曾佑聰，石瑞格，陳 晨

(1.水能資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙410014；2.中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長沙410014)

0 引 言

目前，水文監(jiān)測面臨傳統(tǒng)水文站數(shù)量多、人工方式控制測流工作效率低、洪水期測流安全威脅大、高洪水位時(shí)流量測驗(yàn)及時(shí)性差等問題，尤其還存在山溪性河流暴漲暴落、水文測驗(yàn)易受漂浮物、滾石影響等難題。研究一套無人值守條件下適合高流速測驗(yàn)的自動(dòng)測流并能遠(yuǎn)程集中控制管理的系統(tǒng)意義非凡。解決無人值守條件下中小河流、山區(qū)性暴漲暴落河流流量自動(dòng)測驗(yàn)難題，可極大地促進(jìn)傳統(tǒng)水文技術(shù)的進(jìn)步，具有廣闊的市場前景和社會(huì)價(jià)值。

雷達(dá)波流速儀根據(jù)多普勒雷達(dá)測速原理，對(duì)水流的表面流速進(jìn)行探測。由于它是一種非接觸式測流設(shè)備，測流不受測驗(yàn)河道的漂浮物、滾石等影響，適合山溪性河流高流速測驗(yàn)，為雷達(dá)波在線測流及遠(yuǎn)程監(jiān)測集控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)支撐。

1 技術(shù)方案及總體功能

本項(xiàng)目主要針對(duì)雷達(dá)波測流自動(dòng)監(jiān)測與集中控制的研究，解決水文部門通過拼人力來應(yīng)對(duì)河道流量測驗(yàn)的難題，將測驗(yàn)人員從繁瑣的流量測驗(yàn)工作中解放出來，促進(jìn)傳統(tǒng)水文測驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步，達(dá)到優(yōu)化管理模式、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工作效率的目的，同時(shí)流量資料精度也有足夠保障。

建立雷達(dá)波在線測流監(jiān)測集控中心(見圖1)，通過GPRS、4G、ADSL等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使各測站與中心站互通互聯(lián)，集控中心只需1個(gè)值班人員即可完成下轄所有測站的流量測驗(yàn)任務(wù)，測站只需安排看管人進(jìn)行日常巡視管理即可；采用GIS、組態(tài)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)集成等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各雷達(dá)波流量監(jiān)控點(diǎn)“所見即所得”運(yùn)行監(jiān)視與遠(yuǎn)程控制，采用攝像與圖像自動(dòng)識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)測站設(shè)備故障與非法入侵管理并報(bào)警。

圖1 在線測流集控管理系統(tǒng)架構(gòu)及水情遙測系統(tǒng)架構(gòu)

(1)集中呈現(xiàn)各個(gè)無人值守雷達(dá)波水文站的視頻監(jiān)控畫面，對(duì)各水文站運(yùn)行工況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視，每個(gè)水文站采用2～3路視頻(一路視頻監(jiān)視測流纜道，一路視頻水尺監(jiān)視水文站環(huán)境安全)的接入；同時(shí)為逐步投運(yùn)的其他水文站的接入預(yù)留接口。集中呈現(xiàn)各個(gè)水文站生產(chǎn)現(xiàn)場的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)基于Internet的遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程故障診斷、遠(yuǎn)程指揮調(diào)度、遠(yuǎn)程設(shè)備管理功能。

(2)以GIS集中呈現(xiàn)各個(gè)水文站的纜道自動(dòng)測流流程和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)基于GPRS的纜道自動(dòng)測流遠(yuǎn)程控制。

(3)系統(tǒng)自動(dòng)采集、傳輸、接收和處理雷達(dá)波信息：能根據(jù)河道水流變化，自動(dòng)精確定位測流裝置進(jìn)行測流；具有完善的保護(hù)和預(yù)警機(jī)制，詳實(shí)記錄過程，方便事件還原分析；軟件界面美觀，操作簡單方便，參數(shù)配置簡便，具有較大的靈活性和良好適應(yīng)性；支持任意時(shí)間段的自動(dòng)測流設(shè)置；支持任意水位變幅的自動(dòng)測流設(shè)置；支持任意時(shí)間段聲光報(bào)警的設(shè)置；支持多根代表垂線的測流設(shè)置；支持垂線加權(quán)平均流速計(jì)算的權(quán)重設(shè)置和全斷面流速計(jì)算公式aV2+bV+c中a、b、c參數(shù)的設(shè)置；支持雷達(dá)波的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置；支持無市電狀況下的手動(dòng)流量測驗(yàn)。

(4)中心站自動(dòng)接收遙測站信息，并分類存入數(shù)據(jù)庫：可實(shí)現(xiàn)信息編輯、分類信息查詢、地理分布信息查詢；水文資料整編，為事后數(shù)據(jù)重算和水文資料整編提供準(zhǔn)確而完整的數(shù)據(jù)信息。

(5)工程信息和歷史水文信息查詢，隨時(shí)查詢、打印實(shí)測流量成果表；水情要素越限、設(shè)備事故、電源欠壓等報(bào)警。

2 雷達(dá)波在線測流子系統(tǒng)研發(fā)

2.1 系統(tǒng)簡介

在無人值守水文站采用非接觸式雷達(dá)波測速儀作為代表垂線水面流速自動(dòng)測驗(yàn)傳感器，利用簡易雙軌纜道系統(tǒng)或常規(guī)電動(dòng)水文纜道系統(tǒng)，通過自動(dòng)控制技術(shù)、無線通信技術(shù)和流量測驗(yàn)技術(shù)的系統(tǒng)集成，自動(dòng)將雷達(dá)流速探頭移動(dòng)(見圖2)到設(shè)定垂線水面上方，構(gòu)建水位和斷面流量的實(shí)時(shí)在線自動(dòng)監(jiān)測，實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)上傳至集控中心，實(shí)時(shí)接受集控中心遠(yuǎn)程控制，并按照水文資料測驗(yàn)和整編要求輸出成果。

系統(tǒng)以“無人值守水文站自動(dòng)測流監(jiān)控系統(tǒng)”軟件為值班軟件，按照設(shè)定的測流間隔、觸發(fā)條件(水位漲幅)自動(dòng)運(yùn)行，系統(tǒng)故障自動(dòng)診斷、異常自動(dòng)告警。

圖2 雙軌纜道模式雷達(dá)波在線測流系統(tǒng)可移動(dòng)測速部分示意

2.2 雷達(dá)波工作原理

采用多普勒雷達(dá)測速原理，對(duì)水流的表面流速進(jìn)行探測。即

f=ν/λ

(1)

式中，f為頻率；ν為速度；λ為波長。

當(dāng)雷達(dá)傳送非均勻流表面信號(hào)時(shí)，非均勻流表面的厘米波即反向散射體會(huì)導(dǎo)致多普勒頻移的發(fā)生。在河道枯水期，這些厘米波由于具有一定的速度，而被準(zhǔn)確識(shí)別，根據(jù)其波動(dòng)的方向，產(chǎn)生正向或負(fù)向的多普勒頻移。由于紊流的散射引起的這兩種影響幾乎相同，也就是說在枯水期時(shí)，其影響為零。傳遞表面波的順流流動(dòng)，產(chǎn)生額外的多普勒頻移，此時(shí)需要對(duì)接受信號(hào)進(jìn)行特殊的分析測定。在高洪期間，由于水面波浪反射明顯，因此表面流速特性更加容易被雷達(dá)探頭捕獲。這種測定方法與利用高頻雷達(dá)來測定海岸流表面流速的方法類似。

圖3 雷達(dá)波測速原理

2.3 系統(tǒng)組成及各部分功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由以下6部分組成：

(1)核心控制部分。以嵌入式工控機(jī)為系統(tǒng)主控器，通過RS232、RS485與纜道控制臺(tái)(PLC)、GSM預(yù)警模塊直連，通過數(shù)傳終端與雷達(dá)波控制器、遙測終端連接，實(shí)現(xiàn)指令下達(dá)和信息交互?！氨O(jiān)控管理軟件”值班運(yùn)行在測流計(jì)算機(jī)上，對(duì)測流全過程實(shí)行自動(dòng)控制。

(2)簡易直流纜道控制部分。由直流纜道控制柜、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、計(jì)數(shù)器、繼電器、控制按鈕、指示燈等組成。負(fù)責(zé)啟停直流纜道絞車，具有“手動(dòng)/自動(dòng)”二種運(yùn)行模式。直流纜道控制箱接受嵌入式工控機(jī)的控制指令。

(3)水位采集部分。由遙測終端機(jī)、水位計(jì)、數(shù)傳終端、太陽能電源等組成。負(fù)責(zé)河道水位的實(shí)時(shí)采集、存貯，并響應(yīng)控制中心的水位召測指令。該部分通常部署在水位測井儀器房內(nèi)，根據(jù)水位測井離纜道站房的距離可選擇有線或無線方式連接。

(4)雷達(dá)波懸吊儀器箱。由雷達(dá)波控制器、雷達(dá)波測速儀、數(shù)傳終端、溫度/傾角/振動(dòng)傳感器、限位開關(guān)、太陽能電源等組成。負(fù)責(zé)水面流速測驗(yàn)、雷達(dá)波測速儀參數(shù)遠(yuǎn)程設(shè)置、懸吊儀器箱狀態(tài)檢測，并通過數(shù)傳終端將流速數(shù)據(jù)發(fā)回控制中心。該部分由纜道控制箱(PLC)控制運(yùn)行。

(5)視頻監(jiān)控部分。部署激光夜視攝像機(jī)，對(duì)系統(tǒng)工況進(jìn)行全天候跟蹤監(jiān)視。包括攝像機(jī)、硬盤錄像機(jī)(NVR)、二維主控鍵盤等設(shè)備。

(6)電源部分。供電電源包括太陽能電池板、充電控制器、免維護(hù)蓄電池組，是系統(tǒng)運(yùn)行的保障。

2.4 系統(tǒng)工作流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以雷達(dá)波測速儀為水面流速的測量儀器，由簡易雙軌纜道吊掛儀器箱，測流計(jì)算機(jī)定時(shí)給纜道控制箱通電，控制纜道系統(tǒng)移動(dòng)懸吊儀器箱到代表垂線處；然后，測流計(jì)算機(jī)無線控制雷達(dá)波測速儀測量并接收測驗(yàn)數(shù)據(jù)同時(shí)采集水位，根據(jù)借用斷面資料與率定的流量計(jì)算模型計(jì)算流量。一次流量測驗(yàn)完成后，將原始流量測驗(yàn)數(shù)據(jù)和流量計(jì)算結(jié)果存貯在本地?cái)?shù)據(jù)庫中，同時(shí)通過GPRS模塊將測流信息發(fā)送至省在線測流中心。

系統(tǒng)同時(shí)支持單根、多根代表垂線測流模式，其工作流程見圖4。

圖4 系統(tǒng)工作流程

圖5 平臺(tái)架構(gòu)

2.5 自動(dòng)測流系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

測流計(jì)算機(jī)上的軟件在無人值守水文站自動(dòng)測流過程中擔(dān)負(fù)值班任務(wù)，測流全過程實(shí)行自動(dòng)控制， 測流完成后自動(dòng)將數(shù)據(jù)上傳至集控中心，值守時(shí)接受集控中心遠(yuǎn)程控制。自動(dòng)測流全過程中，軟件應(yīng)具備較強(qiáng)的差錯(cuò)控制能力和良好系統(tǒng)輔助管理能力，能實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)診斷、異常自動(dòng)告警。

為了便于開發(fā)、調(diào)試，充分提高軟件模塊的可重用度，系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)。各模塊主要按功能進(jìn)行劃分，每個(gè)模塊既有一定的獨(dú)立性，彼此之間又通過接口緊密聯(lián)系。主要功能包括測流過程控制、通信監(jiān)測、實(shí)時(shí)信息接收、數(shù)據(jù)解碼、流量計(jì)算、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)編輯、成果輸出、數(shù)據(jù)上傳、實(shí)時(shí)告警及事件記錄、集控中心控制命令接收等。本軟件采用Windows風(fēng)格菜單操作，操作設(shè)備以鼠標(biāo)為主、鍵盤為輔。

3 流量在線監(jiān)測集控管理平臺(tái)研究

3.1 平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

雷達(dá)波在線測流遠(yuǎn)程監(jiān)測集控管理平臺(tái)采用三層架構(gòu)(見圖5)，通信控制服務(wù)器軟件(C/S)對(duì)“分散”、“偏遠(yuǎn)”的無人值守雷達(dá)波在線流量監(jiān)測站進(jìn)行統(tǒng)一管理，集中采集各測站監(jiān)測數(shù)據(jù)；WEB應(yīng)用管理平臺(tái)(B/S)集中管理各測站監(jiān)測數(shù)據(jù)、設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)、成果、視頻信息等數(shù)據(jù)，為相關(guān)部門提供監(jiān)測數(shù)據(jù)、測流成果、視頻監(jiān)控等數(shù)據(jù)的下載。

3.2 集控管理平臺(tái)軟件分布與信息流程

集控管理平臺(tái)主要包括數(shù)據(jù)庫、在線測流站通信控制服務(wù)器軟件、WEB應(yīng)用集控管理平臺(tái)、視頻服務(wù)器軟件等多個(gè)子系統(tǒng)。

集控管理平臺(tái)通過通信服務(wù)器子系統(tǒng)與各在線測流站互聯(lián)互通，各流量在線監(jiān)測站主動(dòng)上報(bào)測流數(shù)據(jù)給通信服務(wù)器子系統(tǒng)，通信服務(wù)器子系統(tǒng)檢測到用戶的遠(yuǎn)程控制命令，將控制命令轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)在線監(jiān)測站。

用戶可通過IE瀏覽器以B/S方式查詢、下載、打印流量在線監(jiān)測站數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控。

圖6 雷達(dá)波在線測流集控管理平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)示意

圖7 通信服務(wù)器主界面

3.3 WEB應(yīng)用管理平臺(tái)研究

(1)功能模塊設(shè)計(jì)。WEB應(yīng)用管理平臺(tái)部署在流量在線監(jiān)測集控管理中心WEB服務(wù)器上，通過WEB形式管理所有的流量在線監(jiān)測站，基于高德地圖進(jìn)行測站管理與信息查詢(位置、測站狀態(tài)、實(shí)時(shí)信息)、圖表信息查詢與數(shù)據(jù)導(dǎo)出(實(shí)時(shí)水情、歷史水情、測流成果、測站狀態(tài))、測流遠(yuǎn)程控制、測站運(yùn)行參數(shù)配置、運(yùn)行日志、系統(tǒng)管理等功能模塊(見圖6)。

(2)界面設(shè)計(jì)了基于GIS的測站信息查詢主界面，單站實(shí)時(shí)信息界面，測站測流成果界面，單站設(shè)備狀態(tài)界面及遠(yuǎn)程測流控制界面等(詳圖略)。

3.4 通信服務(wù)器軟件研究

功能模塊設(shè)計(jì)。通信服務(wù)器軟件(C/S)是整個(gè)集控系統(tǒng)的紐帶。它將各測流站與中心站有機(jī)地連接在一起，形成一個(gè)應(yīng)用整體，達(dá)到少量的人員集中管理多個(gè)測站的目的。軟件具有基于GIS的測站信息查詢、通信監(jiān)視、實(shí)時(shí)監(jiān)控(測站狀態(tài)、遠(yuǎn)程控制、測流過程)、實(shí)測水位流量成果整編(基于圖形與表格的顯示、查詢、編輯)、實(shí)測流量成果表輸出(顯示、導(dǎo)出、打印)、5 min水位導(dǎo)出等功能模塊。

通信服務(wù)器軟件部分界面設(shè)計(jì)如主界面(見圖7)布局采用Windows風(fēng)格，左邊是測站管理樹，右邊以自主研發(fā)的GIS進(jìn)行站點(diǎn)管理，點(diǎn)擊每個(gè)站點(diǎn)能進(jìn)行測站遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，查看測站水位流量關(guān)系，輸出施測流量成果。

4 結(jié) 語

上述研究成果分別在“湖南省中小河流水文監(jiān)測系統(tǒng)雷達(dá)波在線測流系統(tǒng)工程第二批(第一包)”、“永州市水文局雷達(dá)波在線測流設(shè)備采購”、“四水治理雷達(dá)波高洪流量監(jiān)測”、“新疆阿勒泰設(shè)備采購項(xiàng)目”4個(gè)項(xiàng)目中得到了應(yīng)用。在湖南省內(nèi)共建設(shè)了20個(gè)雷達(dá)波在線測流站站點(diǎn)，在省水文局部署雷達(dá)波在線測流遠(yuǎn)程監(jiān)測集控管理平臺(tái)，所有站點(diǎn)均在2015年度完成了建設(shè)并投入運(yùn)行，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到湖南省水文局部署雷達(dá)波在線測流遠(yuǎn)程監(jiān)測集控管理平臺(tái)，湖南省3個(gè)項(xiàng)目均在2016年12月底通過了項(xiàng)目驗(yàn)收與交付，實(shí)現(xiàn)了無人值守雷達(dá)波自動(dòng)測流站以及測站遠(yuǎn)程集中管理、監(jiān)測與控制的研究目標(biāo)，目前系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、應(yīng)用情況良好。

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