水利水文遙測系統的設計和實施

摘 要：介紹某市水利信息化建設中水文遙測系統的主要設計思路、實施方案、相關的網絡環境及程序編寫，并對方案實施過程中遇到的問題進行分析，提出解決問題的辦法及思路。本水文遙測系統主要是基于GPRS作為基礎傳輸網絡并通過光纖專線接入方式實現無人值守的自動化信息采集與RTU控制方案，并對網絡、數據安全問題進行分析和解決，相關站點信息傳感器的選擇、供電保障和防雷措施等做了詳盡說明。

關鍵詞：水文遙測；網絡；設計；分析

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

1 引言

某市水文遙測系統完成雨水情自動化或半自動化采集和發送。信息包括河流、水利工程基本情況及狀態信息、防洪調度預案、基礎地理信息、三防機構、三防人力物力資源信息、社會經濟信息、相關法律法規信息、三防常識信息、歷史災情及防洪搶險信息等。信息采集系統能夠采集某市三防系統指揮調度所需要的各類信息，重點實時動態信息設置各種傳感器由遙測RTU實時采集并傳輸到市三防辦數據中心，一般實時動態信息人工采集輸入通過PDA傳輸至市三防辦數據中心。目前，某市大部分水利部門了解信息主要手段還是停留于人工電話手機階段，現正向無人值班(少人值班)的方向發展，提高工作效率。

2 系統總體情況

基本功能要求

系統應具有多種信息源信息采集功能，對重點實時動態信息，一般實時動態信息，基本靜態信息等不同類型和不同重要程度的信息都能夠可靠采集和分類存儲建庫；具有對模擬信號，數字信號，人工置數等適應能力；對雨量信息三維特征(雨量、時間段、面積)相關適應采集能力；具有對信息源信息正確性自動檢驗功能；具有對整個系統故障自檢和故障報警功能；具有對各種信息源信息采集站點故障檢驗和查詢功能，能夠自動修復或自動屏蔽采集站點功能，故障站點遺漏數據可以人工插入功能；具有自報、自報確認和應答三種工作模式；信息傳輸通道主備自動切換功能；可以根據需要提供各種信息服務功能；具有現地存儲與中心存儲數據自動校驗與交換功能；具有特殊天氣下采集系統工作適應性和可靠性保證功能。

某市三防應急專用網絡是搭建在某市政務內網平臺基礎上，目前某市政務內網已經有非常健全的安全體系及冗余備份能力，為三防應急專用網提供良好的網絡基礎。網絡方案與某市信息化辦公室協商最終確定采用三層交換機(具有動態路由功能)來鏈接，通過劃分Vlan的方式組網。在第二次發案修改的時候放棄了原有的設計方案：使用路由器配合交換機(不具備動態路由功能)來鏈接，取消中心節點的核心交換機和核心路由器。這種方案的弊端有：網絡設備鏈路加長，降低傳輸效率；設備較多不便于管理；成本增高；增加事故風險。具體的網絡拓撲圖可參見圖1。

數據采集監控系統負責對整個采集系統進行監控，負責數據的接收處理存儲，設置信息采集方式和通訊傳輸方式等。也可據其對遠程采集終端進行維護和故障診斷，以及進行參數設置。其流程如圖2所示。

信息采集系統中除了重點實時動態信息通過傳感器和遠程RTU采集外，還有大量的一般實時動態信息和基本靜態信息需要采集。一般實時動態信息由人工采集，由PDA移動工情信息采集前端采集圖片、文字、定位信息，由GPRS經過移動網絡接收，再經過專線方式接人市三防指揮系統數據中心，最后通過數據采集監控系統存入三防數據中心數據庫，同時通過系統管理軟件實現圖片或數據的分析顯示及網絡發布功能。當GPRS網絡不能正常聯通時，RTU將自動轉換成短信(SMS)報訊方式，通過移動機房再走光纖專線輸入到數據服務器。

基本靜態信息由鄉鎮水利所按照統一設計的格式填報，經市三防辦審核后一次性人工采集輸入中心數據庫。信息接收系統能通過GPRS通訊網絡，完成對區域的遙測數據實時接收，包括遙測站的水位、雨量、人工置數等內容和其他工況數據，寫入統一的數據庫并可通過計算機廣域網傳送到市數據中心。

數據中心的接收設備

數據中心的設備包括通信服務器，監控主機，數據庫服務器等。

通信服務器負責實現行業數據通信協議、數據代理轉發等功能。

由于三防信息采集需要完成多項無人值守工作，所以通信服務器中的具有固定規律的工作可以交給前置機完成。前置機可以通過LAN、WAN、串口等多種方式與應用系統接口；支持通信聯絡保障，解決移動數據通信網絡暫態不穩定的問題；設備定期數據通信檢測；通信檢測數據確認；中斷報警；定期檢測數據發送(心跳)；連接自動重建。

數據中心監控服務器實現如下功能：

1)對終端進行監視，自動發現終端的接入與退出；支持終端的手動添加、刪除或修改；對指定終端的性能指標進行實時的信息收集。及時發現無線終端發生的故障；

2)無線終端參數的遠程配置和當前狀態查詢；

3)前置機參數配置；

4)數據庫服務器進行數據存儲、備份；

由于信息采集系統要求對終端進行終端IP綁定，需要安裝RADIUS服務器，為系統提供AAA認證和IP綁定功能。監控中心RADIUS服務器接收到GPRS網絡傳來的數據后先進行AAA認證。充分保障網絡服務質量。

3 項目實施情況

工程實施概況

全市計劃安裝水位遙測站點一共有103個，河道流量站點有2個，分布在某市32個鎮(街)及某市各中小型水庫，監測全市河道水位實時情況，為日常及洪水調度提供信息依據。

項目選用安裝設備

遙測設備

本設計采用三種水位傳感器：中型水庫及部分有條件的小(一)型水庫(有水位測井)選用浮子式WFH-2型細井式遙測水位計；河道及城區防洪選用電子水尺；對一些還沒有建立式開關室的小(一)型水庫暫時選用壓力式水位傳感器。

1)浮子式水位傳感器

細井式遙測水位計由水位傳感器部分和水位顯示器部分組成，自身配套后，可有線遙測實時水位。用于江河、湖泊、水庫、渠道、地下水及各種水工建筑物處水位測量。本儀器作為水位傳感器可與各種水位遙測系統配套，如：水情自動測報系統、水位數據收集、存儲、處理系統等。

2)電子水尺(感應式數字液位傳感器)

電子水尺測量精度高，測量誤差小，設備安裝靈活方便，不需要建測井，不受泥沙淤積、天氣、溫度、飄浮物、結冰、水質、泡沫等因素的影響，解決了浮子式水位計、超聲波水位計、壓力式水位計不能解決的泥沙淤積，土建工程量大，污水以及漂浮物等對水位測量的影響，并克服了上述水位計不能有效的區分干灘和水面的問題。

3)壓力式水位傳感器

某市雷電活動頻繁，壓力式水位傳感器，對雷電敏感較大，容易受雷擊破壞，但壓力式水位傳感器安裝方便，不需要專門的土建設施。

4)流量傳感器

某市重要河流斷面需要設置流量觀測。流量選用多普勒超聲波流量流量傳感器(ADCP)。

4 項目實施過程中遇到的問題及解決方案

4．1 遙測和網絡設備運行出現問題

項目實施過程中發現必須配置一個關鍵的設備是數據接受服務器(數據前置機)和要開通一個中國移動提供的APN端口，這2項項目的增加是問題解決的關鍵。

4．1．1 遙測設備運行期間出現問題

1)設備安裝初期，從遙測設備發送回數據庫中的數據和電話報訊的數據看來，同一站點的數據存在較大的差異，并且誤差值都是30厘米。

2)從數據庫中讀取數據來分析，數據出現了不連貫性，其中有一部分數據出現丟失現象，這對于以后決策支持系統的開發非常不利。

3)由于站點處于偏遠地區，供電及雷擊問題較為突出，并有幾次站點因為雷擊事故導致全面癱瘓，需加強防雷和供電保障。

4．1．2 網絡設備運行期間出現問題

1)網絡連通性出現問題，由于數據接收服務器出于安全考慮，跟我們內網的工作站并不是處于統一內網中，所以相互的訪問出現問題。

2)由于在數據接收服務器和內部數據庫服務器之間存在一個防火墻阻隔，導致數據接收服務器不能直接向內網的數據庫服務器發送數據。

4．2 對運行期間出現問題的解決方法

4．2．1 遙測設備問題解決方法

1)經過分析及現場勘測后，發現由于在水文站觀測井的管中由于受淤泥及浪潮的影響，導致獲取的數據存在偏差，將觀測井管中的淤泥清理完畢和對管道直徑再一次核實計算后，水位計讀數正常，與肉眼觀測讀數的誤差值大概在±5厘米以內，讀數屬于正常。

2)經測試，發現數據丟失的問題不存在于RTU端，從RTU端中發送的數據是連貫的，并沒有發展丟失現象。經查明，應該在移動GPRS網絡中開通APN(Access Point Name)，即“接入點名稱”端口，用來標識GPRS的業務種類，在移動GPRS公網中建立多條專用傳輸“隧道”，保證信息不會發送到其他別的端口造成數據丟失。APN端口一經開通后，數據丟失問題得到解決。

3)電源是自動測報站的正常工作的基本保障，自動測報站一般處于比較偏遠的地方，距離市電較遠，取電困難，設計可靠的供電電源十分重要。RTU由直流電源供電，直流電源由免維護蓄電池供電，蓄電池采用浮充電方式工作，充電電源有條件的地方采用交流供電，沒有條件的地方采用太陽能電池板供電。蓄電池的選用應保證連續30個陰雨天氣系統能夠連續可靠供電。

傳感器不需要電源的測站或只有單一信號的測站蓄電池選用松下36AH／12V蓄電池，太陽能電池模塊選擇12W電源板。對傳感器較多或功耗較大的測站選用松下100AH／12V蓄電池，太陽能電池模塊選擇40W電源板。系統防雷主要是電源防雷，防止電源上雷電侵入波危害到信息采集系統。GPRS傳輸系統的優點之一是比數傳電臺受雷電影響小。電源防雷選用合適的電源避雷器或隔離變壓器。傳感器的信號線設置瞬態電壓吸收器件和光電隔離吸收來自信號線的干擾信號。

4．2．2 網絡設備問題解決方法

1)數據接收服務器與內網端不能正常訪問，而又不想添加路由設備增加成本。解決此問題的方案是在數據接收服務器內設置一條動態路由，直接指向內網網關，再對核心路由器進行相關配置，并且處于安全性考慮，只考慮內外網的單向安全通訊(只允許內網可以訪問外網，而外網不能直接訪問內網)。

2)數據庫服務器通訊方案為：在數據庫服務器上面編寫程序，讓數據庫服務器主動到數據接收服務器中獲取數據(因為通訊的單向性)，并且在獲取到數據入庫之前，并且通過SSL_VPN(數據認證)校認后方可入庫，確保數據的可靠性和安全性。

5 結束語

某市水利信息化的建設已經迫在眉睫，必須使用當今先進的信息采集手段及網絡傳輸平臺為基礎，建設有某市本土特點的遙測系統，并將此部分經驗向全國介紹，加快全國水利信息化建設步伐。目前，經過三個多月的遙測設備及網絡設備的測試，經過對出現問題進行解決，系統當前運行情況良好，暫時并沒有任何異常情況。下一步，要把此方案推廣到將要建設的100多個遙測點中，為完善某市三防指揮系統決策支持系統的開發和水利設施自動化控制工作，進一步推進某市水利信息化進程。