丹江口水庫(kù)水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)改造及應(yīng)用

孫超作 ，王 偉 ，王志良

（1. 丹江口市氣象局，湖北 丹江口 442700；2. 漢江水利水電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430040）

0 引言

丹江口水利樞紐位于漢江與其支流丹江匯合口下游 800 m 處，總庫(kù)容 319.5 億 m3，防洪庫(kù)容110.2～80.5 億 m3。丹江口流域地勢(shì)西北高，東南低。水系成葉脈狀，自上而下主要支流有任河、洵河、甲河、堵河、丹江、南河、唐白河等，丹江口以上為上游，干流河長(zhǎng)為 952 km，集水面積為95 200 km2，占漢水流域面積的 60%。

丹江口水庫(kù)既是漢江中下游防洪的控制性工程，又是南水北調(diào)中線、鄂北調(diào)水等工程的水源地，承擔(dān)著防洪、供水、發(fā)電等重要功能[1-2]，水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)是丹江口水庫(kù)調(diào)度工作的重要技術(shù)支撐，為做好丹江口水庫(kù)防汛等綜合調(diào)度工作，自 20 世紀(jì)70 年代至今已經(jīng)過(guò) 4 代水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)建設(shè)。1982 年丹江口開始引進(jìn)意大利的雨量、水位自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)，并于 1983 年完成建設(shè)，覆蓋了庫(kù)周 9 000 km2的范圍；80 年代后期與水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所合作建立了基于超短波的水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)；丹江口現(xiàn)有遙測(cè)系統(tǒng)于 2013 年投入運(yùn)行，主要包括 31 個(gè)水雨情自動(dòng)測(cè)報(bào)站和 1 個(gè)中心站，測(cè)站站點(diǎn)控制監(jiān)測(cè)丹江口庫(kù)區(qū)周邊近 1 萬(wàn) km2區(qū)域，覆蓋鄂、豫、陜?nèi)〉娜衅呖h區(qū)域主要水雨情信息。同時(shí)為滿足國(guó)家實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理制度對(duì)取水用戶的計(jì)量要求，2010 年起，逐步在丹江口庫(kù)區(qū)建設(shè)了庫(kù)區(qū)取用水計(jì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，改造前已建成 8 個(gè)流量站和 1 個(gè)中心站，能夠?qū)崟r(shí)掌握各取用水戶在丹江口水庫(kù)用水的實(shí)時(shí)信息。此外為實(shí)時(shí)掌握丹江口水庫(kù)庫(kù)區(qū)部分區(qū)域的基本氣象信息，于 2016 年建設(shè)了自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)站，為丹江口水庫(kù)運(yùn)行管理相關(guān)單位提供實(shí)時(shí)氣象信息，改造前已建成 2 個(gè)野外站和 1 個(gè)中心站。

水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)是一個(gè)集通信、計(jì)算機(jī)、水文和遙測(cè)等技術(shù)于一體，能實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確采集測(cè)站信息[3]，是水庫(kù)自動(dòng)化的基礎(chǔ)，隨著通信發(fā)展和資費(fèi)降低及國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星技術(shù)的逐步成熟，大量遙測(cè)系統(tǒng)逐步采用短信、GPRS 及北斗衛(wèi)星進(jìn)行通信，主流的技術(shù)是短信或 GPRS 作為主信道，衛(wèi)星作為備用信道，實(shí)現(xiàn)主備信道自動(dòng)切換功能，在采集設(shè)備的精度上也進(jìn)一步提高，采集的內(nèi)容和協(xié)議進(jìn)一步多樣化[4-8]。

原丹江口水庫(kù)水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)雖然能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集雨水情、取水及氣象信息，為水庫(kù)調(diào)度生產(chǎn)提供了技術(shù)支撐和保障，然而也存在部分站點(diǎn)通訊手段單一，觀測(cè)儀器老化、故障率高，中心站不穩(wěn)定等問(wèn)題，特別是水雨情、水資源及氣象 3 套相對(duì)獨(dú)立的采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)分散，不利于綜合應(yīng)用，運(yùn)維難度大，因此有必要在現(xiàn)有系統(tǒng)狀況的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，建立統(tǒng)一的水雨情、氣象、水資源采集平臺(tái)，為新水調(diào)系統(tǒng)提供可靠、穩(wěn)定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)

1.1 改造目標(biāo)及范圍

根據(jù)丹江口水庫(kù)調(diào)度系統(tǒng)的建設(shè)任務(wù)需求，結(jié)合當(dāng)前丹江口水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)存在的問(wèn)題及未來(lái)發(fā)展的需要，確定系統(tǒng)升級(jí)改造目標(biāo)。新系統(tǒng)為丹江口水庫(kù)調(diào)度系統(tǒng)之?dāng)?shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，總體技術(shù)改造要求遵循水情測(cè)報(bào)通用技術(shù)要求，建成 2 個(gè)中心站（1 主 1 備），31 個(gè)水雨情野外站，15 個(gè)水資源野外站和 4 個(gè)氣象野外站，以中國(guó)移動(dòng) GPRS 和北斗衛(wèi)星為主要通信方式，實(shí)現(xiàn)水位、雨量、流量和氣象信息統(tǒng)一平臺(tái)自動(dòng)采集、監(jiān)控和管理，系統(tǒng)應(yīng)保證運(yùn)行穩(wěn)定，滿足水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)及日常水文計(jì)算工作需要，為水庫(kù)防洪、供水、水資源管理等提供實(shí)時(shí)，準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)保證。

丹江口水庫(kù)水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)升級(jí)改造的主要內(nèi)容包括：建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集中心站，在丹江口建立數(shù)據(jù)采集主站，在武漢建立數(shù)據(jù)采集備站，2 站互為熱備，升級(jí)中心站系統(tǒng)、采集軟件及建立專用數(shù)據(jù)采集通信鏈路，將原移動(dòng) VPN 專網(wǎng)改為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)專用線路，原移動(dòng)數(shù)據(jù)卡全部更新為移動(dòng) 4G物聯(lián)網(wǎng)卡，更改所有野外測(cè)報(bào)站為一站雙發(fā)設(shè)置，部分雨量站新增北斗衛(wèi)星通信通道。丹江口中心站新增北斗指揮機(jī)，提高北斗用戶機(jī)的管理和數(shù)據(jù)暢通率，原丹江口北斗衛(wèi)星主站遷移至武漢中心站。新增 7 個(gè)水資源流量站和 2 個(gè)氣象站。

1.2 遙測(cè)站配置及功能

水情遙測(cè)站由遙測(cè)終端機(jī)、通訊傳輸模塊、天線、蓄電池、太陽(yáng)能電池板、水位計(jì)及雨量計(jì)等組成，如圖1 所示。丹江口水庫(kù)水情測(cè)報(bào)站共有 13 個(gè)水位（其中 5 個(gè)配置雨量）站和 18 個(gè)雨量站。遙測(cè)站均支持 GPRS 和北斗衛(wèi)星（水位雨量站均配置，雨量站部分配置）雙信道并行的工作模式，可遠(yuǎn)程設(shè)置運(yùn)行參數(shù)，也可接收中心站校時(shí)指令、自動(dòng)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步。工作機(jī)制支持自報(bào)式、答應(yīng)式、混合式 3 種工作制式，目前設(shè)置為按定時(shí)（1 h 平安報(bào)）或超閾值（水位變化 2 cm、雨量變化 0.5 mm）動(dòng)態(tài)向丹江口和武漢中心站同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，對(duì)發(fā)送的報(bào)文要求到達(dá)回執(zhí)。發(fā)送數(shù)據(jù)采用 GPRS 傳輸為主，北斗衛(wèi)星為輔。

圖1 水雨情遙測(cè)站采集示意圖

氣象站由氣象傳感器（風(fēng)速、風(fēng)向、空氣溫度、空氣濕度、氣壓、雨量等 6 個(gè)傳感器）、氣象數(shù)據(jù)采集儀、通訊傳輸模塊、避雷器、蓄電池、太陽(yáng)能電池板和電源控制器等組成，如圖2 所示。能夠?qū)︼L(fēng)速、風(fēng)向、空氣濕度、空氣溫度、雨量大氣壓力等 6 個(gè)氣象要素進(jìn)行全天候現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。可遠(yuǎn)程設(shè)置氣象數(shù)據(jù)自動(dòng)保存間隔時(shí)間、運(yùn)行參數(shù)，也可接收中心站校時(shí)指令，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步。發(fā)送數(shù)據(jù)采用 GPRS 傳輸。

圖2 氣象遙測(cè)站采集示意圖

水資源流量站由超聲波傳感器、計(jì)量終端設(shè)備、通訊傳輸模塊、蓄電池、太陽(yáng)能電池板和電源控制器等組成，如圖3 所示。計(jì)量終端設(shè)備選用超聲波流量計(jì)，通訊傳輸模塊選用 4G 通訊模塊，發(fā)送數(shù)據(jù)采用 GPRS 傳輸，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)Modbus-RTU 協(xié)議。可在線監(jiān)測(cè)管道取水瞬時(shí)流量、累計(jì)流量、正累計(jì)、負(fù)累計(jì)、凈累計(jì)，以及設(shè)備通訊和傳感器實(shí)時(shí)狀況?？蛇h(yuǎn)程設(shè)置運(yùn)行參數(shù)，也可接收中心站校時(shí)指令，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步。

圖3 水資源遙測(cè)站采集示意圖

1.3 中心站軟件功能設(shè)計(jì)

中心站由通信服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備、北斗指揮機(jī)（北斗衛(wèi)星主站）、移動(dòng)數(shù)據(jù)專用鏈路、采集軟件等組成，如圖4 所示，遙測(cè)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)是集成了多種通信信道和多種 RTU 協(xié)議的通用水情遙測(cè)數(shù)據(jù)采集、查詢分析與數(shù)據(jù)處理的平臺(tái)，RTU 采集平臺(tái)具有 Access 后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，可獨(dú)立運(yùn)行，RTU 采集平臺(tái)采用單進(jìn)程多線程結(jié)構(gòu)（多個(gè)線程間可以實(shí)現(xiàn)故障隔離）?？刂撇煌拇卸丝冢ㄍㄟ^(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)），支持多種通信方式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)接收，軟件主要功能及特點(diǎn)如下：1）可裝配的模塊結(jié)構(gòu)；2）運(yùn)行參數(shù)在線配置；3）支持主備信道切換；4）支持?jǐn)?shù)據(jù)召測(cè)和遠(yuǎn)程參數(shù)修改。

圖4 系統(tǒng)中心站數(shù)據(jù)采集圖

遙測(cè)站還有一部分功能為遙測(cè)信息監(jiān)視功能，包括氣象、水雨情、水資源及遙測(cè)站暢通率信息統(tǒng)計(jì)，如圖5，6 所示，超過(guò) 2 h 未來(lái)報(bào)會(huì)顏色提示報(bào)警，在相應(yīng)對(duì)象上查詢可彈出運(yùn)行過(guò)程線。

圖5 系統(tǒng)中心站遙測(cè)信息監(jiān)視圖

圖6 系統(tǒng)中心站遙測(cè)信息單站查詢圖

2 應(yīng)用效果

2.1 典型故障分析及處理

自 2018 年 6 月基本完成遙測(cè)系統(tǒng)各項(xiàng)改造并投入試運(yùn)行，統(tǒng)計(jì)時(shí)間截止至 2019 年 5 月，遙測(cè)系統(tǒng)經(jīng)歷 1 個(gè)完整的自然年及汛期，期間出現(xiàn)多起故障，完成的各項(xiàng)試運(yùn)行故障現(xiàn)象、原因分析及處理解決方式如下：

1）采集服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)故障。2018 年 8 月發(fā)現(xiàn)遙測(cè)采集服務(wù)器重啟后采集軟件能正常接收到水情采集平臺(tái)數(shù)據(jù)，但通過(guò)歷史數(shù)據(jù)查詢不能查到水雨情、氣象及水資源遙測(cè)數(shù)據(jù)入庫(kù)，遙測(cè)采集服務(wù)器運(yùn)行正常，初步判斷遙測(cè)站工作正常，但采集后數(shù)據(jù)入庫(kù)故障。由于遙測(cè)系統(tǒng)通過(guò) GRPS 作為主信道接入，采集服務(wù)器處于 DMZ 區(qū)，通過(guò)采集服務(wù)器 Telnet 數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器端口不通，由此判斷采集服務(wù)器為網(wǎng)絡(luò)故障，線路和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備排查確認(rèn)正常后查看本機(jī)路由表發(fā)現(xiàn)到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的路由信息丟失，分析原因?yàn)檎{(diào)試期間添加的路由為臨時(shí)路由，服務(wù)器重啟后會(huì)丟失，添加永久路由后功能正常。

2）軟件兼容性故障。2018 年 10 月發(fā)現(xiàn)新接入的水資源站無(wú)法讀取和解析流量數(shù)據(jù)，經(jīng)查看后臺(tái)發(fā)現(xiàn)采集平臺(tái)軟件有異常拋出。因?yàn)檫b測(cè)采集平臺(tái)采用多信道多協(xié)議的方式進(jìn)行接入，水雨情、氣象及水資源分別采用不同廠家的設(shè)備，各廠家的協(xié)議均不一樣，同一廠家不同批次的產(chǎn)品之間也略有差異，通過(guò)跟蹤報(bào)文解析過(guò)程，很快排查出是采集軟件的兼容性問(wèn)題，通過(guò)修改采集軟件后信息采集恢復(fù)正常。

3）遙測(cè)站極低溫度下失穩(wěn)故障。2019 年 1 月，通過(guò)中心站發(fā)現(xiàn)潘口電站附近遙測(cè)站陸續(xù)出現(xiàn)遙測(cè)站信息中斷，最后出現(xiàn)大面積測(cè)站失效，經(jīng)過(guò)通信信道排查，排除欠費(fèi)及信道阻塞等其它故障，工程師奔赴現(xiàn)地挑選了幾個(gè)典型遙測(cè)站進(jìn)行原因分析及排查，最終發(fā)現(xiàn)原因?yàn)楫?dāng)?shù)囟虝簶O低氣溫造成遙測(cè)站進(jìn)入自我保護(hù)狀態(tài)，經(jīng)過(guò)恢復(fù)啟動(dòng)及添加保暖措施后，遙測(cè)系統(tǒng)恢復(fù)正常。

2.2 遙測(cè)站暢通率統(tǒng)計(jì)

暢通率以 d 為基本單位進(jìn)行計(jì)算，然后按月統(tǒng)計(jì)暢通率，由于水情、氣象遙測(cè)站及水資源站來(lái)數(shù)規(guī)律和特點(diǎn)差異比較大，所以日暢通率的統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法各不相同，水情遙測(cè)站水位數(shù)據(jù)按照每小時(shí)在允許時(shí)間誤差范圍的實(shí)際是否有數(shù)據(jù)到達(dá)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，暢通的時(shí)段數(shù)除 24 h 則為測(cè)報(bào)站日暢通率，雨量站則以 d 為單位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，每天至少 1 條自報(bào)數(shù)據(jù)為暢通；氣象站數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法與雨量站相同；水資源站由于來(lái)數(shù)頻率較高，按照每小時(shí)至少 1 條記錄為暢通，每小時(shí)至少 1 條記錄為本小時(shí)暢通，各小時(shí)的暢通數(shù)除 24 h 為本站日暢通率，各類測(cè)報(bào)站由日統(tǒng)計(jì)為月進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)分析，試運(yùn)行期間各類暢通率統(tǒng)計(jì)情況如表1 所示。

表1 丹江口試運(yùn)行期間暢通率統(tǒng)計(jì)%

整個(gè)遙測(cè)系統(tǒng)總體平均暢通率為 96.8%，典型故障期間暢通率有所下降，且在運(yùn)行期內(nèi)暢通率整體呈上升趨勢(shì)，滿足水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)相應(yīng)規(guī)范及丹江口水庫(kù)調(diào)度生產(chǎn)運(yùn)行要求[9]。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)丹江口水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)的特點(diǎn)及業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，進(jìn)行了水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)及應(yīng)用，本次改造充分利用了原水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)所有野外站設(shè)備，最大化利用了原有中心站設(shè)備，整合了原水雨情、氣象和水資源系統(tǒng) 3 個(gè)中心站，開發(fā)了 1 套多信道多協(xié)議通用數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，豐富了數(shù)據(jù)處理和查詢功能，進(jìn)入試運(yùn)行以來(lái)，遙測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可擴(kuò)充性強(qiáng)、系統(tǒng)監(jiān)視及運(yùn)維便利，為丹江口水庫(kù)調(diào)度工作提供了強(qiáng)有力的支撐，多信道多協(xié)議的系統(tǒng)架構(gòu)大幅度提高了系統(tǒng)的集成性、穩(wěn)定性和安全性，對(duì)類似工程的建設(shè)有較強(qiáng)的借鑒意義。

不足之處為主備中心站由于兩地受當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)限制還不能實(shí)現(xiàn)完全熱備，武漢采集平臺(tái)沒(méi)有北斗指揮機(jī)，無(wú)法接入全部北斗遙測(cè)站，站網(wǎng)布設(shè)離規(guī)范要求有一定差距，需進(jìn)一步的優(yōu)化，同時(shí)充分利用硬件設(shè)備的使用狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)情況及數(shù)據(jù)質(zhì)量情況，實(shí)現(xiàn)智能預(yù)警，提高系統(tǒng)運(yùn)維的及時(shí)性。