雷達波在線測流及遠程集控系統的研究與應用

曾佑聰，石瑞格，陳 晨

(1.水能資源利用關鍵技術湖南省重點實驗室，湖南長沙410014；2.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南長沙410014)

0 引 言

目前，水文監測面臨傳統水文站數量多、人工方式控制測流工作效率低、洪水期測流安全威脅大、高洪水位時流量測驗及時性差等問題，尤其還存在山溪性河流暴漲暴落、水文測驗易受漂浮物、滾石影響等難題。研究一套無人值守條件下適合高流速測驗的自動測流并能遠程集中控制管理的系統意義非凡。解決無人值守條件下中小河流、山區性暴漲暴落河流流量自動測驗難題，可極大地促進傳統水文技術的進步，具有廣闊的市場前景和社會價值。

雷達波流速儀根據多普勒雷達測速原理，對水流的表面流速進行探測。由于它是一種非接觸式測流設備，測流不受測驗河道的漂浮物、滾石等影響，適合山溪性河流高流速測驗，為雷達波在線測流及遠程監測集控系統的研究與實現提供了技術支撐。

1 技術方案及總體功能

本項目主要針對雷達波測流自動監測與集中控制的研究，解決水文部門通過拼人力來應對河道流量測驗的難題，將測驗人員從繁瑣的流量測驗工作中解放出來，促進傳統水文測驗技術的進步，達到優化管理模式、降低勞動強度、提高工作效率的目的，同時流量資料精度也有足夠保障。

建立雷達波在線測流監測集控中心(見圖1)，通過GPRS、4G、ADSL等網絡技術，使各測站與中心站互通互聯，集控中心只需1個值班人員即可完成下轄所有測站的流量測驗任務，測站只需安排看管人進行日常巡視管理即可；采用GIS、組態、動態數據集成等技術，實現各雷達波流量監控點“所見即所得”運行監視與遠程控制，采用攝像與圖像自動識別技術實現測站設備故障與非法入侵管理并報警。

圖1 在線測流集控管理系統架構及水情遙測系統架構

(1)集中呈現各個無人值守雷達波水文站的視頻監控畫面，對各水文站運行工況進行遠程監視，每個水文站采用2～3路視頻(一路視頻監視測流纜道，一路視頻水尺監視水文站環境安全)的接入；同時為逐步投運的其他水文站的接入預留接口。集中呈現各個水文站生產現場的實時數據，實現基于Internet的遠程監控、遠程故障診斷、遠程指揮調度、遠程設備管理功能。

(2)以GIS集中呈現各個水文站的纜道自動測流流程和設備運行狀態，實現基于GPRS的纜道自動測流遠程控制。

(3)系統自動采集、傳輸、接收和處理雷達波信息：能根據河道水流變化，自動精確定位測流裝置進行測流；具有完善的保護和預警機制，詳實記錄過程，方便事件還原分析；軟件界面美觀，操作簡單方便，參數配置簡便，具有較大的靈活性和良好適應性；支持任意時間段的自動測流設置；支持任意水位變幅的自動測流設置；支持任意時間段聲光報警的設置；支持多根代表垂線的測流設置；支持垂線加權平均流速計算的權重設置和全斷面流速計算公式aV2+bV+c中a、b、c參數的設置；支持雷達波的遠程參數設置；支持無市電狀況下的手動流量測驗。

(4)中心站自動接收遙測站信息，并分類存入數據庫：可實現信息編輯、分類信息查詢、地理分布信息查詢；水文資料整編，為事后數據重算和水文資料整編提供準確而完整的數據信息。

(5)工程信息和歷史水文信息查詢，隨時查詢、打印實測流量成果表；水情要素越限、設備事故、電源欠壓等報警。

2 雷達波在線測流子系統研發

2.1 系統簡介

在無人值守水文站采用非接觸式雷達波測速儀作為代表垂線水面流速自動測驗傳感器，利用簡易雙軌纜道系統或常規電動水文纜道系統，通過自動控制技術、無線通信技術和流量測驗技術的系統集成，自動將雷達流速探頭移動(見圖2)到設定垂線水面上方，構建水位和斷面流量的實時在線自動監測，實時將數據上傳至集控中心，實時接受集控中心遠程控制，并按照水文資料測驗和整編要求輸出成果。

系統以“無人值守水文站自動測流監控系統”軟件為值班軟件，按照設定的測流間隔、觸發條件(水位漲幅)自動運行，系統故障自動診斷、異常自動告警。

圖2 雙軌纜道模式雷達波在線測流系統可移動測速部分示意

2.2 雷達波工作原理

采用多普勒雷達測速原理，對水流的表面流速進行探測。即

f=ν/λ

(1)

式中，f為頻率；ν為速度；λ為波長。

當雷達傳送非均勻流表面信號時，非均勻流表面的厘米波即反向散射體會導致多普勒頻移的發生。在河道枯水期，這些厘米波由于具有一定的速度，而被準確識別，根據其波動的方向，產生正向或負向的多普勒頻移。由于紊流的散射引起的這兩種影響幾乎相同，也就是說在枯水期時，其影響為零。傳遞表面波的順流流動，產生額外的多普勒頻移，此時需要對接受信號進行特殊的分析測定。在高洪期間，由于水面波浪反射明顯，因此表面流速特性更加容易被雷達探頭捕獲。這種測定方法與利用高頻雷達來測定海岸流表面流速的方法類似。

圖3 雷達波測速原理

2.3 系統組成及各部分功能設計

系統由以下6部分組成：

(1)核心控制部分。以嵌入式工控機為系統主控器，通過RS232、RS485與纜道控制臺(PLC)、GSM預警模塊直連，通過數傳終端與雷達波控制器、遙測終端連接，實現指令下達和信息交互。“監控管理軟件”值班運行在測流計算機上，對測流全過程實行自動控制。

(2)簡易直流纜道控制部分。由直流纜道控制柜、直流電機驅動器、計數器、繼電器、控制按鈕、指示燈等組成。負責啟停直流纜道絞車，具有“手動/自動”二種運行模式。直流纜道控制箱接受嵌入式工控機的控制指令。

(3)水位采集部分。由遙測終端機、水位計、數傳終端、太陽能電源等組成。負責河道水位的實時采集、存貯，并響應控制中心的水位召測指令。該部分通常部署在水位測井儀器房內，根據水位測井離纜道站房的距離可選擇有線或無線方式連接。

(4)雷達波懸吊儀器箱。由雷達波控制器、雷達波測速儀、數傳終端、溫度/傾角/振動傳感器、限位開關、太陽能電源等組成。負責水面流速測驗、雷達波測速儀參數遠程設置、懸吊儀器箱狀態檢測，并通過數傳終端將流速數據發回控制中心。該部分由纜道控制箱(PLC)控制運行。

(5)視頻監控部分。部署激光夜視攝像機，對系統工況進行全天候跟蹤監視。包括攝像機、硬盤錄像機(NVR)、二維主控鍵盤等設備。

(6)電源部分。供電電源包括太陽能電池板、充電控制器、免維護蓄電池組，是系統運行的保障。

2.4 系統工作流程設計

系統以雷達波測速儀為水面流速的測量儀器，由簡易雙軌纜道吊掛儀器箱，測流計算機定時給纜道控制箱通電，控制纜道系統移動懸吊儀器箱到代表垂線處；然后，測流計算機無線控制雷達波測速儀測量并接收測驗數據同時采集水位，根據借用斷面資料與率定的流量計算模型計算流量。一次流量測驗完成后，將原始流量測驗數據和流量計算結果存貯在本地數據庫中，同時通過GPRS模塊將測流信息發送至省在線測流中心。

系統同時支持單根、多根代表垂線測流模式，其工作流程見圖4。

圖4 系統工作流程

圖5 平臺架構

2.5 自動測流系統軟件設計

測流計算機上的軟件在無人值守水文站自動測流過程中擔負值班任務，測流全過程實行自動控制， 測流完成后自動將數據上傳至集控中心，值守時接受集控中心遠程控制。自動測流全過程中，軟件應具備較強的差錯控制能力和良好系統輔助管理能力，能實現故障自動診斷、異常自動告警。

為了便于開發、調試，充分提高軟件模塊的可重用度，系統軟件采用模塊化結構。各模塊主要按功能進行劃分，每個模塊既有一定的獨立性，彼此之間又通過接口緊密聯系。主要功能包括測流過程控制、通信監測、實時信息接收、數據解碼、流量計算、數據查詢、數據編輯、成果輸出、數據上傳、實時告警及事件記錄、集控中心控制命令接收等。本軟件采用Windows風格菜單操作，操作設備以鼠標為主、鍵盤為輔。

3 流量在線監測集控管理平臺研究

3.1 平臺架構設計

雷達波在線測流遠程監測集控管理平臺采用三層架構(見圖5)，通信控制服務器軟件(C/S)對“分散”、“偏遠”的無人值守雷達波在線流量監測站進行統一管理，集中采集各測站監測數據；WEB應用管理平臺(B/S)集中管理各測站監測數據、設備的運行參數、成果、視頻信息等數據，為相關部門提供監測數據、測流成果、視頻監控等數據的下載。

3.2 集控管理平臺軟件分布與信息流程

集控管理平臺主要包括數據庫、在線測流站通信控制服務器軟件、WEB應用集控管理平臺、視頻服務器軟件等多個子系統。

集控管理平臺通過通信服務器子系統與各在線測流站互聯互通，各流量在線監測站主動上報測流數據給通信服務器子系統，通信服務器子系統檢測到用戶的遠程控制命令，將控制命令轉發給目標在線監測站。

用戶可通過IE瀏覽器以B/S方式查詢、下載、打印流量在線監測站數據，遠程視頻監控。

圖6 雷達波在線測流集控管理平臺功能結構示意

圖7 通信服務器主界面

3.3 WEB應用管理平臺研究

(1)功能模塊設計。WEB應用管理平臺部署在流量在線監測集控管理中心WEB服務器上，通過WEB形式管理所有的流量在線監測站，基于高德地圖進行測站管理與信息查詢(位置、測站狀態、實時信息)、圖表信息查詢與數據導出(實時水情、歷史水情、測流成果、測站狀態)、測流遠程控制、測站運行參數配置、運行日志、系統管理等功能模塊(見圖6)。

(2)界面設計了基于GIS的測站信息查詢主界面，單站實時信息界面，測站測流成果界面，單站設備狀態界面及遠程測流控制界面等(詳圖略)。

3.4 通信服務器軟件研究

功能模塊設計。通信服務器軟件(C/S)是整個集控系統的紐帶。它將各測流站與中心站有機地連接在一起，形成一個應用整體，達到少量的人員集中管理多個測站的目的。軟件具有基于GIS的測站信息查詢、通信監視、實時監控(測站狀態、遠程控制、測流過程)、實測水位流量成果整編(基于圖形與表格的顯示、查詢、編輯)、實測流量成果表輸出(顯示、導出、打印)、5 min水位導出等功能模塊。

通信服務器軟件部分界面設計如主界面(見圖7)布局采用Windows風格，左邊是測站管理樹，右邊以自主研發的GIS進行站點管理，點擊每個站點能進行測站遠程實時監控，查看測站水位流量關系，輸出施測流量成果。

4 結 語

上述研究成果分別在“湖南省中小河流水文監測系統雷達波在線測流系統工程第二批(第一包)”、“永州市水文局雷達波在線測流設備采購”、“四水治理雷達波高洪流量監測”、“新疆阿勒泰設備采購項目”4個項目中得到了應用。在湖南省內共建設了20個雷達波在線測流站站點，在省水文局部署雷達波在線測流遠程監測集控管理平臺，所有站點均在2015年度完成了建設并投入運行，數據實時上傳到湖南省水文局部署雷達波在線測流遠程監測集控管理平臺，湖南省3個項目均在2016年12月底通過了項目驗收與交付，實現了無人值守雷達波自動測流站以及測站遠程集中管理、監測與控制的研究目標，目前系統運行穩定可靠、應用情況良好。

[1] 周幸初, 周凌杰, 彭暢. 淺談水文監測工作中的問題與對策[J]. 廣東科技, 2012(3)： 110- 111．

[2] 王懷江. 水文監測工作中的問題與對策[J]. 黑龍江水利科技, 2012(11)： 181- 182．

[3] 和永場. 河道流量測驗技術展望[J]. 中國高新技術企業, 2015(8)： 126- 127．

[4] 王昌亮. 自動水文監測系統設計研究[J]. 自然科學： 文摘版, 2016, 19(5)： 186- 186．

[5] 秦福清. 雷達波流速儀在中小河流流量測驗中的應用分析[J]. 水利信息化, 2012(4)： 42- 48．

[6] 徐立. 雷達波流速儀流量測驗應用及水面流速系數分析研究[J]. 工程技術： 全文版, 2016, 15(11)： 228- 229．