于橋水庫(kù)水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

王鴻雁，盧小伶，謝雪濤

（天津市引灤工程于橋水庫(kù)管理處，天津 301900）

于橋水庫(kù)水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

王鴻雁，盧小伶，謝雪濤

（天津市引灤工程于橋水庫(kù)管理處，天津 301900）

水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)是涉及水文遙測(cè)、通信、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)等學(xué)科的一門(mén)先進(jìn)技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)水文現(xiàn)代化的重要手段。該文在分析水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)可靠性有關(guān)概念的基礎(chǔ)上，從總體、儀器、防雷、軟件等方面總結(jié)了于橋水庫(kù)水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為更好地服務(wù)于水利工作提供了參考。

水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)；可靠性；設(shè)計(jì)

于橋水庫(kù)水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)始建于1985年，是由南京市水利水文自動(dòng)化研究所與于橋水庫(kù)管理處協(xié)作研制。在十幾年的運(yùn)行和使用中，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了多次更新改造，系統(tǒng)功能不斷增加和完善，應(yīng)用上更加廣泛、便利、有效，在防洪與水情調(diào)度中發(fā)揮了積極作用。

于橋水庫(kù)水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)由1個(gè)中心站、1個(gè)中繼站、13個(gè)遙測(cè)站組成，分布在薊縣至河北省遵化市境內(nèi)，最遠(yuǎn)的遙測(cè)站距中心站63km。遙測(cè)站和中繼站的儀器設(shè)備大多設(shè)置在荒郊野外，處在無(wú)人值守、交通不便、氣候條件差、電磁輻射嚴(yán)重的情況下，而擔(dān)負(fù)著水文信息采集的設(shè)備本身又是相對(duì)脆弱的電子產(chǎn)品，因此可靠性是水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵課題之一。

1 可靠性的含義及其指標(biāo)

1.1 含義

系統(tǒng)可靠性是指系統(tǒng)在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)規(guī)定功能的能力，是對(duì)系統(tǒng)可靠性的定性評(píng)價(jià)。影響系統(tǒng)可靠性的因素很多，一般來(lái)說(shuō)，有系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的缺陷、電源系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通道、電磁輻射的干擾及溫度、濕度等因素。

1.2 指標(biāo)

廣義上的可靠性指標(biāo)可以引用分散型工業(yè)控制系統(tǒng)的RAS來(lái)表示，其中R是可靠性（Reliability），A為可用性（Availability），S為可維修性（Serviceability）。

1.3 可靠性指標(biāo)的確定

RAS指標(biāo)嚴(yán)格意義上講都是隨機(jī)變量，與系統(tǒng)元器件、原材料、設(shè)計(jì)及組裝、現(xiàn)場(chǎng)土建、安裝調(diào)試、運(yùn)行維護(hù)及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等因素有關(guān)，因此只能用概率統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行研究。從RAS指標(biāo)來(lái)分析，影響于橋水庫(kù)水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)可靠性的因素主要來(lái)自以下幾個(gè)方面：

（1）外部干擾與作用。包括各種電磁干擾、高低溫及溫度變化、潮濕、振動(dòng)、灰塵、水滴等。

（2）內(nèi)部干擾。包括工作時(shí)發(fā)熱，各電路間電磁耦合，特別是各地線間的干擾等。

（3）各集成電路及材料老化。

（4）廠家的技術(shù)實(shí)力、管理水平及售后服務(wù)方式。

（5）軟件的穩(wěn)定性。

2 于橋水庫(kù)水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

系統(tǒng)可靠性措施，即研究在設(shè)計(jì)階段如何預(yù)測(cè)和預(yù)防各種可能發(fā)生的故障和隱患。水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的可靠性包含系統(tǒng)的可靠性和設(shè)備的可靠性。遙測(cè)站一般處于偏遠(yuǎn)地區(qū)且分散，維護(hù)起來(lái)很不方便，需要長(zhǎng)期在無(wú)人值守的環(huán)境下工作，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的可靠性尤為重要。

2.1 選擇有效的通信組網(wǎng)方式

水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的通信方式有衛(wèi)星通信、超短波通信和GSM/GPRS通信等。采用超短波通信是目前在水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)中應(yīng)用最多的通信方式，但這種通信方式受地形和距離的限制，如要擴(kuò)展站網(wǎng)覆蓋范圍，需設(shè)計(jì)多級(jí)中繼站；GSM/GPRS通信的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備投資低、技術(shù)先進(jìn)、通道質(zhì)量好、傳輸速度高、不受距離和地形限制、覆蓋面廣，缺點(diǎn)是運(yùn)行費(fèi)用較高。

基于以上兩種通信方案，于橋水庫(kù)水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)采用超短波與GSM/GPRS混合組網(wǎng)通信方式。這是目前大中流域水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)應(yīng)用較多的通信組網(wǎng)方式。其優(yōu)點(diǎn)是通信組網(wǎng)靈活、受距離和地形影響小、覆蓋面廣、設(shè)備投資較低；缺點(diǎn)是通信網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，對(duì)運(yùn)行維護(hù)人員的素質(zhì)要求較高。

2.2 提高測(cè)站電源的穩(wěn)定性

中心站采用UPS電源，遙測(cè)站和中繼站均采用蓄電池組和太陽(yáng)能光電板浮充供電方式。遙測(cè)站、中繼站電池容量配置應(yīng)能保證各類(lèi)設(shè)備在連續(xù)20d陰雨天氣情況下仍能正常工作；電源有可靠的防雷電設(shè)計(jì)，能有效避免從電源回路引入雷擊信號(hào)。在日照期間該系統(tǒng)給蓄電池充電，在夜間或連續(xù)陰雨期間使用蓄電池電能。鉛酸全密封進(jìn)口酸性蓄電池具有良好的低溫特性和過(guò)量充電特性，而且免維修，因而選用它做為遙測(cè)設(shè)備供電。為保證最長(zhǎng)連續(xù)無(wú)日照期間供電，需合理選擇電池的容量。

2.3 提高設(shè)備抗雷電干擾能力

為了保證遙測(cè)站中繼站可靠運(yùn)行，防止從天饋線、電源線、遙測(cè)設(shè)備與傳感器間的信號(hào)線引入的雷電損壞設(shè)備，遙測(cè)站、中繼站采用全電磁屏蔽的全密封鋁合金法拉第筒結(jié)構(gòu)，全面實(shí)現(xiàn)雷電、高低溫、高濕防護(hù)。

（1）選取自報(bào)式制式，使終端設(shè)備遙測(cè)工作減少雷電干擾幾率。

（2）遙測(cè)站使用市電，但在雷雨季節(jié)陰雨天氣時(shí)切斷市電改用電瓶供電，減少電源導(dǎo)入雷電脈沖機(jī)會(huì)。

（3）如需接地，應(yīng)采取Ⅰ級(jí)防雷，即信號(hào)線防雷、電源防雷和天線防雷。防雷接地嚴(yán)格按照國(guó)家規(guī)范要求，接地電阻應(yīng)考慮不同季節(jié)、土壤等因素引起的變化。

（4）信號(hào)線宜選用屏蔽線并穿鋼管地埋，鋼管需焊接并連接接地網(wǎng)，所有信號(hào)引入線等均應(yīng)加裝避雷器防止導(dǎo)入雷電波。

（5）當(dāng)必須選用較高的通信鐵塔時(shí)，應(yīng)加設(shè)避雷針。

2.4 設(shè)備可靠性

水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)設(shè)備由中心站設(shè)備、中繼站設(shè)備和遙測(cè)站設(shè)備3部分組成。其中中心站設(shè)備由計(jì)算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、超短波通信及GSM/GPRS通信設(shè)備、前置通訊處理機(jī)（中心站控制儀）、供電設(shè)備及避雷設(shè)備等組成；中繼站設(shè)備由模擬中繼設(shè)備和再生中繼設(shè)備組成；水文遙測(cè)站由遙測(cè)數(shù)傳終端RTU、傳感器、電臺(tái)、同軸避雷器、天饋線和電源等組成。

設(shè)備的可靠性用設(shè)備的有效度A來(lái)描述：

式中 t1表示平均無(wú)故障時(shí)間；t2表示平均維修時(shí)間。

設(shè)備的平均無(wú)故障時(shí)間越長(zhǎng)，平均維修時(shí)間越少，則設(shè)備的可用度就越高。

影響設(shè)備可靠性的因素主要分為設(shè)備本身質(zhì)量、累計(jì)、外部環(huán)境影響3類(lèi)。

要提高設(shè)備可靠性，需從3個(gè)方面入手：①對(duì)各廠設(shè)備認(rèn)真比對(duì)，選取質(zhì)量較好的設(shè)備。②做好站點(diǎn)的防雷措施。每個(gè)站點(diǎn)均應(yīng)有避雷針接到防雷接地點(diǎn)，在信號(hào)輸入端應(yīng)接信號(hào)避雷管。③減少環(huán)境對(duì)設(shè)備的影響。野外濕度較大，各種引線應(yīng)綁牢，做好設(shè)備的密封防水；要有防止設(shè)備被人為破壞的措施。

2.5 保障水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的可靠性

2.5.1 在設(shè)備的安裝質(zhì)量上滿(mǎn)足要求

在設(shè)備的安裝過(guò)程中多次測(cè)試有關(guān)參數(shù)，既保證的功能達(dá)到規(guī)定的指標(biāo)，也要考慮系統(tǒng)可能承受的各種影響耐久性的因素（包括雷電、動(dòng)植物和人為破壞），同時(shí)做好記錄以備查證。

2.5.2 關(guān)鍵設(shè)備應(yīng)有足量備份

不論是中繼站還是遙測(cè)站，都是遙測(cè)系統(tǒng)組網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，都應(yīng)備有足量、完整的備份（如數(shù)傳終端、天線、饋線、防雷系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等）。一套主運(yùn)行，作為正常情況下的中繼站；另一套熱備份，不作中繼轉(zhuǎn)發(fā)，但對(duì)主中繼站實(shí)時(shí)檢測(cè)，當(dāng)備份中繼站發(fā)現(xiàn)主中繼站發(fā)生故障則立即中止主中繼的運(yùn)行，并自動(dòng)代替主中繼站工作，同時(shí)向中心站發(fā)出告警信息，或者直接在中心站的控制下，執(zhí)行允許和禁止轉(zhuǎn)發(fā)、主備中繼機(jī)切換的功能。

備用設(shè)備可縮短故障修復(fù)時(shí)間，提高測(cè)站在線率，明顯提高系統(tǒng)的可靠性。

2.5.3 采取有效措施，減少因設(shè)備老化帶來(lái)的一系列問(wèn)題

系統(tǒng)老化將對(duì)水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)產(chǎn)生一些影響和干擾。如蓄電池的老化會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)工作不正常，甚至污染其他設(shè)備。因此，必須對(duì)設(shè)備定期檢查，消除事故隱患。

2.5.4 加強(qiáng)設(shè)備的管理維護(hù)

管理和維護(hù)是遙測(cè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的保障。每年汛前都應(yīng)對(duì)操作人員進(jìn)行設(shè)備維護(hù)技術(shù)培訓(xùn)，使操作人員做到小故障站內(nèi)解決、大故障快速上報(bào)處理，提高操作人員發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和維護(hù)維修的水平，有效縮短故障解決時(shí)間，確保數(shù)據(jù)傳輸精確。

2.6 中心機(jī)房的環(huán)境要求

中心機(jī)房是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匯集和管理中心，也是數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器所在地。于橋水庫(kù)中心機(jī)房能迅速查詢(xún)和分析整個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)的、歷史的全部水情信息，與洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)相連接，實(shí)時(shí)做出決策。于橋水庫(kù)中心機(jī)房建設(shè)，歷經(jīng)多次更新、改造，布局更加合理，環(huán)境條件符合系統(tǒng)的技術(shù)要求，并充分考慮到系統(tǒng)擴(kuò)充的可能性。

2.6.1 溫度

工作站室、服務(wù)器室、配線室、電源設(shè)備室溫度滿(mǎn)足10℃～35℃。為了滿(mǎn)足上述要求，各房間配置了空調(diào)。

2.6.2 濕度

工作站室、服務(wù)器室、配線室、電源設(shè)備室相對(duì)濕度保持在45%～65%。

2.6.3 機(jī)房接地

工作站室、服務(wù)器室、配線室、電源設(shè)備室均采用抗靜電地板，地板下部空間高度不小于25cm。

2.6.4 其他

工作站室、服務(wù)器室、配線室、電源設(shè)備室滿(mǎn)足防火、防盜、防噪聲、防雷等要求。

2.7 采用先進(jìn)的軟件設(shè)計(jì)方法

軟件設(shè)計(jì)必須遵循標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化設(shè)計(jì)原則。在編碼設(shè)計(jì)、通信規(guī)約、用戶(hù)界面、文檔編制時(shí)應(yīng)貫徹標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的設(shè)計(jì)方法。

于橋水庫(kù)水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)采用人機(jī)界面（MMI）開(kāi)發(fā)及運(yùn)行軟件和PLC編程、組態(tài)等相關(guān)軟件，采用面向用戶(hù)的圖形化交互界面，顯示流域水系圖、站點(diǎn)分布圖和通信組網(wǎng)圖，并在圖上動(dòng)態(tài)顯示各測(cè)站的實(shí)時(shí)水位、雨量等數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)形成的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)，以應(yīng)用軟件為基礎(chǔ)，通過(guò)計(jì)算機(jī)、服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，使運(yùn)行人員快速、準(zhǔn)確地做出正確預(yù)報(bào)和調(diào)度方案。

2.8 選用公網(wǎng)進(jìn)行通信

當(dāng)前，公網(wǎng)通信技術(shù)成熟，網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣。根據(jù)水文數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用的特點(diǎn)，于橋處向移動(dòng)公司申請(qǐng)了GPRS（Virtual Private Network）專(zhuān)用數(shù)據(jù)網(wǎng)，遙測(cè)站將各項(xiàng)水情數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集后通過(guò)GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到中國(guó)移動(dòng)GPRS網(wǎng)絡(luò)。GPRS網(wǎng)絡(luò)將各個(gè)遙測(cè)站的數(shù)據(jù)采集到移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商前端機(jī)，再利用專(zhuān)用線路傳輸?shù)接跇蛩畮?kù)水情分中心站服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。通過(guò)水情調(diào)度軟件完成對(duì)各遙測(cè)站的監(jiān)視控制、水情警戒及歷史曲線顯示等功能。這樣的優(yōu)勢(shì)在于：外界的終端或節(jié)點(diǎn)不能進(jìn)入；數(shù)據(jù)安全性好；保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、靈活性。

3 結(jié)語(yǔ)

水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)從工程效益和經(jīng)濟(jì)效益兩方面來(lái)看，具有不可估量的意義。鑒于其分布范圍大，工作環(huán)境相對(duì)惡劣，干擾問(wèn)題多，于橋水庫(kù)水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)處于不斷完善之中，另一方面，也以其豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為其他水庫(kù)同類(lèi)項(xiàng)目提供了參考，為天津水利事業(yè)發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。

［1］SL61—2003，水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］馮昊，何春梅，李范秋.齊齊哈爾水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)站網(wǎng)布設(shè)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.黑龍江水專(zhuān)學(xué)報(bào)，2005（2）.

［3］常江，袁鵬，李彬.曲靖市南盤(pán)江上游水情自動(dòng)測(cè)報(bào)軟件系統(tǒng)［J］.水利科技與經(jīng)濟(jì)，2005（8）.

［4］靖?jìng)ィび窠。蓾?金溝河流域管理處水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的維護(hù)［J］.水利水文自動(dòng)化，2006（4）.

［5］杜澤新.烏江流域水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)通信方式優(yōu)化建議［J］.水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2005（5）.

［6］盧巖.水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)在水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度中的應(yīng)用［J］.科教導(dǎo)刊，2009（4）.

［7］田毛.水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)多信道通信方式在烏江流域梯級(jí)電站調(diào)度中的應(yīng)用［J］.大壩與安全，2008（6）.

［8］朱春霞.大渡河流域水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.水利科技與經(jīng)濟(jì)，2008（11）.

［9］李鐵山.短消息業(yè)務(wù)在水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.云南水力發(fā)電，2005（6）.

［10］林廣洪.天生橋水電站水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用［J］.紅水河，2004（2）.

［11］杜澤新.烏江流域水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)的建設(shè)及效果［J］.貴州水力發(fā)電，2009（1）.

［12］李明武，劉遠(yuǎn)征，司存友.江蘇省國(guó)家防汛指揮系統(tǒng)示范區(qū)徐州分中心遙測(cè)系統(tǒng)不可靠環(huán)節(jié)淺析及對(duì)策［J］.江蘇水利，2006（11）.

X143；TP2

A

1672-9900（2011）01-0037-03

2010－12-16

王鴻雁（1975－），女（漢族），天津薊縣人，工程師，主要從事于橋水庫(kù)水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)運(yùn)行管理工作，（Tel）13370313130。