數字航道建設中的水位遙測終端系統集成實踐

劉少華，肖衛

（湖北一方科技發展有限責任公司，湖北 武漢 430000）

數字航道建設中的水位遙測終端系統集成實踐

劉少華，肖衛

（湖北一方科技發展有限責任公司，湖北 武漢 430000）

數字航道建設中，水位信息是不可或缺的一部分。以長江干線主航道的典型航段為例，對數字航道建設中的水位遙測終端系統，進行了集成實踐總結；闡述了遙測終端系統的建設目標、系統設計、配套集成、站點布設；介紹了建設實施方案以及質量、安全管理等；對系統試運行、枯水期維護和常年運行維護進行了總結。涵蓋了水位站遙測終端系統集成從終端設計、集成設計到系統工程建設實施、試運行及后期維護的全過程。

數字航道；水位遙測；終端系統；集成

為提高長江航道的通航能力、提高長江航道管理、服務效能，長江干線實施全河段的數字航道建設，水位遙測終端系統是其數字航道建設的一部分。航道部門決定建設水位遙測終端系統，其中，長江干線大埠街至上巢湖段的水位遙測終端系統及其配套設備設施建設是其中的典型河段。其建設內容及目標為46個航道遙測水位站（水位遙測終端所在）的設備設施建設與集成。最終達成46個航道水位遙測站至數據接收中心（航道動態監測平臺）的水位自動監測及其信息聯通，實現水位信息的自動采集、存儲及傳輸功能，為航道部門隨時提供水位信息。

1 水位遙測終端集成設計

1.1 系統功能設計

水位自動采集：當航道沿線某水位站的水位值或水位值變化幅度超過一定范圍時或達到預設時間間隔時，系統可自動采集、存儲水位數據，并將水位實時值、測站站號、時間、電池電壓等參數發送到航道動態監測平臺。主要功能包括：

（1）應答查詢：終端系統能夠響應航道動態監測平臺的即時查詢指令；

（2）人工置數：可采用人工置入方式將水位觀測值數據置入終端系統并發送；

（3）自動校時：通過接收“航道動態監測平臺”的指令自動校時；

（4）自維護功能：定時工況報告、低電壓報警、掉電保護以及自動復位等能力。

1.2 遙測終端設計

水位采集單元（水位計）：通過感應元件獲得水位對應的感應信息（壓力或者電磁波、紅外線等），信息傳輸給中央控制單元，主要構造設計如下：

（1）中央控制單元：中央控制單元是終端的核心單元，其根據對應的推算機理將感應信息數值換算成水位數值、控制水位數據發送和存儲；中央控制單元還將根據遙傳或者本地控制指令配置終端參數、執行相關操作等。

（2）通信單元：通過有線、無線方式向“航道動態監測平臺”發送水位數據或接受操作指令等。

（3）存儲單元：根據中央控制單元的指令，存儲、刪除、導出水位數據。

（4）供電單元：為終端提供電力，可采用常規市電方式供電、太陽能供電、蓄電池供電，或前述所列組合方式供電。

遙測終端構成如圖1：

圖1 遙測終端構成

1.3 終端集成主要設備（水位計）選型設計

選用了兩種型號的水位計，一種是氣泡壓力式水位計，一種是雷達水位計。

（1）氣泡壓力式水位計將壓力傳感器的感壓口置于吹氣的管腔內，壓力傳感器直接感應到出氣口的靜水壓力值，即可換算出該測點位置對應的水位。

（2）雷達水位計采用發射—反射—接收（一個電磁波運行周期）的工作模式，雷達水位計發射出電磁波，經水面反射后，再被接收。電磁波從發射到接收的時間與到液面的距離成正比，雷達水位計記錄電磁波這個運行周期時間，即可換算出測點位置對應的水位。

1.4 避雷設計

雷電對測站電氣設備的影響，主要由直擊雷、傳導雷、感應雷、開關過電壓等四方面造成。綜合運用分流、屏蔽、均壓、接地和過電壓保護等各項技術，構成一個完整的防護體系，以取得最佳的防雷效果。

（1）站房外部直接雷擊防護:在站房頂部安裝避雷針與接地地網，使站房、太陽能電池板均在避雷保護范圍內。避雷針、接地引下線、接地網與設備接地點相互連接，接地電阻宜小于10Ω。站房外殼與避雷針采用絕緣連接。

（2）站房內部雷電過電壓防護:站房內部設備，利用設備外部金屬機殼進行等電位連接以使得設備和四周物體保持等電位，并進行接地處理保護；在水位計輸出端與水位遙測遙報終端數據輸入口間安裝信號避雷器，并且水位信號線屏蔽層與所連接設備接地線相連；采用有線方式傳輸數據的信號線，用鍍鋅鋼管護套后埋入地下敷設。

1.5 系統信息流程

水位采集單元（水位計）通過傳感器采集到的感應變化信息傳輸到中央控制單元；中央控制單元根據感應信息數值換算出水位數值，按照設定的規則將水位數據發送到通信單元和儲存單元；存儲單元儲存數據、通信單元發送數據；終端通信服務器接收數據；終端通信服務器處理數據傳輸給航道動態監測平臺。

1.6 宏觀技術要求

所建水位遙測終端系統技術要求如下：

①遵循長江航道信息采集與服務數據交換標準；②實現多種通信模式的自適應和自動切換；③具備抗網絡干擾能力，在休眠時能被迅速喚醒以及實時發出報警信息；④防塵防水性能達到IP66等級；⑤環境條件：溫度范圍-20℃～60℃，工作濕度：0～95%（40℃）。

2 水位遙測系統集成設計

2.1 水位遙測站點布設

長江航道局組織開展了“長江航道自動水位監測站布設和水流實時模擬技術應用研究”，對長江干線宜賓至瀏河口河段水面線的沿程特點，航道自然特性及航道動態監測平臺水位實時測報的需求進行了深入研究，得出了水位監測站點布局方案，并依據方案確定了46個水位遙測站點位置。

2.2 水位測驗設施

水位測驗設施是配合遙測終端的不可或缺的部分。包括觀測水尺、水準點、觀測道路等。依照有關規范結合布置點實際條件和環境，確定了水準點等級和種類；確定觀測水尺種類和建設方案并配套建設相應的觀測道路；確定工程項目46套水位站儀器分別安設在鋼制儀器柜、磚混儀器房、雙桿一體化儀器平臺等三種空間里。

2.3 遙測站系統集成

結合長江干線航道大埠街至上巢湖段水位監測站點選址的實際踏勘情況，匯總得出該主航段的水位遙測站點集成情況：①儀器房方面，磚混結構儀器房共37個；鋼制一體化儀器柜8個，雙桿一體化儀器平臺1個。②共敷設氣管2820m，建觀測道路1850m。③水尺和水準點方面，除武漢水位監測站外，其他水位監測站都需建設，共45組水尺和45套水準點引測。④雷達安裝支架1副。⑤水位站避雷地網共建39套。并以此為基礎，分別制定了建設清單。其中的一個遙測站組成示意圖如圖2：其中站房內放置遙測終端系統，其配置見表1。

3 工程實施

3.1 工程建設內容細化

經過施工踏勘，本工程建設內容最終確定為41個水位遙測站系統集成，含：①普通儀器房設計、施工，室內儀器柜設計、加工，房頂太陽能安裝支架設計、加工；②雷達水位計支架設計與加工；③設備的采購、生產、集成與調試；④氣泡壓力水位計氣管敷設；⑤觀測水尺建設及零點高程測量；⑥觀測道路施工；⑦水準點建設與引測；⑧設備安裝調試；需要的設備種類數量制作成詳細清單。

3.2 施工組織與進度計劃

為確保工程建設順利實施，成立了項目組織機構。項目組織機構由領導小組、項目經理，和各職能部門(安全部、財務部、綜合部、工程部、質檢部、技術支持部等）組成，并明確了各部門的職責和分工。

同時安排了各對應部門的負責管理人員和技術施工組成人員。明確了技術人員和施工人員的職責，并根據現場多、線路長的特點分成了若干施工小組，各司其職并相互協作。

擬定了施工進度圖。分別確定了施工準備期；土建及其水準點測量期；設備生產、采購、測試期；設備包裝運輸及交付時點；遙測系統設備安裝時間；系統集成及其測試期；技術培訓時間；試運行時間節點；項目驗收移交時間節點。鎖定關鍵期，嚴控時間節點。

3.3 工程總體實施方案

根據建設內容確定了主要實施方案，包括主要測驗設備設施的建設實施和專項建筑建設。

主要測驗設備設施涵蓋：①水準點建設及引測；②觀測道路；③觀測水尺；④氣泡式水位氣管敷設；⑤雷達水位計安裝支架；⑥水位遙測站點儀器房；⑦遙測站點設備集成；⑧設備運輸；⑨設備安裝調試及測試。對應地分別確定了地點、長度、材料、工藝、布設、等級、型式等。

我們將結合長三角一體化發展上升為國家戰略等新形勢新要求，進一步加強系統謀劃，堅持把加快建設現代化綜合交通運輸體系作為推進交通強省建設、打造交通強國先行區的核心任務和關鍵舉措，著力構建“八大體系”，即高質量的綜合交通網絡體系、高效率的貨運服務體系、高品質的客運服務體系、高水平的綠色交通體系、高標準的平安交通體系、高科技的智慧交通體系、高層次的創新發展體系、高效能的交通治理體系。我們將強化擔當意識，勇于解放思想，敢于攻堅克難，弘揚奮斗精神，以時不我待的緊迫感，努力完成好“最迫切”的任務，書寫好“強富美高”新江蘇建設的交通篇章。□

專項建筑建設涵蓋：①遙測站房的建設和裝飾；②避雷接地系統。確定了建筑的結構、安全等級、使用年限、抗震烈度，防水等級等，依據上述要求完成施工，同時按照規格予以裝飾。

對部分分項制定了施工方法。主要有：施工測量、基礎施工、土方開挖、基坑驗槽、墊層施工、鋼筋工程施工、模版工程施工、砼工程、腳手架工程、砌筑工程、門窗制安工程。

3.4 工程質量保證

質量保證體系：在工程實施過程中，嚴格按照iso9001質量管理體系予以進行，做到施工全過程管，全員管、全面管。以“科學管理、質量至上、持續改進、優質服務”為質量方針；以單位工程合格率100%，單位工程優良率96%以上為質量目標，力爭顧客滿意度達到100%；參與各項質量管理活動的人員100%執行公司管理體系文件的規定。堅決實行質量一票否決制，確保本工程建設質量達標。

組織措施：成立質量領導小組，技術負責人為組長，部門負責人為副組長，施工組長、專業施工隊長為成員，對工程施工的全過程實施有效的監督和控制、制定具體的質量控制程序和辦法。

保證措施：一質量承包負責制度；二技術交底制度；三材料進場檢驗制度；四施工掛牌制度；五過程三檢制度；六質量否決制度；七成品保護制度；八質量文件記錄制度；九工程質量等級評定、核定制度；十竣工服務承諾制度；十一培訓上崗制度；十二工程質量事故報告及調查制度。

檢驗措施：①設備出廠及現場開箱檢驗；②應用軟件測試檢驗；③土建施工檢驗；④設備安裝調試檢驗；⑤系統試運行檢驗。

3.5 施工安全保障

應用的法律法規和技術安全標準：依據本工程特點制定安全和文明施工措施引據的法律法規有：《水利工程建設安全生產管理規定》；《中華人民共和國道路交通安全法》；《中華人民共和國安全生產法》；《中華人民共和國消防法》；《中華人民共和國勞動法》。引用標準有《水運工程施工安全防護技術規范》（JTS 205-1-2008）；《安全標志及其使用導則》（GB2894—2008）；《水利水電工程施工通用安全技術規程》（SL398—2007）；《水利水電工程金屬結構與機電設備安裝安全技術規程》（SL400—2007）等。

施工安全措施：設安全生產小組，由現場項目負責人兼任安全小組組長，由持證安全員獨立行使安全檢查、監督指責，并負責對現場施工人員的安全意識宣傳。制定現場施工安全細則，加強安全管理，做好事故防范措施。嚴格按照國家相關的安全施工管理辦法，結合實際加以細化，形成了可執行的文件。

勞動保護：定期向所有現場施工人員發放安全勞動保護用品，以及特殊工種作業人員的勞動保護津貼和營養補助等；按《中華人民共和國勞動法》的有關規定安排現場作業人員的勞動和休息時間。

傷病防治：對作業環境進行衛生清理，采取衛生措施，做好病源和疫情監測，一旦發現疫情，應立即采取措施控制感染源和感染者。

此外，在施工中做好消防工作，搞好安全防護并制定了安全和自然災害等的應急救援預案，有施工環境保護措施，注重文明施工等。

4 工程試運行及其維護

4.1 試運行

鑒于建設站點分布于長江沿線，在多方的配合下，分步實施了試運行，主要是檢驗數據的發送接收等各項功能是否滿足設計要求，經過試運行發現一些問題并加以解決。

4.2 低水期維護

由于建設時間跨度長、距離長、站點分散，有些站點建設時，沒有搶抓到低水期，或者施工時水位已經相對較高，必然導致有些站點的水位計氣管管口在低水期時候可能露出水面、或者低水水尺設置數量不夠等等情況。因此，在2017年的低水期時候，根據水位預報情況，在可預見的最低水位時期開展了核查工作，檢查站房、水尺、氣管、道路、水準點等基本觀測設施設備，對發現的問題進行及時修改維護，保證了遙測系統的正常運行。

4.3 系統運行維護

經過以上運行過程，結合過去項目的經驗，對該遙測系統運行維護提出如下建議：

遙測站運行管理:加強維護管理工作，保證系統功能正常發揮，確保所測報水位準確，包括人工讀數比測、定期巡查維護、配備常規備品備件。

設施設備安全看管：加強水位遙測站安全保護，有條件的站點進行委托專人看管，無人看管的站點定期進行安全巡查。

水準點校準：考慮沉降問題，水準點需定期進行校核。

水尺清淤與維護：定期對水尺進行清潔，達到刻度清晰，數字清楚。汛期后，對水尺根部進行清淤，使水尺底部刻度顯露，并更換損毀水尺。

[1]《GB/T 50138-2010水位觀測標準》；

[2]《SL61-2003水文自動測報系統技術規范》；

[3]《SL197—1997水利水電工程測量規范》；

[4]《SL 276-2002水文基礎設施建設及技術裝備標準》；

[5]《GB7450-87電子設備雷擊導則》。

U612

A

1006—7973（2017）10-0041-03

10.13646/j.cnki.42-1395/u.2017.10.018