪水預報。數(shù)據(jù)采集部分結構見圖2。

圖2 水情測報系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集部分結構示意圖

3.3 系統(tǒng)工作體制

采用自報式工作體制。

3.4 系統(tǒng)技術指標

3.4.1 集成性

系統(tǒng)中的每個功能模塊應該是相對獨立的，任何功能模塊的失效都不應導致其他功能模塊的失效。各功能模塊應盡可能遵循統(tǒng)一開放的集成標準，以實現(xiàn)各軟件模塊的方便集成。現(xiàn)場遙測站應將數(shù)據(jù)采集器(RTU)、通信設備、傳感器適配器、太陽能充電裝置等集成到標準底盤中。傳感器、天線和太陽能電池板等外部設備可通過遙測終端上的標準接口(或封閉入口)進行訪問。

3.4.2 開放性和可擴展性

系統(tǒng)應采用開放式技術和標準。在硬件方面，標準設備應便于交換，并為系統(tǒng)增加新設備；在軟件方面，應便于系統(tǒng)軟件和應用軟件的擴展和升級。

3.4.3 數(shù)據(jù)實時性

整個水文遙測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)應在5min內采集。在可靠性方面，遙測數(shù)據(jù)采集、傳輸和接收的完成率不小于95%。遙測系統(tǒng)設備MTBF≥25000h，中央計算機系統(tǒng)設備MTBF≥35000h。在不阻塞率方面，水文遙測系統(tǒng)在規(guī)定條件下，在規(guī)定時間內采集數(shù)據(jù)時，每月平均暢通率為不小于98%。就維修性而言，MTTR的平均維修時間通常為20min。設備故障數(shù)據(jù)收集器應該能夠在本地日志中記錄或遠程提取。硬件上有不相連的點，便于測試和隔離故障?？墒褂迷谑袌錾腺徺I的標準電子、電氣和機械部件，以確保系統(tǒng)的長期可用性。

3.5 系統(tǒng)功能

3.5.1 遙測數(shù)據(jù)采集

能夠測量和收集以下物理量：降雨量、水位、流量、電池電壓、太陽能充電狀態(tài)、視頻數(shù)據(jù)(靜態(tài)或動態(tài)圖像)；遙測站的RTU應支持接入符合以下接口或協(xié)議的傳感器：4-20MA、格雷碼、SDI-12、RS232、RS485、脈沖信號、頻率信號(1-2kHz)、Modbus協(xié)議；對于基本水文數(shù)據(jù)，系統(tǒng)收集的最小頻率不應超過5min一次。

3.5.2 遙測數(shù)據(jù)傳輸

遙測站和數(shù)據(jù)中心站應支持基于以下通信信道的數(shù)據(jù)傳輸：北斗衛(wèi)星、GPRS(中國移動通用無線分組業(yè)務)、CDMA1X(中國電信寬帶業(yè)務)、SMS(短消息)、VHF(超短波)、PSTN(公共電話交換網(wǎng))?；谏鲜鲂诺赖牟杉δ鼙仨氃谝粋€程序中實現(xiàn)，不能分成多個程序。

3.5.3 中央臺站的數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集軟件應該是基于開放的模塊化設計，這樣可以方便地擴展未來可能使用的其他通信通道或協(xié)議，而不需要調整現(xiàn)有的總體結構。配置正確的通信設備和傳輸信道，以接收由遙測站發(fā)送到中心站的原始消息。它集成了各種通信信道驅動程序和通信協(xié)議，可以與通信設備交互，解碼接收到的原始消息，獲取實際數(shù)據(jù)。具有與后臺數(shù)據(jù)庫的接口，實現(xiàn)接收實時數(shù)據(jù)寫入后臺數(shù)據(jù)庫。遠程呼叫遙測站具有當前數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)傳輸，修改遙測站關鍵運行參數(shù)，下載程序等功能。

3.5.4 遙測站的功能要求

考慮到目前的應用和未來的擴展，遙測站軟件應該支持不少于10個傳感器，并且可以設置傳感器的自動采集間隔。所有收集到的數(shù)據(jù)都應用時間刻度存儲，數(shù)據(jù)存儲的時間尺度應與收集數(shù)據(jù)的時間尺度相同。傳感器數(shù)據(jù)可以在一定的時間間隔內發(fā)送到中心站，并且可以設置自報間隔。支持超限消息。遙測站在判斷數(shù)據(jù)傳輸失敗時，應能將所有未成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)存儲在非易失性介質中，等待通信信道恢復正常。必須能夠提供基于北斗衛(wèi)星的定時功能。支持RTU參數(shù)設置和通過PC、筆記本計算機或其他PDA終端進行程序更新。

3.5.5 數(shù)據(jù)接收和處理軟件需要具備的功能

可以采集各種通信系統(tǒng)(如衛(wèi)星、超短波系統(tǒng)等)的雨水信息，檢查數(shù)據(jù)的合理性，糾正誤差，自動分類存儲在數(shù)據(jù)庫中。接收到的水文數(shù)據(jù)實時計算并存儲在數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)庫分別建立實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫。統(tǒng)計不阻塞率、通信時間、原始數(shù)據(jù)和各種組合查詢；遙測站設置、故障監(jiān)測、報警和工作狀態(tài)監(jiān)測、信號減少或中斷報警；數(shù)據(jù)網(wǎng)絡存儲和安全管理；各種圖形、報表生成、顯示、打印和報表管理；用戶手動修改，輸入數(shù)據(jù)接口。

3.5.6 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)軟件要求實現(xiàn)的功能

遙測站點屬性的定義，每個站點的添加、修改、刪除，系統(tǒng)接口的定義和過濾參數(shù)的定義；數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)被查詢、檢查、手動修改(設置權限)，數(shù)據(jù)的手動輸入、插值、備份和加載等。繪制雨量條圖、等值線圖、水位流量關系曲線、水位和水庫容量曲線，并與洪水預報和水庫調度系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進行共享。數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)備份和數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)恢復管理。

3.5.7 數(shù)據(jù)庫管理需要的功能

進行實時遙測數(shù)據(jù)庫和雨水數(shù)據(jù)庫的選擇；進行基于表和關鍵詞的簡單查詢；對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行添加、刪除、修改等日常維護；提供圖形人機界面，保存工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，刪除工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，備份數(shù)據(jù)庫，清除事務日志。對于人工觀測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)提供了人工觀測數(shù)據(jù)插值的接口。提供圖形人機界面，提供數(shù)據(jù)存儲程序，具有識別不合理數(shù)據(jù)和處理能力。

4 結 語

北疆恰海水庫水情自動測報系統(tǒng)在水庫防汛調度中發(fā)揮著不可替代的作用，為充分發(fā)揮水庫的防汛抗旱作用，使水庫管理人員科學調度,該測報系統(tǒng)改造在總體設計上本著綜合分析、揚長避短、合理規(guī)劃、優(yōu)化設計的原則,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠、技術先進,并兼顧系統(tǒng)籌建運行的經濟性，能夠及時準確地為防汛和發(fā)電調度提供科學的依據(jù)。