水庫輸水管線信息化系統(tǒng)的思考

□毛海辰（靈寶市水利局）

1 項目概述

白虎潭水庫位于黃河一級支流宏農(nóng)澗河一級支流的東澗河（斷密澗河）中上游，壩址位于蘇村鄉(xiāng)境內(nèi)的坂里村，距靈寶市區(qū)15 km，控制流域面積116 km2，是一座以城鄉(xiāng)居民供水為主，兼顧防洪、灌溉、發(fā)電功能的水庫.白虎潭水庫，設計總庫容為999萬m3，興利庫容597萬m3，死庫容167萬m3。水庫由大壩（包括擋水壩段和溢流壩段）、排沙洞、供水引水口以及下游電站組成。大壩為碾壓混凝土重力壩，設計壩高76.30 m，壩頂長180.50 m，泄流建筑物為壩頂無控制溢流堰，電站裝機2×160 kW，多年平均發(fā)電量為170萬kW·h。

白虎潭水庫輸水管線信息化監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)對輸水管道的水流壓力、流量、環(huán)境及設備視頻的遠程無線監(jiān)控。通過GPRS無線通訊和太陽能技術，實現(xiàn)輸水管線全場景、24h無人監(jiān)控，主要的關鍵技術包括：①采用太陽能電池板及蓄電池供電；②采GPRS 4G無線網(wǎng)絡傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)；③采用無線數(shù)據(jù)采集終端RTU；④采用各類便攜式、無線傳感器采集水情數(shù)據(jù)。

2 技術方案

信息化監(jiān)控系統(tǒng)以C/S架構(gòu)為基礎，以各類水情傳感器為數(shù)據(jù)采集點，通過RTU集中收集數(shù)據(jù)打包，并基于GPRS 4G網(wǎng)絡傳輸至遠程監(jiān)控室，并存儲于部署于監(jiān)控室內(nèi)的水情數(shù)據(jù)庫中，借助信息化監(jiān)控客戶端實現(xiàn)水情數(shù)據(jù)的實時可視化和綜合分析。系統(tǒng)的技術方案包括：①監(jiān)控軟件平臺：通信服務器、Web服務器、數(shù)據(jù)庫服務器等；②終端監(jiān)控單元：GPRS無線通信模塊、RTU采集單元；③傳感器探頭（管道壓力傳感器、流量傳感器、網(wǎng)絡視頻攝像頭）；④網(wǎng)絡依托：GPRS、4G、短信及Internet；⑤供電設備：光伏太陽能板、太陽能控制器、多路控制電源、閥控鉛酸蓄電池；⑥安裝設施：監(jiān)測桿及機構(gòu)件；⑦防護設施：防雷、避雷針；防盜門禁可以遠程報警；防水頂部密封設計。

平臺監(jiān)測軟件主要承擔監(jiān)控系統(tǒng)的水情監(jiān)測、存儲、顯示、各應用系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入、中央控制和電話、報警擴音等支撐功能，同時滿足綜合集中監(jiān)控、系統(tǒng)展示介紹的功能需要。

中心級監(jiān)控平臺在同一界面中展示以下基本畫面：GIS總貌圖、設備狀態(tài)信息、水位、流量、壓力等主要參數(shù)當前監(jiān)測值、視頻監(jiān)控工作畫面(可另設)、報警信息。中心級監(jiān)控平臺能夠?qū)崿F(xiàn)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)、閥門等的相關聯(lián)動；可由監(jiān)控系統(tǒng)主機發(fā)出指令將相應的攝像機圖像切換至大屏幕并數(shù)字化存儲、記錄；后臺工作站可對系統(tǒng)設備管理、預設置、數(shù)字化編輯、存儲，處理系統(tǒng)運行機制，接受來自以太網(wǎng)的報警信號并做出反應。

控制中心大屏幕與監(jiān)控攝像機間可采用對應方式時序輪流切換顯示；當監(jiān)控到異常信息報警時，系統(tǒng)自動彈出相應分區(qū)的畫面至大屏幕（由操作鍵盤也可任意切換所需畫面）。

3 關鍵技術

3.1 設備選址

根據(jù)管線沿線特征設計視頻監(jiān)控、流量監(jiān)測和壓力監(jiān)測點的選點位置，選址原則如下：①流量與壓力監(jiān)測點：主要考慮高程落差因素及進出口、分水口，盡量均勻分布設置監(jiān)測點。基本原則為高程落差間隔30 m，設置一個監(jiān)測點，總計9處；②視頻監(jiān)控點：在流量和壓力監(jiān)測點設置視頻監(jiān)測，增加重要部位（公路橋、村交通橋、管道重要拐點）視頻監(jiān)測。

3.2 管道流量監(jiān)測

采用管道超聲波流量計。供電電壓為DC24V±10%，信號輸出RS485，MODBUS協(xié)議。由數(shù)據(jù)采集終端RTU負責控制上電和定期采集數(shù)據(jù)，具體參數(shù)如下：①適應管徑：DN50～1 000；②測量范圍：流速0.1510.00 m/s，流量0～1 m3/s；③精度：準確度等級1.00；基本誤差＜1.00%；重復性誤差＜0.50%；④信號輸出：RS485，MODBUS協(xié)議，或4～20 mA；⑤電源：DC24V,＜3W。

3.3 管道壓力監(jiān)測

采用插入式管道壓力計，由數(shù)據(jù)采集終端RTU負責控制上電和定期采集數(shù)據(jù)。主要技術參數(shù)如下：①測量形式：過程壓力直接作用于陶瓷膜片上，襯底電極和膜片電極檢測出與壓力成正比的電容變化；②量程：0.00～5.00 MPa；③精度：±0.15%FS；④長期穩(wěn)定性：±0.15%FS/a；⑤溫度系數(shù)：±0.10%FS；⑥工作溫度：-40～85℃；⑦相對濕度：0～100%；⑧模擬輸出：兩線制4～20Ma；⑨防護等級：IP68。

3.4 視頻監(jiān)控

采用兩種方式解決：一種是網(wǎng)絡固定攝像機，另一種是4G無線網(wǎng)絡固定攝像機。網(wǎng)絡固定攝像機，采用海康威視、浙江大華、宇視科技等品牌的網(wǎng)絡固定攝像機，輸出RJ45百兆網(wǎng)口，電源DC DC12V±10%/200mA。

4G無線網(wǎng)絡固定攝像機具有以下特點:①采用用超低照度200萬（1 920×1 080），2×10-3Lux@F1.20（彩色模式），2×10-4Lux@F1.20（黑白模式）CMOS圖像傳感器，低照度效果好，圖像清晰度高；②最高支持1 920×1 080@60fps；③支持多種碼流方式和視頻數(shù)據(jù)編碼技術，擴展達20路的連接；④支持移動端的實時水情獲取，并通過多種提醒方式進行突發(fā)事件預警；⑤采用智能圖像識別技術，捕獲異常水情信息；⑥聯(lián)動警務接口，實現(xiàn)針對突發(fā)情況的一鍵式報警；⑦支持多焦距、多亮度、寬動態(tài)和多維降噪設置。

3.5 GPRS4G通信

采用工業(yè)級4G無線全網(wǎng)通模塊，全面兼容3大運營商網(wǎng)絡和7大通信制式的自由選擇；高速的網(wǎng)絡通信基礎，可以極大優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸效率；采用基于VPN的客戶端/服務器技術，便于系統(tǒng)的部署，優(yōu)化設備的遠程管理流程。

該產(chǎn)品采用高性能的工業(yè)級32位通信處理器和工業(yè)級無線模塊，以嵌入式實時操作系統(tǒng)為軟件支撐平臺，同時提供1個 RS232（或 RS485/RS422）、4個以太網(wǎng) LAN，1個以太網(wǎng)WAN，可同時連接串口設備、以太網(wǎng)設備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸和路由功能。

為了提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性，采用了WDT看門狗設計，保證系統(tǒng)穩(wěn)定；采用完備的防掉線機制，保證數(shù)據(jù)終端永遠在線；以太網(wǎng)接口內(nèi)置1.50KV電磁隔離保護；RS232/RS485/RS422接口內(nèi)置15KVESD保護；SIM/UIM卡接口內(nèi)置15KVESD保護；電源接口內(nèi)置反相保護和過壓保護；天線接口防雷保護。

3.6 太陽能供電系統(tǒng)

采用太陽能電池供電系統(tǒng)。由太陽能電池板（含安裝支架）、太陽能充放電控制器、后備蓄電池組成。

根據(jù)設備及工作模式（常態(tài)上電工作，或周期性上電工作）核算平均功耗，及設備要求的最大陰雨天連續(xù)工作時間，核算后備電池的容量；再根據(jù)設備安裝區(qū)域的年度統(tǒng)計的晴天/陰雨比例，以及最大允許的充電時間，核算太陽能板的功率配置。

項目的設備平均功耗約為5.10 W（常態(tài)功耗3.60 W，周期性功耗核算1.50 W）。系統(tǒng)應該滿足的連續(xù)陰雨天工作≥7 d。核算后備電池容量為DC12V/100AH。安裝區(qū)域的晴天/陰天比例為3:2，最大允許電池充電時間應＜5 d，核算出太陽能電池板的功率配置為120W。

4 結(jié)論

白虎潭水庫輸水管線信息化監(jiān)控系統(tǒng)是靈寶市水利管理在智慧水利管理中的一次有益嘗試，通過本項目的建設，實現(xiàn)了在復雜管線路徑環(huán)境下，輸水管線信息的無人、全天候監(jiān)控，太陽能輸電線路支持，無線傳輸，以及水情信息的動態(tài)監(jiān)測、險情預報等功能，極大提升了輸水管線水情監(jiān)控智能化，同時大大提升了水利工程管理水平。

后續(xù)項目的建設方向，應在傳感器監(jiān)測的基礎上，充分應用物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術，對涉及水情信息的多變量和指標進行多尺度的監(jiān)測，并通過構(gòu)建水情大數(shù)據(jù)庫，采集和積累多維度水情數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)挖掘和機器學習技術，對歷年水情數(shù)據(jù)進行挖掘?qū)W習，提取水情態(tài)勢規(guī)則和模型，從而實現(xiàn)水情的高效管理、監(jiān)測和預警。