基于GPS的自來水管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計分析

施悅楓

摘 要：如今自來水廠逐漸使用監(jiān)控系統(tǒng)展開管網(wǎng)運維管理，通過結(jié)合GPS技術(shù)的應(yīng)用，優(yōu)化監(jiān)控系統(tǒng)的功能。基于此，本文先分析了GPS監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)勢，然后研究了系統(tǒng)設(shè)計，從系統(tǒng)構(gòu)成、運行原理、功能設(shè)計和消除誤差四個方面進行了具體的分析，以期通過結(jié)合GPS技術(shù)優(yōu)化監(jiān)控系統(tǒng)功能，讓監(jiān)控系統(tǒng)輔助管網(wǎng)管理，提高管理效率，提高自來水廠供水服務(wù)水平。

關(guān)鍵詞：GPS;自來水管網(wǎng);監(jiān)控系統(tǒng)

引言：自來水廠如今加快自動化建設(shè)，自來水廠管網(wǎng)圖更新慢、閥門位置模糊、閥門控制范圍不明確等問題逐漸顯露出來，人工難以改善上述問題，隨著通信技術(shù)、GPS技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為自來水廠管網(wǎng)管理提供了管理空間，通過建設(shè)管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，對自來水管網(wǎng)展開自動化監(jiān)控。因此，研究自來水管網(wǎng)GPS監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，對于優(yōu)化自來水管網(wǎng)管理有著重要作用。

一、自來水管網(wǎng)GPS監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)勢

自來水管網(wǎng)監(jiān)控是實現(xiàn)自來水廠自動化管理的重要舉措，隨著自來水廠對于管網(wǎng)運行管理提出更高的要求，越來越多的技術(shù)融入監(jiān)控系統(tǒng)，讓監(jiān)控系統(tǒng)的功能和服務(wù)更加完善。自來水管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)使用全球衛(wèi)星定位技術(shù)，融合計算機網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)、GIS技術(shù)以及GPS技術(shù)等，適合在自來水管網(wǎng)運行中展開業(yè)務(wù)管理。通過使用GPS技術(shù)，讓監(jiān)控信息得到準(zhǔn)確的傳輸，同時使用地理信息系統(tǒng)綜合分析定位信息[1]。在自來水管網(wǎng)遇到緊急事故時，可以第一時間對事故進行處理，維護管網(wǎng)的信息，實施動態(tài)化測量，方便于自來水管網(wǎng)的自動化處理，提高自來水運維管理的工作效率。

二、基于GPS的自來水管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

（一）系統(tǒng)構(gòu)成

自來水管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)主要包括GPS系統(tǒng)、GIS系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、SCADA系統(tǒng)、壓力監(jiān)測系統(tǒng)以及通信鏈路。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，監(jiān)控系統(tǒng)可以保證多個用戶同時操作，同時滿足多站點共享的要求。其中GPS系統(tǒng)包含24顆衛(wèi)星，實現(xiàn)全球覆蓋，衛(wèi)星可以連續(xù)發(fā)射信號和電文，電文中涵蓋了衛(wèi)星位置數(shù)據(jù)。GPS系統(tǒng)可以完成全天候定位，且定位精度高，具有一定抗干擾能力和良好的保密性，由于自動化水平較高，可以節(jié)約觀測測量時間和成本。此外定位單元也是系統(tǒng)重要構(gòu)成，將基準(zhǔn)站放置在已知高程和坐標(biāo)的電位，通過接收衛(wèi)星信號，通過數(shù)據(jù)鏈形式將衛(wèi)星信號傳遞給周圍用戶。監(jiān)控單元可以為高層人員提供決策和調(diào)度的支持，通過監(jiān)控平臺、顯示器、無線通信設(shè)備等，使用中心站天線通信，數(shù)據(jù)經(jīng)過通信接口傳送給微機處理，經(jīng)過解碼處理分析，傳輸給監(jiān)控GIS系統(tǒng)。工作站使用HUB連接顯示器、監(jiān)控終端、服務(wù)器等，讓發(fā)布控制命令、地圖定位、數(shù)據(jù)搜索等功能得到實現(xiàn)。經(jīng)過二次開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)，增加數(shù)據(jù)處理模塊，讓管網(wǎng)得到全面的監(jiān)控。

（二）運行原理

管網(wǎng)普查過程中線使用GPS靜態(tài)功能建立控制網(wǎng)，將其作為常規(guī)控制點。通過基準(zhǔn)站上精準(zhǔn)的地心坐標(biāo)和當(dāng)做轉(zhuǎn)換參數(shù)，作為起算數(shù)據(jù)。在待測點上使用GPS接收機，再展開數(shù)據(jù)的觀測。觀測期間，基準(zhǔn)站可以接收同步數(shù)據(jù)，對三維坐標(biāo)進行解算，在解算結(jié)果逐漸穩(wěn)定的情況下，要求精度達到設(shè)計的要求。展開動態(tài)測量要啟動差分基準(zhǔn)站，發(fā)射改正信號。流動站根據(jù)航線以及間隔測量，和基準(zhǔn)站一起同步觀測數(shù)據(jù)，確定采樣具體位置。完成全部測量工作之后，顯示出已經(jīng)測量的線路。處理事故過程中，如地下管線發(fā)生漏水事故，依賴壓力監(jiān)測系統(tǒng)對壓力信息進行檢測，通過自動控制向監(jiān)控中心反饋。監(jiān)控中心對信息進行分析，向維護人員提供事故GPS坐標(biāo)位置。決策人員根據(jù)GIS平臺提出的數(shù)據(jù)分析報告，下達指令給檢修部門具體的閥門位置，利用GPS系統(tǒng)調(diào)用數(shù)據(jù)信息，對閥門和井的位置進行實時檢測，實現(xiàn)管線監(jiān)控以及搶修。

（三）功能設(shè)計

（1）測量功能，要求監(jiān)控系統(tǒng)展開靜態(tài)測量、實時測量、快速測量幾種測量方式，測量功能可以支持管網(wǎng)普查，通過實時測量，向管網(wǎng)輸出實時精密控制點以及管線位置的坐標(biāo)。

（2）處理事故，利用控制界面準(zhǔn)確顯示作業(yè)點，為作業(yè)人員導(dǎo)航，導(dǎo)航的誤差可以控制在5cm之內(nèi)，方便確定管線結(jié)點以及閥門位置。

（3）放樣，根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中GIS坐標(biāo)，可以制定準(zhǔn)確的作業(yè)計劃，在野外展開工程放樣，根據(jù)公路的要求，在系統(tǒng)中輸入曲線要素，完成實時實地編輯曲線、直線等，有序完成實地的放樣工作。

（4）快速成圖，系統(tǒng)可以快速自動生成管網(wǎng)矢量圖，根據(jù)系統(tǒng)GPS定位數(shù)據(jù)，讓矢量電子地圖可以和GPS定位信息完美結(jié)合移動目標(biāo)和文字。

（5）管理地理信息，結(jié)合GPS和GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，可以有效查找自來水管網(wǎng)中突發(fā)事件地點，更新GIS數(shù)據(jù)庫，掌握管網(wǎng)管線縱橫走向，對地貌和地物展開全面數(shù)據(jù)調(diào)查。建成自來水管網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)將以供水管網(wǎng)作為中心，提供空間信息等，監(jiān)控系統(tǒng)借助于企業(yè)網(wǎng)絡(luò)，形成動態(tài)實時監(jiān)測的通信網(wǎng)絡(luò)。

（四）誤差消除

分析GPS測量誤差消除措施，可以滿足監(jiān)測精度實際要求。一是使用差分法消除誤差，對于SA頻率抖動、衛(wèi)星頻率不穩(wěn)定、定位誤差、接收機振蕩誤差等方法，通過差分法的應(yīng)用對誤差進行消除處理[2]。二是信號被天線接收前被其他物體反射，造成出現(xiàn)嚴(yán)重的誤差，造成衛(wèi)星信號出現(xiàn)失鎖，要使用雙頻觀測對誤差進行檢查，要清理天線附近反射體，減少此類影響。三是消除對流層折射造成的誤差，長距離可利用雙頻接收機對折射誤差進行消除。四是消除電離層折射，采用雙頻相位和電離改正模型對折射影響進行消除。

結(jié)論：綜上所述，自來水管網(wǎng)GPS監(jiān)控系統(tǒng)主要包括GPS系統(tǒng)、GIS系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、SCADA系統(tǒng)、壓力監(jiān)測系統(tǒng)以及通信鏈路。系統(tǒng)功能主要有測量功能、處理事故、放樣、快速成圖、管理地理信息。通過GPS監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，讓系統(tǒng)具備更完善的功能，提高自來水廠的服務(wù)水平，提高運檢維修效率。

參考文獻：

[1]董鵬飛. 基于超聲波流量計的自來水管網(wǎng)無線監(jiān)測系統(tǒng)的研制[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2017.

[2]張勇，張俊，張小波，等.成都自來水管網(wǎng)移動巡檢系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].測繪與空間地理信息，2015，38（09）：119-121.