水庫水文無線數據監測及自動監測技術研究

(山西省晉中市瀟河流域管理局, 山西 晉中 030600)

水庫水文無線數據監測及自動監測技術研究

劉曉俊

(山西省晉中市瀟河流域管理局, 山西 晉中 030600)

本文簡要分析了水庫水文自動監測系統的主要內容，對水文無線數據監測以及自動監測技術的特點、應用進行了深入分析，結合實際工作經驗提出了自動監測系統中存在的問題；并探討了無線數據監測技術的發展方向。

無線數據傳輸； 自動監測系統； 自動監測技術

1 前 言

水文自動監測通常是指利用計算機和網絡技術、通信技術、遙測技術等現代科技手段對江河流域以及水庫等測區內的水文信息進行自動采集、自動存儲、自動傳輸。我國自20世紀70年代中期開始對水文自動測報系統進行研究，隨著傳感器與無線數據傳輸技術的不斷提升以及水文資料的大量積累，水文自動監測技術在水庫雨量、水位、流量、泥沙等測驗項目中得到了廣泛應用，為水庫防洪調度和水資源合理利用提供了重要決策依據。

2 水庫水文自動監測系統概述

水庫工程往往承擔著防洪、調度或灌溉供水等關系到民生的重要任務，對水文自動測報系統的精度和預見期要求較高，簡單來講，水庫水文自動監測系統由中心站和監測站組成，通過一定的通信通道進行信息傳輸，具備信息采集、信息傳輸、信息處理的功能。在實際工作中，水庫自動測報系統的監測站通常包括水位站、流量站以及雨量站三種，并且根據《水文站網規劃》以及洪水預報調度要求進行布設。水文自動監測系統的信息傳輸方式非常復雜，通常情況下監測站采取無人值守的方式運行，以無線方式或者有線方式與分中心監控機交換數據，分中心站負責對轄區內水文信息進行接收、處理、上報和分發，并通過光纖鏈路將數據傳入中心站，水文自動監測系統網絡拓撲結構如圖1所示。數據中心對終端數據進行分析后，可以判斷監測設備的工作情況并且遠程設置各個監測單元。對于位置偏遠的監測站，還要另外設立遙測中繼站，以實現信號的轉發。監測站一般配備蒸發器、風速風向儀、水位計、閘位計、雨量計等監測儀表，RTU、充電器、蓄電池等基礎設備，其中RTU與各個傳感器間可以采用有線或者無線的方式連接；分中心站主要由無線通信終端、工控機、VPN網關/防火墻、交換機、服務器、工作站、激光打印機、UPS電源等網絡設備組成；中心站主要則由VPN網關/防火墻、交換機、服務器、工作站、激光打印機、UPS電源等網絡設備組成。

圖1 水文自動檢測系統拓撲結構

3 水文無線數據監測與自動監測關鍵技術

3.1 無線通信技術

由于水庫防洪需要及時掌握上游的洪水流量，暴雨以及特大暴雨等信息，水文信息傳遞時極有可能遇到惡劣的天氣，再加上水文站一般設在地形復雜交通不便的地區，無線數據傳輸方式明顯更加適用于水庫自動監測系統，監測站可以因地制宜地選擇一種或幾種通信方式。對于急迫性和時效性要求較高的水庫測區可以選擇衛星通信或者短波結合衛星通信的方式，對于普通的灌溉測區水文信息則可以選擇GSM-SMS、GPRS方式進行通信。值得注意的是，在部分地區曾經出現過由于降雨等惡劣天氣導致GSM網絡通信塔中斷的現象，因此在進行系統通信通道建設時最好準備備用通道。

3.1.1 超短波通信

超短波(高頻波VHF)是頻率30～300MHz的無線電波，與短波通信方式不同，不會被電離層反射，優點是受到外界環境的影響小，通信設備小巧，采用常用調頻制即可得到較高質量的信號，建設成本低。但是這種通信方式會受到山地等高大建筑的限制，傳播距離短，當需要長距離傳輸時需要架設中繼站。

3.1.2 GPRS通信

GPRS是GSM通信方式的延伸，采用封包方式傳輸信息，利用TDMA通道提供中速的數據傳遞，傳輸速度比較快，是GSM方式傳輸速度的10倍，能夠達到56～115kpbs，分組接入時間小于1s，可以做到隨時在線。GPRS無線網絡底層支持TCP/IP協議，可以與Internet 無縫連接，監測站只需進行部分改造即可使用。GPRS通信方式不受監測站地形的限制，但是在數據傳輸時存在轉接延時問題，而且可能丟失數據包。

3.1.3 衛星通信

衛星通信采用的基本上都是地球同步靜止衛星，由于采用L波段而非KU波段通信，幾乎不會受到雨水的影響。這種通信方式受地形影響很小(高山、深谷會影響衛星通信)，傳輸距離不受限制，覆蓋范圍廣，不需申請專用通道，組網靈活，適用于測點分布分散、水文信息數據量小的測區。雖然衛星通信的傳輸速率很快，但是建站成本和通信費用都較高。目前使用較多的通信衛星是北斗衛星導航系統。監測站在采用衛星通信時，衛星數據收集平臺及接收站的天線方向性圖，應滿足國際無線電咨詢委員會(CCIR)的規定，即對于D/λlt;100的天線基準輻射方向圖提出如下公式:

式中D——天線直徑，m；

G——天線增益，dB；

λ——波長，m；

φ——與天線主瓣方向的夾角，(°)。

另外，衛星數據收集平臺及接收站應該避免對地面無線電路產生干擾或者受到地面無線電路的干擾，所產生的干擾功率應符合CCIR有關規定的要求。

3.1.4 Zigbee無線通信技術

Zigbee 技術是一項嶄新的近距離無線通信技術，頻段為2.4GHz，采用擴頻技術，功率很低，工作模式下信號收發迅速，非工作模式下可以休眠。Zigbee技術通過安裝于各種監測設備傳感器上的Zigbee節點采集水位、雨量等水文信息，各種水文信息經處理后由Zigbee網絡傳輸到網絡協調器節點，網絡協調器節點可以進一步將信息發送給GPRS網絡。如果協調器與傳感器距離較遠，可以增設路由器節點。Zigbee技術具有以下優點：Zigbee協議免除專利費，傳輸數據時應用三級安全處理；傳輸時休眠激活時延15s，搜索設備一般時延30s；組網方式靈活，數據容量大，網絡節點數目多；采用基于循環冗余校驗的數據包完整性測試，數據傳輸可靠安全。[1]

3.2 水文監測設備

水文自動監測設備的合理選擇是實現水文數據無線監測技術的重要環節。監測站應該根據當地的使用條件配置相關雨量、水位、流量監測設備，力求達到經濟實用、維護方便、安全可靠的要求。目前雨量監測站一般采用翻斗式雨量計，分辨力通常選擇0.5～1.0mm，如果水庫主要關注防洪灌溉，可以考慮采用0.5mm，如果水庫主要任務是防洪，重點監測大暴雨及特大暴雨，可以選擇1.0mm；水位觀測儀與當地基礎條件、泥沙條件以及河床穩定性、是否結冰等因素有關，比如：浮子式水位儀雖然常用于水庫壩上水位站，但不適用于游蕩性河道。水位儀的種類包括浮子式、壓力式、光電式以及非接觸超聲波式水位觀測儀；多普勒剖面流速儀(ADCP)用于明渠流量監測，但不能用于多沙河流；管道供水可以使用管道流量計監測；蒸發量測量裝置應用得比較少，使用時應該注意不同季節溫度、風浪等因素對蒸發情況的影響?？梢酝ㄟ^在蒸發器外安裝防浪柵格減少蒸發場內的循環水進入蒸發器，在測量管里添加網格設備避免水面波動對讀數的影響。

3.3 水文無線數據監測與自動監測技術存在的問題及發展方向

3.3.1 不同RTU的數據采集與傳輸

水文自動監測技術經過了近30年的發展，出現了各種各樣的水文信息采集方式和傳輸方式。不同廠家生產的RTU( Remote Terminal Unit) 遙測終端產品各自為陣，造成RTU接口類型、通信協議和傳輸規則缺乏統一的規范，因此，不同的軟件系統間往往無法進行順暢的互聯互通，也不能實現信息共享。這不僅增加了水文自動監測系統維護管理的難度，而且給水文信息自動監測工作帶來了很大的不便。針對這個問題，相關文獻指出水文自動監測系統的建設具有共性，因此都可以按照業務流程分為采集層、交換層和應用服務層，其中采集層是指負責收集、存儲、管理數據的軟件集合。通過約定采集層和分中心監測站的數據傳輸，以及軟件規則可以在一定程度上解決不同RTU的信息采集傳輸問題，如圖2所示。

圖2 基于標準數據傳輸約定的采集層框架

因此，應該進一步推廣和完善水文監測數據通信規約，以最終實現不同廠家的RTU可以互換的目的，增加系統的靈活性和兼容性。[2]

3.3.2 監測設備問題

在應用無線數據傳輸與自動監測技術的過程中發現，一些監測儀器的可靠性比較差，存在著返修率高、測量精度不能滿足要求等問題。比如：氣泡水位計很難達到厘米級的精度，浮子式水位計的精度稍高但是芯片容易燒壞，翻斗式雨量測量計測量時容易受到雨強的影響等。所以，實際工作中有的觀測項目并沒有實現自動監測，類似閘門開啟度、蒸發量等水文信息仍然以人工觀測為主。因此，提高設備的精度以及穩定性，減少環境因素對測量設備的影響，以及備用系統的設計都是未來研究的重點。

3.3.3 數據缺插補存

由于水文資料必須具有連續性，全年不能中斷，一旦水文自動監測系統發生故障，就必須進行及時的搶修，并且將數據插補到水文數據里。這導致了兩個方面的問題：?水文自動監測系統中應用的設備、軟件非常復雜，如何提高維修速度；?如果中斷缺測的次數多，如何插補數據。

4 結 語

隨著社會的發展進步，水利部門對水文信息自動監測提出了更高的要求。我國水文信息自動監測技術雖然取得了一定進步，但是實踐中仍有許多問題沒有解決，因此水文工作者應該堅持深入研究無線數據監測以及自動監測技術，提高水文監測自動化水平與可靠性，更好地滿足水庫運行安全管理要求，進一步實現水文事業的長足發展。

[1] 張洋洋,趙建平,徐娟娟.基于物聯網技術的水文監測系統研究[J].通信技術,2012(04):108-111.

[2] 胡金龍,莫曉聰,高祥濤,陳寧.基于不同遙測終端的水文自動測報系統研究[J].長江科學院學報,2013(10):118-120.

Study of Reservoir Hydrological Wireless Data Monitoring and Automatic Monitoring Technology

LIU Xiao-jun

(Shanxi Jinzhong Xiaohe River Basin Authority, Jinzhong 030600, China)

Main contents in reservoir hydrological automatic monitoring system are briefly analyzed in the paper. Features and applications of hydrological wireless data monitoring and automatic monitoring technology are deeply analyzed. Practical work experience is combined for proposing problems in automatic monitoring system and discussing development direction of wireless data monitoring technology.

wireless data transmission; automatic monitoring system; automatic monitoring technology

TV123

A

1005-4774(2014)12-0066-03