何銳

（柳州市自動(dòng)化科學(xué)研究所，廣西 柳州 545001）

【摘 要】文章闡述了水庫(kù)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與安全預(yù)警信息化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)思路。系統(tǒng)運(yùn)用自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、3G通信、電子地圖（GIS）等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)視頻監(jiān)控、水位和雨量數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，通過(guò)3G無(wú)線通信技術(shù)，把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至水庫(kù)監(jiān)測(cè)管理中心，通過(guò)電子地圖等形式把數(shù)據(jù)表征出來(lái)，自動(dòng)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)和預(yù)警，給管理者提供科學(xué)的決策依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】水庫(kù)安全；GIS；MapX；3G通信；水庫(kù)視頻監(jiān)控

【中圖分類號(hào)】TV697 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2016）03-0029-04

0 引言

水庫(kù)作為一種具有防汛防洪抗旱、農(nóng)業(yè)灌溉、供水、漁業(yè)等功能的重要水利建筑，大部分坐落在偏遠(yuǎn)山區(qū)，分布范圍廣、交通不便。目前，水庫(kù)主要存在以下問(wèn)題：①工程存在著不同程度的險(xiǎn)患；②水庫(kù)的位移、滲漏、水位、水質(zhì)等沒(méi)有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)信息的采集，全部靠人工觀測(cè)，容易造成讀數(shù)或觀測(cè)不夠準(zhǔn)確，無(wú)法及時(shí)監(jiān)控；③沒(méi)有計(jì)算機(jī)信息化、網(wǎng)絡(luò)化管理，沒(méi)有建立水文、水庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)，無(wú)法利用現(xiàn)代化技術(shù)對(duì)各個(gè)水庫(kù)進(jìn)行科學(xué)的管理；④各個(gè)水庫(kù)分部廣，距離遠(yuǎn)，工程技術(shù)人員有限，只能輪流查看各個(gè)水庫(kù)，無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)有病險(xiǎn)的水庫(kù)；⑤各個(gè)水庫(kù)沒(méi)有聯(lián)網(wǎng)，無(wú)法將數(shù)據(jù)及時(shí)傳送到水利信息中心，無(wú)法集中管理水庫(kù)，信息未共享，無(wú)法為汛期的防洪調(diào)度工作提供科學(xué)有效的決策依據(jù)。近年來(lái)，極端災(zāi)害性天氣事件呈頻發(fā)多發(fā)態(tài)勢(shì)，具體表現(xiàn)為暴雨多，降雨量特別大，歷時(shí)較短，周期頻繁，來(lái)勢(shì)猛，使得水庫(kù)安全受到了嚴(yán)重威脅。利用3G通信、GIS、自動(dòng)化控制等技術(shù)，可以對(duì)水庫(kù)水位、雨量、視頻等關(guān)鍵數(shù)據(jù)自動(dòng)實(shí)時(shí)采集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為防洪調(diào)度、防災(zāi)應(yīng)急指揮提供數(shù)據(jù)依據(jù)。因此，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)安全動(dòng)態(tài)監(jiān)控、科學(xué)高效管理，成為擺在我們面前的重要課題。

1 系統(tǒng)分析

1.1 開(kāi)發(fā)工具選擇

前臺(tái)開(kāi)發(fā)工具使用Powerbuilder10.5。數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（DBMS）采用Microsoft的SQLServer2005中文企業(yè)版。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、電子地圖系統(tǒng)、信息化管理系統(tǒng)4個(gè)子系統(tǒng)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

每個(gè)水庫(kù)的放水塔分別安裝雨量監(jiān)測(cè)點(diǎn)和水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

（1）測(cè)量雨量采用翻斗式雨量計(jì)，計(jì)量翻斗翻動(dòng)一次為0.5 mm降水量，計(jì)數(shù)翻斗翻轉(zhuǎn)一次，則開(kāi)關(guān)閉合一次，送出一個(gè)信號(hào)，根據(jù)一定間隔時(shí)間送出的信號(hào)計(jì)算得出降雨量。

（2）測(cè)量水位采用浮子式和壓力式水位計(jì)，需要根據(jù)水庫(kù)實(shí)際情況來(lái)選擇水位計(jì)的類型。

浮子式水位計(jì)：它的原理是由浮子感應(yīng)水位的升降，把浮子提供的轉(zhuǎn)角量轉(zhuǎn)換成增量電脈沖或二進(jìn)制編碼脈沖（格雷碼），然后換算成實(shí)際的水位值。

投入式壓力式水位計(jì)：投入式液位傳感器的傳感頭投入被測(cè)液體內(nèi)，基于所測(cè)液體靜壓與該液體的高度成比例的原理，將靜壓轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償和線性修正，轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，換算成水位值。

數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程傳輸由PLC、485轉(zhuǎn)以太網(wǎng)串口轉(zhuǎn)換器和3G路由器3個(gè)部分組成，PLC把采集到的雨量和水位值進(jìn)行保存與處理，然后通過(guò)485接口與485轉(zhuǎn)以太網(wǎng)串口轉(zhuǎn)換器通信，最后由3G無(wú)線路由將數(shù)據(jù)由internet發(fā)送到服務(wù)器（如圖3所示）。

2.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)主要由攝像部分、遠(yuǎn)程傳輸部分組成。攝像部分包含彩色攝像一體機(jī)（含有三可變焦鏡頭）﹑室外全方位云臺(tái)、防塵罩等；遠(yuǎn)程傳輸部分包含3G無(wú)線路由及3G無(wú)線上網(wǎng)卡等。攝像部分（前端設(shè)備）將獲取的視頻信息（光信號(hào)）轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)視頻線纜將各組信號(hào)輸出到指定的視頻服務(wù)器上，再由視頻服務(wù)器通過(guò)3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)把視頻圖像傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

系統(tǒng)接收上位機(jī)傳送過(guò)來(lái)的水庫(kù)視頻數(shù)據(jù)，按2×2、3×3、4×4等畫(huà)面分割模式來(lái)顯示，每個(gè)視頻畫(huà)面可放大、縮小、變倍和聚焦、攝像頭360°轉(zhuǎn)動(dòng)，視頻畫(huà)面可顯示水庫(kù)當(dāng)前水位、雨量、庫(kù)容等信息。還有水位預(yù)警警示燈，如有水庫(kù)險(xiǎn)情，警示燈會(huì)重復(fù)閃爍提示（如圖4所示）。

2.3 電子地圖系統(tǒng)

電子地圖采用Mapinfo的MapX5。系統(tǒng)首先從數(shù)據(jù)庫(kù)里的水庫(kù)特性表獲取基礎(chǔ)信息（例如水庫(kù)高程、經(jīng)度和緯度），然后在電子地圖上創(chuàng)建臨時(shí)動(dòng)畫(huà)圖層，在此圖層上動(dòng)態(tài)創(chuàng)建水庫(kù)圖元[1]。以下是部分實(shí)現(xiàn)代碼。

（1）加載電子地圖文件。

ole_map.object.GeoSet="maps/lz_map.gst"

（2）創(chuàng)建地圖臨時(shí)圖層，動(dòng)態(tài)創(chuàng)建的水庫(kù)圖元在此臨時(shí)圖層上。

//lyr，LayerInfo為圖層變量

lyr=ole_map.object.Layers.Add（LayerInfo，1）

ole_map.object.Layers.AnimationLayer = lyr

（3）從數(shù)據(jù)庫(kù)讀取水庫(kù)坐標(biāo)（經(jīng)緯度）來(lái)動(dòng)態(tài)創(chuàng)建水庫(kù)圖元。

oleobjectlole_lyr，lole_ftr，lole_pt，lole_sty，lole_newftr

//ldbl_x和ldbl_y即水庫(kù)的X、Y坐標(biāo)

lole_pt=Create OleObject

lole_pt.ConnectToNewObject（"Mapx.point.5"）//創(chuàng)建圖元

lole_pt.Set（ldbl_x，ldbl_y） //設(shè)置圖元坐標(biāo)

lole_sty = Create OleObject

lole_sty.ConnectToNewObject（"Mapx.style.5"）

//創(chuàng)建圖元風(fēng)格

lole_ftr=ole_map.object.featurefactory.Create-

Symbol（lole_pt，lole_sty）

lole_newftr = lole_lyr.addfeature（lole_ftr）

lole_lyr.BeginAccess （1）

lole_newftr.update（） //更新圖層，顯示創(chuàng)建的圖元

lole_lyr.EndAccess （0）

（4）當(dāng)水庫(kù)水位超過(guò)水位報(bào)警定義的上、下限數(shù)值，觸發(fā)timer事件，動(dòng)態(tài)改變水庫(kù)圖元的大小和顏色，達(dá)到閃爍預(yù)警效果。

//lole_newftr為水庫(kù)圖元

//動(dòng)態(tài)改變圖元大小

lole_newftr.Style.SymbolFont.Size=10

//改變圖元顏色

lole_newftr.Style.SymbolFontColor=rgb（255，

0，0）

//更新圖元

lole_newftr.update

當(dāng)鼠標(biāo)移動(dòng)到或者單擊水庫(kù)圖元時(shí)，打開(kāi)水庫(kù)信息屬性窗口（以梯形截面圖顯示水位、庫(kù)容、工程特性等信息）。

通過(guò)水庫(kù)名稱查詢時(shí)，可直接定位水庫(kù)在地圖所在位置，然后打開(kāi)水庫(kù)屬性窗口。

支持鷹眼功能，即提供地圖縮略圖，便于快速到達(dá)要查看的區(qū)域，讓使用者更加清楚目前所瀏覽的區(qū)域在整個(gè)地圖中所處的位置；地圖具有可平滑放大、縮小、移動(dòng)的功能[1]。

當(dāng)水庫(kù)發(fā)生險(xiǎn)情時(shí)（例如超過(guò)警戒水位條件時(shí)），地圖上對(duì)應(yīng)的水庫(kù)圖元以重復(fù)閃爍的形式來(lái)預(yù)警（設(shè)置Timer，定時(shí)改變圖元的樣式和大小來(lái)達(dá)到閃爍提示效果；如圖5所示）。

2.4 信息化管理系統(tǒng)

（1）水雨情數(shù)據(jù)接收。接收水庫(kù)水位計(jì)和雨量計(jì)（精度為0.5 mm）發(fā)送的數(shù)據(jù)。原始數(shù)據(jù)先由PLC采取主動(dòng)方式發(fā)送到服務(wù)器，然后再轉(zhuǎn)發(fā)到客戶端。

（2）水庫(kù)信息瀏覽。用梯形圖顯示水庫(kù)當(dāng)前水位和當(dāng)前庫(kù)容；用標(biāo)尺形式標(biāo)識(shí)死水位、正常水位、超汛限水位、警戒水位。每一段水位標(biāo)尺的顏色表示不同的警戒水位段，并可由用戶根據(jù)實(shí)際情況自定義，水位到達(dá)水位標(biāo)尺相應(yīng)的區(qū)段時(shí)，顯示對(duì)應(yīng)的顏色。

（3）水位、雨量查詢統(tǒng)計(jì)。提供多種統(tǒng)計(jì)查詢方式查詢水庫(kù)歷史水位和雨量變化曲線圖，可以按分鐘、小時(shí)、天、月、季度顯示雨量歷史曲線圖，查看雨量變化趨勢(shì)。

（4）水庫(kù)報(bào)警提示。提供雨量和水位的實(shí)時(shí)報(bào)警功能，雨量和水位超過(guò)警戒區(qū)間時(shí)，可通過(guò)水位梯形圖、電子地圖或者視頻監(jiān)控界面以重復(fù)閃爍的圖元來(lái)提示。

（5）水庫(kù)特性表。登記水庫(kù)的水庫(kù)類型、工程概況、主要存在問(wèn)題、樞紐水文特征、工程效益指標(biāo)等信息，以備查詢。

（6）預(yù)警設(shè)置?？梢栽O(shè)置水庫(kù)的水位區(qū)間報(bào)警上、下限數(shù)值，同時(shí)可以修改各個(gè)區(qū)間的報(bào)警顏色，設(shè)置是否在監(jiān)控界面閃爍。

（7）安全管理。對(duì)系統(tǒng)用戶進(jìn)行添加、刪除、編輯、權(quán)限分配管理。

（8）數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)。對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行備份和恢復(fù)，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行崩潰或者異常時(shí)，可用備份恢復(fù)到數(shù)據(jù)庫(kù)異常前的狀態(tài)。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，該系統(tǒng)已成功在廣西柳州市的拉達(dá)、馬步、三合、龍母、泗濰河、石頭灣、銅鼓嶺、大龍、峨侶、獨(dú)山、安樂(lè)、吉兆、堯山13個(gè)大中型水庫(kù)示范應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了水庫(kù)之間的信息聯(lián)網(wǎng)和共享，水雨情數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集存儲(chǔ)、預(yù)警和統(tǒng)計(jì)分析，為水利部門提供實(shí)時(shí)和直觀的水情、工情圖像信息，達(dá)到水庫(kù)科學(xué)、高效管理的目的，確保了水庫(kù)工程安全。該系統(tǒng)簡(jiǎn)潔易用，實(shí)施成本低，有良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益和推廣前景。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]柏寶華.基于MapX技術(shù)的地理信息系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)實(shí)例[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[2]王梅君.PowerBuilder基礎(chǔ)類庫(kù)技術(shù)詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[3]（美）Bob Beauchemin.SQLSERVER2005開(kāi)發(fā)者指南[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]