聶龍濤，姜 波，聶婷雯

(1.齊齊哈爾市江東灌澇區(qū)工程管理處，黑龍江齊齊哈爾161005;2.五常市水務(wù)局，黑龍江五常150200)

1 灌區(qū)概況

江東灌區(qū)位于松嫩平原西部，嫩江左岸，齊齊哈爾市東部城郊，北起富?？h塔哈鄉(xiāng)，南至大慶市杜爾伯特蒙古族自治縣，東、西分別以烏裕爾河堤防及齊齊哈爾市為界。地形由西北向東南逐漸降低，灌區(qū)屬溫?zé)岚敫珊缔r(nóng)業(yè)氣候區(qū)，降雨年內(nèi)分配不均，全年降水的70%集中在7～9月。江東灌區(qū)位于灌區(qū)總土地面積81.56萬(wàn)hm2，其中耕地面積53.89萬(wàn)hm2，受益區(qū)人口6.84萬(wàn)人。江東灌區(qū)規(guī)劃灌溉面積32.2萬(wàn)hm2。經(jīng)過(guò)10 a的節(jié)水改造續(xù)建配套建設(shè)，灌區(qū)有效灌溉面積增加到21.92萬(wàn)hm2。

2 江東灌區(qū)信息化水情采集處理系統(tǒng)測(cè)流方法的選擇及系統(tǒng)功能要求

2.1 選用的測(cè)流方法

各種流量測(cè)量方法中能自動(dòng)測(cè)流的儀器和方法，它們各具有不同的流量測(cè)量準(zhǔn)確性。要判斷其準(zhǔn)確性，或?yàn)榱私⑾嚓P(guān)關(guān)系，都必須用流速儀面積法測(cè)量明渠斷面的各點(diǎn)流速，并以此作為標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)外都是如此。對(duì)國(guó)內(nèi)流行的流量自動(dòng)測(cè)量方法和設(shè)備將從測(cè)流準(zhǔn)確性、自動(dòng)化程度、適用范圍、價(jià)格等方面進(jìn)行比較，基本評(píng)價(jià)見(jiàn)表1。

表1 各種流量測(cè)驗(yàn)設(shè)備性能比較

綜上所述，對(duì)于本灌區(qū)測(cè)流，目前最實(shí)用的方法是水位流量關(guān)系法，只要測(cè)量水位經(jīng)過(guò)計(jì)算便可獲得徑流流量，由于水位的量程較小，可采用浮子式水位計(jì)。水位記錄采用固態(tài)存貯方式，使用在GSM通信傳輸，達(dá)到遠(yuǎn)程遙測(cè)水情的目的。

2.2 江東灌區(qū)信息化建設(shè)水情采集處理系統(tǒng)功能要求

1)信息量:本地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)＞1萬(wàn)條。

2)信息頻次:每1 h定時(shí)上報(bào)1次;每5 min進(jìn)行一次差值觀測(cè)，差值超過(guò)1 cm則進(jìn)行上報(bào)。

3)信息上報(bào)方式:定時(shí)自報(bào)式、差值自報(bào)。

3 江東灌區(qū)信息化建設(shè)水情采集處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選擇

方案比選中主要是對(duì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行比選，根據(jù)監(jiān)測(cè)站的體系結(jié)構(gòu)對(duì)RTU、傳感器、通信方式、供電方式進(jìn)行比選。

3.1 RTU設(shè)備比選

RTU的功能是參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、存貯(顯示)和傳輸控制，并通過(guò)通信設(shè)備與信道完成數(shù)據(jù)傳輸。

RTU是水情監(jiān)測(cè)中廣泛使用的設(shè)備，RTU設(shè)備一般由行業(yè)專業(yè)公司開(kāi)發(fā)，針對(duì)具體系統(tǒng)的接口能力較強(qiáng)。設(shè)備低功耗，具備休眠功能，集成度高、可靠、便于使用和維護(hù)，工作環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，具有其他設(shè)備無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。

目前國(guó)內(nèi)外均有應(yīng)用于水情監(jiān)測(cè)的RTU設(shè)備，國(guó)外典型產(chǎn)品如摩托羅拉的MOSCAD，國(guó)內(nèi)典型產(chǎn)品如微瑪特的SMARTDATA、燕禹的YY－RTU、南京水文所的WFZ等，國(guó)外設(shè)備功能較強(qiáng)，可靠性較高，但價(jià)格貴，一般在2萬(wàn)元。國(guó)產(chǎn)設(shè)備功能上雖然稍簡(jiǎn)單，但很適合中國(guó)國(guó)情，價(jià)格要比國(guó)外同類產(chǎn)品便宜得多，一般在1萬(wàn)元。經(jīng)過(guò)比較應(yīng)該采用國(guó)產(chǎn)RTU設(shè)備。

3.2 通信方式比選

有線通信監(jiān)測(cè)分布范圍廣，監(jiān)測(cè)點(diǎn)多，但投資費(fèi)用高。無(wú)線通信GSM短信和超短波電臺(tái)相比，GSM稍便宜、超短波通信建設(shè)成本高。推薦使用GSM短信通信。

3.3 水位傳感器比選

在明渠水位測(cè)量及庫(kù)水位測(cè)量中主要使用浮子式水位傳感器、壓力式水位傳感器、超聲波水位傳感器和感應(yīng)式數(shù)字液位傳感器。根據(jù)可靠性和造價(jià)比較，推薦采用浮子式水位傳感器。

3.4 供電方式比選

由于水情站點(diǎn)信息采集頻率較高，但功耗并不大，結(jié)合防雷和防盜，供電選擇使用鋰電池。

綜上所述，采用以RTU為核心單元，使用浮子式水位傳感器采集水位，利用GSM短信網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)，鋰電池供電。

4 測(cè)站設(shè)計(jì)及信息流向

由于現(xiàn)場(chǎng)地處農(nóng)村野外，直流電供電就成為一個(gè)問(wèn)題，同時(shí)也為避免交流電網(wǎng)引入雷電干擾，系統(tǒng)中所有測(cè)站均不采用交流供電方式，而采用鋰電池供電。主要設(shè)備:通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電壓檢測(cè)模塊、太陽(yáng)能極板、蓄電池。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 水情測(cè)站結(jié)構(gòu)圖

4.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接收

從遙測(cè)站接收數(shù)據(jù)，識(shí)別數(shù)據(jù)幀的來(lái)源和目的地，并進(jìn)行CRC檢驗(yàn)。為數(shù)據(jù)幀添加接收到該幀的時(shí)間，將接收到的數(shù)據(jù)幀寫入記錄文件備查。

4.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理

將數(shù)據(jù)幀的地址信息轉(zhuǎn)化為特定的站號(hào)、站名。將一幀中多個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為最小遙測(cè)數(shù)據(jù)單元，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行率定，合成新的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

4.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存貯

將原始通信幀寫入日志文件，用于原始數(shù)據(jù)備份及系統(tǒng)故障核查。日志文件采用循環(huán)記錄的形式，在日志文件中保存最新的一段時(shí)間的原始記錄。將處理過(guò)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存入監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)庫(kù)。將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)中特定數(shù)據(jù)寫入已有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便于在已有的地理信息系統(tǒng)上展現(xiàn)水情信息。

5 站點(diǎn)工作方式設(shè)計(jì)

灌區(qū)水情采集工作點(diǎn)采用隨機(jī)自報(bào)和定時(shí)自報(bào)相結(jié)合的自報(bào)工作方式:

1)隨機(jī)自報(bào):每當(dāng)被測(cè)的水位水情參數(shù)發(fā)生一個(gè)規(guī)定的增減量變化時(shí)，如水位漲落1 cm，且與上次發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)間間隔＞5 min時(shí)，即自動(dòng)向信息中心發(fā)送一次數(shù)據(jù)。

2)定時(shí)自報(bào):每隔1 h，不管參數(shù)有無(wú)變化，即采集和報(bào)送一次數(shù)據(jù)，信息中心的數(shù)據(jù)接收設(shè)備始終處于值守狀態(tài)。這種工作方式功耗低，便于供電，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，能很好地反映水位變化的全過(guò)程。設(shè)備終端支持與信息中心管理主機(jī)和手機(jī)雙向信息交互功能，灌區(qū)工作人員可通過(guò)手機(jī)短信實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備終端的參數(shù)設(shè)置、工作狀態(tài)查詢等操作。

圖2 水情采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向圖

圖3 水情自動(dòng)測(cè)報(bào)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

6 通訊設(shè)計(jì)

水位監(jiān)測(cè)由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和接收端設(shè)備組成?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備包括:RTU、水位傳感器、通信單元和供電單元;接收端設(shè)備包括:通信控制機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和安裝了水情應(yīng)用軟件的工作站。邏輯結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 水情測(cè)站框架圖

通訊方式比選包括有線通信和無(wú)線通信。

1)有線通信:監(jiān)測(cè)分布范圍廣，監(jiān)測(cè)點(diǎn)多，投資費(fèi)用高。

2)無(wú)線通信:GSM短信和超短波電臺(tái)相比，GSM稍便宜、超短波通信建設(shè)成本高。建議采用GSM通信方式。

7 電源設(shè)計(jì)

智能遙測(cè)終端供電要求:供電電源為DC6～12V;發(fā)送/接收平均電流為100 mA;

待機(jī)電流為20 mA;休眠電流為9 uA;脈沖電流為≤2 A;設(shè)備運(yùn)行操作時(shí)見(jiàn)表2。

表2 設(shè)備運(yùn)行各項(xiàng)操作用時(shí)表

按照水情數(shù)據(jù)采集頻度要求，每天定時(shí)采集水位數(shù)據(jù)24次，每天數(shù)據(jù)差值對(duì)比288次，每天1次設(shè)備自檢的作業(yè)量進(jìn)行操作，則每天設(shè)備功耗計(jì)算公式為:

設(shè)備日均功耗=數(shù)據(jù)發(fā)送日均功耗+數(shù)據(jù)測(cè)量日均功耗+設(shè)備自檢日均功耗+設(shè)備休眠日均功耗=0.188 A·H(1)

鋰電池容量計(jì)算:根據(jù)江東灌區(qū)灌溉要求5—10月份，按連續(xù)灌溉計(jì)算大概180 d的要求，計(jì)算蓄電池容量配置=0.188 A·H ×180=33.84 A·H?？紤]到其它不確定因素，適當(dāng)擴(kuò)大電池容量，選擇標(biāo)準(zhǔn)的12V 40AH鋰電池。

[1]周明德，馮惠，等.GB/T8567－2006計(jì)算機(jī)軟件文檔編制規(guī)范[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[2]馮惠，王寶艾，等.GB/T17544－1998信息技術(shù)軟件包質(zhì)量要求與測(cè)試[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1998.