水庫自動化監測與安全預警信息化系統的設計和實現

何銳

（柳州市自動化科學研究所，廣西 柳州 545001）

【摘 要】文章闡述了水庫自動化監測與安全預警信息化系統的設計和開發思路。系統運用自動化、計算機、互聯網、3G通信、電子地圖（GIS）等技術，實現水庫視頻監控、水位和雨量數據的自動采集，通過3G無線通信技術，把采集到的數據發送至水庫監測管理中心，通過電子地圖等形式把數據表征出來，自動進行分析統計和預警，給管理者提供科學的決策依據。

【關鍵詞】水庫安全；GIS；MapX；3G通信；水庫視頻監控

【中圖分類號】TV697 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）03-0029-04

0 引言

水庫作為一種具有防汛防洪抗旱、農業灌溉、供水、漁業等功能的重要水利建筑，大部分坐落在偏遠山區，分布范圍廣、交通不便。目前，水庫主要存在以下問題：①工程存在著不同程度的險患；②水庫的位移、滲漏、水位、水質等沒有實現自動信息的采集，全部靠人工觀測，容易造成讀數或觀測不夠準確，無法及時監控；③沒有計算機信息化、網絡化管理，沒有建立水文、水庫數據庫，無法利用現代化技術對各個水庫進行科學的管理；④各個水庫分部廣，距離遠，工程技術人員有限，只能輪流查看各個水庫，無法及時發現有病險的水庫；⑤各個水庫沒有聯網，無法將數據及時傳送到水利信息中心，無法集中管理水庫，信息未共享，無法為汛期的防洪調度工作提供科學有效的決策依據。近年來，極端災害性天氣事件呈頻發多發態勢，具體表現為暴雨多，降雨量特別大，歷時較短，周期頻繁，來勢猛，使得水庫安全受到了嚴重威脅。利用3G通信、GIS、自動化控制等技術，可以對水庫水位、雨量、視頻等關鍵數據自動實時采集，并對數據進行統計分析，為防洪調度、防災應急指揮提供數據依據。因此，實現水庫安全動態監控、科學高效管理，成為擺在我們面前的重要課題。

1 系統分析

1.1 開發工具選擇

前臺開發工具使用Powerbuilder10.5。數據庫管理系統（DBMS）采用Microsoft的SQLServer2005中文企業版。

1.2 系統結構

該系統分為數據采集系統、視頻監控系統、電子地圖系統、信息化管理系統4個子系統。

系統結構圖如圖1所示。網絡通信結構圖如圖2所示。

2 系統實現

2.1 數據采集系統

每個水庫的放水塔分別安裝雨量監測點和水位監測點。

（1）測量雨量采用翻斗式雨量計，計量翻斗翻動一次為0.5 mm降水量，計數翻斗翻轉一次，則開關閉合一次，送出一個信號，根據一定間隔時間送出的信號計算得出降雨量。

（2）測量水位采用浮子式和壓力式水位計，需要根據水庫實際情況來選擇水位計的類型。

浮子式水位計：它的原理是由浮子感應水位的升降，把浮子提供的轉角量轉換成增量電脈沖或二進制編碼脈沖（格雷碼），然后換算成實際的水位值。

投入式壓力式水位計：投入式液位傳感器的傳感頭投入被測液體內，基于所測液體靜壓與該液體的高度成比例的原理，將靜壓轉換為電信號，再經過溫度補償和線性修正，轉化成標準電信號，換算成水位值。

數據采集和遠程傳輸由PLC、485轉以太網串口轉換器和3G路由器3個部分組成，PLC把采集到的雨量和水位值進行保存與處理，然后通過485接口與485轉以太網串口轉換器通信，最后由3G無線路由將數據由internet發送到服務器（如圖3所示）。

2.2 視頻監控系統

監控系統主要由攝像部分、遠程傳輸部分組成。攝像部分包含彩色攝像一體機（含有三可變焦鏡頭）﹑室外全方位云臺、防塵罩等；遠程傳輸部分包含3G無線路由及3G無線上網卡等。攝像部分（前端設備）將獲取的視頻信息（光信號）轉換為電信號，此信號經視頻線纜將各組信號輸出到指定的視頻服務器上，再由視頻服務器通過3G無線網絡把視頻圖像傳輸到上位機。

系統接收上位機傳送過來的水庫視頻數據，按2×2、3×3、4×4等畫面分割模式來顯示，每個視頻畫面可放大、縮小、變倍和聚焦、攝像頭360°轉動，視頻畫面可顯示水庫當前水位、雨量、庫容等信息。還有水位預警警示燈，如有水庫險情，警示燈會重復閃爍提示（如圖4所示）。

2.3 電子地圖系統

電子地圖采用Mapinfo的MapX5。系統首先從數據庫里的水庫特性表獲取基礎信息（例如水庫高程、經度和緯度），然后在電子地圖上創建臨時動畫圖層，在此圖層上動態創建水庫圖元[1]。以下是部分實現代碼。

（1）加載電子地圖文件。

ole_map.object.GeoSet="maps/lz_map.gst"

（2）創建地圖臨時圖層，動態創建的水庫圖元在此臨時圖層上。

//lyr，LayerInfo為圖層變量

lyr=ole_map.object.Layers.Add（LayerInfo，1）

ole_map.object.Layers.AnimationLayer = lyr

（3）從數據庫讀取水庫坐標（經緯度）來動態創建水庫圖元。

oleobjectlole_lyr，lole_ftr，lole_pt，lole_sty，lole_newftr

//ldbl_x和ldbl_y即水庫的X、Y坐標

lole_pt=Create OleObject

lole_pt.ConnectToNewObject（"Mapx.point.5"）//創建圖元

lole_pt.Set（ldbl_x，ldbl_y） //設置圖元坐標

lole_sty = Create OleObject

lole_sty.ConnectToNewObject（"Mapx.style.5"）

//創建圖元風格

lole_ftr=ole_map.object.featurefactory.Create-

Symbol（lole_pt，lole_sty）

lole_newftr = lole_lyr.addfeature（lole_ftr）

lole_lyr.BeginAccess （1）

lole_newftr.update（） //更新圖層，顯示創建的圖元

lole_lyr.EndAccess （0）

（4）當水庫水位超過水位報警定義的上、下限數值，觸發timer事件，動態改變水庫圖元的大小和顏色，達到閃爍預警效果。

//lole_newftr為水庫圖元

//動態改變圖元大小

lole_newftr.Style.SymbolFont.Size=10

//改變圖元顏色

lole_newftr.Style.SymbolFontColor=rgb（255，

0，0）

//更新圖元

lole_newftr.update

當鼠標移動到或者單擊水庫圖元時，打開水庫信息屬性窗口（以梯形截面圖顯示水位、庫容、工程特性等信息）。

通過水庫名稱查詢時，可直接定位水庫在地圖所在位置，然后打開水庫屬性窗口。

支持鷹眼功能，即提供地圖縮略圖，便于快速到達要查看的區域，讓使用者更加清楚目前所瀏覽的區域在整個地圖中所處的位置；地圖具有可平滑放大、縮小、移動的功能[1]。

當水庫發生險情時（例如超過警戒水位條件時），地圖上對應的水庫圖元以重復閃爍的形式來預警（設置Timer，定時改變圖元的樣式和大小來達到閃爍提示效果；如圖5所示）。

2.4 信息化管理系統

（1）水雨情數據接收。接收水庫水位計和雨量計（精度為0.5 mm）發送的數據。原始數據先由PLC采取主動方式發送到服務器，然后再轉發到客戶端。

（2）水庫信息瀏覽。用梯形圖顯示水庫當前水位和當前庫容；用標尺形式標識死水位、正常水位、超汛限水位、警戒水位。每一段水位標尺的顏色表示不同的警戒水位段，并可由用戶根據實際情況自定義，水位到達水位標尺相應的區段時，顯示對應的顏色。

（3）水位、雨量查詢統計。提供多種統計查詢方式查詢水庫歷史水位和雨量變化曲線圖，可以按分鐘、小時、天、月、季度顯示雨量歷史曲線圖，查看雨量變化趨勢。

（4）水庫報警提示。提供雨量和水位的實時報警功能，雨量和水位超過警戒區間時，可通過水位梯形圖、電子地圖或者視頻監控界面以重復閃爍的圖元來提示。

（5）水庫特性表。登記水庫的水庫類型、工程概況、主要存在問題、樞紐水文特征、工程效益指標等信息，以備查詢。

（6）預警設置。可以設置水庫的水位區間報警上、下限數值，同時可以修改各個區間的報警顏色，設置是否在監控界面閃爍。

（7）安全管理。對系統用戶進行添加、刪除、編輯、權限分配管理。

（8）數據備份與恢復。對數據庫進行備份和恢復，當系統運行崩潰或者異常時，可用備份恢復到數據庫異常前的狀態。

3 結語

目前，該系統已成功在廣西柳州市的拉達、馬步、三合、龍母、泗濰河、石頭灣、銅鼓嶺、大龍、峨侶、獨山、安樂、吉兆、堯山13個大中型水庫示范應用，實現了水庫之間的信息聯網和共享，水雨情數據的自動采集存儲、預警和統計分析，為水利部門提供實時和直觀的水情、工情圖像信息，達到水庫科學、高效管理的目的，確保了水庫工程安全。該系統簡潔易用，實施成本低，有良好的社會、經濟效益和推廣前景。

參 考 文 獻

[1]柏寶華.基于MapX技術的地理信息系統的開發實例[M].北京：清華大學出版社，2009.

[2]王梅君.PowerBuilder基礎類庫技術詳解[M].北京：電子工業出版社，2003.

[3]（美）Bob Beauchemin.SQLSERVER2005開發者指南[M].北京：清華大學出版社，2007.

[責任編輯：鐘聲賢]