河道流量自動監測集控系統設計與實現

張侃侃+曾佑聰+石瑞格+鄧思濱

摘 要：文章設計并實現了河道流量自動監測集控系統，包含一套河道流量自動監測集控管理平臺、數據上傳多信道多通訊模式以及五種可選的針對不同水文站河道工況的流量就地自動監測方式。系統可以實現流量自動測驗、遠程可控制、數據實時上傳、成果匯集導出等功能，已形成完整的河道流量自動監測體系，可實現全天候、無人值守水文站的集中管理，使流量測驗由傳統手工作業向信息化管理轉換。

關鍵詞：水文測驗；集控系統；無人值守；ADCP；雷達波

中圖分類號：P332 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）33-0097-03

Abstract： The centralized control system for automatic monitoring of river flow is designed and implemented in this paper， which contains a set of automatic monitoring control and management platform， data upload by multi-channel multi-communication mode and five automatic monitoring methods for different working conditions of river hydrological station. The system can realize the automatic flow measurement， remote control， real-time upload， results collect and export， which has formed a complete system of automatic monitoring of river flow and realize full-time unmanned hydrologic station centralized management. Based on the system， the flow measurement has been transformed from the traditional manual method to information management.

Keywords： centralized control system； remote control； unmanned； ADCP； radar wave

前言

水文測驗是獲取河道流量第一手資料的直接途徑[1-5]。傳統河道流量測驗的技術主要有三種：水文纜道鉛魚流速儀方式[6，9]、水面浮標法測流方式和走航式ADCP（聲學多普勒）測流方式。其中，水文纜道鉛魚流速儀方式是傳統水文站的主要水文測驗手段，也是當前國內大部分水文站所采用的方式；水面浮標法測流方式主要應用于汛期高洪測驗或北方河道流冰期，需盡量縮短測流時間的情況；ADCP方式組裝調試費時，主要用于臨時測驗。這三種傳統的測流方式目前都存在諸如：技術落后、測流過程耗時費力、施測頻次低等問題。針對山溪型河流的主汛期，洪水漲落率快，高洪過程短，且此時河道流量大，沖刷物和漂浮物多，水文搶測人員一般需要24小時值班，勞動強度極大，存在很大的安全隱患。

基于上述問題，本文設計了河道流量自動監測集控系統，可以實現流量自動測驗、遠程可控制、數據實時上傳、成果匯集導出等功能，已形成完整的河道流量自動監測體系。通過集控中心的管理平臺和不同的自動測流模式，本系統可實現全天候、無人值守水文站的集中管理，使流量測驗由傳統手工作業向信息化管理轉換。

1 系統設計

本文設計的河道流量自動監測集控系統，主要包含一套河道流量自動監測集控管理平臺、數據上傳多信道多通訊模式以及五種可選的針對不同水文站河道工況的流量就地自動監測方式。系統總結構圖如圖1所示。

在下面的內容中，我們將根據圖1所示的系統總結構圖詳細介紹該系統的設計。

1.1 河道流量自動監測集控管理平臺

集控管理軟件平臺由通信服務器軟件、WEB信息監控管理軟件、分中心（中心水文站）集控管理軟件（C/S）三部分組成，該平臺采用微軟的.NET技術架構，應用B/S與C/S相結合的模式，所有流量成果數據和監控信息全部上傳到河道流量自動監測集控管理平臺（WEB），部署在分中心（中心水文站）的河道流量自動監測集控管理軟件可通過網絡從WEB端下載數據，同時對自動測流系統進行遠程監控，實現了集控測流所需的控制、監視和管理等功能。

（1）流量自動監測集控管理平臺（Web）：本平臺軟件是在線測流平臺的核心監控軟件，主要功能包括基于高德地圖的測站信息查詢（地圖信息、測站狀態、實時信息）、圖表信息查詢和數據導出（實時水情、歷史水情、測流成果、水位過程）、測流遠程控制、參數配置、日志查詢、系統管理等功能模塊。圖2所示為該平臺的一個功能頁面。

（2）流量在線測流集控管理平臺（分中心，C/S）：平臺部署在各個分中心（中心水文站）的計算機上，用于監控所管理的雷達波在線監測系統。平臺主要功能包括測站狀態監控、測站通信監視、數據同步、測站實時監控、實測流量成果表查詢及實測流量過程線線圖繪制等，如圖3所示。

（3）通信服務器軟件：通信服務器軟件是整個河道流量自動監測集控系統的中心通信樞紐，保證集控中心、各分中心（中心水文站）、在線測流站互聯互通，將各在線測流站的數據采集、入庫，并允許分中心（中心水文站）通過通信服務器控制測站在線測流系統和視頻監控攝像頭運行，修改在線系統參數，下載存儲在線測流站的數據。

1.2 數據上傳多信道多通訊模式endprint

針對不同工況的河道斷面，根據現場通信條件，由于GPRS/GSM/3G/4G在不同地區覆蓋的程度不同，都屬于移動公網通信的范疇，以下簡稱“移動物聯”。默認通過移動物聯/北斗信道將水雨情信息發送到水情中心；通過移動物聯/ADSL/北斗信道將在線測流系統監測的信息發送到在線測流集控管理中心；通過ADSL信道將視頻監控信息（含抓拍圖片）發送到自動測流集控管理中心。

流量就地自動監測站每次測完流量后，將流量、相應水位傳送給測站的雨水情信息采集系統；將垂線流速等成果信息發送到在線測流集控管理中心，包括：測次，起、止時間，垂線數、垂線起點距、垂線流速、過水面積，水面寬、最大水深、最大流速，相應水位、流量，以及系統運行參數。

1.3 河道流量就地自動監測方式

河道流量就地自動監測方式主要包括代表垂線法纜道模式ADCP在線測流系統、高效纜道模式雷達波在線測流系統、座底式ADCP（V-ADCP）在線測流系統、岸邊式ADCP（H-ADCP）在線測流系統等。

（1）代表垂線法纜道模式ADCP在線測流系統：依托常規電動水文纜道系統，實現了ADCP模式的無人值守流量在線監測。包括現地監控管理軟件、遙測RTU、ADCP控制器、系統主控器、PLC纜道控制臺，以及測流計算機、ADCP、紅外一體攝像機等軟硬件設備的研發與集成。系統特別適合于受下游洪水頂托與上下游水電工程發電、泄水影響，導致水位～流量關系紊亂條件下的水文站流量測驗。該系統的實現如圖4所示。

（2）高效纜道模式雷達波在線測流系統：依托高效雙軌纜道與直流水文絞車，實現了非接觸式雷達波模式的無人值守流量在線監測。包括現地監控管理軟件、遙測RTU、雷達波控制器、系統主控器、視頻控制器、直流纜道控制箱、直流水文纜道絞車，以及測流計算機、雷達波測速儀、紅外一體攝像機等軟硬件設備的研發與集成。系統全部采用太陽能光板+蓄電池組供電方式，特別適宜于山區性河道流量自動測流。圖5所示為纜道模式雷達波在線測流的現場使用情況。

（3）固定式ADCP在線測流系統：主要分為水平H-ADCP在線測流系統和河底固定坐底式V-ADCP在線測流兩種方式。

河底固定坐底式V-ADCP在線測流和岸邊固定水平式H-ADCP在線測流的，都是利用水平聲學多普勒流速法測流[7]，2～3個超聲波探頭沿水平方向發射超聲波束，利用多普勒原理測量探頭所在水層的單元格上各點的二維流速，另一束向上發射用來測量水深（可不用），二者原理相同，區別在于安裝方式不同，H-ADCP安裝固定在河岸，V-ADCP安裝固定在河底。該測流方式可能測量探頭所在垂線的垂向單元格流速，適合用于河道斷面變化小，斷面窄的測站。

2 難點

第二節詳細介紹了該系統的設計及其組成部分，本節介紹系統在設計過程中的難點，主要有五方面：

2.1 河道流量監測集控技術

按照分區（片）或分流域機構管理模式進行各測站的縱向管理。要求集控管理平臺（WEB）支持500個測站同時接入、分中心（中心水文站）集控管理軟件（C/S）支持30個測站同時接入。

2.2 ADCP模式PD0數據解析

走航ADCP自帶程序包不提供原始數據的解析數據接口，需要開發人員利用PD0數據包進行譯碼解析。

2.3 雷達波測流模式數據穩定性

非接觸式雷達波流速儀在強風、大暴雨情況下數據跳動較大，雷達波運行車如何選擇合理的運行與控制模式、監控管理軟件如何合理有效的選用原始數據分析算法是一個難點。

2.4 代表垂線纜道模式懸吊ADCP防碰撞

由于懸吊ADCP需要入水0.2m，流量測驗過程中存在可能的漂浮物、過往船只、人等潛在的危險。合理有效的防撞措施是系統可靠安全運行的保證。

2.5 測站供電

水文測站位置通常比較偏僻，電源沒有保障，特別是山區性河道站，交流電往往不能到達。要求系統低功耗，最好全部采用太陽能供電。

3 創新點

本系統在行業內率先實現了一個河道流量監測集控系統，由一個控制中心集中控制多個遠端水文站測流，通過在系統軟件中設置好測流時間間隔、代表垂線等參數，遠端測流系統將根據設定的參數進行自動測流，并在無人狀態下自動對測流全過程實行智能控制。同時，在該系統中，集控中心、分中心和移動客戶端都可隨時監視、遠程控制各監測站工作。創新點有以下幾點：

（1）在無人狀態下自動對測流全過程實行智能控制，同

時，集控中心可隨時監視、遠程控制各監測站工作。

（2）通過將紅外視頻技術、熱感應技術及圖像識別技術應用于水文站纜道，并利用傳統的測流纜道懸吊走航ADCP進行測流，實現了纜道流量測驗的自動化和測流過程防碰撞的智能化。

（3）系統全部采用太陽能供電，為無人值守模式，測流不受停電、漂浮物、渾水、大風、暴雨、雷電等惡劣環境的影響。此外，系統為雷達波測流儀器箱輔助補電設計了無線充電裝置，為流量人工比測設計了吊船ADCP同步比測裝置、雙軌纜道自平衡裝置。

（4）河道流量自動監測站（代表垂線ADCP模式、高效纜道雷達波模式）采用太陽能光板+蓄電池組供電模式，由系統主控器進行智能電源管理，根據測站電能情況開啟對應工作模式。非測流期間，除系統主控器（測流計算機）外，其余部分全部下電，極大降低了遭雷擊的概率，節省能耗，且在電能不足的情況下可實現定點流量自動監測。

4 結束語

本文設計的河道流量自動監測集控系統能根據不同的測驗河段和測站具體情況，采用多種方式實現水文站流量的實時在線自動檢測，集控中心只需要少量人即可完成下轄所有測站的流量測驗任務，實現無人值守全自動水文站集中管理的模式，具有廣闊的市場前景和社會價值。

參考文獻：

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