摘要：本文是以云南省麻栗壩水庫(kù)的水情測(cè)報(bào)為載體，研究開(kāi)發(fā)水庫(kù)水情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的工作體制和通訊方式優(yōu)化，盡可能以較經(jīng)濟(jì)的方式達(dá)到充分利用水資源、洪水預(yù)報(bào)和科學(xué)調(diào)度的目的。

　　Abstract: This article takes the hydrological forecast of Maliba reservoir in Yunnan Province as the carrier, studies the optimization of work system and communication ways of automatic monitoring system, to achieve full utilization of water resources, flood forecasting and scientific control purposes with a more economical way as possible.

　　關(guān)鍵詞：水庫(kù)；水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)；水庫(kù)綜合自動(dòng)化

　　Key words: reservoir;hydrological forecast system;automation of reservoir

　　引言

　　隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，我們正在從工業(yè)化社會(huì)邁向信息化社會(huì)。水利是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)設(shè)施，也是一個(gè)信息密集型行業(yè)。水利信息化是計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、通訊技術(shù)、光電技術(shù)、遙感技術(shù)等到信息技術(shù)在水利上系統(tǒng)應(yīng)用的過(guò)程。

　　水庫(kù)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)是一個(gè)包括通信與信息技術(shù)、防洪救災(zāi)管理與決策、洪水預(yù)報(bào)與科學(xué)調(diào)度的系統(tǒng)工程，而水庫(kù)水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)是水庫(kù)綜合自動(dòng)化的重要組成部分。遵照《國(guó)家防汛抗旱指揮系統(tǒng)工程總體設(shè)計(jì)綜合報(bào)告》中提出“半小時(shí)內(nèi)完成全國(guó)水情信息收集任務(wù)”的要求，本文在測(cè)站布設(shè)已定的基礎(chǔ)上，采用技術(shù)已成熟的水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)和一些近年新興測(cè)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)麻栗壩水庫(kù)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)之一的水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)中的工作體制和通訊方式進(jìn)行了開(kāi)發(fā)和優(yōu)化，并進(jìn)行系統(tǒng)硬件配置，以便能夠迅速準(zhǔn)確掌握本流域水情及水庫(kù)上游來(lái)水情況，及時(shí)作出洪水預(yù)報(bào)。目的是迅速、準(zhǔn)確將各測(cè)站水情信息傳送到中心站，實(shí)現(xiàn)各測(cè)站無(wú)人值守、中心站少人值班；水庫(kù)中心站能夠自動(dòng)采集和傳輸所轄范圍內(nèi)各遙測(cè)雨量站、水位雨量站、渠道站；水庫(kù)大壩安全信息能即時(shí)上報(bào)，增強(qiáng)水庫(kù)的管理和調(diào)度能力，為防汛抗旱調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)[1].

　　1  麻栗壩水庫(kù)簡(jiǎn)介

　　麻栗壩水庫(kù)位于云南省隴川縣以北約5km的南宛河上游。流域呈北南向的矩形狀，縱長(zhǎng)約27km,最大寬度約19km,流域面積294km2.西南及東北部分水嶺海拔高程一般都在2000~2200m以下；最低的壩址處，海拔高程為968m.壩址以上干流河長(zhǎng)33.4km.水系發(fā)育，1km以上的一級(jí)支流多達(dá)39條，集流條件較好。該水庫(kù)所處地理位置氣候干燥，降水較少，水資源缺乏，洪水有峰高量少、陡漲陡落、溝陡坡大、破壞性大等特點(diǎn)，常因洪水引發(fā)較大損失。

　　2  麻栗壩水庫(kù)水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

　　2.1 系統(tǒng)覆蓋范圍與站網(wǎng)布設(shè)  根據(jù)流域河道特征和水文氣象特征，考慮到便于設(shè)備的管理和使用，麻栗壩水庫(kù)水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的站網(wǎng)由1個(gè)中心站、11個(gè)遙測(cè)雨量站、1個(gè)水庫(kù)水文站（壩上、壩下）、1個(gè)河道水文站（兼測(cè)雨量）、7個(gè)灌溉渠道站、一個(gè)閘門控制站組成。

　　2.2 測(cè)報(bào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  麻栗壩水庫(kù)水情自動(dòng)測(cè)報(bào)由3個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成：水庫(kù)管理局的中心站（第一級(jí)）；分布在水庫(kù)上、下游的各類測(cè)站及控制站（第二級(jí)）；涉及各類監(jiān)測(cè)點(diǎn)（第三級(jí)）。第一級(jí)中心站。中心站設(shè)在水庫(kù)管理局，由服務(wù)器、工作站、防雷設(shè)備、中心遙測(cè)終端、UPS、穩(wěn)壓電源、無(wú)線電臺(tái)、天線、有線通訊設(shè)備、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)備等組成。作用是接受各測(cè)站發(fā)送的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)入庫(kù)管理及分析處理。第二級(jí)智能化設(shè)備。智能化設(shè)備由水情自動(dòng)測(cè)報(bào)的智能遙測(cè)終端（RTU）設(shè)備組成。其將采集的降雨量、水位參數(shù)，通過(guò)有線方式或超短波方式將數(shù)據(jù)報(bào)送至水庫(kù)中心站。第三級(jí)：傳感器、數(shù)據(jù)電臺(tái)通訊。由各雨量計(jì)、水位計(jì)等傳感器或器件組成，主要作用是采集各測(cè)站的降雨量、水位參數(shù)。通過(guò)無(wú)線或有線連接至第二級(jí)對(duì)應(yīng)的RTU,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量的目的。水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)主要功能是承擔(dān)氣象站、雨量站、水位站的信息采集，并將信息傳送至水庫(kù)中心站。中心站將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，通過(guò)整理、計(jì)算、分析后得出水情信息。

　　2.3 測(cè)報(bào)系統(tǒng)工作體制優(yōu)化  水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)工作體制分為自報(bào)式、應(yīng)答式和混合式三種。工作體制性能優(yōu)化主要從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、電源消耗、實(shí)時(shí)性、同頻信號(hào)碰撞等幾方面來(lái)比較研究。

　　2.3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  自報(bào)方式的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)單方向傳輸，因而僅需要單向信道，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。遙測(cè)站只發(fā)送，不接收，中心站只接收，不發(fā)送。因而設(shè)備的軟硬件簡(jiǎn)單，設(shè)備投資低，設(shè)備維修容易。應(yīng)答方式特點(diǎn)是具有接收命令和發(fā)送數(shù)據(jù)的收發(fā)雙向通訊，需要雙向信道，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。遙測(cè)站和中心站均具備發(fā)送和接收功能，設(shè)備軟硬件復(fù)雜。

　　2.3.2 電源消耗  自報(bào)方式的特點(diǎn)是遙測(cè)站在不發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)處于微功耗狀態(tài)，用小容量蓄電池組和小容量太陽(yáng)能光電板浮充方式供電，體積小、重量輕，便于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)。應(yīng)答方式的特點(diǎn)是遙測(cè)站因接收機(jī)一直處于接收守侯狀態(tài)，因而電源消耗較大，通常為自報(bào)式的數(shù)倍以上，需要較大容量的太陽(yáng)能電池對(duì)蓄電池進(jìn)行浮充，蓄電池容量較大。

　　2.3.3 實(shí)時(shí)性  自報(bào)方式的特點(diǎn)是根據(jù)事先設(shè)定的時(shí)間間隔和增量發(fā)生報(bào)數(shù)。應(yīng)答方式的特點(diǎn)是隨應(yīng)隨答，實(shí)時(shí)性好。

　　2.3.4 同頻信號(hào)碰撞  自報(bào)方式的特點(diǎn)是各遙測(cè)站是隨機(jī)向中心站報(bào)數(shù)，可能發(fā)生同頻信號(hào)碰撞，導(dǎo)致接收端收數(shù)異常。應(yīng)答方式的特點(diǎn)是由中心站主動(dòng)召測(cè)，不存在同頻信號(hào)碰撞的問(wèn)題�；旌鲜降奶攸c(diǎn)介于自報(bào)式與應(yīng)答式之間。結(jié)合麻栗壩水庫(kù)地形環(huán)境情況，采用功耗小維護(hù)容易的自報(bào)式工作體制。

　　2.4 測(cè)報(bào)系統(tǒng)通訊方式優(yōu)化  水情自動(dòng)測(cè)報(bào)通信方式目前主要有超短波、有線PSTN、衛(wèi)星、短波、GMS短信等多種方式。

　　2.4.1 超短波通信的優(yōu)點(diǎn)是：信號(hào)傳輸比較穩(wěn)定，質(zhì)量較好，又具有一定的繞射能力，技術(shù)上最成熟。缺點(diǎn)是：傳播距離較近；受地形限制，在山地通信或距離較遠(yuǎn)時(shí)需設(shè)置中繼轉(zhuǎn)發(fā)站。

　　2.4.2 有線PSTN（Public Switching Telephone Network）具有組網(wǎng)靈活、成本低、維護(hù)方便等優(yōu)勢(shì)。但系統(tǒng)運(yùn)行通話費(fèi)用較高，實(shí)時(shí)性差，運(yùn)行成本高，而且發(fā)送數(shù)據(jù)間隔較長(zhǎng)，不能實(shí)時(shí)反映情況。

　　2.4.3 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：信號(hào)傳輸質(zhì)量最好；傳輸距離不受限制，覆蓋面積大；受地形、氣候的影響小、組網(wǎng)靈活。缺點(diǎn)是：系統(tǒng)建設(shè)相對(duì)成本高；運(yùn)行相對(duì)成本高；水情數(shù)據(jù)的傳輸有部分延遲現(xiàn)象。

　　2.4.4 短波通信的優(yōu)點(diǎn)是：傳播距離較遠(yuǎn)，受地形的影響小，投資少，建設(shè)快，抗破壞能力強(qiáng)。短波通信的缺點(diǎn)是：通信質(zhì)量差，信道穩(wěn)定性差；受電離層和氣候的影響大。GSM短信息的優(yōu)點(diǎn)是：傳播不受距離、地形限制；投資少，建設(shè)快，運(yùn)行費(fèi)用低；抗破壞能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)“一包多發(fā)”.缺點(diǎn)是：因受基站覆蓋影響，建設(shè)地點(diǎn)有限制條件[2].根據(jù)麻栗壩水庫(kù)水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)覆蓋范圍、地形復(fù)雜落差大，決定在水管局?jǐn)?shù)據(jù)采集中心站、中繼站與雨量站、水位站各個(gè)遙測(cè)站間采用超短波通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。水管局中心站與輸水閘閘自動(dòng)控制站采用光纖通訊方式。

　　3  主要設(shè)備選型

　　根據(jù)選定的系統(tǒng)測(cè)報(bào)體制和總體設(shè)計(jì)方案，整個(gè)系統(tǒng)硬件配置包括：傳感器、遙測(cè)站終端設(shè)備和中心站設(shè)備。

　　3.1 一次傳感器  雨量計(jì)選用翻斗式雙簧雨量計(jì)。其產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，性價(jià)比高。水位計(jì)選用靜壓式液位計(jì)，體積小，安裝使用簡(jiǎn)便[3].

　　3.2 遙測(cè)站終端設(shè)備  智能遙測(cè)終端（RTU）終端設(shè)備選用自報(bào)式遙測(cè)終端機(jī)，由控制器、調(diào)制器、天饋線、太陽(yáng)能電池板、蓄電池組成。中心遙測(cè)終端（中心RTU）一般要求：除了具有智能遙測(cè)終端的全部功能外，還應(yīng)具備以下特殊功能：可在中心站計(jì)算機(jī)不開(kāi)機(jī)的情況下，獨(dú)立運(yùn)行，接收各測(cè)站的數(shù)據(jù)。

　　3.3 中心站  中心站由天饋線、解調(diào)器、服務(wù)器、微機(jī)、打印機(jī)、顯示器、UPS等組成。中心站的主要功能最終由微機(jī)系統(tǒng)完成，計(jì)算機(jī)通過(guò)解調(diào)器接收遙測(cè)站數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)并生成各種表格。

　　3.4 電源和防雷接地

　　3.4.1 電源配置  考慮到測(cè)站的特點(diǎn)，遙測(cè)站設(shè)備必須省電，采用太陽(yáng)能-蓄電池直流浮充供電方式電源配置，應(yīng)能保證設(shè)備在環(huán)境要求下，連續(xù)正常工作，電池組容量應(yīng)能保證各類設(shè)備在連續(xù)20天陰雨天氣情況下仍能正常工作。太陽(yáng)能供電方式由太陽(yáng)能電池板、充電控制器和蓄電池組成。太陽(yáng)能充電控制器具有過(guò)度放電保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、蓄電池接反保護(hù)和太陽(yáng)能板接反保護(hù)。為了保障水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，系統(tǒng)應(yīng)配置穩(wěn)定的電源，中心站采用交流凈化電源，并配備UPS保證不間斷向設(shè)備供電，保證中心站計(jì)算機(jī)在市電停電狀態(tài)下供電2小時(shí)。

　　3.4.2 避雷接地  由于工程地處山區(qū)，是雷電高發(fā)區(qū)，充分考慮避雷設(shè)計(jì)以保障遙測(cè)站正常工作減少損害。室外采用避雷針，高度高于天線高度1.5米，避雷針和引下線焊牢，避雷針保護(hù)角為45°，天線、機(jī)房等設(shè)備均在保護(hù)范圍內(nèi)，遙測(cè)站接地電阻小于10Ω。天線系統(tǒng)則采用天饋避雷器。防雷設(shè)備要求過(guò)流能力強(qiáng)，泄流時(shí)間短。

　　4  結(jié)語(yǔ)

　　麻栗壩水庫(kù)水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)根的實(shí)際運(yùn)行表明自報(bào)方式為該系統(tǒng)的較優(yōu)工作體制；供電方式合理；接地設(shè)備和避雷裝置設(shè)計(jì)可靠。系統(tǒng)的建設(shè)，提高了管理人員的工作水平，改善了工作環(huán)境，能使管理人員進(jìn)行科學(xué)決策和合理調(diào)度，確保工程安全和水資源的充分利用，使工程達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行的目的。

　　參考文獻(xiàn)：

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