黃河寧夏段干流水位自動遙測站設計

陳生俊　王彥兵　李碩　溫曉嶸　徐景東

摘 要：水位作為河道水文監(jiān)測系統中的重要參數，該數據的準確連續(xù)獲取對保障河道防洪和航運安全具有重要意義。本研究采用物聯網和信息傳輸技術，設計了一種新型水位自動遙測站，在黃河寧夏段干流得到應用，該水文自動遙測站主要包括雷達水位計、遙測終端RTU、GPRS通信模塊、太陽能電池板和蓄電池，系統軟件系統包括數據傳輸方式、采集站編碼方法和信息傳輸網絡和數據流程，該自動遙測站的成功應用為河流水位數據的自動獲取提供有效的技術途徑。

關鍵詞：水位；防洪；雷達；模塊

中圖分類號：TP274 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）36-0086-03

引言

大型河流的水位數據是水文監(jiān)測的重要參數，該數據的準確、便攜、實時獲取為河道防洪和航運安全提供重大保障，因此在河道中建立數據監(jiān)測系統，對水位數據進行自動實時觀測具有重要意義。根據黃河寧夏段干流水情監(jiān)測系統工程建設規(guī)劃，寧夏水利廳建設覆蓋黃河寧夏段397km干流的全區(qū)域水情監(jiān)測系統。水位自動遙測站建設是黃河寧夏段干流水情監(jiān)測系統工程建設的重要內容。為了進一步加強黃河汛情、凌情監(jiān)測的時效性和準確性，充分發(fā)揮自動化建設成果在監(jiān)測工作中的作用，提高信息采集、傳輸、處理和防汛、防凌指揮調度決策的時效性和準確性，本研究將設計一種水位自動遙測站，該技術為遠距離實時觀測干流水位信息，有效管控干流水情，提高黃河寧夏段干流水利信息化水平提供重要技術保障。

1 水位自動遙測站的設備組成

水位自動遙測站設備由水位計、遙測終端（RTU）、無線通信模塊、太陽能電池板、蓄電池、充電控制器、避雷設備等組成，本期工程需建設水位測站14處，均為水位視頻一體化測站，其中新建13處，更新原何營測站水位計設備1處。水位自動遙測站的設備構成示意圖如下圖1所示。

圖1 水位自動遙測站的設備組成及結構圖

為提高系統的可用性，水位采集設備采用獨立于視頻系統之外的太陽能供電系統，水位采集設備與視頻系統從傳輸體制、供電設施上均相互獨立并互為補充。

2 水位自動遙測站設備配置及性能指標

2.1 設備配置

每處水位自動遙測站單站設備配置如下表1所示：

表1 水位自動監(jiān)測站單站設備配置表

2.2 主要設備性能指標

（1）雷達水位計

工作頻率：26GHz；量程：0～30m；精度：±3mm；分辨率：1mm（全量程）；測量原理：脈沖式；發(fā)射角度：≤12°；模擬信號輸出：4-20mA；數字信號輸出：RS485；傳感器保護：喇叭天線（￠40mm）；供電電壓：24DCV；工作功耗：≤0.5W；工作溫度：-40℃～80℃；防護等級：IP68；無盲區(qū)；天線結構：密封天線；接口方式：RS-232、RS-485。

（2）遙測終端RTU

根據需要工作制式可設定為自報式、查詢-應答式或兼容式；具備定時報、超限加報功能；可以發(fā)送人工置數數據；具備本地和遠程修改配置參數的功能；具有本地和遠程提取固態(tài)

存儲數據功能；具有自動校時功能；支持PSTN、以太網、

GPRS、CDMA、SMS、超多波等通信方式（任選），可具有多信道自動切換功能。

遙測終端機可以通過GPRS/GSM/CDMA方式進行通信組網，也可通過短波、超短波、微波、3G、衛(wèi)星通信等方式進行通信組網，具有一站多發(fā)功能，可同時支持發(fā)送4個接收端。具有標準的RS-485接口和RS-232C接口的設備，具有2路開關量輸入。具有自報、應答、自報加應答三種工作模式，可定時自動喚醒，以完成定時測報、響應中心站提取固態(tài)存儲數據和修改參數等指令，支持遠程診斷和管理?？膳渲玫南到y參數包括：可現場或遠程修改站址、發(fā)送工作參數、報送時段制、水位基值、雨量初值、另一處接收地址等參數。具備數據現地存儲功能。終端機內置大容量存儲器，同時外置SD卡。固態(tài)存儲器的存儲容量不小于8MB，可存儲3年以上的數據，并提供數據過濾、查詢功能。RTU必須同時支持PC、PDA和人工置數器，可發(fā)送人工觀測數據，可現地顯示測站狀態(tài)、蓄電池電壓、時間及水雨情數據等。

遙測終端RTU的數據統一傳輸到寧夏水利數據中心統一遙測平臺中，通訊協議必須符合（SL-SZY206-2012）《國家水資源監(jiān)控能力建設項目標準水資源監(jiān)測數據傳輸規(guī)約》或（SL651-2014）《水文監(jiān)測數據通信規(guī)約》的要求，并由水利部水文儀器及巖土工程儀器質量監(jiān)督檢驗測試中心進行符合性測試，提供全項目合格檢驗報告；且測試合格功能碼項目數ASCⅡ碼、HEX碼為30（以測試中心網站上公布的為準），所提供的RTU站址必須支持8位測站編碼，能夠滿足寧夏水利數據中心統一遙測平臺的接入要求。

（3）GPRS通信模塊性能參數

工作頻率：支持雙頻GSM/GPRS，符合ETSI GSM Phase 2+標準；協議：支持TCP/IP，支持標準AT命令集；發(fā)射功率：2W（900MHz）/1W（1800MHz）；功耗（mA@12V）：≤140mA（工作），≤25mA（空閑）；電源：+3.3V～+26V；頻率誤差：≤0.1ppm；電壓范圍：DC5V～35V；數據接口：DB9 RS-232/485；工作溫度：-25～+60℃；濕度范圍：0～95%，非冷凝；支持中國移動WMMP M2M協議；具有防病毒、攻擊和死機復位功能；采用超低功耗高性能的嵌入式處理器；內嵌看門狗、不死機、掉線自動恢復；提供用戶設置軟件、開放接口、方便其他軟件連接；永遠在線。一旦加電運行，即可自動進入數據通信狀態(tài)并一直保持；工業(yè)級品質保證、性能穩(wěn)定可靠；斷線自動重撥，網絡異常檢測；GPRS遠程在線設置和短信息遠程設置功能。

（4）太陽能電池板endprint

峰值功率：40W；工作電壓：17.5V；工作電流：2.29A；開路電壓：21V；功羞：+3%/-3%；短路電流：2.31A；二極管：10A；接線盒類型：通過TUV認證的接線盒；絕緣系數：≥100Mohm；擊穿電壓：DC3000V；抗風力系數：60m/s（200kg/sq.m）；轉換效率：>15.25%。短路電流溫度系數：±0.05%℃；開路電壓溫度系數：-0.33%℃；功率溫度系數：-0.23%℃；工作電流溫度系數：+0.08%℃；工作電壓溫度系數：-0.33%℃；環(huán)境溫度：45℃（±℃）。

（5）蓄電池（太陽能專用電池）

電池容量不低于65Ah，12V，膠體蓄電池，免維護。海拔高度4000m以下均可使用；環(huán)境溫度：-20℃-+50℃（最佳使用環(huán)境溫度+20℃-+30℃），相對濕度≤90%；電池應遠離火源、有機溶劑，避免陽光直曬、同組電池使用環(huán)境溫度一致；蓄電池浮充工作壽命大于5年；均充電壓：14.28-14.52V/unit；最大充電電流：C10A 的20%。容量：要求連續(xù)10天無充電設備正常工作；為閥控式密封鉛酸蓄電池，可充電、免維護；蓄電池技術標準符合國家有關規(guī)范，采用優(yōu)質阻燃材ABS槽殼；端子：M8L型。

3 數據報送和信息傳輸

3.1 數據報送方式

目前國內的水文水資源信息采集系統通常采用的數據報送方式有自報式、應答式，自報/應答兼容式三種。

（1）自報式

自報式分為定量和定時自報兩種方式，這類報送方式的原理是當采集站在水位等參數發(fā)生一定量的變化或達到一定的時間間隔時，把采集數據發(fā)送出去，其遙測終端結構相對簡單，值守功耗極低，對遙測站附屬設施如供電和發(fā)射設備要求較低，適合采用太陽能浮充蓄電池的供電方式。

（2）應答式

這類工作體制的原理是采集站在水位等參數發(fā)生變化時不主動將被測值傳送給中心站，只有當中心站發(fā)出查詢命令時，才將即時或存儲的被測參數值采集、發(fā)送出去。這種工作方式具有可控性，但接收機長期處于守候狀態(tài)，因此值守功耗相對較大，設備配置較復雜。

（3）自報/應答兼容式

綜合了自報和應答兩種工作體制的優(yōu)點，既能實時自報，又具有受控應答功能，功能相對較強、通信保障好，但功耗相對較大。

按照《水文自動測報系統》（SL61-2013）、《水文情報預報規(guī)范》（SL250-2000）及《水情信息編碼標準》的有關規(guī)定，本系統采用定時自報，時段自報，增量自報和召測兼容的工作方式，對人工置數信息要有反饋確認的功能。

綜合上述三種方式的優(yōu)點，要求系統能夠定時自動向中心站報送數據，又能在黃河水位突變或達到警戒水位情況下，根據中心站指令，主動增加傳送數據頻度。因此，本系統采用自報/應答兼容式數據報送方式，采用GPRS方式傳輸，正常情況下按每5分鐘上報一次數據的方式運行，凌汛或洪水易發(fā)期間遠方調度側可設置上報頻率。

3.2 采集站編碼

為了規(guī)范信息系統對采集站的信息管理，同時方便管理單位對所轄測站的日常維護管理，需要對每個采集站進行統一編碼。根據《全國水文測站編碼》規(guī)范，本系統采集站編碼規(guī)則按照“從上至下，先干后支，先左后右”的原則進行編碼，與水利廳保持一致，便于測站擴充。測站編碼要具有唯一性，由數字和大寫字母組成的8位字符串。

3.3 信息傳輸網絡和數據流程

（1）根據黃河干流水情監(jiān)測系統現狀，并結合寧夏水利信息化系統的整體建設模式，本系統擬采用大集中式數據流程。每個采集站采集數據后全部發(fā)送到數據中心，存儲到數據中心數據庫，然后再分發(fā)給各管理用戶。

（2）水位自動監(jiān)測站點實時數據通過GPRS/GSM/CDMA無線網絡發(fā)送至水利廳數據中心數據庫和寧夏水情中心。

（3）視頻監(jiān)測站點實時數據通過光纖傳送至寧夏水利廳數據中心視頻監(jiān)控平臺，圖像抓拍監(jiān)測站視頻圖像通過4G網絡傳輸至寧夏水利廳數據中心視頻監(jiān)控平臺，水情中心及各分局通過水利專網進行訪問。

4 結束語

本研究設計了一種新型水位自動遙測站，在黃河寧夏段干流應用，該水文自動遙測站主要包括雷達水位計、遙測終端RTU、GPRS通信模塊、太陽能電池板和蓄電池，同時分別介紹了數據傳輸方式、采集站編碼方法和信息傳輸網絡和數據流程，該自動遙測站的成功應用為河流水位數據的自動獲取提供有效的技術途徑。

參考文獻：

[1]黃偉，郝潤科，尹剛，等.水位自動監(jiān)測系統的研究與設計[J].電子科技，2015，28（4）：65-68.

[2]馬福昌.水情動態(tài)監(jiān)測新技術[J].山西水利，2005（1）：32-34.

[3]郝迎吉.遠距離水位智能監(jiān)控系統的研究與實現[J].儀器儀表學報，2004（1）：809-812.

[4]葛司遠，侯震.高清視頻處理技術對水庫水位遠程自動監(jiān)測系統應用[J].水科學與工程技術，2015（1）：15-19.

[5]戰(zhàn)需文.水文自動測報系統太陽能供電的設計[J].水利水文自動化，1988（04）：6-9.

[6]張大鈞，徐衛(wèi)東.水文遙測系統的供電設計[J].水文，1988（02）：32-37.endprint