水文遙測系統設計分析

廖彬秀，胡培良

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

1 引言

水文遙測技術是水利信息化的重要基礎。我國現代水情測報系統建設中，水文遙測站的運用十分關鍵，其主要是利用遙測終端機采集、處理現場多種水文信息，并將數據分段存儲，固定時間間隔或是接收到中心站查詢指令時，上傳相關數據至中心站。在此過程中，水文信息的采集與穩定上傳十分重要，本文就此針對水文遙測系統設計工作展開詳細分析。

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、暴雨等自然災害，因此，及時、準確掌握水情對人類的安全與生存至關重要。近年來，我國水情測報系統發展迅速，用于對江河湖泊進行水情災害監控，通過通信技術、計算機技術的運用實現水情數據的實時測量、快速傳送和有效處理[1]。根據水情測報系統實際運用情況來看，中小型水情測報系統主要構成包括遙測雨量/水位站、信息中繼站、樞紐分中心站、流域內的中心站；大型水情測報系統通常會設置一個總調度中心站，分片區劃分一些分中心站[2]。水情測報系統的運行流程如下：（1）遙測站設置遠程終端單元（RTU），對水文信息進行采集，并通過數據通信模塊（DTU）將相關數據發送至中繼站；（2）中繼站接收數據后，重組、轉發數據；（3）中心站接收數據，存儲、分析數據；（4）中心站數據軟件構建水文模型、預報洪水過程、制訂防洪方案；（5）中心站與樞紐站其他系統、上級水文部門互通信息。

在整個水情測報系統運行中，水文遙測站是重要的支撐系統，其利用現代科技實時遙測、傳送、處理水文信息，綜合了水文、電子、電信、傳感器以及計算機等多學科成果[3-4]。通過水文遙測系統的應用改變了傳統人工測量水情數據的情況，有效擴大了水情測報范圍，提高了水情測報效率與洪水預報精度，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絡要求

3.1 水文遙測站的主要功能

對于水情測報系統而言，需充分考慮流域洪水、暴雨特性以及擬建區域實際情況，合理控制水文遙測站數量的同時，保證收集到的信息可滿足洪水預報精度要求[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據，可暫存或實時發送數據；

2）除了交流電供電以外，應可利用光伏電池供電，充電回路提供過充電保護能力；

3）遙測站終端機的功耗較低，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、系統時鐘同步功能；

8）面臨突發斷電問題，系統具備數據暫存自保護、死機自復位功能。

3.2 通信傳輸網絡要求

在水情測報系統中，通信傳輸網絡是實現水文遙測站與中心站數據高效、安全傳輸的關鍵，尤其是水文遙測站長期、全天候運行在野外無人值守的環境中，對數據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，面臨暴雨洪水災害時可正常報送數據，信道可冗余配置。

（2）實用性：根據系統需求、實際環境選擇合適信道，獲取重要水文信息。

（3）經濟性：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濟性。

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

4 水文遙測系統設計要點

4.1 系統總體結構

水文遙測系統總體結構如圖1所示[7]。

圖1 水文遙測系統總體結構

4.2 水文遙測站設計

水文遙測站設計為模塊化結構，包括通信模塊、供電單元、處理器模塊、擴展接口模塊。其中，處理器模塊選用STM32F103芯片，設置LED狀態指示與其他外圍電路，包括通用I/O、IIC接口、串行口等。在水文遙測系統中供電系統也是重要組成部分，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 雙信道網絡設計

水文遙測系統運行中通信穩定是關鍵。在組網方案設計時，水文遙測站與監控中心可采用多點對一點的通信模式，優先利用GPRS網絡，以北斗衛星網絡為第二通信網絡，具體如圖2所示，監測平臺利用TCP/IP協議可與GPRS模塊建立連接，同時監控室內需設置1臺北斗衛星接收機，數據解碼后利用主機RS232接口發送至監測平臺應用程序[8-9]。通過通信網絡監控中心可向各水文遙測站發送回執指令，圖3為信道傳輸過程。

圖2 系統通信流程圖

圖3 信道傳輸過程圖

4.4 水文遙測系統通信測試

針對此水文遙測系統搭建的通信設備進行測試，要求數據通信平均暢通率≥95%。測試時間為早上8:00至隔天早上8:00，各水文遙測站設置間隔1 h定時自動上報數據，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。測試結束后通過數據分析顯示：傳輸時延在1～30 s范圍內；每次上傳的報文格式正確，無錯誤或是缺失的情況；水位、雨量數據變化且滿足觸發條件時，均成功觸發遙測站的上報[10]。

水文遙測系統安裝完成后，開展了GPRS、衛星單信道穩定性測試與雙信道穩定性測試工作，具體測試數據如表1和表2所示。根據測試結果分析可得，單信道數據暢通率均可達到95%以上，衛星單信道更為穩定，而雙信道總體表現更好。

表1 GPRS、衛星單信道穩定性測試數據

表2 雙信道穩定性測試數據

5 結語

綜上所述，水情測報系統充分利用了遙測、無線通信、計算機網絡等先進的技術方法實現各種水文數據的采集與處理分析。水文遙測站是水情測報系統的重要組成部分，提供數據實時采集功能，且由于水文遙測站布設在河流重要控制斷面，往往遠離城鎮、無人值守，因此，需科學開展水文遙測系統采集設備、電源以及通信信道的設計工作，保證水文遙測站長期、可靠運行，為洪水預報、防洪調度、水資源綜合利用等工作及時提供精確的水文信息。