灌區(qū)信息化建設(shè)初探

任創(chuàng)社，李 貞，田文旭

（新疆伊犁花城勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，新疆 伊寧 835000）

0 引言

本次建設(shè)量測水設(shè)施及水利管理信息化系統(tǒng)主要對(duì)灌區(qū)骨干渠系實(shí)施水位流量進(jìn)行計(jì)量。信息化平臺(tái)利用市級(jí)灌區(qū)信息化平臺(tái)，信息中心位于市水利局。本次項(xiàng)目建成后將接入已有的平臺(tái)中[1]。

1 設(shè)計(jì)理念

借助灌區(qū)信息化建設(shè)，提升管理、水資源監(jiān)控能力建設(shè)，建立起水利工作的數(shù)字化管理體系，逐步形成并落實(shí)“智慧水利”的總體構(gòu)想，具體包括：水利信息網(wǎng)絡(luò)、及時(shí)準(zhǔn)確的信息傳輸、一體化協(xié)同作業(yè)、高效便捷的服務(wù)體系。

通過常規(guī)監(jiān)測站點(diǎn)和自動(dòng)監(jiān)測站點(diǎn)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源的數(shù)字化監(jiān)測。轄區(qū)內(nèi)的任何地方、任何時(shí)間發(fā)生的用水事件在建成的信息網(wǎng)絡(luò)中能及時(shí)反饋，并通過相應(yīng)的指標(biāo)反應(yīng)出來。通過水利專網(wǎng)為基礎(chǔ)的通信骨干網(wǎng)絡(luò)，在灌區(qū)實(shí)現(xiàn)綜合信息的傳輸，構(gòu)建起全面、可靠、安全的信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)指令的快速傳達(dá)。

建立覆蓋灌區(qū)的一體化協(xié)同工作平臺(tái)，使各級(jí)水利工作人員能隨時(shí)、隨地了解、掌握及時(shí)、全面、準(zhǔn)確的水資源、工程調(diào)度信息。充分利用物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新興傳播渠道。在灌區(qū)建立高效便捷的信息查詢、訪問與服務(wù)體系，實(shí)現(xiàn)水利業(yè)務(wù)處理與信息的多層次需求。

2 技術(shù)路線

采用“分區(qū)采集，集中管理的模式”，對(duì)本灌區(qū)內(nèi)業(yè)務(wù)進(jìn)行管理。灌區(qū)管理信息中心對(duì)灌區(qū)業(yè)務(wù)及數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一集中管理，提供服務(wù)。

信息的采集，主要通過生產(chǎn)設(shè)備、儀器、儀表、傳感器、攝像頭等采集灌區(qū)骨干渠道的水位數(shù)據(jù)然后進(jìn)行傳輸。通過遍布于灌區(qū)內(nèi)渠系、閘門等關(guān)鍵區(qū)域的傳感器與設(shè)備組成灌區(qū)水利物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)時(shí)對(duì)水資源全過程進(jìn)行測量、監(jiān)控與分析。

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，連接“灌區(qū)信息化業(yè)務(wù)平臺(tái)”的“網(wǎng)絡(luò)層”，形成完善的網(wǎng)絡(luò)層體系，網(wǎng)絡(luò)層解決的是所獲得的數(shù)據(jù)在一定范圍內(nèi)傳輸問題。網(wǎng)絡(luò)層主要通過網(wǎng)絡(luò)傳輸及通信，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸、存儲(chǔ)，傳輸?shù)焦鄥^(qū)信息分中心、水利信息中心，形成完善的網(wǎng)絡(luò)層體系。

平臺(tái)層是應(yīng)用層各種應(yīng)用和服務(wù)統(tǒng)一部署的技術(shù)平臺(tái)，提供信息化建設(shè)的基礎(chǔ)運(yùn)行環(huán)境，進(jìn)行統(tǒng)一管理。信息采集匯集平臺(tái)與“數(shù)據(jù)中心”共同構(gòu)成“灌區(qū)信息化業(yè)務(wù)平臺(tái)”的平臺(tái)層，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)智慧水利數(shù)據(jù)資源進(jìn)行存儲(chǔ)、分析和處理，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層信息到應(yīng)用層信息的轉(zhuǎn)換，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管理、設(shè)備信息和業(yè)務(wù)信息的呈現(xiàn)[2]。

服務(wù)對(duì)象為管理人員、工作人員，以及用戶單位，應(yīng)用終端包括監(jiān)控屏、手機(jī)APP 等。

3 量測水方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)概述

水位觀測是灌區(qū)信息建設(shè)中的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，通過水位傳感器配合一些數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)等裝置實(shí)現(xiàn)水位的自動(dòng)監(jiān)測功能，水位傳感器是水位自動(dòng)化監(jiān)測的核心元件，直接關(guān)系到水位監(jiān)測的精度、可靠性和實(shí)用性，也決定水位觀測站的建設(shè)形式和工程投資。根據(jù)應(yīng)用環(huán)境及技術(shù)要求選用合適的傳感器方能達(dá)到事半功倍的效果。

3.2 組成結(jié)構(gòu)與比選依據(jù)

依據(jù)灌區(qū)調(diào)研情況，灌區(qū)的各監(jiān)測站點(diǎn)主要有：水情傳感器單元、數(shù)據(jù)處理與傳輸單元和供電單元三大單元組成。通過對(duì)三個(gè)單元的合理選配，組成良好的水量自動(dòng)化監(jiān)測站，采集各種渠道的水量信息，上報(bào)給灌區(qū)信息中心以供各單位作為依據(jù)，對(duì)水資源的合理調(diào)配與管理[3]。對(duì)各單元的比選依據(jù)如下。

（1）傳感器單元。土建施工需簡單方便；采用精度滿足實(shí)際要求同時(shí)，降低成本造價(jià)；便于清淤，維護(hù)簡單。

（2）數(shù)據(jù)處理與傳輸單元。目前，在水利、灌區(qū)領(lǐng)域中，主要的通信方式有：光纖鏈路通信；GPRS 通信；短程無線；北斗衛(wèi)星；無線網(wǎng)橋等。

（3）供電單元。供電單元即對(duì)傳感器單元和數(shù)據(jù)處理與傳輸單元供電，確保其正常工作。目前的供電單元模式主要有市電供電和太陽能供電兩種模式。

3.3 水位傳感器比選

根據(jù)目前國內(nèi)在水利、灌區(qū)信息化建設(shè)中水量傳感器的應(yīng)用情況，技術(shù)較成熟的，在我國應(yīng)用較多的水位傳感器有浮子式、壓力式、雷達(dá)式和磁致伸縮式等水位傳感器[4]。

3.3.1 浮子式水位傳感器

浮子式水位計(jì)傳感器是國內(nèi)使用最廣泛，應(yīng)用最成熟的水位傳感器，工作原理是通過浮子在垂直方向向上隨水位變化，通過繩索牽動(dòng)水位計(jì)的計(jì)程輪轉(zhuǎn)動(dòng)，最后將計(jì)程輪的位置變化轉(zhuǎn)換為水位的測量儀器。根據(jù)計(jì)程方式的不同可分為絕對(duì)式和增程式，根據(jù)計(jì)程原理又分為機(jī)械式、電磁式、光電式等，浮子水位傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、量程較大，造價(jià)低廉、功耗小、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是需要修建測井或鋼管井，土建規(guī)模較大，投資較高。適用環(huán)境及場所：含沙量較少的渠道；水位變化幅度較緩的渠道。

3.3.2 壓力式水位傳感器

壓力式液位計(jì)是一種測量液位的壓力傳感器，包括靜壓液位計(jì)、液位變送器、液位傳感器、水位傳感器、壓力變送器等，是基于所測液體靜壓與該液體的高度成比例的原理。壓力式液位計(jì)適用于石油化工、冶金、電力、制藥、供排水、環(huán)保等系統(tǒng)和行業(yè)的各種介質(zhì)的液位測量。精巧的結(jié)構(gòu)，簡單的調(diào)校和靈活的安裝方式為用戶輕松地使用提供了方便。集成水位、溫度測量于一體，適用水位監(jiān)測、地質(zhì)災(zāi)害綜合利用。

3.3.3 磁致伸縮水位傳感器

磁致伸縮液位傳感器是采用磁致伸縮原理制造的高精度、超長行程絕對(duì)位置測量傳感器。該產(chǎn)品由脈沖電路、波導(dǎo)線、回波信號(hào)單元、結(jié)構(gòu)件和保護(hù)套管組成，具有精度高、穩(wěn)定性可靠、壽命長、安裝方便、多種輸出方式可供選擇等特點(diǎn)，它不但可以測量運(yùn)動(dòng)物體的直線位移，而且可以給出運(yùn)動(dòng)物體的位移和速度模擬信號(hào)。由于采用非接觸測量方式，傳感器性能穩(wěn)定，使用壽命長，多種輸出方式供選擇。因而被廣泛運(yùn)用在石油化工、食品、水處理、環(huán)保、農(nóng)藥、造紙、水庫、染料、油壓機(jī)械等行業(yè)設(shè)備中。

磁致伸縮位移傳感器具有高精度、高響應(yīng)、低遲滯、高可靠性等特點(diǎn)，其缺點(diǎn)是造價(jià)高、量程小、浮子易卡主等。應(yīng)用場景：磁致伸縮液位傳感器主要應(yīng)用在石油化工、食品、水處理、環(huán)保、農(nóng)藥、造紙、水庫、染料、油壓機(jī)械等行業(yè)設(shè)備中。

3.3.4 雷達(dá)水位傳感器

雷達(dá)水位計(jì)是利用電磁波探測目標(biāo)的電子設(shè)備。發(fā)射電磁波對(duì)目標(biāo)進(jìn)行照射并接收其回波，由此獲得水位水流至電磁波發(fā)射點(diǎn)的距離、距離變化率（徑向速度）、方位、高度等信息。應(yīng)用領(lǐng)域：河流水位，明渠水位自動(dòng)監(jiān)測；水庫壩前，壩下尾水水位監(jiān)測；調(diào)壓塔（井）水位監(jiān)測；潮位自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，城市供水，排污水位監(jiān)測系統(tǒng)。

根據(jù)灌區(qū)的諸多條件，選用雷達(dá)水位傳感器，主要原因如下：水位變化幅度大，量程高（基本在2m 以上），不宜采用磁致伸縮水位傳感器；若建建設(shè)測井、引水管道，清淤工作較大，且河道兩側(cè)為交通、農(nóng)田運(yùn)輸通道，不宜開挖較大土方工作；雷達(dá)水位傳感器具備較高的量程，一般在測量范圍在10m 以上，滿足支渠測量范圍；雷達(dá)水位計(jì)采用非接觸式，測量與水質(zhì)無關(guān)，不受漂浮物、泥沙等影響；綜合成本低，安裝維護(hù)簡單，壽命長。

4 通信方式比選

根據(jù)目前國內(nèi)在水利、灌區(qū)信息化建設(shè)中水量監(jiān)測站的通信應(yīng)用情況，主要有光纖/有線通信、GPRS 通信、短程無線通信等模式。

4.1 光纖/有線通信

此類模式主要是用于點(diǎn)位分布比較密集，在某一區(qū)域點(diǎn)位較多的情況下使用，如：以半徑200m 的圓形分布區(qū)域內(nèi)，若站點(diǎn)較多，可采用通信線與光纖模式組網(wǎng)通信。

光纖/有線通信優(yōu)勢：數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)在線；通信速率高、高帶寬；可擴(kuò)展性好；一次性投入，無后期使用費(fèi)。

光纖/有線通信局限性：數(shù)據(jù)多路并發(fā)單一；鏈路鋪設(shè)、架空工程量大；單一站點(diǎn)通信造價(jià)較高；日常維護(hù)工作量較大，尤其是在高密度種植區(qū)。

4.2 無線GPRS 通信

GPRS 在原GSM 網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上疊加了支持高速分組數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)。此種模式非常適合于站點(diǎn)分布分散、分布較廣情況。

GPRS 通信模式優(yōu)勢：點(diǎn)位選址不受約束，各站點(diǎn)獨(dú)立通信，互不影響；數(shù)據(jù)并發(fā)性好，可同時(shí)多客戶端發(fā)送；無須鋪設(shè)鏈路，大大減少了工程施工量；日常維護(hù)簡單、方便。

GPRS 通信模式局限性：日常使用會(huì)產(chǎn)生一定的費(fèi)用；通信速率較光纖/有線模式低，帶寬窄；受移動(dòng)信號(hào)影響。

4.3 短程無線通信

典型的短距離無線系統(tǒng)由一個(gè)無線發(fā)射器和一個(gè)無線接收器組成。短程無線在無線接收塔基（基站）允許范圍內(nèi)，點(diǎn)位選址不受約束；一次性投入，無日常使用費(fèi)；不受天氣、氣候影響；可擴(kuò)展性較好。站點(diǎn)至塔基之間有一定的距離限制，站點(diǎn)至塔基之間需在可視范圍內(nèi)，不能有高的建筑物、山體、樹林等遮擋；需建基站，需在以基站為半徑的圓形區(qū)域內(nèi)設(shè)置站點(diǎn)點(diǎn)位；基站造價(jià)較高，一般與移動(dòng)、聯(lián)通等基站造價(jià)類似。

依據(jù)實(shí)際調(diào)研情況，灌區(qū)的通信方式現(xiàn)狀如下：水量站點(diǎn)分布較廣，且點(diǎn)位雖多，但不在某一密集區(qū)域內(nèi)；點(diǎn)位分布密度小，分布較散；鋪設(shè)光纖難度較大，且成本高昂，無法實(shí)現(xiàn)；綜合諸多因素，相比較光纖/有線和短程無線模式，GPRS 通信模式為首選，大大提高了以后的擴(kuò)展性，數(shù)據(jù)的并發(fā)性和站點(diǎn)與信息中心的通信靈活性。

5 供電方式比選

根據(jù)目前國內(nèi)在水利、灌區(qū)信息化建設(shè)中水量監(jiān)測站的供電應(yīng)用情況，主要有市電供電和電池、太陽能模式。

輸電線路供電主要涉及電路的鋪設(shè)工作，由于灌區(qū)水位監(jiān)測站點(diǎn)分布較多、且分布較廣，此種供電方式造價(jià)過高，且日常維護(hù)量較大，同時(shí)由于各灌區(qū)基本在農(nóng)業(yè)作業(yè)區(qū)，存在較大安全隱患，因此不可行。

太陽能電池板是太陽能供電系統(tǒng)中最重要的部件之一，其轉(zhuǎn)換率和使用壽命是決定太陽電池是否具有使用價(jià)值的重要因素。

太陽能板的功率與充電控制器、蓄電池相匹配，確保虧空后的蓄電池能在連續(xù)5 個(gè)晴天內(nèi)充滿蓄電池。

首選電池、太陽能供電模式，依據(jù)目前水利、水文方面的技術(shù)推進(jìn)，各類的水位站監(jiān)測系統(tǒng)功耗均較低；以電池、太陽能的供電模式已經(jīng)在水利、水文方面投入使用多年，技術(shù)完全成熟。

6 監(jiān)測站點(diǎn)硬件組成

傳感器部分：采用雷達(dá)水位傳感器。

通信模式：各水量監(jiān)測站點(diǎn)均采用GPRS 模式。

供電模式：采用太陽能供電，采用膠體電池+太陽能板供電模式。

7 技術(shù)方案

本次水情監(jiān)測系統(tǒng)的方案為以RTU 為核心單元，使用雷達(dá)水位計(jì)進(jìn)行水位監(jiān)測，利用公網(wǎng)傳送數(shù)據(jù)，利用太陽能供電系統(tǒng)供電。

水位測站均在渠道上獨(dú)立進(jìn)行施工建設(shè)，通過自動(dòng)測報(bào)設(shè)備將當(dāng)?shù)氐乃恍畔⒅苯影l(fā)往信息中心進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。主要設(shè)備：通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電壓檢測模塊、太陽能電池板、蓄電池。

8 灌區(qū)信息化建設(shè)的建議

通過充分利用物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新興傳播渠道，創(chuàng)新了信息服務(wù)的模式。灌區(qū)信息化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水資源監(jiān)測的數(shù)字化支持。構(gòu)筑起可靠安全的信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，使各級(jí)水利工作人員能隨時(shí)、隨地了解最新工作進(jìn)展、掌握最新的水資源，在今后的工作中本人覺得還應(yīng)在以下4 個(gè)方面展開研究。

8.1 加強(qiáng)水位流量關(guān)系曲線率定

信息化系統(tǒng)建成后，將會(huì)通過雷達(dá)水位計(jì)采集的實(shí)時(shí)水位及水位流量關(guān)系曲線來直接計(jì)算渠道內(nèi)的瞬時(shí)流量，為了保證監(jiān)測信息的真實(shí)性，必須對(duì)各渠道測點(diǎn)的水位流量關(guān)系曲線進(jìn)行率定。

8.2 完善信息交互功能

水位采集工作點(diǎn)按照用戶設(shè)置的采樣間隔和時(shí)間點(diǎn)定時(shí)采集，采取定時(shí)上報(bào)，差錯(cuò)上報(bào)的方式，并且可以完成命令回復(fù)和設(shè)置命令回復(fù)的功能，設(shè)備終端支持與信息管理中心管理主機(jī)和手機(jī)雙向信息交互功能。

8.3 注重原始通信存檔

將原始通信寫入日志文件，用于原始數(shù)據(jù)備份及系統(tǒng)故障核查。將處理過的監(jiān)測數(shù)據(jù)存入監(jiān)測數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)庫。

8.4 加強(qiáng)施工和管理

標(biāo)準(zhǔn)斷面水情點(diǎn)施工應(yīng)嚴(yán)格要求，同時(shí)做好日常管理特別是防盜、防雷工作。