廖彬秀，胡培良

（1.中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院有限公司，長沙 410000；2.永清環(huán)保股份有限公司，長沙 410330）

1 引言

水文遙測技術(shù)是水利信息化的重要基礎(chǔ)。我國現(xiàn)代水情測報系統(tǒng)建設(shè)中，水文遙測站的運用十分關(guān)鍵，其主要是利用遙測終端機(jī)采集、處理現(xiàn)場多種水文信息，并將數(shù)據(jù)分段存儲，固定時間間隔或是接收到中心站查詢指令時，上傳相關(guān)數(shù)據(jù)至中心站。在此過程中，水文信息的采集與穩(wěn)定上傳十分重要，本文就此針對水文遙測系統(tǒng)設(shè)計工作展開詳細(xì)分析。

2 水文遙測站概述

我國地域遼闊、水資源分布極為不均，多洪水、臺風(fēng)、暴雨等自然災(zāi)害，因此，及時、準(zhǔn)確掌握水情對人類的安全與生存至關(guān)重要。近年來，我國水情測報系統(tǒng)發(fā)展迅速，用于對江河湖泊進(jìn)行水情災(zāi)害監(jiān)控，通過通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)的運用實現(xiàn)水情數(shù)據(jù)的實時測量、快速傳送和有效處理[1]。根據(jù)水情測報系統(tǒng)實際運用情況來看，中小型水情測報系統(tǒng)主要構(gòu)成包括遙測雨量/水位站、信息中繼站、樞紐分中心站、流域內(nèi)的中心站；大型水情測報系統(tǒng)通常會設(shè)置一個總調(diào)度中心站，分片區(qū)劃分一些分中心站[2]。水情測報系統(tǒng)的運行流程如下：（1）遙測站設(shè)置遠(yuǎn)程終端單元（RTU），對水文信息進(jìn)行采集，并通過數(shù)據(jù)通信模塊（DTU）將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送至中繼站；（2）中繼站接收數(shù)據(jù)后，重組、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)；（3）中心站接收數(shù)據(jù)，存儲、分析數(shù)據(jù)；（4）中心站數(shù)據(jù)軟件構(gòu)建水文模型、預(yù)報洪水過程、制訂防洪方案；（5）中心站與樞紐站其他系統(tǒng)、上級水文部門互通信息。

在整個水情測報系統(tǒng)運行中，水文遙測站是重要的支撐系統(tǒng)，其利用現(xiàn)代科技實時遙測、傳送、處理水文信息，綜合了水文、電子、電信、傳感器以及計算機(jī)等多學(xué)科成果[3-4]。通過水文遙測系統(tǒng)的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)人工測量水情數(shù)據(jù)的情況，有效擴(kuò)大了水情測報范圍，提高了水情測報效率與洪水預(yù)報精度，對于江河流域與水庫安全度汛、水資源綜合利用等具有重要意義。

3 水文遙測站的主要功能與通信傳輸網(wǎng)絡(luò)要求

3.1 水文遙測站的主要功能

對于水情測報系統(tǒng)而言，需充分考慮流域洪水、暴雨特性以及擬建區(qū)域?qū)嶋H情況，合理控制水文遙測站數(shù)量的同時，保證收集到的信息可滿足洪水預(yù)報精度要求[5]。對此，水文遙測站主要功能可歸納如下：

1）RTU在線采集各種水文數(shù)據(jù)，可暫存或?qū)崟r發(fā)送數(shù)據(jù)；

2）除了交流電供電以外，應(yīng)可利用光伏電池供電，充電回路提供過充電保護(hù)能力；

3）遙測站終端機(jī)的功耗較低，要求在陰雨天氣下依舊可長期工作；

4）提供較好的防雷性能，檢測設(shè)備可在惡劣暴雨洪水天氣下長期良好工作；

5）配備不同采集接口，包括水位、雨量、流量、氣象等傳感器；

6）提供RS232/485通信接口，支持一對一、一對多通信；

7）具備自動校時、系統(tǒng)時鐘同步功能；

8）面臨突發(fā)斷電問題，系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)暫存自保護(hù)、死機(jī)自復(fù)位功能。

3.2 通信傳輸網(wǎng)絡(luò)要求

在水情測報系統(tǒng)中，通信傳輸網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)水文遙測站與中心站數(shù)據(jù)高效、安全傳輸?shù)年P(guān)鍵，尤其是水文遙測站長期、全天候運行在野外無人值守的環(huán)境中，對數(shù)據(jù)傳輸可靠性要求更高[6]，具體如下。

（1）可靠性：要求提供良好的抗干擾、防雷性能，面臨暴雨洪水災(zāi)害時可正常報送數(shù)據(jù)，信道可冗余配置。

（2）實用性：根據(jù)系統(tǒng)需求、實際環(huán)境選擇合適信道，獲取重要水文信息。

（3）經(jīng)濟(jì)性：綜合考慮投資、效益等因素選擇信道，有效控制通信整體費用，提高水文遙測站運行經(jīng)濟(jì)性。

（4）低功耗：遙測設(shè)備、通信設(shè)備電源能耗必須低，從而有效控制運行成本，提高運行可靠性和穩(wěn)定性。

4 水文遙測系統(tǒng)設(shè)計要點

4.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

水文遙測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示[7]。

圖1 水文遙測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

4.2 水文遙測站設(shè)計

水文遙測站設(shè)計為模塊化結(jié)構(gòu)，包括通信模塊、供電單元、處理器模塊、擴(kuò)展接口模塊。其中，處理器模塊選用STM32F103芯片，設(shè)置LED狀態(tài)指示與其他外圍電路，包括通用I/O、IIC接口、串行口等。在水文遙測系統(tǒng)中供電系統(tǒng)也是重要組成部分，野外較難提供220 V市電，因此，選用蓄電池+太陽能電池板的方案。

4.3 雙信道網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

水文遙測系統(tǒng)運行中通信穩(wěn)定是關(guān)鍵。在組網(wǎng)方案設(shè)計時，水文遙測站與監(jiān)控中心可采用多點對一點的通信模式，優(yōu)先利用GPRS網(wǎng)絡(luò)，以北斗衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)為第二通信網(wǎng)絡(luò)，具體如圖2所示，監(jiān)測平臺利用TCP/IP協(xié)議可與GPRS模塊建立連接，同時監(jiān)控室內(nèi)需設(shè)置1臺北斗衛(wèi)星接收機(jī)，數(shù)據(jù)解碼后利用主機(jī)RS232接口發(fā)送至監(jiān)測平臺應(yīng)用程序[8-9]。通過通信網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心可向各水文遙測站發(fā)送回執(zhí)指令，圖3為信道傳輸過程。

圖2 系統(tǒng)通信流程圖

圖3 信道傳輸過程圖

4.4 水文遙測系統(tǒng)通信測試

針對此水文遙測系統(tǒng)搭建的通信設(shè)備進(jìn)行測試，要求數(shù)據(jù)通信平均暢通率≥95%。測試時間為早上8:00至隔天早上8:00，各水文遙測站設(shè)置間隔1 h定時自動上報數(shù)據(jù)，其中，雨量自動上報閾值0.5 mm，水位波動超過1 cm自動上報。測試結(jié)束后通過數(shù)據(jù)分析顯示：傳輸時延在1～30 s范圍內(nèi)；每次上傳的報文格式正確，無錯誤或是缺失的情況；水位、雨量數(shù)據(jù)變化且滿足觸發(fā)條件時，均成功觸發(fā)遙測站的上報[10]。

水文遙測系統(tǒng)安裝完成后，開展了GPRS、衛(wèi)星單信道穩(wěn)定性測試與雙信道穩(wěn)定性測試工作，具體測試數(shù)據(jù)如表1和表2所示。根據(jù)測試結(jié)果分析可得，單信道數(shù)據(jù)暢通率均可達(dá)到95%以上，衛(wèi)星單信道更為穩(wěn)定，而雙信道總體表現(xiàn)更好。

表1 GPRS、衛(wèi)星單信道穩(wěn)定性測試數(shù)據(jù)

表2 雙信道穩(wěn)定性測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

綜上所述，水情測報系統(tǒng)充分利用了遙測、無線通信、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)的技術(shù)方法實現(xiàn)各種水文數(shù)據(jù)的采集與處理分析。水文遙測站是水情測報系統(tǒng)的重要組成部分，提供數(shù)據(jù)實時采集功能，且由于水文遙測站布設(shè)在河流重要控制斷面，往往遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)、無人值守，因此，需科學(xué)開展水文遙測系統(tǒng)采集設(shè)備、電源以及通信信道的設(shè)計工作，保證水文遙測站長期、可靠運行，為洪水預(yù)報、防洪調(diào)度、水資源綜合利用等工作及時提供精確的水文信息。