王鴻雁，盧小伶，謝雪濤

（天津市引灤工程于橋水庫管理處，天津 301900）

于橋水庫水文自動測報系統(tǒng)可靠性設(shè)計

王鴻雁，盧小伶，謝雪濤

（天津市引灤工程于橋水庫管理處，天津 301900）

水文自動測報系統(tǒng)是涉及水文遙測、通信、計算機和網(wǎng)絡(luò)等學(xué)科的一門先進技術(shù)，是實現(xiàn)水文現(xiàn)代化的重要手段。該文在分析水文自動測報系統(tǒng)可靠性有關(guān)概念的基礎(chǔ)上，從總體、儀器、防雷、軟件等方面總結(jié)了于橋水庫水文自動測報系統(tǒng)的可靠性設(shè)計經(jīng)驗，為更好地服務(wù)于水利工作提供了參考。

水文自動測報系統(tǒng)；可靠性；設(shè)計

于橋水庫水文自動測報系統(tǒng)始建于1985年，是由南京市水利水文自動化研究所與于橋水庫管理處協(xié)作研制。在十幾年的運行和使用中，對該系統(tǒng)進行了多次更新改造，系統(tǒng)功能不斷增加和完善，應(yīng)用上更加廣泛、便利、有效，在防洪與水情調(diào)度中發(fā)揮了積極作用。

于橋水庫水文自動測報系統(tǒng)由1個中心站、1個中繼站、13個遙測站組成，分布在薊縣至河北省遵化市境內(nèi)，最遠的遙測站距中心站63km。遙測站和中繼站的儀器設(shè)備大多設(shè)置在荒郊野外，處在無人值守、交通不便、氣候條件差、電磁輻射嚴重的情況下，而擔(dān)負著水文信息采集的設(shè)備本身又是相對脆弱的電子產(chǎn)品，因此可靠性是水文自動測報系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵課題之一。

1 可靠性的含義及其指標(biāo)

1.1 含義

系統(tǒng)可靠性是指系統(tǒng)在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，實現(xiàn)規(guī)定功能的能力，是對系統(tǒng)可靠性的定性評價。影響系統(tǒng)可靠性的因素很多，一般來說，有系統(tǒng)設(shè)計中的缺陷、電源系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通道、電磁輻射的干擾及溫度、濕度等因素。

1.2 指標(biāo)

廣義上的可靠性指標(biāo)可以引用分散型工業(yè)控制系統(tǒng)的RAS來表示，其中R是可靠性（Reliability），A為可用性（Availability），S為可維修性（Serviceability）。

1.3 可靠性指標(biāo)的確定

RAS指標(biāo)嚴格意義上講都是隨機變量，與系統(tǒng)元器件、原材料、設(shè)計及組裝、現(xiàn)場土建、安裝調(diào)試、運行維護及現(xiàn)場環(huán)境等因素有關(guān)，因此只能用概率統(tǒng)計方法進行研究。從RAS指標(biāo)來分析，影響于橋水庫水文自動測報系統(tǒng)可靠性的因素主要來自以下幾個方面：

（1）外部干擾與作用。包括各種電磁干擾、高低溫及溫度變化、潮濕、振動、灰塵、水滴等。

（2）內(nèi)部干擾。包括工作時發(fā)熱，各電路間電磁耦合，特別是各地線間的干擾等。

（3）各集成電路及材料老化。

（4）廠家的技術(shù)實力、管理水平及售后服務(wù)方式。

（5）軟件的穩(wěn)定性。

2 于橋水庫水文自動測報系統(tǒng)可靠性設(shè)計

系統(tǒng)可靠性措施，即研究在設(shè)計階段如何預(yù)測和預(yù)防各種可能發(fā)生的故障和隱患。水文自動測報系統(tǒng)的可靠性包含系統(tǒng)的可靠性和設(shè)備的可靠性。遙測站一般處于偏遠地區(qū)且分散，維護起來很不方便，需要長期在無人值守的環(huán)境下工作，因此在系統(tǒng)設(shè)計環(huán)節(jié)的可靠性尤為重要。

2.1 選擇有效的通信組網(wǎng)方式

水文自動測報系統(tǒng)的通信方式有衛(wèi)星通信、超短波通信和GSM/GPRS通信等。采用超短波通信是目前在水文自動測報系統(tǒng)中應(yīng)用最多的通信方式，但這種通信方式受地形和距離的限制，如要擴展站網(wǎng)覆蓋范圍，需設(shè)計多級中繼站；GSM/GPRS通信的優(yōu)點是設(shè)備投資低、技術(shù)先進、通道質(zhì)量好、傳輸速度高、不受距離和地形限制、覆蓋面廣，缺點是運行費用較高。

基于以上兩種通信方案，于橋水庫水文自動測報系統(tǒng)采用超短波與GSM/GPRS混合組網(wǎng)通信方式。這是目前大中流域水情自動測報系統(tǒng)應(yīng)用較多的通信組網(wǎng)方式。其優(yōu)點是通信組網(wǎng)靈活、受距離和地形影響小、覆蓋面廣、設(shè)備投資較低；缺點是通信網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，對運行維護人員的素質(zhì)要求較高。

2.2 提高測站電源的穩(wěn)定性

中心站采用UPS電源，遙測站和中繼站均采用蓄電池組和太陽能光電板浮充供電方式。遙測站、中繼站電池容量配置應(yīng)能保證各類設(shè)備在連續(xù)20d陰雨天氣情況下仍能正常工作；電源有可靠的防雷電設(shè)計，能有效避免從電源回路引入雷擊信號。在日照期間該系統(tǒng)給蓄電池充電，在夜間或連續(xù)陰雨期間使用蓄電池電能。鉛酸全密封進口酸性蓄電池具有良好的低溫特性和過量充電特性，而且免維修，因而選用它做為遙測設(shè)備供電。為保證最長連續(xù)無日照期間供電，需合理選擇電池的容量。

2.3 提高設(shè)備抗雷電干擾能力

為了保證遙測站中繼站可靠運行，防止從天饋線、電源線、遙測設(shè)備與傳感器間的信號線引入的雷電損壞設(shè)備，遙測站、中繼站采用全電磁屏蔽的全密封鋁合金法拉第筒結(jié)構(gòu)，全面實現(xiàn)雷電、高低溫、高濕防護。

（1）選取自報式制式，使終端設(shè)備遙測工作減少雷電干擾幾率。

（2）遙測站使用市電，但在雷雨季節(jié)陰雨天氣時切斷市電改用電瓶供電，減少電源導(dǎo)入雷電脈沖機會。

（3）如需接地，應(yīng)采?、窦壏览祝葱盘柧€防雷、電源防雷和天線防雷。防雷接地嚴格按照國家規(guī)范要求，接地電阻應(yīng)考慮不同季節(jié)、土壤等因素引起的變化。

（4）信號線宜選用屏蔽線并穿鋼管地埋，鋼管需焊接并連接接地網(wǎng)，所有信號引入線等均應(yīng)加裝避雷器防止導(dǎo)入雷電波。

（5）當(dāng)必須選用較高的通信鐵塔時，應(yīng)加設(shè)避雷針。

2.4 設(shè)備可靠性

水文自動測報系統(tǒng)設(shè)備由中心站設(shè)備、中繼站設(shè)備和遙測站設(shè)備3部分組成。其中中心站設(shè)備由計算機及其網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、超短波通信及GSM/GPRS通信設(shè)備、前置通訊處理機（中心站控制儀）、供電設(shè)備及避雷設(shè)備等組成；中繼站設(shè)備由模擬中繼設(shè)備和再生中繼設(shè)備組成；水文遙測站由遙測數(shù)傳終端RTU、傳感器、電臺、同軸避雷器、天饋線和電源等組成。

設(shè)備的可靠性用設(shè)備的有效度A來描述：

式中 t1表示平均無故障時間；t2表示平均維修時間。

設(shè)備的平均無故障時間越長，平均維修時間越少，則設(shè)備的可用度就越高。

影響設(shè)備可靠性的因素主要分為設(shè)備本身質(zhì)量、累計、外部環(huán)境影響3類。

要提高設(shè)備可靠性，需從3個方面入手：①對各廠設(shè)備認真比對，選取質(zhì)量較好的設(shè)備。②做好站點的防雷措施。每個站點均應(yīng)有避雷針接到防雷接地點，在信號輸入端應(yīng)接信號避雷管。③減少環(huán)境對設(shè)備的影響。野外濕度較大，各種引線應(yīng)綁牢，做好設(shè)備的密封防水；要有防止設(shè)備被人為破壞的措施。

2.5 保障水文自動測報系統(tǒng)的可靠性

2.5.1 在設(shè)備的安裝質(zhì)量上滿足要求

在設(shè)備的安裝過程中多次測試有關(guān)參數(shù)，既保證的功能達到規(guī)定的指標(biāo)，也要考慮系統(tǒng)可能承受的各種影響耐久性的因素（包括雷電、動植物和人為破壞），同時做好記錄以備查證。

2.5.2 關(guān)鍵設(shè)備應(yīng)有足量備份

不論是中繼站還是遙測站，都是遙測系統(tǒng)組網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，都應(yīng)備有足量、完整的備份（如數(shù)傳終端、天線、饋線、防雷系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等）。一套主運行，作為正常情況下的中繼站；另一套熱備份，不作中繼轉(zhuǎn)發(fā)，但對主中繼站實時檢測，當(dāng)備份中繼站發(fā)現(xiàn)主中繼站發(fā)生故障則立即中止主中繼的運行，并自動代替主中繼站工作，同時向中心站發(fā)出告警信息，或者直接在中心站的控制下，執(zhí)行允許和禁止轉(zhuǎn)發(fā)、主備中繼機切換的功能。

備用設(shè)備可縮短故障修復(fù)時間，提高測站在線率，明顯提高系統(tǒng)的可靠性。

2.5.3 采取有效措施，減少因設(shè)備老化帶來的一系列問題

系統(tǒng)老化將對水文自動測報系統(tǒng)產(chǎn)生一些影響和干擾。如蓄電池的老化會導(dǎo)致系統(tǒng)工作不正常，甚至污染其他設(shè)備。因此，必須對設(shè)備定期檢查，消除事故隱患。

2.5.4 加強設(shè)備的管理維護

管理和維護是遙測系統(tǒng)正常運行的保障。每年汛前都應(yīng)對操作人員進行設(shè)備維護技術(shù)培訓(xùn)，使操作人員做到小故障站內(nèi)解決、大故障快速上報處理，提高操作人員發(fā)現(xiàn)問題和維護維修的水平，有效縮短故障解決時間，確保數(shù)據(jù)傳輸精確。

2.6 中心機房的環(huán)境要求

中心機房是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匯集和管理中心，也是數(shù)據(jù)庫服務(wù)器所在地。于橋水庫中心機房能迅速查詢和分析整個系統(tǒng)實時的、歷史的全部水情信息，與洪水預(yù)報系統(tǒng)相連接，實時做出決策。于橋水庫中心機房建設(shè)，歷經(jīng)多次更新、改造，布局更加合理，環(huán)境條件符合系統(tǒng)的技術(shù)要求，并充分考慮到系統(tǒng)擴充的可能性。

2.6.1 溫度

工作站室、服務(wù)器室、配線室、電源設(shè)備室溫度滿足10℃～35℃。為了滿足上述要求，各房間配置了空調(diào)。

2.6.2 濕度

工作站室、服務(wù)器室、配線室、電源設(shè)備室相對濕度保持在45%～65%。

2.6.3 機房接地

工作站室、服務(wù)器室、配線室、電源設(shè)備室均采用抗靜電地板，地板下部空間高度不小于25cm。

2.6.4 其他

工作站室、服務(wù)器室、配線室、電源設(shè)備室滿足防火、防盜、防噪聲、防雷等要求。

2.7 采用先進的軟件設(shè)計方法

軟件設(shè)計必須遵循標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化設(shè)計原則。在編碼設(shè)計、通信規(guī)約、用戶界面、文檔編制時應(yīng)貫徹標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的設(shè)計方法。

于橋水庫水文自動測報系統(tǒng)采用人機界面（MMI）開發(fā)及運行軟件和PLC編程、組態(tài)等相關(guān)軟件，采用面向用戶的圖形化交互界面，顯示流域水系圖、站點分布圖和通信組網(wǎng)圖，并在圖上動態(tài)顯示各測站的實時水位、雨量等數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)形成的計算機局域網(wǎng)，以應(yīng)用軟件為基礎(chǔ)，通過計算機、服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，使運行人員快速、準(zhǔn)確地做出正確預(yù)報和調(diào)度方案。

2.8 選用公網(wǎng)進行通信

當(dāng)前，公網(wǎng)通信技術(shù)成熟，網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣。根據(jù)水文數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用的特點，于橋處向移動公司申請了GPRS（Virtual Private Network）專用數(shù)據(jù)網(wǎng)，遙測站將各項水情數(shù)據(jù)實時采集后通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到中國移動GPRS網(wǎng)絡(luò)。GPRS網(wǎng)絡(luò)將各個遙測站的數(shù)據(jù)采集到移動運營商前端機，再利用專用線路傳輸?shù)接跇蛩畮焖榉种行恼痉?wù)器進行數(shù)據(jù)處理。通過水情調(diào)度軟件完成對各遙測站的監(jiān)視控制、水情警戒及歷史曲線顯示等功能。這樣的優(yōu)勢在于：外界的終端或節(jié)點不能進入；數(shù)據(jù)安全性好；保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、靈活性。

3 結(jié)語

水文自動測報系統(tǒng)從工程效益和經(jīng)濟效益兩方面來看，具有不可估量的意義。鑒于其分布范圍大，工作環(huán)境相對惡劣，干擾問題多，于橋水庫水文自動測報系統(tǒng)可靠性設(shè)計處于不斷完善之中，另一方面，也以其豐富的實踐經(jīng)驗，為其他水庫同類項目提供了參考，為天津水利事業(yè)發(fā)展做出了貢獻。

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X143；TP2

A

1672-9900（2011）01-0037-03

2010－12-16

王鴻雁（1975－），女（漢族），天津薊縣人，工程師，主要從事于橋水庫水情自動測報系統(tǒng)運行管理工作，（Tel）13370313130。