水庫輸水管線信息化系統的思考

□毛海辰（靈寶市水利局）

1 項目概述

白虎潭水庫位于黃河一級支流宏農澗河一級支流的東澗河（斷密澗河）中上游，壩址位于蘇村鄉境內的坂里村，距靈寶市區15 km，控制流域面積116 km2，是一座以城鄉居民供水為主，兼顧防洪、灌溉、發電功能的水庫.白虎潭水庫，設計總庫容為999萬m3，興利庫容597萬m3，死庫容167萬m3。水庫由大壩（包括擋水壩段和溢流壩段）、排沙洞、供水引水口以及下游電站組成。大壩為碾壓混凝土重力壩，設計壩高76.30 m，壩頂長180.50 m，泄流建筑物為壩頂無控制溢流堰，電站裝機2×160 kW，多年平均發電量為170萬kW·h。

白虎潭水庫輸水管線信息化監控系統主要實現對輸水管道的水流壓力、流量、環境及設備視頻的遠程無線監控。通過GPRS無線通訊和太陽能技術，實現輸水管線全場景、24h無人監控，主要的關鍵技術包括：①采用太陽能電池板及蓄電池供電；②采GPRS 4G無線網絡傳輸監測數據；③采用無線數據采集終端RTU；④采用各類便攜式、無線傳感器采集水情數據。

2 技術方案

信息化監控系統以C/S架構為基礎，以各類水情傳感器為數據采集點，通過RTU集中收集數據打包，并基于GPRS 4G網絡傳輸至遠程監控室，并存儲于部署于監控室內的水情數據庫中，借助信息化監控客戶端實現水情數據的實時可視化和綜合分析。系統的技術方案包括：①監控軟件平臺：通信服務器、Web服務器、數據庫服務器等；②終端監控單元：GPRS無線通信模塊、RTU采集單元；③傳感器探頭（管道壓力傳感器、流量傳感器、網絡視頻攝像頭）；④網絡依托：GPRS、4G、短信及Internet；⑤供電設備：光伏太陽能板、太陽能控制器、多路控制電源、閥控鉛酸蓄電池；⑥安裝設施：監測桿及機構件；⑦防護設施：防雷、避雷針；防盜門禁可以遠程報警；防水頂部密封設計。

平臺監測軟件主要承擔監控系統的水情監測、存儲、顯示、各應用系統數據接入、中央控制和電話、報警擴音等支撐功能，同時滿足綜合集中監控、系統展示介紹的功能需要。

中心級監控平臺在同一界面中展示以下基本畫面：GIS總貌圖、設備狀態信息、水位、流量、壓力等主要參數當前監測值、視頻監控工作畫面(可另設)、報警信息。中心級監控平臺能夠實現與視頻監控系統、閥門等的相關聯動；可由監控系統主機發出指令將相應的攝像機圖像切換至大屏幕并數字化存儲、記錄；后臺工作站可對系統設備管理、預設置、數字化編輯、存儲，處理系統運行機制，接受來自以太網的報警信號并做出反應。

控制中心大屏幕與監控攝像機間可采用對應方式時序輪流切換顯示；當監控到異常信息報警時，系統自動彈出相應分區的畫面至大屏幕（由操作鍵盤也可任意切換所需畫面）。

3 關鍵技術

3.1 設備選址

根據管線沿線特征設計視頻監控、流量監測和壓力監測點的選點位置，選址原則如下：①流量與壓力監測點：主要考慮高程落差因素及進出口、分水口，盡量均勻分布設置監測點。基本原則為高程落差間隔30 m，設置一個監測點，總計9處；②視頻監控點：在流量和壓力監測點設置視頻監測，增加重要部位（公路橋、村交通橋、管道重要拐點）視頻監測。

3.2 管道流量監測

采用管道超聲波流量計。供電電壓為DC24V±10%，信號輸出RS485，MODBUS協議。由數據采集終端RTU負責控制上電和定期采集數據，具體參數如下：①適應管徑：DN50～1 000；②測量范圍：流速0.1510.00 m/s，流量0～1 m3/s；③精度：準確度等級1.00；基本誤差＜1.00%；重復性誤差＜0.50%；④信號輸出：RS485，MODBUS協議，或4～20 mA；⑤電源：DC24V,＜3W。

3.3 管道壓力監測

采用插入式管道壓力計，由數據采集終端RTU負責控制上電和定期采集數據。主要技術參數如下：①測量形式：過程壓力直接作用于陶瓷膜片上，襯底電極和膜片電極檢測出與壓力成正比的電容變化；②量程：0.00～5.00 MPa；③精度：±0.15%FS；④長期穩定性：±0.15%FS/a；⑤溫度系數：±0.10%FS；⑥工作溫度：-40～85℃；⑦相對濕度：0～100%；⑧模擬輸出：兩線制4～20Ma；⑨防護等級：IP68。

3.4 視頻監控

采用兩種方式解決：一種是網絡固定攝像機，另一種是4G無線網絡固定攝像機。網絡固定攝像機，采用?？低?、浙江大華、宇視科技等品牌的網絡固定攝像機，輸出RJ45百兆網口，電源DC DC12V±10%/200mA。

4G無線網絡固定攝像機具有以下特點:①采用用超低照度200萬（1 920×1 080），2×10-3Lux@F1.20（彩色模式），2×10-4Lux@F1.20（黑白模式）CMOS圖像傳感器，低照度效果好，圖像清晰度高；②最高支持1 920×1 080@60fps；③支持多種碼流方式和視頻數據編碼技術，擴展達20路的連接；④支持移動端的實時水情獲取，并通過多種提醒方式進行突發事件預警；⑤采用智能圖像識別技術，捕獲異常水情信息；⑥聯動警務接口，實現針對突發情況的一鍵式報警；⑦支持多焦距、多亮度、寬動態和多維降噪設置。

3.5 GPRS4G通信

采用工業級4G無線全網通模塊，全面兼容3大運營商網絡和7大通信制式的自由選擇；高速的網絡通信基礎，可以極大優化數據傳輸效率；采用基于VPN的客戶端/服務器技術，便于系統的部署，優化設備的遠程管理流程。

該產品采用高性能的工業級32位通信處理器和工業級無線模塊，以嵌入式實時操作系統為軟件支撐平臺，同時提供1個 RS232（或 RS485/RS422）、4個以太網 LAN，1個以太網WAN，可同時連接串口設備、以太網設備，實現數據透明傳輸和路由功能。

為了提高產品的穩定性和可靠性，采用了WDT看門狗設計，保證系統穩定；采用完備的防掉線機制，保證數據終端永遠在線；以太網接口內置1.50KV電磁隔離保護；RS232/RS485/RS422接口內置15KVESD保護；SIM/UIM卡接口內置15KVESD保護；電源接口內置反相保護和過壓保護；天線接口防雷保護。

3.6 太陽能供電系統

采用太陽能電池供電系統。由太陽能電池板（含安裝支架）、太陽能充放電控制器、后備蓄電池組成。

根據設備及工作模式（常態上電工作，或周期性上電工作）核算平均功耗，及設備要求的最大陰雨天連續工作時間，核算后備電池的容量；再根據設備安裝區域的年度統計的晴天/陰雨比例，以及最大允許的充電時間，核算太陽能板的功率配置。

項目的設備平均功耗約為5.10 W（常態功耗3.60 W，周期性功耗核算1.50 W）。系統應該滿足的連續陰雨天工作≥7 d。核算后備電池容量為DC12V/100AH。安裝區域的晴天/陰天比例為3:2，最大允許電池充電時間應＜5 d，核算出太陽能電池板的功率配置為120W。

4 結論

白虎潭水庫輸水管線信息化監控系統是靈寶市水利管理在智慧水利管理中的一次有益嘗試，通過本項目的建設，實現了在復雜管線路徑環境下，輸水管線信息的無人、全天候監控，太陽能輸電線路支持，無線傳輸，以及水情信息的動態監測、險情預報等功能，極大提升了輸水管線水情監控智能化，同時大大提升了水利工程管理水平。

后續項目的建設方向，應在傳感器監測的基礎上，充分應用物聯網和大數據技術，對涉及水情信息的多變量和指標進行多尺度的監測，并通過構建水情大數據庫，采集和積累多維度水情數據，利用數據挖掘和機器學習技術，對歷年水情數據進行挖掘學習，提取水情態勢規則和模型，從而實現水情的高效管理、監測和預警。