灌區(qū)量水信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

洪小珺 袁 媛，2 張國(guó)文，2

1中鐵水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 江西省南昌市 330029

2中鐵水利信息科技有限公司 江西省南昌市 330029

0 引言

水作為“生命之源，生態(tài)之基，生產(chǎn)之要”，長(zhǎng)久以來(lái)人們認(rèn)為水是天之所賜，用之自然，隨著社會(huì)的發(fā)展，水資源作為人類生存和發(fā)展最重要的資源，引起了社會(huì)的高度重視。我國(guó)每個(gè)人的平均水資源占有量?jī)H有2500 m3，水資源十分貧乏，僅為世界人均水資源占有量的四分之一。節(jié)約用水，實(shí)行最嚴(yán)格的水資源管理制度是當(dāng)今我國(guó)的重要國(guó)策之一，對(duì)灌區(qū)而言，加強(qiáng)水管理，抓好量水已經(jīng)是擺在面前的迫切任務(wù)，其必要性和意義表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：

（1）灌區(qū)量水已成為灌區(qū)水資源優(yōu)化配置基礎(chǔ)

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步、國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們對(duì)生態(tài)環(huán)境的要求逐漸提高，人類社會(huì)活動(dòng)中用水的矛盾也越來(lái)越突出。與此同時(shí)，隨著人們對(duì)水資源的需求與日俱增，開發(fā)利用水資源的成本也在快速增加。因此，必須加大對(duì)水資源利用的有效地監(jiān)，保障水資源的合理利用。對(duì)灌區(qū)而言，特別是用水?dāng)?shù)量和量水精度管理要求也越來(lái)越高。而要做到這些，就必須依賴于灌區(qū)量水提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)［1］。灌區(qū)量水信息采集系統(tǒng)已成為提高灌區(qū)現(xiàn)代化管理水平和優(yōu)化配置水資源的有效手段。

（2）量水是灌區(qū)推進(jìn)節(jié)水農(nóng)業(yè)的重要手段

水資源緊缺將成為推行節(jié)水農(nóng)業(yè)必然的選擇。準(zhǔn)確測(cè)定灌區(qū)各級(jí)渠道流量、渠道的輸水損失以及用戶的用水量，是灌區(qū)現(xiàn)代化節(jié)水改造的重要依據(jù)，同時(shí)根據(jù)所采集的量水信息數(shù)據(jù)，可以統(tǒng)計(jì)出灌溉效率，從而為加強(qiáng)田間用水管理、減少水量浪費(fèi)和準(zhǔn)確評(píng)價(jià)各種措施的合理性提供技術(shù)支撐，推動(dòng)節(jié)水農(nóng)業(yè)的不斷深入。

（3）量水是發(fā)揮灌溉工程綜合效益的有效手段

根據(jù)對(duì)不同地區(qū)以及不同作物的各成長(zhǎng)階段合理配置水資源和水量，特別是根據(jù)灌區(qū)各用水戶的實(shí)時(shí)用水需求，開展動(dòng)態(tài)科學(xué)的用水優(yōu)化調(diào)度，必須要有用水量的詳細(xì)信息數(shù)據(jù)作為支撐。因此，灌區(qū)量水采集是科學(xué)管理、合理調(diào)度灌溉用水，發(fā)揮灌溉工程綜合效益的有效手段。

1 建設(shè)目標(biāo)

根據(jù)灌區(qū)量水實(shí)際需求，按照“總體規(guī)劃、分步實(shí)施，建管科學(xué)，效益優(yōu)先”的原則，以總干渠供水渠道為重點(diǎn)，工程措施與非工程措施相結(jié)合，配套完善量水設(shè)施，采用水工建筑物量水、堰槽量水、雷達(dá)波明渠流量計(jì)、雷達(dá)式水位計(jì)、電子水尺等自動(dòng)化量水方式，實(shí)現(xiàn)各干渠主要進(jìn)水閘、節(jié)制閘、分水口，各縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)交界處等重點(diǎn)流量的精準(zhǔn)及實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，同時(shí)探索小型渠道量水新方法和技術(shù)，讓灌區(qū)“進(jìn)、出水賬明白”“用水計(jì)費(fèi)透明”，對(duì)干渠主要水閘配套建設(shè)閘位信息自動(dòng)采集，實(shí)時(shí)掌握閘位信息，了解灌區(qū)輸水、調(diào)水情況，提高灌區(qū)用水管理及配水調(diào)度水平，為灌區(qū)水資源的優(yōu)化配置提供技術(shù)支撐和決策支持［2］。

（1）實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)量水：渠道流量是關(guān)于時(shí)間變化的，用水量更是瞬時(shí)流量關(guān)于時(shí)間的累積，傳統(tǒng)人工水位流量關(guān)系量水是間歇性的，取平均值計(jì)算，不能夠真實(shí)反映實(shí)際情況，本次設(shè)計(jì)目標(biāo)需要在線實(shí)時(shí)量水，在桌面或移動(dòng)終端能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)流量變化過(guò)程和時(shí)段累積流量。

（2）實(shí)現(xiàn)精確量水：傳統(tǒng)量水方法受多種因素制約，只能稱之為流量估算，準(zhǔn)確度低，誤差20%往往都難以保證，不能作為水費(fèi)計(jì)收依據(jù)，本次設(shè)計(jì)目標(biāo)量水控制在10%范圍之內(nèi)。

（3）實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)量水：灌區(qū)全面量水受資金投入限制，難度較大，適當(dāng)控制量測(cè)范圍，抓住要點(diǎn)，控制性斷面做到準(zhǔn)確量水，滿足灌區(qū)水量宏觀調(diào)配控制。

（4）實(shí)現(xiàn)可靠量水：可靠性及連續(xù)性是灌區(qū)量水的關(guān)鍵，灌區(qū)量水要能夠提供連續(xù)可靠的流量數(shù)據(jù)為水量調(diào)度，灌區(qū)管理即水費(fèi)計(jì)收提供有效服務(wù)。

2 信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 信息采集站

灌區(qū)信息采集的目標(biāo)是各個(gè)站點(diǎn)的流量信息，但明渠流量一般難以直接得到，根據(jù)不同的量水方法，需要采集水位、流速、閘門開度、斷面尺寸和流速系數(shù)、流量系數(shù)等信息。

本次設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息全部采用自動(dòng)化采集方式，底層傳感器將參數(shù)信息變換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，接入信號(hào)采集器（嵌入式系統(tǒng)）或RTU變成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別和接受的數(shù)據(jù)信息，再通過(guò)通信模塊將這些數(shù)據(jù)信號(hào)傳送給信息中心數(shù)據(jù)庫(kù)。

信息采集通信傳輸設(shè)計(jì)主要設(shè)備包括RTU、各類傳感器（水位計(jì)、明渠流量計(jì)、明渠量水裝置）傳輸、GSM/GPRS/CDMA通信模塊、太陽(yáng)能電池板、蓄電池等組成。如圖1所示。

圖1 信息采集通信設(shè)計(jì)圖

灌水時(shí)可以根據(jù)實(shí)際情況采用不同的數(shù)據(jù)采集工作方式，主要有自報(bào)式、應(yīng)答式、自報(bào)/應(yīng)答兼容式三種工作方式。

（1）自報(bào)式

自報(bào)式的自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)指監(jiān)測(cè)站在水位發(fā)生變化時(shí)，其被測(cè)參量達(dá)到規(guī)定的增量變化時(shí)，測(cè)量站自動(dòng)采集信息數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)把監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)向控制中心發(fā)送。

自報(bào)式監(jiān)測(cè)設(shè)備采集到的信息數(shù)據(jù)自動(dòng)向中心站進(jìn)行單向的發(fā)送，數(shù)據(jù)只進(jìn)行單向傳輸，即中心站只接收監(jiān)測(cè)設(shè)備發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，而不向監(jiān)測(cè)設(shè)備發(fā)送信令信號(hào)。因此，自報(bào)式監(jiān)測(cè)站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高、功耗低、抗干擾性能強(qiáng)，具有運(yùn)行可靠和系統(tǒng)安裝維護(hù)容易等優(yōu)點(diǎn)，適合長(zhǎng)期無(wú)人值守的野外使用。缺點(diǎn)是信號(hào)發(fā)送是隨機(jī)的，在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)量很多時(shí)，容易發(fā)生信號(hào)的碰撞。

（2）應(yīng)答式

應(yīng)答式的自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)指當(dāng)監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有變化時(shí)，會(huì)自動(dòng)采集、記錄、存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)，但不主動(dòng)向中心站發(fā)送數(shù)據(jù)，只在接收到控制中心的檢測(cè)命令后，才將存儲(chǔ)的當(dāng)前數(shù)據(jù)發(fā)送給中心站［3］。

應(yīng)答式自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其信道是雙向的，采集到的數(shù)據(jù)既要向上傳輸，而且還要接收中心站向下發(fā)送的信令信號(hào)。應(yīng)答式自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)會(huì)將采集的數(shù)據(jù)暫時(shí)保存在設(shè)備中，在收到中心站發(fā)送來(lái)的信號(hào)后再向上發(fā)送數(shù)據(jù)。應(yīng)答式自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)功耗較大，不適合長(zhǎng)期無(wú)人值守的野外監(jiān)測(cè)站。應(yīng)答式自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)由于收發(fā)雙方有信令信號(hào)聯(lián)系，比較靈活，可以按照指令發(fā)送采集的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。

（3）自報(bào)應(yīng)答兼容式

自報(bào)應(yīng)答兼容式既可實(shí)時(shí)上報(bào)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，又可隨時(shí)響應(yīng)中心站向下發(fā)送的信令信號(hào)，具有自報(bào)式和應(yīng)答式兩種工作方式的特點(diǎn)，但設(shè)備更為復(fù)雜，功耗也更大。

根據(jù)以上分析比較，從系統(tǒng)供電、可靠性及維護(hù)等因素綜合考慮，選擇相適應(yīng)的工作方式。地理位置復(fù)雜，供電條件和交通都不便的地點(diǎn)，選擇簡(jiǎn)單和省電的自報(bào)式；對(duì)用戶有特殊要求，需隨時(shí)了解采集信息數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)站，采用自報(bào)應(yīng)答兼容式。灌區(qū)量水信息采集在正常工作狀態(tài)下，可按1～2小時(shí)間隔采集數(shù)據(jù)。突發(fā)應(yīng)急狀態(tài)時(shí)，采集頻次可臨時(shí)調(diào)整，縮短采集間隔時(shí)間。固定量水信息采集不能滿足需要時(shí)，可安裝移動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)量水信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤監(jiān)測(cè)?？傊克畔⑾到y(tǒng)應(yīng)在保證系統(tǒng)可靠的基礎(chǔ)上，力求省電、簡(jiǎn)單，使其發(fā)揮有效的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 信息傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采集的信息數(shù)據(jù)通過(guò)通信模塊傳輸至數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)庫(kù)。

監(jiān)測(cè)站點(diǎn)采集信息的傳輸方式有很多：光纖、超短波、衛(wèi)星、GSM、GPRS以及物聯(lián)網(wǎng)等，不同的通信方式適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合，和距離、帶寬、環(huán)境條件及投資都有關(guān)系。

（1）超短波

超短波頻段一般在30MHz～3000MHz。在水利數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)實(shí)測(cè)信息數(shù)據(jù)通過(guò)監(jiān)測(cè)終端機(jī)（RTU），經(jīng)過(guò)編碼處理，制成射頻載波并進(jìn)行功率放大后發(fā)射到中繼站接收。中繼站對(duì)接收到射頻信號(hào)后解調(diào)成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)糾錯(cuò)編碼、數(shù)據(jù)再生等處理后再發(fā)送到中心站。中心站將接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、譯碼，由前置計(jì)算機(jī)傳送到主計(jì)算機(jī)系統(tǒng)［4］。

（2）衛(wèi)星傳輸

對(duì)于移動(dòng)通信信號(hào)覆蓋不到的地點(diǎn)，采用衛(wèi)星通信，是一種行之有效的辦法。衛(wèi)星通信適用于地形復(fù)雜、偏遠(yuǎn)區(qū)域的通信，具有覆蓋范圍廣、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是價(jià)格較貴，衛(wèi)星終端設(shè)備、使用和運(yùn)行維護(hù)成本較高。

（3）GSM移動(dòng)通信信道

利用GSM手機(jī)的短信息功能傳送水利數(shù)據(jù)或其他短數(shù)據(jù)，不須自建通信網(wǎng)絡(luò)，站點(diǎn)之間的傳輸信號(hào)不易相互干擾，而且設(shè)備耗電省，費(fèi)用低。

（4）GPRS通用無(wú)線分組業(yè)務(wù)

GPRS網(wǎng)絡(luò)是基于現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸可靠性高、傳輸范圍廣、傳輸功耗小和成本低等優(yōu)點(diǎn)，可遠(yuǎn)程控制各監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)備，野外的供電環(huán)境要求低。

綜上所述，選擇時(shí)應(yīng)根據(jù)建設(shè)成本、環(huán)境條件和運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行綜合考慮，確定和選擇適合的組網(wǎng)方式。根據(jù)項(xiàng)目站點(diǎn)分散，距離較遠(yuǎn)，環(huán)境復(fù)雜，視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成定時(shí)照片信號(hào)傳輸帶寬要求不高等多種因素，選擇相應(yīng)的傳輸方案。

3 結(jié)束語(yǔ)

在深入調(diào)查灌區(qū)量測(cè)水等水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)情況的基礎(chǔ)上，根據(jù)管理體制及特點(diǎn)，結(jié)合部門機(jī)構(gòu)設(shè)置情況，采用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等高新信息化技術(shù)，高起點(diǎn)搭建項(xiàng)目框架，設(shè)計(jì)支持整體業(yè)務(wù)的量測(cè)水信息化系統(tǒng)，選擇信息采集設(shè)備和技術(shù)架構(gòu)方案，制定保障制度體系運(yùn)行維護(hù)措施等，保證系統(tǒng)的擴(kuò)展性和兼容性，為業(yè)務(wù)系統(tǒng)的功能升級(jí)、技術(shù)更新留有余地，從而促進(jìn)灌區(qū)管理和服務(wù)水平登上新臺(tái)階。