引灤工程水情自動測報系統(tǒng)設計

王立林，王鴻雁，謝雪濤，齊德海

（1.天津市引灤工程爾王莊管理處，天津 寶坻 301802；2.天津市引灤工程于橋水庫管理處，天津 薊縣 301900）

1 概述

引灤入津工程是一項由灤河水系向海河水系引水的大型調(diào)水工程，工程于1981年9月開工建設，1983年9月11日勝利通水。2009年共向天津市供水超過170億m3，極大地改善了天津市城市供水的緊張狀況，經(jīng)濟效益和社會效益十分顯著。

近年來受生態(tài)環(huán)境惡化的影響，惡劣天氣連續(xù)出現(xiàn)，洪澇、干旱等各種自然災害嚴重。因此如何合理利用水資源，改善生態(tài)環(huán)境，最大限度地降低自然災害對人民生命財產(chǎn)造成的損失，已成為引灤入津工程管理者亟需解決的課題。

盡管經(jīng)過10多年的奮斗和摸索，管理水平和管理手段在不斷提高，但由于引灤入津工程流域雨情、輸水條件復雜，傳統(tǒng)的信息采集及處理手段已經(jīng)很難滿足當前管理工作的需要。

充分利用先進的計算機網(wǎng)絡技術、通信技術、自動控制技術，建立完整、有效的引灤入津工程管理信息系統(tǒng)，已經(jīng)成為管理引灤工程的必要手段和措施。其中雨、水情自動測報系統(tǒng)是引灤工程管理現(xiàn)代化的重要部分。

引灤工程雨、水情自動測報系統(tǒng)的總體設計，即在引灤工程管理處建立系統(tǒng)中心站；根據(jù)雨、水情分布的實際狀況，分別在黎河管理處、潮白河管理處建立超短波中繼站；在引灤沿線根據(jù)實際需要設立水情遙測站點，采集水情信息。在隧洞管理處至宜興埠管理處沿線12個輸水斷面上安裝25套超聲波流量計，可實現(xiàn)水情自動測報數(shù)據(jù)的自動采集和分析，為引灤輸水調(diào)度提供政策支持。

2 系統(tǒng)設計原則

水情信息采集與傳輸?shù)目傮w原則是以技術先進、簡單實用、經(jīng)濟可靠、低功耗為目標。

設備的選擇應以結(jié)構(gòu)簡單，性能先進，可靠性高，防雷省電，便于維護為原則。設備盡量選用定型產(chǎn)品，減少建設周期，核心部件要有足夠的備份。

傳輸體制及組網(wǎng)方式力求簡單，應盡量減少中繼次數(shù)和經(jīng)中繼的遙測站點數(shù)，控制中心和中繼站可采用雙機備份。

供電方式的選擇應根據(jù)實際情況確定。水情信息遙測站，大都建在偏遠地區(qū)，交流供電極不方便，同時考慮這些地區(qū)電網(wǎng)電壓及供電的不穩(wěn)定和多雷電等原因，遙測站和中繼站供電采用蓄電池供電，太陽能板向蓄電池充電的工作方式，控制中心要有安全可靠的交流電源，前置機采用交流或直流供電方式。

3 系統(tǒng)總體設計

3.1 系統(tǒng)通信方案的確定及依據(jù)

建設水情自動測報系統(tǒng)的通信方式有：衛(wèi)星通信、短波通信、GSM/GPRS通信等。結(jié)合引灤工程，流域?qū)嶋H情況采用超短波和GSM/GPRS混合組網(wǎng)通信方案。

（1）超短波通信是目前在水情自動測報系統(tǒng)中應用最多的通信方式。超短波通信的優(yōu)點是信號傳播穩(wěn)定、通信質(zhì)量較高、技術成熟、設備投資低。缺點是受地形和距離的限制，如要擴展站網(wǎng)覆蓋范圍，需設立多級中繼站。

（2）GSM/GPRS通信的優(yōu)點是設備投資低、技術先進、通道質(zhì)量好、傳輸速率高、不受距離和地形限制、覆蓋面廣；缺點是運行費用較高。適用于地形復雜、流域面積大、技術要求高且采用超短波通信組網(wǎng)困難的水情測報系統(tǒng)。

基于以上兩種通信方案，本設計采用超短波和GSM/GPRS混合組網(wǎng)通信方式。超短波通信、GSM/GPRS通信兩種方式，是目前大中流域水情自動測報系統(tǒng)應用較多的通信組網(wǎng)方式。其優(yōu)點：通信組網(wǎng)靈活、受距離和地形影響較小、覆蓋面廣、設備投資較低。缺點：通信網(wǎng)絡復雜，對運行維護人員的素質(zhì)要求較高。

單獨水文站使用GSM/GPRS通信方式工作流程是，當水位發(fā)生變化時啟動GPRS發(fā)送數(shù)據(jù)，當GPRS掛不上線超時后啟動GSM發(fā)送短信到中心站。

含有超短波和GSM/GPRS的站點，當雨量或水位發(fā)生變化的同時啟動超短波和GSM/GPRS發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣可以減少控制環(huán)節(jié)，提高設備的可靠性和穩(wěn)定性。所有數(shù)據(jù)經(jīng)中心站微機處理后存入數(shù)據(jù)庫中。

3.2 系統(tǒng)的整體設計

引灤入津輸水工程建成后，由天津市引灤工程管理處統(tǒng)一對引灤沿線設置的6個管理處進行運行管理。

引灤工程雨、水情遙測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 引灤工程雨、水情遙測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 雨、水情遙測站工作體制的選定

4.1 自報式

這類遙測站在雨量、水位等參數(shù)發(fā)生一個計量單位變化時，能實時把被測值采集、發(fā)送出去，其遙測終端結(jié)構(gòu)相對簡單，值守功耗極低，對遙測站附屬設施如供電和發(fā)射設備要求較低，適合采用太陽能浮充蓄電池的供電方式。一方面，這種方式較采用交流供電方式，降低了從電源線引入的雷電等干擾的可能性，從而提高了遙測站設備運行的可靠性；另一方面，由于設備配置簡單，提高了系統(tǒng)的可維護性，降低了系統(tǒng)造價。

4.2 應答式

這類遙測站在雨量、水位等參數(shù)發(fā)生變化時（有的應答式遙測站自身能對雨量、水位等參數(shù)發(fā)生的變化自動采集和存儲），不主動將被測值傳送給分中心站，只有當分中心站發(fā)出查詢命令時，才將當時的參數(shù)值采集、發(fā)送出去。這種工作方式具有可控性，但接收機長期處于守候狀態(tài)，因此值守功耗很大，對供電設施的要求提高，增加了設備配置的復雜性，可靠性相對較低。

4.3 自報/應答兼容式

自報/應答兼容式遙測站綜合自報和應答兩種方式的特點，既能實時自報，又具有受控功能，功能相對較強，其主要缺點是值守功耗很大，可靠性相對較低。根據(jù)實時性和可靠性要求高的特點，自報式遙測站是最合適的工作體制。

5 設備配置

5.1 中心站設備配置

根據(jù)系統(tǒng)的需求，中心站配置由計算機及其網(wǎng)絡設備、超短波通訊及GSM/GPRS通信設備、前置通訊處理機（中心站控制儀）、供電設備及避雷設備等組成。

中心控制儀是為超短波遙測系統(tǒng)的分中心站數(shù)據(jù)接收設備。

水情遙測系統(tǒng)超短波信道所有各測點的水文要素都經(jīng)過它進入計算機主機。在整個遙測系統(tǒng)中，中心控制儀起著橋梁作用。它采用CMOS器件、單一電源和低功耗的解調(diào)器等新技術，具有功能強、適應性大、可靠性高等優(yōu)點。

中心站的電源設備主要由：交流參數(shù)穩(wěn)壓器、電源避雷器、UPS、直流電穩(wěn)壓電源和后備蓄電池等構(gòu)成。

5.2 中繼站設備配置

中繼站可分為模擬中繼和再生中繼，模擬中繼主要用于話路等模擬信號的轉(zhuǎn)接，也可用于數(shù)字信號的轉(zhuǎn)接。再生中繼用于數(shù)據(jù)通訊中。

模擬中繼和再生中繼的主要區(qū)別有以下幾點：

（1）模擬中繼設備比再生中繼簡單。

（2）模擬中繼產(chǎn)生噪聲積累。

（3）再生中繼抗干擾能力較強，不存在噪聲積累問題。

在本系統(tǒng)中，模擬中繼站的技術要求比較高，功能強大。本設計選用的是再生中繼站。

5.3 雨、水情遙測站的主要設備與結(jié)構(gòu)

雨、水情遙測站設備由遙測數(shù)傳終端RTU、傳感器、電臺、同軸避雷器、天饋線和電源等組成。

系統(tǒng)使用的遙測數(shù)傳終端RTU是由微處理器控制的通用設備，被優(yōu)化設計用于對遠端設備的監(jiān)視和控制。它具有本地處理和控制能力，可以根據(jù)應用的需要組成不同的類型。系統(tǒng)中的中繼站系列，分中心站前端的前置通訊控制單元系列也是由遙測數(shù)傳終端RTU電路實現(xiàn)的。

6 網(wǎng)絡功能及系統(tǒng)應用軟件的編制

6.1 網(wǎng)絡功能

中心站計算機網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)設計的原則是：安全、可靠、實用、先進、開放性、可擴充性和高度的統(tǒng)一性等特點組成的局域網(wǎng)。網(wǎng)絡功能支持遠程訪問服務、支持分布式關系數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)、支持客戶機/服務器的計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)，支持超大型的數(shù)據(jù)庫，具有并行事務執(zhí)行、數(shù)據(jù)牽引和裝載、通訊完整性檢查功能。同時，系統(tǒng)可以自動檢測和解決死鎖，支持橫向和縱向的數(shù)據(jù)復制，可以在多種開放式數(shù)據(jù)庫之間復制數(shù)據(jù)，能夠文件傳輸、打印及共享，并支持過程調(diào)用的分布式應用程序，提供控制接口，支持Internet/Intranet。

6.2 系統(tǒng)應用軟件的編制

雨、水情自動測報系統(tǒng)軟件由信息采集傳輸系統(tǒng)、中心處理系統(tǒng)、圖形、報表系統(tǒng)、Web瀏覽系統(tǒng)組成。短信查詢系統(tǒng)、水務計算和預報調(diào)度等高級應用軟件可選配。

中心站計算機操作系統(tǒng)軟件采用美國微軟公司的Windows Server 2000以上中文標準版，數(shù)據(jù)庫軟件采用SQL Server 2000以上版本中文標準版。

引灤工程雨、水情自動測報系統(tǒng)，采用當今的主流技術，結(jié)合引灤工程的實際狀況進行設計。系統(tǒng)兼顧了技術的先進性與穩(wěn)定性，將會在今后引灤工程的現(xiàn)代化管理中，充分體現(xiàn)其作用，為引灤工程的安全、穩(wěn)定、高效運行提供保障，為領導進行科學決策提供依據(jù)。

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