肖雪峰 尹趙南

（湖南南昶水利科技有限公司 長沙市 410007）

1 雨量站現(xiàn)狀

近年來，隨著傳統(tǒng)傳感器技術(shù)、通信技術(shù)及計算技術(shù)的猛速發(fā)展，雨量儀器朝著自動化、智能化的方向發(fā)展。各種集傳感器、嵌入式機電等技術(shù)應(yīng)用，雨量器的研制獲得了極大的提高，研制出許多優(yōu)秀的測報終端水文產(chǎn)品。在數(shù)據(jù)傳輸方面，由最初的主要依靠有限的網(wǎng)絡(luò)，發(fā)展為多種傳輸相結(jié)合的有效方式。包括電話線（PSTN）、同軸電纜、DDN專線、光纜、無線電波、移動網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信等。隨著中國3G技術(shù)的逐漸應(yīng)用，中國的水文測報系統(tǒng)逐漸邁向智能化、網(wǎng)絡(luò)化。

我國是一個洪澇災(zāi)害頻頻發(fā)的國家，因此，國家和人民對雨量及氣象信息服務(wù)，特別是對雨量監(jiān)測、氣象信息為防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)的要求越來越高。然而我國實現(xiàn)自動化測報的雨量站點較少，量杯式、虹吸式、翻斗式雨量站使用普遍，其測量范圍及計量系統(tǒng)還是存在很多不確定性，不能為防汛抗旱決策提供準確依據(jù)，不便實現(xiàn)水雨情測報的自動化、信息化。

2 產(chǎn)品設(shè)計

高精度遙測雨量站是湖南南昶水利科技有限公司，在吸取國內(nèi)外先進技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)精密機械加工工藝特點，自主研發(fā)并制造的一款國內(nèi)率先采用微小流量計與數(shù)據(jù)采集軟件匹配組合的水文儀器?？蓮V泛應(yīng)用于水利、農(nóng)業(yè)、氣象、軍事、院校等部門，該產(chǎn)品監(jiān)測雨量信息更加方便、快捷、準確、安全。產(chǎn)品技術(shù)先進，操作簡便，整機性能穩(wěn)定、有效、可靠，具有不受地理限制等優(yōu)點。其系統(tǒng)主要由：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、通訊、供電轉(zhuǎn)換模塊組成。通過圖、文、聲、像等方式將采集的雨水情信息實時、直觀、快速傳送至相關(guān)部門。

2.1 硬件制造

基桶外殼、承雨器、漏斗、過漏罩、接雨器、排氣導(dǎo)管（閥）、轉(zhuǎn)向管、導(dǎo)流主管、排氣閥、導(dǎo)流直管套接、導(dǎo)流直管底座、反向?qū)Ч堋㈦娖康鬃?、外窗及其拴環(huán)與鎖扣、蓄電池、太陽能電池板等組成。所有構(gòu)件均采用304不銹鋼制造。其耐酸、堿、侯、沖擊性、韌性強，讓高精度遙測雨量站更耐用。刃口45°的承雨口從接收到雨水溢出溢流管之前各套接部位均無溢流、滲水現(xiàn)象，確保了遙測雨量站測量雨量數(shù)據(jù)的安全、準確、有效；在承雨器中的底部設(shè)計立式的條縫式過濾罩、圓底帶孔式過濾罩的兩次過濾方式，儀器自身采用提高降雨量的雨量勢能，其有效將灰塵或者其他雜質(zhì)控制、排出主控室外；由于儀器調(diào)平方式及儀器本身優(yōu)勢，確保儀器安裝穩(wěn)定，即使在大風(fēng)、大雨的情況下，也能確保儀器采集、接收、儲存、發(fā)送降雨量數(shù)據(jù)準確、有效；遙測雨量站管道內(nèi)壁光滑，口徑小，采用半封閉狀態(tài)相結(jié)合的設(shè)計理念，從而達到其造成的濕潤損失和蒸發(fā)損失較小的效果；分界時段雨量產(chǎn)生誤差小，產(chǎn)品根據(jù)客戶要求設(shè)定分辨率，確保設(shè)計降雨量誤差較小，正好到分界時段雨量是上一時段或上一日的量。一體化遙測雨量站記錄時間是與網(wǎng)絡(luò)時間正點調(diào)校，其時間的準確性相對穩(wěn)定。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

雨量數(shù)據(jù)采集由排空導(dǎo)管（閥）、微小流量計、采集數(shù)據(jù)軟件組成。排空導(dǎo)管（閥）系統(tǒng)主要依據(jù)水的浮力與有效液體的壓強和慣性，將導(dǎo)管中空氣排盡，使被測直管中雨水總量滿足微小流量計計量要求。微小流量計采用：二維設(shè)計、三維建模校驗、有限元強度分析計算等開發(fā)手段，設(shè)計質(zhì)量高、可靠性強的一款適用于雨量采集的計量儀器。其管道中心安裝一個小渦輪，兩邊由軸承支撐。微小流量計的轉(zhuǎn)速是通過機殼外的傳感線圈來檢測，當(dāng)流體通過管道時，使得微小流量計管道中小渦輪葉片克服摩擦力矩和流體力矩而產(chǎn)生驅(qū)動力矩旋轉(zhuǎn)，當(dāng)微小流量計的葉片切割由殼體內(nèi)永久磁鋼產(chǎn)生的磁力線時，就會引起傳感線圈中磁通變法。傳感線圈將檢測到的磁通周期變化信號送入前置放大器，對信號進行放大、整形。從而轉(zhuǎn)化成與流速成正比的脈沖信號，送入單位轉(zhuǎn)算與流量計算電路得到、并顯示累計流量值，同時亦將脈沖信號送入頻率電流轉(zhuǎn)換電路，將脈沖信號轉(zhuǎn)換成模擬電流量，進而指示得到瞬時流量。在一定的流量范圍內(nèi)，葉片的旋轉(zhuǎn)角速度與雨量流速成正比。由此，雨量流速可通過葉片的旋轉(zhuǎn)角速度得到，從而可以計算得到通過管道中雨水的流量值。

2.3 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊采用高性能工業(yè)級嵌入式處理器。當(dāng)降雨發(fā)生時，遙測雨量站由于雨水流量的變化，影響輸出模擬電流信號放大濾波后，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換至處理器。處理器將電流信號處理成雨量數(shù)據(jù)信號，定時通過GPRS模塊發(fā)送至數(shù)據(jù)中心。在現(xiàn)場可通過按鍵選擇進行時間、參數(shù)的設(shè)置，并可觀測當(dāng)前降雨量的大小及雨量變化。微處理器片上資源豐富，集成外部存儲器的控制器、LCD控制器、3通道UART、2通道SPI接口、USB主機和設(shè)備接口、ADC和觸摸屏接口、定時器等多種資源。

2.4 通信模塊

高精度遙測雨量站系統(tǒng)傳輸功能主要是通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將雨量數(shù)據(jù)實時傳送至雨量監(jiān)測中心服務(wù)器，服務(wù)器通過運行Java程序?qū)崿F(xiàn)軟件解析、并顯示GPRS遠程傳輸?shù)膶崟r雨量信息。

3 高精度雨量站工作原理

當(dāng)下雨時，雨水進入承雨器，雨水經(jīng)過承雨器中的立式過濾罩后，再經(jīng)過承雨器底部的導(dǎo)出管套和過濾元件進入接雨器，雨水到達接雨器后，接雨器中雨量逐漸上升，將接雨器中浮球開關(guān)的浮球由雨水雨量的上升而逐漸上升，當(dāng)浮球上升達到遙測雨量站設(shè)計測量要求時，浮球?qū)⒆詣影l(fā)出一個開關(guān)信號，開關(guān)信號經(jīng)繼電器迅速傳達到電磁通斷閥，電磁通斷閥瞬時打開使雨水經(jīng)排出管道排放到排氣器，接雨器中雨水也瞬時下降，當(dāng)雨水下降的同時，浮球也隨雨水的下降而下降，當(dāng)浮球下降到遙測雨量站設(shè)計測量要求時，浮球?qū)⒆詣影l(fā)出一個開關(guān)信號，開關(guān)信號經(jīng)繼電器迅速傳達到電磁通斷閥，電磁通斷閥將瞬時關(guān)閉。雨水排出電磁通斷閥后進入排氣器，排氣器的排氣管道瞬時將其自身、電磁通斷閥和排出管道的中空氣排出。雨水滿管、無氣體流入雨水導(dǎo)管，雨水經(jīng)雨水導(dǎo)管流入測流導(dǎo)管，雨水進入測流導(dǎo)管后依次通過立式排氣器和微小流量計，立式排氣器瞬時將其自身、雨水導(dǎo)管、測流導(dǎo)管與帶絲直接中的空氣排出，雨水滿管、無氣體流入微小流量計，微小流量計開始迅速采集、計量、累計雨量，將雨量轉(zhuǎn)換成模議數(shù)字傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器，雨水經(jīng)過微小流量計計量后，再經(jīng)微小流量計后側(cè)的測流導(dǎo)管從溢流管溢出，雨水從溢流管溢出完后由導(dǎo)出罩排出至主控室外部，從而微小流量計按照設(shè)計計量降雨量要求完成此次降雨量計量。儀器按設(shè)定時間間隔自動采集、存貯雨量數(shù)據(jù)。其存貯的雨量數(shù)據(jù)通過防水屏蔽通信電纜將雨量數(shù)據(jù)傳輸至遙測遙測雨量站的主控室。數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)發(fā)送導(dǎo)線與設(shè)在主控室外的防雷天線連接，將監(jiān)測的的雨量信息安全、準確、有效地發(fā)送、傳輸?shù)街鞴懿块T指定的接收平臺。該產(chǎn)品測量范圍更廣、更精準。技術(shù)含量高，通過圖、文、聲、像等方式將所采集的雨水情信息，實時、直觀、快速的展示出來，并對采集到的信息實時監(jiān)視、報警，為提高水利工程單位、水文部門、氣象部門的防汛預(yù)警能力和搶險救災(zāi)的快速反應(yīng)能力提供了有效、可靠基礎(chǔ)信息。有利于其對于降雨量數(shù)據(jù)的分析，作出正確、有效、合理的決策方案。

4 技術(shù)創(chuàng)新點總結(jié)及測試結(jié)果

（1）計量系統(tǒng)采用微小流量計。將設(shè)計測量誤差從±4%減少到±2%，設(shè)計降雨強度從4 mm/min提高到12 mm/min，測量誤差提高50%。更適應(yīng)強將雨量監(jiān)測的應(yīng)用需求。

（2）采用兩次過濾降雨的方式，有效控制雨水中攜帶的飛塵與雜質(zhì)，確保微小流量計計量準確、有效。

（3）導(dǎo)管排空系統(tǒng)主要依據(jù)水的浮力與有效液體的壓強和慣性。將導(dǎo)管中空氣排盡，使得被測直管雨水滿管經(jīng)過微小流量計。從而改變傳統(tǒng)雨量計出現(xiàn)排空不徹底、空翻、不翻的測量值偏大或偏小現(xiàn)象。計量降雨量精度提高 10倍，重復(fù)性和抗干擾能力大大提高。

（4）采集數(shù)據(jù)軟件系統(tǒng)主要采用高性能工業(yè)級嵌入式處理器，以實時操作系統(tǒng)為軟件支撐平臺，超大內(nèi)存，內(nèi)嵌自主知識產(chǎn)權(quán)的TCP/IP協(xié)議棧。提供高速，穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)終端永遠在線，多種協(xié)議轉(zhuǎn)換的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)。針對網(wǎng)絡(luò)流量控制的用戶，產(chǎn)品支持語音，短信，數(shù)據(jù)觸發(fā)上線以及超時自動斷線的功能。同時也支持雙數(shù)據(jù)中心備份，以及多數(shù)據(jù)中心同步接收數(shù)據(jù)等功能。

（5）根據(jù)雨量計量功能需求，包括信號調(diào)理模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊，處理控制模塊及GPRS無線傳輸模塊等。采用S3C2440核心板和擴展板進行電路設(shè)計，創(chuàng)建了雨量器的硬件控制平臺。

（6）在控制器平臺上根據(jù)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計了啟動引導(dǎo)程序、LINUX操作系統(tǒng)程序，完成雨量器軟件運行平臺的構(gòu)建，其中采集數(shù)據(jù)軟件系統(tǒng)采用的嵌入式處理器超大內(nèi)存,并內(nèi)嵌具有自主知識產(chǎn)權(quán)的TCP/IP協(xié)議棧。

（7）通過對雨量器整體系統(tǒng)功能的分析和設(shè)計，運用多線編程和SOCKET網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)，實現(xiàn)了遙測雨量站多項任務(wù)與功能的同時執(zhí)行，包括雨量的實時采集、控制器數(shù)據(jù)處理與傳輸、人機交互界面、GPRS撥號上網(wǎng)并與服務(wù)器建立連接。

（8）遙測雨量站測試結(jié)果顯示表明：其消除了量杯式、虹吸式、翻斗式雨量計使用計量時所帶來的系統(tǒng)誤差。真正實現(xiàn)了降雨量的自動化、科學(xué)化的測試，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)能將所采集的雨水情信息安全有效準確用圖、文、像等方式實時、直觀、準確、快速地發(fā)送到水利、水文、氣象等部門指定服務(wù)器上。其技術(shù)先進，操作簡便，整機性能可靠，具有不受地理限制、穩(wěn)定、有效、可靠等優(yōu)點。

5 結(jié)語

基于目前雨量站的現(xiàn)狀，我國水利、水文、氣象行業(yè)急需高精度雨量站。為國家防汛抗旱、水利工程建設(shè)、水資源管理、水環(huán)境保護及與水有關(guān)的經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展等方面提供相對準確的數(shù)據(jù)。使其發(fā)揮更加重要的作用，提高社會效益和經(jīng)濟效益。本文僅就雨量站中國現(xiàn)狀及高精度遙測雨量站作了一些淺析，希望能有益于水利水文事業(yè)的推廣及應(yīng)用。

省水利科技項目管理培訓(xùn)班在長沙開班

短 訊

為進一步加強湖南省水利科技項目管理，規(guī)范項目經(jīng)費使用，10月26日，湖南省水利科技項目管理培訓(xùn)班在長沙舉辦。水利廳機關(guān)有關(guān)部門、廳直各單位及各市（州）水利（水務(wù)）局分管科技、財務(wù)工作負責(zé)人和重大水利科技項目負責(zé)人等共100余人參加了此次培訓(xùn)。

培訓(xùn)班設(shè)置了 “湖南水利科技項目管理常見問題解讀”、“科技項目資金管理新政改革及實務(wù)”兩個課程，由廳水利科技項目管理人員及國家科技部財務(wù)檢查專家分別講授。培訓(xùn)課程緊扣主題，聯(lián)系實際，重點解讀了省委省政府辦公廳2017年出臺的完善科技經(jīng)費管理、激發(fā)創(chuàng)新活力的最新政策，對湖南省水利科技項目申報、立項、實施、結(jié)題驗收過程中遇到的常見問題進行了分析解答。本次培訓(xùn)班的舉辦，有助于水利科技管理人員及時準確掌握科技創(chuàng)新政策，進一步提高水利科技管理水平。

——轉(zhuǎn)載自《湖南水利網(wǎng)》2017-10-27