陳生俊　王彥兵　李碩　溫曉嶸　徐景東

摘 要：水位作為河道水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的重要參數(shù)，該數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確連續(xù)獲取對(duì)保障河道防洪和航運(yùn)安全具有重要意義。本研究采用物聯(lián)網(wǎng)和信息傳輸技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種新型水位自動(dòng)遙測(cè)站，在黃河寧夏段干流得到應(yīng)用，該水文自動(dòng)遙測(cè)站主要包括雷達(dá)水位計(jì)、遙測(cè)終端RTU、GPRS通信模塊、太陽(yáng)能電池板和蓄電池，系統(tǒng)軟件系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)傳輸方式、采集站編碼方法和信息傳輸網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)流程，該自動(dòng)遙測(cè)站的成功應(yīng)用為河流水位數(shù)據(jù)的自動(dòng)獲取提供有效的技術(shù)途徑。

關(guān)鍵詞：水位；防洪；雷達(dá)；模塊

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）36-0086-03

引言

大型河流的水位數(shù)據(jù)是水文監(jiān)測(cè)的重要參數(shù)，該數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、便攜、實(shí)時(shí)獲取為河道防洪和航運(yùn)安全提供重大保障，因此在河道中建立數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)水位數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)實(shí)時(shí)觀測(cè)具有重要意義。根據(jù)黃河寧夏段干流水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工程建設(shè)規(guī)劃，寧夏水利廳建設(shè)覆蓋黃河寧夏段397km干流的全區(qū)域水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。水位自動(dòng)遙測(cè)站建設(shè)是黃河寧夏段干流水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工程建設(shè)的重要內(nèi)容。為了進(jìn)一步加強(qiáng)黃河汛情、凌情監(jiān)測(cè)的時(shí)效性和準(zhǔn)確性，充分發(fā)揮自動(dòng)化建設(shè)成果在監(jiān)測(cè)工作中的作用，提高信息采集、傳輸、處理和防汛、防凌指揮調(diào)度決策的時(shí)效性和準(zhǔn)確性，本研究將設(shè)計(jì)一種水位自動(dòng)遙測(cè)站，該技術(shù)為遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)觀測(cè)干流水位信息，有效管控干流水情，提高黃河寧夏段干流水利信息化水平提供重要技術(shù)保障。

1 水位自動(dòng)遙測(cè)站的設(shè)備組成

水位自動(dòng)遙測(cè)站設(shè)備由水位計(jì)、遙測(cè)終端（RTU）、無(wú)線通信模塊、太陽(yáng)能電池板、蓄電池、充電控制器、避雷設(shè)備等組成，本期工程需建設(shè)水位測(cè)站14處，均為水位視頻一體化測(cè)站，其中新建13處，更新原何營(yíng)測(cè)站水位計(jì)設(shè)備1處。水位自動(dòng)遙測(cè)站的設(shè)備構(gòu)成示意圖如下圖1所示。

圖1 水位自動(dòng)遙測(cè)站的設(shè)備組成及結(jié)構(gòu)圖

為提高系統(tǒng)的可用性，水位采集設(shè)備采用獨(dú)立于視頻系統(tǒng)之外的太陽(yáng)能供電系統(tǒng)，水位采集設(shè)備與視頻系統(tǒng)從傳輸體制、供電設(shè)施上均相互獨(dú)立并互為補(bǔ)充。

2 水位自動(dòng)遙測(cè)站設(shè)備配置及性能指標(biāo)

2.1 設(shè)備配置

每處水位自動(dòng)遙測(cè)站單站設(shè)備配置如下表1所示：

表1 水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)站單站設(shè)備配置表

2.2 主要設(shè)備性能指標(biāo)

（1）雷達(dá)水位計(jì)

工作頻率：26GHz；量程：0～30m；精度：±3mm；分辨率：1mm（全量程）；測(cè)量原理：脈沖式；發(fā)射角度：≤12°；模擬信號(hào)輸出：4-20mA；數(shù)字信號(hào)輸出：RS485；傳感器保護(hù)：喇叭天線（￠40mm）；供電電壓：24DCV；工作功耗：≤0.5W；工作溫度：-40℃～80℃；防護(hù)等級(jí)：IP68；無(wú)盲區(qū)；天線結(jié)構(gòu)：密封天線；接口方式：RS-232、RS-485。

（2）遙測(cè)終端RTU

根據(jù)需要工作制式可設(shè)定為自報(bào)式、查詢-應(yīng)答式或兼容式；具備定時(shí)報(bào)、超限加報(bào)功能；可以發(fā)送人工置數(shù)數(shù)據(jù)；具備本地和遠(yuǎn)程修改配置參數(shù)的功能；具有本地和遠(yuǎn)程提取固態(tài)

存儲(chǔ)數(shù)據(jù)功能；具有自動(dòng)校時(shí)功能；支持PSTN、以太網(wǎng)、

GPRS、CDMA、SMS、超多波等通信方式（任選），可具有多信道自動(dòng)切換功能。

遙測(cè)終端機(jī)可以通過(guò)GPRS/GSM/CDMA方式進(jìn)行通信組網(wǎng)，也可通過(guò)短波、超短波、微波、3G、衛(wèi)星通信等方式進(jìn)行通信組網(wǎng)，具有一站多發(fā)功能，可同時(shí)支持發(fā)送4個(gè)接收端。具有標(biāo)準(zhǔn)的RS-485接口和RS-232C接口的設(shè)備，具有2路開(kāi)關(guān)量輸入。具有自報(bào)、應(yīng)答、自報(bào)加應(yīng)答三種工作模式，可定時(shí)自動(dòng)喚醒，以完成定時(shí)測(cè)報(bào)、響應(yīng)中心站提取固態(tài)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和修改參數(shù)等指令，支持遠(yuǎn)程診斷和管理?？膳渲玫南到y(tǒng)參數(shù)包括：可現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)程修改站址、發(fā)送工作參數(shù)、報(bào)送時(shí)段制、水位基值、雨量初值、另一處接收地址等參數(shù)。具備數(shù)據(jù)現(xiàn)地存儲(chǔ)功能。終端機(jī)內(nèi)置大容量存儲(chǔ)器，同時(shí)外置SD卡。固態(tài)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量不小于8MB，可存儲(chǔ)3年以上的數(shù)據(jù)，并提供數(shù)據(jù)過(guò)濾、查詢功能。RTU必須同時(shí)支持PC、PDA和人工置數(shù)器，可發(fā)送人工觀測(cè)數(shù)據(jù)，可現(xiàn)地顯示測(cè)站狀態(tài)、蓄電池電壓、時(shí)間及水雨情數(shù)據(jù)等。

遙測(cè)終端RTU的數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳輸?shù)綄幭乃麛?shù)據(jù)中心統(tǒng)一遙測(cè)平臺(tái)中，通訊協(xié)議必須符合（SL-SZY206-2012）《國(guó)家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)水資源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約》或（SL651-2014）《水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信規(guī)約》的要求，并由水利部水文儀器及巖土工程儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心進(jìn)行符合性測(cè)試，提供全項(xiàng)目合格檢驗(yàn)報(bào)告；且測(cè)試合格功能碼項(xiàng)目數(shù)ASCⅡ碼、HEX碼為30（以測(cè)試中心網(wǎng)站上公布的為準(zhǔn)），所提供的RTU站址必須支持8位測(cè)站編碼，能夠滿足寧夏水利數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一遙測(cè)平臺(tái)的接入要求。

（3）GPRS通信模塊性能參數(shù)

工作頻率：支持雙頻GSM/GPRS，符合ETSI GSM Phase 2+標(biāo)準(zhǔn)；協(xié)議：支持TCP/IP，支持標(biāo)準(zhǔn)AT命令集；發(fā)射功率：2W（900MHz）/1W（1800MHz）；功耗（mA@12V）：≤140mA（工作），≤25mA（空閑）；電源：+3.3V～+26V；頻率誤差：≤0.1ppm；電壓范圍：DC5V～35V；數(shù)據(jù)接口：DB9 RS-232/485；工作溫度：-25～+60℃；濕度范圍：0～95%，非冷凝；支持中國(guó)移動(dòng)WMMP M2M協(xié)議；具有防病毒、攻擊和死機(jī)復(fù)位功能；采用超低功耗高性能的嵌入式處理器；內(nèi)嵌看門狗、不死機(jī)、掉線自動(dòng)恢復(fù)；提供用戶設(shè)置軟件、開(kāi)放接口、方便其他軟件連接；永遠(yuǎn)在線。一旦加電運(yùn)行，即可自動(dòng)進(jìn)入數(shù)據(jù)通信狀態(tài)并一直保持；工業(yè)級(jí)品質(zhì)保證、性能穩(wěn)定可靠；斷線自動(dòng)重?fù)?，網(wǎng)絡(luò)異常檢測(cè)；GPRS遠(yuǎn)程在線設(shè)置和短信息遠(yuǎn)程設(shè)置功能。

（4）太陽(yáng)能電池板e(cuò)ndprint

峰值功率：40W；工作電壓：17.5V；工作電流：2.29A；開(kāi)路電壓：21V；功羞：+3%/-3%；短路電流：2.31A；二極管：10A；接線盒類型：通過(guò)TUV認(rèn)證的接線盒；絕緣系數(shù)：≥100Mohm；擊穿電壓：DC3000V；抗風(fēng)力系數(shù)：60m/s（200kg/sq.m）；轉(zhuǎn)換效率：>15.25%。短路電流溫度系數(shù)：±0.05%℃；開(kāi)路電壓溫度系數(shù)：-0.33%℃；功率溫度系數(shù)：-0.23%℃；工作電流溫度系數(shù)：+0.08%℃；工作電壓溫度系數(shù)：-0.33%℃；環(huán)境溫度：45℃（±℃）。

（5）蓄電池（太陽(yáng)能專用電池）

電池容量不低于65Ah，12V，膠體蓄電池，免維護(hù)。海拔高度4000m以下均可使用；環(huán)境溫度：-20℃-+50℃（最佳使用環(huán)境溫度+20℃-+30℃），相對(duì)濕度≤90%；電池應(yīng)遠(yuǎn)離火源、有機(jī)溶劑，避免陽(yáng)光直曬、同組電池使用環(huán)境溫度一致；蓄電池浮充工作壽命大于5年；均充電壓：14.28-14.52V/unit；最大充電電流：C10A 的20%。容量：要求連續(xù)10天無(wú)充電設(shè)備正常工作；為閥控式密封鉛酸蓄電池，可充電、免維護(hù)；蓄電池技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)符合國(guó)家有關(guān)規(guī)范，采用優(yōu)質(zhì)阻燃材ABS槽殼；端子：M8L型。

3 數(shù)據(jù)報(bào)送和信息傳輸

3.1 數(shù)據(jù)報(bào)送方式

目前國(guó)內(nèi)的水文水資源信息采集系統(tǒng)通常采用的數(shù)據(jù)報(bào)送方式有自報(bào)式、應(yīng)答式，自報(bào)/應(yīng)答兼容式三種。

（1）自報(bào)式

自報(bào)式分為定量和定時(shí)自報(bào)兩種方式，這類報(bào)送方式的原理是當(dāng)采集站在水位等參數(shù)發(fā)生一定量的變化或達(dá)到一定的時(shí)間間隔時(shí)，把采集數(shù)據(jù)發(fā)送出去，其遙測(cè)終端結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，值守功耗極低，對(duì)遙測(cè)站附屬設(shè)施如供電和發(fā)射設(shè)備要求較低，適合采用太陽(yáng)能浮充蓄電池的供電方式。

（2）應(yīng)答式

這類工作體制的原理是采集站在水位等參數(shù)發(fā)生變化時(shí)不主動(dòng)將被測(cè)值傳送給中心站，只有當(dāng)中心站發(fā)出查詢命令時(shí)，才將即時(shí)或存儲(chǔ)的被測(cè)參數(shù)值采集、發(fā)送出去。這種工作方式具有可控性，但接收機(jī)長(zhǎng)期處于守候狀態(tài)，因此值守功耗相對(duì)較大，設(shè)備配置較復(fù)雜。

（3）自報(bào)/應(yīng)答兼容式

綜合了自報(bào)和應(yīng)答兩種工作體制的優(yōu)點(diǎn)，既能實(shí)時(shí)自報(bào)，又具有受控應(yīng)答功能，功能相對(duì)較強(qiáng)、通信保障好，但功耗相對(duì)較大。

按照《水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)》（SL61-2013）、《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》（SL250-2000）及《水情信息編碼標(biāo)準(zhǔn)》的有關(guān)規(guī)定，本系統(tǒng)采用定時(shí)自報(bào)，時(shí)段自報(bào)，增量自報(bào)和召測(cè)兼容的工作方式，對(duì)人工置數(shù)信息要有反饋確認(rèn)的功能。

綜合上述三種方式的優(yōu)點(diǎn)，要求系統(tǒng)能夠定時(shí)自動(dòng)向中心站報(bào)送數(shù)據(jù)，又能在黃河水位突變或達(dá)到警戒水位情況下，根據(jù)中心站指令，主動(dòng)增加傳送數(shù)據(jù)頻度。因此，本系統(tǒng)采用自報(bào)/應(yīng)答兼容式數(shù)據(jù)報(bào)送方式，采用GPRS方式傳輸，正常情況下按每5分鐘上報(bào)一次數(shù)據(jù)的方式運(yùn)行，凌汛或洪水易發(fā)期間遠(yuǎn)方調(diào)度側(cè)可設(shè)置上報(bào)頻率。

3.2 采集站編碼

為了規(guī)范信息系統(tǒng)對(duì)采集站的信息管理，同時(shí)方便管理單位對(duì)所轄測(cè)站的日常維護(hù)管理，需要對(duì)每個(gè)采集站進(jìn)行統(tǒng)一編碼。根據(jù)《全國(guó)水文測(cè)站編碼》規(guī)范，本系統(tǒng)采集站編碼規(guī)則按照“從上至下，先干后支，先左后右”的原則進(jìn)行編碼，與水利廳保持一致，便于測(cè)站擴(kuò)充。測(cè)站編碼要具有唯一性，由數(shù)字和大寫字母組成的8位字符串。

3.3 信息傳輸網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)流程

（1）根據(jù)黃河干流水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)狀，并結(jié)合寧夏水利信息化系統(tǒng)的整體建設(shè)模式，本系統(tǒng)擬采用大集中式數(shù)據(jù)流程。每個(gè)采集站采集數(shù)據(jù)后全部發(fā)送到數(shù)據(jù)中心，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)庫(kù)，然后再分發(fā)給各管理用戶。

（2）水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS/GSM/CDMA無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至水利廳數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)庫(kù)和寧夏水情中心。

（3）視頻監(jiān)測(cè)站點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)光纖傳送至寧夏水利廳數(shù)據(jù)中心視頻監(jiān)控平臺(tái)，圖像抓拍監(jiān)測(cè)站視頻圖像通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)傳輸至寧夏水利廳數(shù)據(jù)中心視頻監(jiān)控平臺(tái)，水情中心及各分局通過(guò)水利專網(wǎng)進(jìn)行訪問(wèn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)了一種新型水位自動(dòng)遙測(cè)站，在黃河寧夏段干流應(yīng)用，該水文自動(dòng)遙測(cè)站主要包括雷達(dá)水位計(jì)、遙測(cè)終端RTU、GPRS通信模塊、太陽(yáng)能電池板和蓄電池，同時(shí)分別介紹了數(shù)據(jù)傳輸方式、采集站編碼方法和信息傳輸網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)流程，該自動(dòng)遙測(cè)站的成功應(yīng)用為河流水位數(shù)據(jù)的自動(dòng)獲取提供有效的技術(shù)途徑。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃偉，郝潤(rùn)科，尹剛，等.水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].電子科技，2015，28（4）：65-68.

[2]馬福昌.水情動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)新技術(shù)[J].山西水利，2005（1）：32-34.

[3]郝迎吉.遠(yuǎn)距離水位智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2004（1）：809-812.

[4]葛司遠(yuǎn)，侯震.高清視頻處理技術(shù)對(duì)水庫(kù)水位遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用[J].水科學(xué)與工程技術(shù)，2015（1）：15-19.

[5]戰(zhàn)需文.水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)太陽(yáng)能供電的設(shè)計(jì)[J].水利水文自動(dòng)化，1988（04）：6-9.

[6]張大鈞，徐衛(wèi)東.水文遙測(cè)系統(tǒng)的供電設(shè)計(jì)[J].水文，1988（02）：32-37.endprint