師寧焉

(遼寧省白石水庫管理局，遼寧朝陽122000)

白石水庫GPRS水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)組成及關(guān)鍵技術(shù)綜述

師寧焉

(遼寧省白石水庫管理局，遼寧朝陽122000)

白石水庫GPRS水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的應(yīng)用包括主要數(shù)傳儀及傳感器的選用、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)配置、系統(tǒng)通信組網(wǎng)、電源防雷等多項(xiàng)技術(shù)。這種技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了全面準(zhǔn)確地收集所需的水雨情信息，為準(zhǔn)確地作出洪水預(yù)報(bào)，發(fā)揮了可靠的作用，有效提高了水庫防汛水情信息的預(yù)報(bào)能力和準(zhǔn)確度。

GPRS;水情自動(dòng)測(cè)報(bào);水利信息化;信息流轉(zhuǎn)

1 工程概況說明

白石水庫位于大凌河干流上，是一座以防洪、供水為主兼顧發(fā)電、養(yǎng)魚等綜合利用的大(1)型水庫。水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)于2000年建成使用，由1個(gè)中心站，2個(gè)中繼站、4個(gè)水文站、1個(gè)水位站、13個(gè)雨量站組成。2006年遼寧省供水集團(tuán)有限責(zé)任公司決定對(duì)省直各水庫水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)統(tǒng)一改造。新的雨量遙測(cè)站采用南京水利水文自動(dòng)化研究所研制的YDH—1M型遙測(cè)終端機(jī)，通過無線通訊模塊，利用中國(guó)移動(dòng)GPRS/GSM無線通訊方式完成對(duì)雨量的采集，并直接向白石水庫分中心站傳送數(shù)據(jù)。

2 白石水庫水情遙測(cè)系統(tǒng)

2.1 白石水庫水情分中心組網(wǎng)形式

遼寧省水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)實(shí)行三級(jí)網(wǎng)絡(luò)管理。一級(jí)管理為省水情中心;二級(jí)管理為14個(gè)市水情分中心和9個(gè)省直屬水庫水情分中心;三級(jí)管理為342個(gè)省管水情遙測(cè)站、245個(gè)市管水情遙測(cè)站和9個(gè)省直屬水庫的水情遙測(cè)站。白石水庫水情分中心是9個(gè)省直屬水庫水情分中心之一，白石水庫水情遙測(cè)系統(tǒng)實(shí)施GPRS通信技術(shù)改造后，對(duì)原有水情遙測(cè)站點(diǎn)進(jìn)行了加密，由原來的17個(gè)增加到25個(gè)，以適應(yīng)遼寧西部地區(qū)降雨不均的特點(diǎn)。每個(gè)遙測(cè)站由1臺(tái)YDH—1型遙測(cè)終端機(jī)、太陽能板、免維護(hù)蓄電池、雨量計(jì)組成［1］，見圖1。

圖1 水情遙測(cè)系統(tǒng)雨量站點(diǎn)布置及GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸示意圖

2.2 白石水庫水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)構(gòu)成

新的水情遙測(cè)系統(tǒng)由中國(guó)移動(dòng)通信的GPRS通信信道實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸。水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)總體框架是以白石水庫為中心，以遙測(cè)站為信息源形成的水情遙測(cè)報(bào)汛系統(tǒng)。系統(tǒng)由25個(gè)站點(diǎn)雨量傳感器及相應(yīng)的自動(dòng)采集設(shè)備組成，實(shí)時(shí)采集雨量信息并存入固態(tài)存儲(chǔ)模塊。由GPRS通訊信道把遙測(cè)站的數(shù)據(jù)傳送到中心站，中心站接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行必要的規(guī)范化處理再存入水情調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。實(shí)現(xiàn)了中心站可以隨時(shí)監(jiān)測(cè)各遙測(cè)站實(shí)時(shí)信息和運(yùn)行狀態(tài)，也可以在任意時(shí)間，通過中心站計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)定、遠(yuǎn)程遙測(cè)各站終端機(jī)工作參數(shù)和數(shù)據(jù)。

2.3 水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)

2.3.1 遙測(cè)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)

遙測(cè)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)由遙測(cè)數(shù)據(jù)采集終端機(jī)、傳感器、通信設(shè)備、太陽能板、蓄電池等組成，其任務(wù)是完成遙測(cè)站數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與傳輸［2］。工作流程見圖2。

圖2 雨量采集與工作流程

2.3.2 遙測(cè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)

主備遙測(cè)站至分中心站的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)采用GPRS為主信道，超短波通信網(wǎng)為備用信道混合組網(wǎng)方案。當(dāng)GPRS信道出現(xiàn)故障時(shí)，遙測(cè)站自動(dòng)切換到超短波備用信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。即當(dāng)遙測(cè)站根據(jù)被測(cè)參數(shù)的增量變化或定時(shí)時(shí)間，自動(dòng)采集并報(bào)送數(shù)據(jù)給中心站后，能夠自動(dòng)接收到來自數(shù)據(jù)通信網(wǎng)通信協(xié)議的確認(rèn)信號(hào)，以確認(rèn)本次數(shù)據(jù)通信準(zhǔn)確無誤;若遙測(cè)站在給定時(shí)間內(nèi)未接收到應(yīng)答確認(rèn)，則能夠自動(dòng)重發(fā)或切換到備份信道發(fā)送數(shù)據(jù)。

分中心站子系統(tǒng):是水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)執(zhí)行中心，負(fù)責(zé)對(duì)遙測(cè)站的控制、維護(hù)和管理，不僅接收、存儲(chǔ)和預(yù)處理來自各遙測(cè)站的全部信息，還將產(chǎn)生各種本專業(yè)的輔助決策信息。

遙測(cè)站通過無線通訊模塊，利用GPRS/GSM無線通訊方式完成對(duì)采集的雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，并直接向白石水庫分中心站傳送數(shù)據(jù)，白石水庫分中心站中的計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示和分析處理后做出水情預(yù)報(bào)。

中心站子系統(tǒng):運(yùn)行業(yè)務(wù)軟件，為遼寧省防汛抗旱指揮部提供水雨情基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并承擔(dān)對(duì)外發(fā)布信息。

3 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 GPRS移動(dòng)通信信道組網(wǎng)

GPRS在現(xiàn)有的GSM電路交換模式上增加了基于分組的空中接口，引入了無線分組交換功能，是一種基于GSM的移動(dòng)分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，面向用戶提供移動(dòng)分組的IP或者X.25連接。

3.1.1 構(gòu)成GPRS系統(tǒng)的方法

在GSM系統(tǒng)中引入3個(gè)主要組件，既GPRS服務(wù)支持結(jié)點(diǎn)、GPRS網(wǎng)關(guān)支持結(jié)點(diǎn)及分組控制單元;對(duì)GSM的相關(guān)部件進(jìn)行軟件升級(jí)。

3.1.2 GPRS移動(dòng)通信信道組網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)有4點(diǎn):①實(shí)時(shí)性強(qiáng):GPRS網(wǎng)絡(luò)具有永遠(yuǎn)在線的特點(diǎn)，只要設(shè)備打開在1～3S內(nèi)就可以登陸到核心網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)時(shí)延在700～3000MS;②穩(wěn)定性好、覆蓋好:GPRS網(wǎng)絡(luò)是在GSM網(wǎng)絡(luò)上加載的分組交換網(wǎng)，核心設(shè)備在移動(dòng)公司機(jī)房，無線設(shè)備有原來GSM的設(shè)備。在信號(hào)較弱的地方可以自動(dòng)切換編碼方式，增加冗余碼保證數(shù)據(jù)的傳輸。依托移動(dòng)公司強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和優(yōu)化隊(duì)伍，在移動(dòng)手機(jī)有信號(hào)的地方都可以使用GPRS網(wǎng)絡(luò);③安全性高:移動(dòng)公司可為水情部門提供專用的APN或虛擬VPN，使用加密技術(shù)，保證數(shù)據(jù)的安全性;④價(jià)格低:GPRS網(wǎng)絡(luò)按照流量收費(fèi)。

3.1.3 各內(nèi)部子系統(tǒng)間的信息流轉(zhuǎn)

整個(gè)系統(tǒng)采用中心站/分中心站結(jié)構(gòu)，中心站在遼寧省防汛抗旱指揮部防洪值班室，分中心站在白石水庫防汛值班室。其系統(tǒng)信息流程采用自下而上分級(jí)處理。按照遙測(cè)站到中心站這個(gè)流程來進(jìn)行。水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理可以用以下的模型來表述，見圖3。

圖3 系統(tǒng)信息流程圖

3.2 數(shù)傳儀及傳感器的選用

數(shù)傳儀及傳感器的質(zhì)量直接關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量及其可靠性，本系統(tǒng)所采用的YDH-1M遙測(cè)終端機(jī)RTU是由微處理器控制的通用設(shè)備，優(yōu)化設(shè)計(jì)后用于對(duì)遠(yuǎn)端設(shè)備的監(jiān)視和控制。它具有本地處理和控制能力，采用模塊式結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)應(yīng)用的需要組成不同的類型。其特點(diǎn)如下:

1)內(nèi)置固態(tài)存儲(chǔ)器:設(shè)備獨(dú)有的固態(tài)存儲(chǔ)選件能夠完整地保存全年的水情數(shù)據(jù)，支持本地、外地下載。

2)數(shù)據(jù)發(fā)送控制:可實(shí)時(shí)發(fā)送、定時(shí)發(fā)送和人工發(fā)送。

3)工作制式:自報(bào)——確認(rèn)式?？紤]到分中心站調(diào)整遙測(cè)站配置時(shí)，遙測(cè)終端機(jī)要有自報(bào)——確認(rèn)方式，遙測(cè)終端機(jī)主動(dòng)向分中心站發(fā)送水情數(shù)據(jù)、分中心站應(yīng)答確認(rèn)信息，在分中心站的確認(rèn)信息幀中，加載配置參數(shù)。

4)信號(hào)防干擾設(shè)計(jì):遙測(cè)終端機(jī)對(duì)所有輸入輸出引線都需采取光電隔離等多級(jí)措施、電路設(shè)計(jì)有干擾吸收措施，最大限度地避免雷擊等過電壓過電流對(duì)遙測(cè)終端機(jī)的破壞。

3.3 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)配置

水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)分中心站設(shè)在白石水庫防汛值室，中心站設(shè)在遼寧省防汛抗旱指揮部防洪值班室，利用兩地之間的光纖將中心站和分中心站連接成一個(gè)局域網(wǎng)。

分中心站作為水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)執(zhí)行中心，不僅接收、存儲(chǔ)和預(yù)處理來自遙測(cè)站的全部信息，還將產(chǎn)生一些如洪水預(yù)報(bào)等功能的輔助決策信息。

分中心站計(jì)算機(jī)以分布式多微機(jī)的局域網(wǎng)方式配置，系統(tǒng)采用客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)。多路數(shù)據(jù)通信終端連接到水情采集工作站上，采集來自于GPRS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。水情工作部使用3C905B網(wǎng)卡。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用對(duì)等網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議，運(yùn)行Windows NT Workstation 4.0操作系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用星型網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議，運(yùn)行Windows NT Server 4.0操作系統(tǒng)。分中心站系統(tǒng)軟件是在基于Windows NT環(huán)境下開發(fā)的一個(gè)開放式實(shí)時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)，防汛水情應(yīng)用軟件采用YZJ9000網(wǎng)絡(luò)版水調(diào)系統(tǒng)軟件包。

3.4 主要設(shè)備

3.4.1 服務(wù)器

選用HP ProLiant ML150 G2塔式服務(wù)器，其性能良好，能夠滿足系統(tǒng)需求，還可通過網(wǎng)卡向網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)，供其它工作站共享數(shù)據(jù)資源。

3.4.2 中心控制儀

中心站多路數(shù)據(jù)通信終端為YSK-1型，向?qū)崟r(shí)監(jiān)控的計(jì)算機(jī)傳輸數(shù)據(jù);以應(yīng)答方式向指定測(cè)站提取原始數(shù)據(jù);具有向中繼機(jī)和遙測(cè)終端機(jī)發(fā)布控制指令功能;有自動(dòng)復(fù)位功能，軟件無法運(yùn)行時(shí)，硬件可復(fù)位;配有雙路無線調(diào)制解調(diào)節(jié)器，完成雙路信號(hào)的接收和數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)功能;能對(duì)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤進(jìn)行檢查，并能進(jìn)行預(yù)處理;包含4個(gè)異步串行通信口。

4 系統(tǒng)通信組網(wǎng)

通信系統(tǒng)是水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的信息傳輸基礎(chǔ)，它的優(yōu)劣直接影響到水情信息是否能夠及進(jìn)、準(zhǔn)確地傳遞到中心站，是信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

4.1 備用信道組網(wǎng)VHF超短波

超短波是一種地面可視通信，其傳播特性依賴于工作頻率、功率、地形及氣象因子等因數(shù)。白石水情已建有覆蓋整個(gè)流域的超短波數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)，本項(xiàng)目增加站點(diǎn)若VHF信道信號(hào)余量達(dá)到數(shù)據(jù)通信增益要求，可不增加組網(wǎng)VHF的數(shù)據(jù)通訊費(fèi)用;VHF為白石水庫自已建設(shè)的遙測(cè)系統(tǒng)通訊專網(wǎng)，白石水庫對(duì)該通訊網(wǎng)具有完全的控制權(quán)和管理權(quán)。而使用公網(wǎng)，異常故障的響應(yīng)時(shí)間可能無法滿足水電廠水調(diào)/防汛的要求。

4.2 合理配備電源，精心考慮防雷

雷電進(jìn)入系統(tǒng)主要有3個(gè)途徑:①工業(yè)電源線;②信號(hào)線;③天線饋線。為了避免或減少雷電對(duì)系統(tǒng)的干擾，主要采取以下措施:

1)整個(gè)系統(tǒng)所有測(cè)站和中繼站均采用太陽能電池對(duì)蓄電池充電的供電方式，而分中心站則采用交流電供電，在雷雨天采用UPS(不間斷電源)加蓄電池的供電方式，這樣全系統(tǒng)就避免了雷電對(duì)工業(yè)電源干擾的可能性。

2)為了減少雷電對(duì)信號(hào)線的干擾，首先降低站點(diǎn)的接地電阻(≤4 Ω)，這個(gè)要求均已基本達(dá)到。另外，盡量縮短信號(hào)線的長(zhǎng)度，當(dāng)信號(hào)線的長(zhǎng)度不能縮短時(shí)，使信號(hào)線穿管埋地(如壓力水位計(jì)信號(hào)線)。

3)為了減少雷電從天饋線進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)備，除降低接地電阻外，選用可靠的銅軸避雷器。

5 結(jié)語

白石水庫水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)于2006年對(duì)原超短波測(cè)信道改GPRS信道后，較好的實(shí)現(xiàn)了汛期各站點(diǎn)的水情信息自動(dòng)測(cè)報(bào)，發(fā)揮了系統(tǒng)應(yīng)有的設(shè)計(jì)功能。在運(yùn)行過程中出現(xiàn)一些常見問題，只要順著信息流轉(zhuǎn)鏈條往前查找，一般都可以找到故障源頭。構(gòu)件更換方便，廠家售后服務(wù)及時(shí)。水庫水情處通過了解水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)構(gòu)成、功能結(jié)構(gòu)及內(nèi)部子系統(tǒng)間的信息流轉(zhuǎn)，掌握了關(guān)鍵技術(shù)，便于迅速查找和確定系統(tǒng)異常或故障部件，從而使水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)更好地發(fā)揮作用。

［1］王德君，任麗榮，郭勇，馬傳波.GPRS通信技術(shù)在水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2007(13):204-205.

［2］魏德華，何廷霖，劉占京，狄偉進(jìn).基于GPRS的小流域水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)［J］.中國(guó)農(nóng)村水利水電，2006(07):18-19.

TV123

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1007-7596(2014)06-0091-03

2014-04-22

師寧焉(1977-)，女，遼寧阜新人，高級(jí)工程師，從事水利工程管理工作。