智能終端設備在水文監測中的應用研究

唐佳威

（湖南省湘潭水文水資源勘測中心，湖南 湘潭 411100）

0 引言

我國水文環境監測管理工作其實是從監測站網規劃設計到企業水文監測數據分析收集整理的一個全過程，不單單只是用于監測江河湖泊的水資源。其中信息傳輸是水利信息化的重要基礎工作之一。水文監測工作在很大程度上促進了國家水資源的開發與利用，面對自然災害，水文監測也起到了積極作用。做好水文監測工作既利于人們合理利用水資源，還可以幫助人們降低自然災害帶來的破壞。

1 關于水文監測及智能測控設備的概述

1.1 水文監測系統的基本特點

水文行業監測質量工作需要包含的監測內容非常多，并非只是單一的監測工作，工作的高度復雜性已經給如何提高目前水文行業監測數據質量工作增加了一定難度。布設水文網站、測驗分析水文、水文監測資料庫的收集整理、研究水文實驗等都已經是目前水文行業監測質量工作的主要組成內容。由于水文質量監測的數據質量也被分有不同監測等級，分別廣泛應用在不同的監測場所。我們要根據全市水文環境監測的主要工作內容進行制定并提出合理的工作規劃，設計研制出合適的全市水文環境監測解決方案，保障全市水文環境監測管理工作的良好正常運行。

1.2 智能水文測控系統概述

技術的應用發展隨著信息時代的不斷發展，智能水文測控系統技術及其應用領域范圍越來越廣，利用率越來越高。目前縱觀監測行業技術發展，仍然還需不斷完善。在國家智能化測控技術廣泛應用的發展過程中，需要不斷結合實際應用情況對國家智能水文測驗測控技對的主要軟件、硬件功能進行優化升級，保證水文監測管理工作能夠適應日益多樣化的國家水文工程監測管理需求。因此通過優化提升國家智能水文測控系統技術的發展智能化應用水平，保證其技術可廣泛應用與開展更多不同類型的國家水文測驗管理工作中，為開展水文監測管理、決策等工作提出有效數據參考。由此可見，水文管理測控智能技術的發展應用價值顯著、發展應用空間較大，有助于國家水文管理部門不斷優化提升水文測驗工作質量。

1.3 大型水文自動監測站點工作的重要意義及其中的重要性

由于大型水文自動遙控監測站點所設立的工作目的主要是為了監測特定站點區域、斷面的各種水文監測特性，選址不一定要求唯一，但一般要求在能夠滿足特定區域具有代表性。因此，目前正在建設的大型水文自動遙控監測設備站點普遍都是位于野外且比較分散。由于水文自動遙控監測設備系統主要涉及從小到多部門學科專業化的融合，對系統從業人員的技術業務水平也具有較高的技術要求[1]。其中，水文自動遙控監測設備系統中的設備本身主要涉及從小到工程機械、電子、通信、計算機、數據庫及計算軟件學等多個專業學科；而就系統自動監測的設備參數來講，則主要涉及從小到大水文、氣象、環境等多個學科，不同的水文監測系統參數都應具有其特定的水文行業管理規范。因此，運行中的管理人員除了通過系統理論上的學習，掌握系統監測設備的管理工作基本原理外，還常常需要認真研究學習行業規程、規范，用以正確指導系統運行中的管理工作，最終向目標用戶企業提供一套符合標準的水文監測管理成果。

1.4 智能測控設備的重要性

1.4.1 智能水文測控流量技術系統

使用多種智能水文測控管理技術者在進行智能水文流域監測時，需要充分借助高科技監控設備加以進行監控輔助。常見的兩種智能水文測控流量技術系統可以細分為自動、手動兩種監測方式，采用兩種自動化的水文監測管理方式，可有效彌補目前傳統手動監控方式中監測存在的不足，同時兩種監測方式相互的結合，可有效彌補自動水文監控監測點長期布設的巨大缺點。同時利用兩種監測方式，可及時獲取到和整理所在水文監測流域內的具體情況與流量數據，運用多種智能化測控設備大大提升了對水文流域數據進行監測的速度準確性。

1.4.2 在實際水文測驗測量工作過程中的技術重要性

在實際進行水文防汛監測中，主要的防汛監測測量方式以手動計量測驗方式為主要測量方式，測定出的數據主要有賴于人工智能記載，因此水文測量測驗結果的真實準確性一直存在很多質疑的呼聲。在綜合使用人工智能測量測驗方式時，測量者的工具、測量方法、測量者的專業技術水平等因素都會對實際測量者的數據收集造成較大干擾。此時綜合應用人工智能水文測控系統技術，可有效的不斷完善上述技術不足，促進實際水文測驗工作順利進行。

2 智能終端設備的數據綜合監測應用

2.1 工業智能應用軟件系統測控技術

系統軟件技術的一個核心應用軟件系統功能部分其在綜合采用這種工業智能應用軟件系統測控技術時其主要的一個應用核心軟件功能之一就是可以對這種應用智能軟件系統的數據進行綜合監測應用，利用軟件系統測控控制系統技術可以大提升系統數據綜合監測的真實可靠、準確性和數據有效性[2]。因此其在充分運用此軟件測控系統技術時，需要對這種應用智能軟件系統測控技術部分功能進行合理的設計優化，充分利用軟件測控系統對需要監測到的相關系統數據諸如控制分析處理程序、報表分析處理程序等軟件功能部分進行合理設計優化系統設計。在進行系統工程設計水文過程中，首先需要充分準確化地了解所有被檢測單位涉水管理區域的水文相關規劃及測量技術要求和是否符合國家水文測量管理技術標準相關規劃，根據設計水文管理測量的各個操作管理環節、內容等情況合理安排系統設計施工，水文測量報表的各個操作的具體內容與各個操作管理環節，要保證設計內容管理編程的客觀科學性和準確性，增加設計水文管理測量操作結果設計數據的客觀科學性和精準性、可信度；其次，以系統科學規范設計水文測量操作、科學合理利用水文數據、信息管理技術和以分析水文工作為主要技術理論基礎的才可以充分保證設計水文測量報表中的內容管理編程的科學合理性和科學精準性、適當性。

2.2 水文智能質量測控系統技術的測量硬件

除測量軟件檢測系統外，在水文智能化質量測控系統技術中還同時應充分使用測量硬件檢測設施，為水文測量測控工作進行提供硬件輔助。利用計算機技術可有效率地保證岸上消息信號快速實時傳遞的數據實時性和連續性、避免岸上消息信號實時傳輸運行過程中會出現各種信息中斷，利用岸上信號輔助信息處理軟件技術可以有效保證岸上信息計算機操作人員隨時可獨立自動進行處理工作，準確性地實時收集岸上相關信息數據。岸上需要利用高端硬件自動監測處理設備，通過綜合利用計算機、電動控制監測設備、轉碼器和移動通信設備等，實現岸上消息信號的傳遞實時化和轉化、數據的實時收集和分析以及數據整理，此時我們首先需要特別注意的是保證數據收集分析前所收集的數據的全面性和數據真實性，記錄的數據完整性和數據可靠性，進而我們需要注意保證數據收集分析前的監測以及處理結果的數據真實性和數據可靠性。

2.3 監控終端硬件設備系統

電路設計智能水利互聯網監控智能水利監控終端為充分適應當前水利工程監測應用領域，技術更新快、用戶功能需求多樣、安裝使用環境復雜等應用特點，硬件設備電路設計部分采用終端模塊化系統設計管理思想，按照設備功能不同可以被分割成為主線程控制操作模塊，通信操作模塊、電源及外部網絡接口操作模塊以及移動人機交互界面操作模塊幾個大部分，各功能模塊之間主要功能相對應或對立，分開可以制作多個電路板，當設備使用者的環境或設備用戶功能需求條件發生重大變更時，只要您需要同時改動其中的某個功能模塊型號即可同時實現一次功能開發升級，避免了多次重復功能開發。

2.3.1 主控制模塊

主控制模塊是整個中國智能通信遙測通信終端的控制核心，負責同時實現對遙測傳感器的定時信息采集、數據處理、存儲以及智能通信過程控制等等功能。其控制電路部分總體設計結構由外部核心信號處理單元監控單元、RTCSD 實時監測時鐘、編程器和調試控制接口、數據存儲單元以及可觀看外部的開門狗等多個電路部分組成[3]。由于遙測設備系統通常需要采用鉛酸蓄電池及各種太陽能發光電池板進行供電，因此對遙測設備的工作功耗和運行穩定性都具有較高的技術要求。遙測設備的外部核心信號處理單元模塊選用兩路ATmega1280 低溫高功耗信號處理器，它內部分別自帶16 路外部信號中斷，可同時接入各種翻斗式的降雨量溫度計、電子式壓水表等多種脈沖式的輸出信號傳感器，內部的4 路AT-UART 總線接口足以可靠地用來同時連接多個智能通信控制模塊并可實現多一個信道數據冗余信息備份和數據擴展485 總線傳輸接口，可同時接入具有多種類型的多個智能遙測傳感器。遙測數據存儲單元模塊選用了帶有SPI 總線接口的一種大容量工業級的CSD 存儲卡，具有-40～80℃的工作溫度和可適應條件范圍和百萬次以上的數據讀取和工作壽命，有效地保證了遙測數據存儲信息的安全。

2.3.2 通信管理模塊

無線通信管理模塊主要負責同時實現衛星傳感器無線數據處理信息的實時上報和衛星中心站無線控制指令的實時接收處理功能，為大大提高數據通信時的可靠性，采用了衛星GPRS 及其他衛星雙線多信道無線冗余數據備份解決方案[4]。GPRS 網通模塊內部選用德國西門子工業級無線通信管理系統模塊GPMC37ID 來進行實現，可同時集成支持我國現有衛星APNSD無線虛擬現實手機無線專網和多個單信道衛星中心站的實時同步無線網絡連接，在新的SDSIMD 網卡和舊的SDSD 天線接口處分別重新增加了一塊APESD 無線漏電安全保護通信控制模塊芯片，有較高效率地完全防止了虛擬手機無線插拔衛星天線連接過程中因由于人體過度補充放電因素可能導致造成的手機相關電子器件異常或者損壞；無線基站衛星信號定位管理模塊內部主要采用一塊來自中國江蘇博納公司雨田的衛星GPTM0510模塊，模塊內部同時集成了衛星GPRDSS 無線基站射頻衛星信號定位收發器的通信控制芯片、功放信號通信控制芯片和衛星無線基站寬帶信號通信控制電路等，可實現無線衛星短報實時定位和無線無源短報衛星文件的實時通信兩種主要功能，具有通信系統軟件集成度高、穩定性好、功耗低等三大基本特點。

2.3.3 人機操作界面控制模塊

設計人機操作界面控制模塊主要負責自動實現背光傳感器觀測數據的本地自動顯示以及自動遙測遙控終端設備的本地自動配置控制功能，為有效兼容目前傳統的人工自動測量控制方式而該設備還特別提供了多種人工測量置數控制功能，可將人工測量觀測的相關數據通過自動遙測遙控終端設備上報發送到遙測中心站。

2.4 自動遙測設備終端防護軟件設計

嵌入式軟件技術是整個系統的技術靈魂，也許它是直接決定電子設備系統可用性和系統易用性的重要關鍵。軟件程序代碼設計采用功能強大的語言ICCAVR 多種開發語言平臺進行編譯，采用多種層次化軟件設計方案，包括系統驅動層軟件程序、協議層軟件程序及驅動應用管理層軟件程序三個基本層次[5]。驅動層軟件程序主要用于實現對各種應用芯片及硬件模塊的驅動操作，包括MCSDIP 卡、MC37i 通信模塊、衛星通信模塊、RTC IP時鐘等，硬件接口設備的驅動程序主要包括與系統底層應用硬件模塊相關的主程序和與系統底層應用硬件模塊無關的應用程序兩個大部分[6]。封裝配置好一個驅動層軟件程序之后對外還可提供與系統底層應用硬件模塊無關的應用接口函數，方便其他硬件模塊進行調用；協議層軟件程序主要功能包括一個TCP/IP軟件協議、傳感器產品Mmodbus 軟件協議以及與系統中心站點的通信軟件協議等，其中一個TCP/IP，軟件協議主要是通過將一個開源的TCU/IP 軟件協議直接移植出來實現的，傳感器產品通信軟件協議主要包括Mocmos 以及高清數碼攝像頭、流量計以及高清壓力計和水位測量計等485 接口硬件設備，大多數電子傳感器軟件支持采用Modbus 軟件協議，針對目前市場上各種主流電子傳感器產品開發了不同的軟件協議包和支持包，可通過自己配置好的軟件協議進行自動選擇。與中心站之間的通信協議則嚴格按照水利部最新頒布的《水文監測數據通信規約》要求[7]。完整支持30 個功能碼，可實現均勻時段報、定時報、加報等多種報文，能夠在不同的接收平臺下使用。

3 水文工程監測工作及智能設備中存在的一些問題

3.1 水文監測工作中存在的問題

水文資源監測在當今人們的日常生活中已逐漸成為重要的一部分，人們對自然水文資源監測的高度重視普及程度在不斷得到提升。目前，水文中的監測管理工作雖然受到其他水文方面諸多因素的嚴重影響，還仍然存在一些新的問題，①面對特大規模洪水時，水文環境資源管理監測的基本技術管理精確度遠遠不夠。②監測特大規模洪水的防汛水文資源工作者的技術管理質量非常低。③監測特大規模洪水的技術管理監測能力明顯存在不足，需要不斷完善加以提高。

3.2 目前國內水文智能監測設備運行存在的問題

3.2.1 設備保護防盜系統維護維修成本高

因設備存在偷盜、損壞的巨大風險，且供電供水線路等設施需要設備保障進行維護，每處監測設備都經常需要有專人進行看護，按每年一處監測設備看護成本400 元經費計，全省每年的設備看護維修成本近百萬元，使得自動監測監控設備正常運行維護成本過高[8]。

3.2.2 設備保護維修力量薄弱

水位監測監控設備由于全年不長時間歇正常運行又比較易于發生損壞，且由于安裝使用地域廣，導致設備維修費用成本高，造成大量生產廠家員工不愿按時維修或用戶維修遲緩的尷尬局面，使監測設備正常生產運行得以起不到有效保障。

4 解決我國水文監測管理工作質量問題的總體策略

4.1 積極引入先進的新型水文環境監測管理設備

水文相關主管部門每年應不斷加大設備資金的管理投入，為推進水文環境監測管理工作開展引入更多的新型監測設備。把專業水文基礎監測作為基礎設施工作的根本保障。不光基礎設施建設要扎實做好，還要不斷穩步提供大量精準水文監測數據的重要技術基礎。

4.2 應該采取一種智能化水文監測技術

水文監測技術的廣泛應用為兩個主要方面：①提高對我國水文資源監測網站項目建設的技術重視度和程度。②完善專業水文智能監測網站的基礎硬件設施建設。專業技術人員目前應不斷強化專業水文智能監測網站的硬件建設[9]。通過這些智能化監測技術的廣泛運用，水文科學監測系統質量和性能在這些原有的技術基礎上能夠得到一定的穩步提升，通過不斷的研究實踐，這些水文科學監測技術也將廣泛得到普及。

5 結語

未來的智慧水文監測體系，將充分應用衛星定位、空天遙感、物聯網及智能感知、移動寬帶網、云計算和大數據等技術，結合地面水文固定監測站網。水文大數據分析應用也將促進智慧水文監測體系的不斷完善與進步，形成數據采集與分析應用相互促進的可持續發展局面，從而開拓出水文科學與技術發展及應用的新領域。