地下水供水水源井遠程監控技術應用研究綜述

郭　江，秦繼偉

（天津水利電力機電研究所，天津 301900）

地下水供水水源井遠程監控技術應用研究綜述

郭江，秦繼偉

（天津水利電力機電研究所，天津 301900）

摘要：采用自動化控制、通信及計算機網絡等高新科技手段，對地下水供水水源井進行數據采集、傳輸，實現水資源綜合調度管理。遠程監控系統由主控層、網絡層及現地控制層組成，應用基于高速長距離光纖網絡、SCADA數字電臺網絡、光纖網絡和GPRS無線網絡及現地智能終端等設備，具有信息傳輸量大、抗電磁干擾、傳輸頻帶寬、抗輻射性強等特點，具備控制、調節、監視與事故報警、數據通信、數據采集處理及圖像監視等功能。

關鍵詞：水源井遠程監控高速長距離光纖網絡；SCADA數字電臺網絡；GPRS無線網絡

1　引言

水資源短缺和水污染問題以及因超采水資源引發的生態環境問題日益顯著，如何合理有效配置水資源、強化水資源安全管理及抓好節水工作成為當今社會發展的一個刻不容緩的重大命題。水源井是重要的供水基礎設施，水源井地下水監測信息、地下水綜合調配及合理利用對于工農業生產、城市供水及生態環境保護等都具有重要作用。通過水利信息化建設，加強水資源實時監控能力，實現水源井地下水水量、水位、水質及井泵參數、周圍物理環境的遠程監測，為地下水規劃管理、水資源優化配置調度、工情管理工作奠定基礎。

水源井遠程監控技術集現代通信技術、數據信號采集技術及計算機網絡技術，通過Internet/Intranet網絡，對遠端進行監視、監測和控制[1]。將視頻光端機、SCADA電臺、可編程智能終端等設備無縫集成，對水源井泵組、微機保護裝置、高低壓配電系統、直流系統以及泵站等重要部位與關鍵對象實現有效監控，對地下水水量、水位、水質等必要的數據、圖像、指令進行上傳、接收與處理，對視頻光端機、SCADA電臺、可編程智能終端設備的運行參數進行遠程修改，以實現整個監控系統運行方式的改變，達到遠程維護和現場無人值班（或少人值守）的目的。

2　發展現狀及趨勢

2.1發展現狀

1997年1月，首屆基于Internet的遠程監控診斷工作會議由斯坦福大學和麻省理工學院聯合主辦，有來自30個公司和研究機構的50多位代表到會。會議主要討論了有關遠程監控系統開放式體系、診斷信息規程、傳輸協議及對用戶的合法限制等，并對未來技術發展作了展望。由斯坦福大學和麻省理工學院合作開發基于Internet的下一代遠程監控診斷示范系統，得到了制造業、計算機業和儀器儀表業的Sun、HP、Boeing、Intel、Ford等12家大公司的熱情支持和通力配合。之后，由這些公司共同推出了一個實驗性的系統Testbed。Testbed用嵌入式Web組網、用實時JAVA和Bayesian Net初步形成在Internet范圍內的信息監控和診斷推理。另外，還有許多國際組織，如MIMOSA、SMFPT、COMADEM等，也紛紛通過網絡進行監控與故障診斷咨詢和技術推廣工作，并制定了一些信息交換格式和標準。許多大公司也在產品中加入了Internet功能，如Bently的計算機在線設備運行監測系統DataManager2000，它可以通過網絡動態數據交換（NetDDE）的方式向遠程終端發送設備運行狀態信息。著名的National Instru-ments公司也在產品Lab Windows／CVI以及 Lab VIEW中加入了網絡通訊處理模塊，因而可以通過WWW、FTP、Email方式在網絡范圍內進行監控數據的傳送。法國“ALARM”研究組對生產過程的智能報警和監控系統進行了長期研究，并在多個項目中進行了應用。

隨著嵌入式系統的廣泛應用，在我國遠程監控技術領域，將嵌入式設備接入Internet已經成為一種必然，而通過Web方式對嵌入式設備進行遠程監控，則是最自然和最切實可行的選擇，基于嵌入式Web技術的監控系統是工業現場實現網絡控制的最新發展趨勢，嵌入式Web技術改變了以往監控系統體系結構，滿足了現代監控系統的可擴展性、分布式等要求[4]。近年來，國內越來越多的設備制造商在其產品中加入了遠程監控功能，以提高其產品的競爭力，并且可以使設備使用者更好地了解設備運行狀況，統一監督管理，從而提高生產效率。

2.2發展趨勢

目前運行的多數分布式測控系統通常以局域網為基礎,測控僅局限于同一地點，所以具有一定的地域局限性，尤其是當被監控部分所處環境惡劣、現場噪音干擾大、工作人員不宜停留的工作場所，運行維護工作就顯得尤為困難。因此，無論是在水源井的管理還是其他工業生產中，遠程監控技術的重要性正在逐漸被人們所認識和重視。

在水源井的管理中，遠程監控技術可以實現水源井現場運行數據的實時采集和快速獲得，為遠程故障診斷技術提供物質基礎。通過遠程監控技術，運管和技術人員無須親臨現場就可以監控設備的運行狀態及各種參數，維護現場設備的正常運行，從而減少值守工作人員，最終實現遠端的無人值班（或少人值守）[5]。

遠程監控技術除了在地下水水源管理中廣泛應用外，跨地域發展的企業集團，利用網絡技術實現遠程監控，對降低生產成本，提高勞動生產率，增強企業的綜合競爭實力等都具有十分重要的意義。

3　基于高速長距離光纖網絡的水源井遠程監控技術

光纖通信是現代通信技術中最為重要的技術之一，信息高速公路就是由光導纖維鋪設而成的。其突出優勢是：①通信容量大、傳輸距離遠；②信號串擾小、保密性能好；③抗電磁干擾、傳輸質量佳；④光纖尺寸小、重量輕,便于敷設和運輸；⑤無化學腐蝕，使用壽命長；⑥無輻射，難于竊聽。

3.1光纖通信原理

光纖通信是利用光波在光導纖維中傳輸信息。光纖通信中的光波主要是激光，激光具有高方向性、高相干性、高單色性等優點，所以又叫激光-光纖通信。光纖通信是在發送端把要傳送的信息(如數據、話音)變成電信號，然后調制到激光器發出的激光束上，使光的強度隨電信號的幅度（頻率）變化而變化，并通過光纖發送出去；在接收端檢測器收到光信號后再把它變換成電信號，經解調后恢復原信息。

數字光纖通信系統由光發射機、光纖與光接收機組成。發送端的電發射機把信息進行模/數轉換，用轉換后的數字信號去調制光發射機中的光源器件（LED），LED就會發出攜帶信息的光波。光波經光纖傳輸后到達接收端。在接收端的光接收機把數字信號從光波中檢測出來送給電接收機，而電接收機再進行數/模轉換，恢復成原來的信息。其通信過程如圖1所示：

3.2應用研究

圖1　通信過程

（1）通信差錯控制技術

為降低誤碼率，引入前向糾錯（FEC）編碼技術。

（2）通信可靠性控制技術

引入校驗數據包機制，通過在系統設備可編程智能終端同監控中心服務器之間定時發送校驗數據包，使校驗數據包往返于監控中心服務器和可編程終端之間，來檢測系統設備間的通信是否保持暢通。

（3）波分復用技術（WDM）

所謂波分復用，就是用一根光纖同時傳輸幾種不同波長的光波以達到擴大通信容量的目的。在系統的發送端，由各個分系統分別發出不同波長的光波如λ1、λ2、λ3、λ4，并由合波器合成一束光波進入光纖進行傳輸來擴大通信容量。

（4）相干光通信技術

①可以增大光纖的傳輸容量，②提高光接收機的靈敏度（可提高10～20 dB）。相干光通信技術的關鍵是光源器件、光波的匹配，此外，本振光和從光纖傳輸來的光載波必須具有良好的匹配，這就要求光纖應該是偏振保持光纖。

（5）智能終端同光端機通信設計

智能終端和監控中心服務器之間的通信完全由光端機來實現。通過智能終端網絡控制芯片同光端機間的通信設計，來完成監控中心的各種功能。

3.3應用實例

2011年7月，二連浩特市第二水源地供水工程成功應用了基于高速長距離光纖網絡的水源井遠程監控系統，對水源地水源井及泵站等重要部位與關鍵對象、參數，實現了有效監控和監測，并做到必要的數據、視頻圖像、指令的上傳和接收與處理等。

經現場運行證明，該監控系統設計新穎、工作可靠且管理方式靈活高效，同時，對于其他需要實現遠程監控的行業，該系統也具有一定的借鑒參考價值。

4　基于SCADA數字電臺無線網絡的水庫泵站遠程監控技術

無線通訊作為一種重要的通訊手段，已越來越多地應用到各個領域。無線電臺具有維護方便、繞射能力強，組網結構靈活、覆蓋范圍遠等特點，適合點多而分散，地理環境復雜等場合，在很多領域有廣泛的應用。SCADA數字電臺運行在25kHz信道，25kHz信道間隔空中數據傳輸速率為19 200 b/s，收發轉換時間在10ms內，可完全滿足用戶數據的傳輸和響應速度的要求，并且在山區、戈壁等無線信號不能覆蓋的地區，可采用SCADA數字電臺進行通訊，采用數字電臺通過電磁波進行通訊，也不用支付費用，運行成本低。

SCADA數字電臺傳輸距離在50 km以上（開闊無阻擋），可在全雙工、半雙工、單工方式下工作，收發同頻或異頻。電臺自帶系統網管軟件，能實現空中遠程設置電臺參數，如發射功率、發射頻率等，也可以實現空中遠程監測系統內其他電臺工作狀態，如工作電壓、工作電流、接受信號強度、信噪比、誤碼率、狀態告警等。

4.1 SCADA數字電臺通訊原理

SCADA數字電臺作為系統通訊的核心設備，是將信號變成相應頻段的電磁波信號進行傳輸，電臺采用3個不同的通信頻率：0、1和2。其中，0專門用于信道訪問；1用于群內通信；而2用于群首之間的通信。在MAC層，采用改進型CSMA/CD算法。發送數據的結點先向接收結點發送請求信號RTS，等待收端響應。收端如果在這時沒有接收數據，也沒有收到其他結點的發送請求，就向請求結點發送CTS信號。發端收到CTS后就開始發送數據。數據發送完成后，收方要回送ACK信號。整個數據發送過程通常被稱為RTS/CTS/DATA/ACK過程。

4.2應用研究

（1）TCP/IP協議棧應用

基于TCP/IP協議棧的高速數字電臺系統是一種新型的無線通信設備，是無線通信領域的生力軍，它不僅是一個無線信道傳輸設備，更是一個復雜的路由設備，具有強大的互聯功能。本系統將這種技術成功的應用在了盤山紅旗水庫泵站遠程監控系統內，系統通訊速度快、效率高、穩定可靠。

（2）網絡協議選擇

高速數字電臺傳輸網絡采用了IPS網絡協議族實現整個電臺網絡的互聯。采用IPS協議族，系統能自動建立起半自治的多個群首，形成小型的、按地理取向的組群或小區，組群之間的通信使用OSPF路由協議。組群的拓撲信息不向外傳播，其他的群也不會收到。通過采用這種機制，實現電臺網絡的高速互聯，而且使系統內數據的傳輸更為安全。

（3）網絡的抗干擾措施

為提高信道訪問效率，減少通信中的干擾，電臺通訊系統采用3個不同的通信頻率：0、1和2。，0專門用于信道訪問；1用于群內通信；2用于群首之間的通信。由于各個通信頻率各負其責，不互相影響，因而采用這種機制來保證數據傳輸的完整性。

（4）OPC技術應用

OPC技術是把硬件供應商和軟件供應商分離開來，提供了從設備和數據庫等數據源獲得數據和用一種標準的方法與任何客戶通信的機制。通過OPC機制可以使軟件開發者從不得不考慮不同廠商的繁雜的硬件細節中解放出來，大大提高了工作效率。解決了不同廠家生產的設備之間不能通信的問題。

（5）短信報警模塊功能設計

作為現代無線遠程通訊技術的代表之一GSM已經發展的十分成熟，隨著手機用戶的普及，GSM網絡的覆蓋范圍越來越廣，因此，基于GSM網絡無線遠程監控成為一種廉價、便捷的方式，受到人們的青睞，盤山紅旗水庫泵站遠程監控系統采用宏電

GPRS短信報警模塊，通過GSM網絡作為傳輸介質，將水庫越限報警信息傳輸至接收人員。

4.3應用實例

2011年4月，遼寧盤山縣紅旗水庫監控工程成功應用了基于SCADA數字電臺無線網絡的水庫泵站遠程監控系統，對水庫的水位、降雨量、水溫、氣象等信息與關鍵對象、參數，實現了遠程有效監控、監測，并做到必要的數據、指令的上傳和接收與處理等。

系統自運行以來，運行穩定可靠，網絡通訊狀況良好，運行成本低且維護簡單，達到了預期的水庫泵站遠程調度、遠程管理的目的。

5　基于光纖、GPRS無線網絡水源井遠程監控系統

在當前眾多應用領域中，光纖網絡基于其通信容量大、傳輸速度快、無干擾、數據穩定可靠等優點，已應用越來越多，由于光纖網絡的敷設受成本限制，應用光纖網絡的監控系統實際上還是基于現場工作的，還不能將應用現場運行狀態及各種參數跨地域遠程傳輸至監控中心進行集中監測，隨著現代通信技術的發展，對于跨地域傳輸數據的需求，無線通信技術成了未來通信技術的發展方向。

GPRS通用無線分組業務，是一種基于GSM系統的無線分組交換技術，提供端到端的、廣域的無線IP連接。GPRS是一項高速數據處理的科技，方法是以“分組”的形式傳送資料到用戶手上。雖然GPRS是作為現有GSM網絡向第三代移動通信演變的過渡技術，但是它在許多方面都具有顯著的優勢[7]。

GPRS適用于遠程數據采集的主要特點為：①永遠在線，接入速度快。用戶可以隨時與無線網絡保持連接。②采用數據流量計費方式，即用戶只需要在傳輸數據時按照數據通信量進行計費，這樣可以大幅度降低用戶的使用費用。③支持IP協議。GPRS網絡覆蓋廣，底層支持TCP/IP協議，使得GPRS能夠與Internet實現無縫連接。

5.1 GPRS無線網絡通信原理

GPRS網絡是利用“包交換”（Packet-Switched）的概念所發展出的一套基于GSM系統的無線傳輸方式。所謂的包交換就是將數據封裝成許多獨立的封包，再將這些封包一個一個傳送出去，形式上有點類似寄包裹，采用包交換的好處是只有在有資料需要傳送時才會占用頻寬，而且可以以傳輸的資料量計價，這對用戶來說是比較合理的計費方式，因為像Internet這類的數據傳輸大多數的時間頻寬是閑置的。

5.2應用研究

（1）確保網絡傳輸可靠性機制

當GPRS在線時間過長卻不傳輸數據時，其數據業務優先級被降低而出現掉線情況。因此，引入心跳設置及掉線參考兩種機制來同時保證GPRS永久在線。通過心跳設置使設備運行期間發送數據包，任何一方收到后即原樣返回，來保證GPRS優先級；掉線參考機制使用ICMP協議中的PING操作來保證無線掉線情況。

（2）無線VPN虛擬專網

為保證局端和數據監控中心之間信息傳輸的安全性，系統采用了GPRSVPN技術。即監控中心通過專線和移動公司GPRS網的GGSN連接，從而在局端和監控中心之間構成一條無線虛擬專網通道，以此來解決信息傳輸的網絡安全性和數據私密性要求。

（3）網絡擁塞控制

為減小GPRS網絡數據傳輸過程中的擁塞，系統采用數據壓縮和滑動窗機制，實現對GPRS數據傳輸的擁塞控制。采用該技術可減少30%～50%的傳輸數據量，有效抑制傳輸擁塞，滿足了GPRS網絡傳輸瞬時大數據量的要求

（4）使用PID調節實現恒流量

水源井在供水過程中做到按需進行用水量的供給，可以有效的實現供水綜合調配和節約用水。系統采用PID技術，通過將給定流量同反饋流量在程序內進行比較，由PLC驅動閥門進行模擬量調節來實時調節進出水閥門開度實現恒流量供水。

（5）視頻影像報警聯動

監控中心通過水源地視頻設備實時查看現地周圍環境情況并通過安保設備實現現地機電設備的防盜、防損壞。系統采用視頻影像報警聯動機制，即當不明物入侵安全區域時，監控中安保設備報警，同時，視頻設備云臺自動轉動，拍攝被入侵現場情況并錄像。

5.3應用實例

2012年9月，薊縣許家臺供水所成功應用了基于光纖、GPRS無線網絡的水源井遠程監控系統，對水源地水井周圍環境、水位及井泵取水量、管網壓力、井泵電機電量參數和圖像進行遠程監測，對現場設備進行遠程控制，同時，實時監測現地水源的pH值、溫度、溶解氧值、電導率及濁度等水質參數，并將重要數據通過無線網絡遠程傳輸至監控中心，為更好地進行水資源管理提供決策。

本系統自投入運行以來，保證了水源井穩定可靠的工作。并優化了水資源配置，推進了水資源的合理開發，提高了水資源的利用效率和效益。因此，本系統具有廣泛的市場推廣應用空間。

6　前景和展望

計算機領域經歷了一場新的革命,它結合了現代控制技術、圖形技術,其目標是隨時隨地為人們提供無縫的、高質量的、易用的、廉價的信息資源,使其能真正進入人們的生活。計算機監控系統的技術水平也從初期的模擬信息傳輸與控制飛速發展到了數字化、網絡化信息傳輸與控制。

目前，遠程監控技術的主流是應用Internet技術，在TCP/IP協議和WWW規范的支持下，合理組織軟件結構，使工作人員通過訪問網絡服務器來迅速獲取自己權限下的所有信息并及時作出響應。網絡通信技術在測控系統中的應用還滲透到了傳感器領域，將網絡接口芯片與智能傳感器集成起來，并將通訊協議固化到智能傳感器的ROM中，導致了網絡傳感器的產生，.網絡傳感器能夠和計算機網絡進行通信，因而成為現場級數字傳感器[9]，目前國內外有不少儀器公司已研制出了各種各樣的網絡傳感器。監控技術的發展始終與最新技術的發展息息相關,使用者不斷對遠程監控的簡便性及實時性提出更高的要求。因此，必須要更好地、更及時地應用最新技術,這樣，才能使得遠程監控不斷地發展,不斷地滿足人們的需求。

參考文獻：

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[7]韓基榮.基于GPRS遠程監控系統的設計[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2009.

[8]秦繼偉，郭江，李振華，等.基于城域網的水源井遠程監控系統設計與應用[C]//中國水利水電科學研究院第十一屆青年學術交流會議論文集.

[9]朱文凱，陶波，何嶺松.基于Internet的測控系統,網絡化儀器[J].中國計量，2004（7）：53-54.

中圖分類號：TP273

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5387（2015）06-0023-05

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.06.007

收稿日期：2015-03-16

作者簡介：郭江（1965-），男，教授級高級工程師，從事水電站基礎自動化的研究和技術推廣工作，承擔水利行業和電力行業的標準和規程的編寫工作。