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龔萬立 （1968-）

男，湖北秭歸人，工程師，本科學歷，現就職于湖北省秭歸縣水利電力勘察設計院，主要研究方向為水利工程。

摘要：文章引入近年來迅速發展的網絡技術，提出了將無線網絡和移動通信公網應用到水情遙測中的設計思想。在此基礎上，提出了基于移動通信公網和無線網絡的水庫監測系統的功能，其中是主要以攝像頭為主的遙測系統，對該遙測系統進行了設計，并就遙測系統的優勢和有待改進的地方做了詳細的分析和描述。

關鍵詞：自動監測；無線網絡；移動通信網；設計

    隨著社會生產力的不斷提高和科學技術的高度發展，水利工程管理單位的自動化建設成為了水利現代化的重要組成部分，為了保證水庫的度汛安全，充分發揮工程效益，合理利用水資源，提高灌溉效益和工程運行管理水平，采用高科技的水文信息采集和計算機監控技術，實現對水庫的自動化監控，從而達到全天候的對水庫各種觀測數據的實時采集、洪水預報和大壩安全管理以及優化調度運行，是水庫管理的必由之路，也是勢在必行^[1] 。因此，對此作了深入的研究和設計。

    研制流域水資源遙測系統的主要目的是：遠程實時視頻監視水位、流量、水閘狀態；遠程控制水閘開啟和關閉，甚至操作者在國外都能實現，只要密碼可靠，不擔心被他人操控；清析、直觀、實時了解現場狀況及遙控效果^[2] ；運行維護簡單，完全可以實現現場無人值班無人值守的程度，上百個水庫的調度與值班可交由防汛中心一人完成。

1 系統設計原則和整體結構

1.1 系統設計原則

1.1.1 系統整體性

    系統的整體結構和每一個環節的設計，都要充分體現運行、監控、管理一體化、自動化、網絡化以及信息資源與設備資源共享的水利工程現代化管理趨勢；

1.1.2 系統安全性

    在安全調度基礎上，實現閘門系統的自動控制，充分發揮工程的效益。

1.1.3 落實可靠性第一的原則

    系統可靠性不僅指某一組成部分或某一設備，更重要的是系統的整體可靠性。系統任何一部分可靠性欠缺都會造成整體可靠性降低，因此，要采用成熟的經驗和先進技術，把提高可靠性落實到從系統總體設計、各層次軟硬件系統設計、設備選型、安裝調試直到系統維護每一環節。

1.1.4 系統易維護、易擴展和可移植

    應用程序界面化，操作提示完善詳細，便于應用和推廣。管理人員經過短期培訓就能掌握系統的操作和使用。故障易查、易排除是系統易維護的重要標志，借助上位機故障診斷系統，維護人員可以很快的確定系統發生故障位置和故障類型，使故障在很短時間內排除。

1.1.5 總體設計起點高

    為了充分發揮水庫工程的社會效益和經濟效益，適應科學技術日新月異高速發展的形勢，該系統必須吸納水利工程管理、計算機、自動控制、通信等各專業的高新技術進行設計，避免一些先天性的局限，維持系統資源的長遠利益。系統設計應具有充分的開放性和可擴展性，便于今后的擴充。

1.1.6 系統應具有優越的性能價格比

    在保證系統功能完善、可靠性和先進性的基礎上，盡可能降低系統成本，減少投入資金。　　　　　　

1.1.7 實用性強

    能及時的讓水管機構掌握水庫的水位、庫容及進庫、泄出流量的實時數據。以便于水管機構對奎屯河流域水資源的合理利用，提供可靠的信息，同時還可以進行歷史數據的查詢及通過歷史曲線的觀察，更快地掌握奎屯河的規律性。

1.1.8 實時性與兼容性

    實時反映各水庫及渠道的水位及閘位的高度；測報系統在不改變水庫原有的操作的情況下，系統一旦出現故障，水庫按原操作運行，便于管理及維護。

1.1.9 多樣性、擴展性

    系統可實現多種功能，在完成整個實時測報外，還具有參數存儲、越限報警、即時打印、報表打印、故障打印等其他科室功能；預留數據接口，便于奎屯河流域水庫群自動化管理發展的需要，且維修方便，易操作等原則。

1.2 整體結構

    防汛中心設備：一臺普通的上網的電腦，網絡帶寬在4M以上。

    水庫端設備：一臺帶485接口的網絡攝像機、一臺帶485接口的水位控制儀、一臺帶485接口的流量儀、一臺485接口的閘門控制器（含閘門位置數顯、電機保護）以及配電箱。

    整體結構如圖1所示：

    圖1   水庫自動化監測整體結構圖

2 監控中心和監控管理

    監控中心監控中心的設備包括網絡服務器、上位監控計算機(值班機)、離線管理計算機、水雨情顯示大屏幕、閉路電視監視器和控制器、打印機、集線器（Hub）、調制解調器（Moder）、控制柜和控制臺。監控中心是整個系統的核心。以Windows XP為網絡操作系統構成星型局域網，實現信息資源、軟硬件資源共享。

    用Pentium系列原裝高檔微機作為網絡服務器，內置數據庫服務器(SQLSever)、Web服務器、文件與打印服務器，并連接Modern，通過電話線或電臺與外界聯絡，實現遠程查詢、互聯網等功能。采用雙絞線連接、TCP／IP協議、傳輸速率10M／100M。可以與外界Intenlet互聯。各計算機統一分配IP地址。Web服務器上有供遠程查詢的實時動態主頁和其他靜態頁^[3，4] 。

    選用Pentium系列多媒體微機作為離線管理計算機、運行離線管理軟件和辦公服務軟件，完成日常管理工作。配置的管理軟件具有以下功能：系統管理與工程數據庫管理；數據可靠性檢驗：資料查詢包括數據檢索、統計、年報、月報、日報、表格、圖形、曲線以及防汛與工程資料查詢；圖形輔助資料分析包括多種資料解釋模型；安全監控和預報；圖象圖形處理、多媒體演示、傳真、接發送郵件等。

    選用工業控制計算機(工控機)作為在線監控計算機(上位監控機或值班機)，運行監控軟件，完成日常監控任務。所配置的監控軟件具有以下主要功能：采集水雨情、水庫安全監測數據以及溢洪道泄洪閘、輸水涵管閘門的運行工況；報警功能，當監測水位達到警戒水位時，立即發聲光報警，進行調洪演算，給出安全泄洪方案和防范措施。并可自動進行泄洪閘的調度控制；對大壩進行實時安全監控；水雨情與大壩監測動態數據庫管理。

    根據工程實際情況選用不同的聯網方式：監控點聯接寬帶方便的選用直接Modem方式，監控點聯接寬帶不方便但無線通訊網絡方便的選用移動通訊Modem方式，監控點聯接寬帶不方便，無線通訊網絡也無信號但能用無線網橋接入網絡的選用網橋聯網方式。監測系統如圖2、圖3、圖4所示。

                                      圖2   直接Modem方式

                                     圖3   移動通訊Modem方式

                                     圖4   網橋聯網方式

3 監測數據采集與輸出

3.1 網絡攝像機

    網絡攝像機為攝像機和網絡服務器組合在一起的，只要連接進Internet網絡，就能在世界的任一角落查看實時視頻。網絡服務器帶有485通訊口，可以采集水位信號、閘門位置信號、流量信號等，可以控制攝像機的云臺旋轉、閘門的操作以及其它設定的操作（如攔污柵的清污操作）。

    網絡服務器采用高性能、功能強大的可編程媒體處理器，單芯片SOC，內置（ARM9＋DSP）和高速視頻協處理器，高靈敏度CCD或CMOS傳感器（SONY、SHARP等），優化的視頻壓縮算法，方便在窄帶上實現高清晰的圖像傳輸，最大可支持10個用戶同時瀏覽，內置Web Server方便用戶使用標準的IE瀏覽器實現對現場的實時監看和設置管理，支持遠程系統升級功能，根據網絡帶寬自動調整碼流大小和編碼幀率，提供RS485/RS232 串口和內置各種解碼器協議，支持透明傳輸協議。

    根據實際需要可選擇固定安裝的和自帶云臺的，根據防水要求可選擇室內型和室外防水型，根據有無夜視要求選擇是否帶夜視功能的。

3.2 水位、閘位、流量顯示儀

    水位控制儀為單片機結構，由投入式壓力探頭檢測水壓力來測量水位，水壓的變化在探頭上產生不同的阻抗，引入水位控制器。可設置一到二路水位報警信號，接入攝像機的報警輸入口。水位、閘位、流量巡檢儀有一路485的通訊口，可和其它組件一起接入攝像機（內部的服務器），可以通過網絡讀取到水位數據。

    閘門的位置信號由與閘門啟閉機聯動的電位器連接至巡檢儀，電位器的阻值變化轉化為閘門的位置信號，即時準確監測閘門的位置。

    用一水壓力測量探頭設置于水閘出口后一定距離的渠道上，用于測量渠道水深，通過積算監測放水流量，水位、閘位、流量巡檢儀和閘門控制器一起裝于墻掛式儀表箱，也可以與配電部分一起組合成一個控制柜。

3.3 閘門控制器

    閘門控制器（含電機保護）為閘門啟閉控制的核心。

    控制部分的核心元件是MC-205 M/P10，是集保護和控制于一身的自動化元件，主要功能是在故障或事故時斷開回路，保護電動機，穩定啟動和停止正反向運轉，配合網絡元件可以實現四遙功能。

    MC-205 M/P10是具有先進的現場總線接口，基于微處理器技術開發研制的電機保護與控制裝置。由微處理器來執行電機的保護與控制功能，完成對電機操作次數的統計、自診斷以及與上位機的通訊等。MC-205 M/P10為電機提供的完備保護，避免了因電機過載過熱、堵轉、欠壓、輕載、斷相、三相不平衡、電機過熱（PTC）、接地等可能故障導致的生產事故，最大限度地保證設備運行的有效性與安全，MC-205 M/P10采用RS485通訊接口設計，保證了與上位機通訊的快速可靠，同時能快速響應上位機的實時查詢等要求并執行相應操作。采用帶背光高清晰度大屏幕液晶顯示，全中文系統，設置簡單方便。

4 系統功能

    本系統的功能主要包括^[5] ：

    （1）自動采集監測數據。系統可對滲壓、氣壓、滲流量、水位、水溫、降雨量等各類型的傳感器采取自動控制(自動式)和強制式(應答式)方式，可進行常規巡測、檢查巡測、定時巡測、常規選測、檢查選測和人工測量。

    （2）數據通訊。測控單元(MCU)與監測之間，監測室與控制室之間可以通過多種通訊設備實現雙向通訊功能。

    （3）數據管理與分析。系統可對監測數據進行顯示、存儲和打印，建立檔案，并實現在線處理和離線處理，還可以及時制成圖表，對工程性態進行分析。

    （4）自檢。系統具有自檢能力，即主機可顯示故障信息狀態，以便及時檢查維修。

5 結語

    從宏觀的角度來看,以攝像頭為主的水庫自動化監測系統作為一種任務型網絡和移動通訊網絡的結合,有效地將各個級別、各種用途的流域監測點組成了一個綜合網絡,獲得的信息被作為一個整體來處理,這樣可提高信息的全局性和準確性。各種信息相互支持,也拓展了監測網絡的決策應用范圍。該系統的特點是利用實時采集各被監測區域的水情數據,進行存儲、分析,利用強大的網絡功能,實現了信息通暢、資源共享,提供大量準確的水文數據,從而為各級管理部門的決策提供了可靠的科學依據。


參考文獻

[1]孫利民,李建中,陳渝,等.無線傳感器網絡[M].北京:清華大學出版社,2005.

[2]謝新民,蔣云鐘,閏繼軍,等.流域水資源實時監控管理系統研究[J].水科學進展.2003,14(3).

[3]曾凡智,李鳳保.基于GSM的網絡化傳感器系統[J].傳感器技術.2004,23(4).

[4]孫增義.水情自動測報技術基礎及其應用[M].北京:中國水利水電出版社,1999.

[5]徐立中,楊錦堂.水文自動測報系統的體系結構研究[J].河海大學學報,1998,(26)4:20-23.