肖雪峰 尹趙南

（湖南南昶水利科技有限公司 長(zhǎng)沙市 410007）

1 雨量站現(xiàn)狀

近年來(lái)，隨著傳統(tǒng)傳感器技術(shù)、通信技術(shù)及計(jì)算技術(shù)的猛速發(fā)展，雨量?jī)x器朝著自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展。各種集傳感器、嵌入式機(jī)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(cè)報(bào)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(wú)線電波、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信等。隨著中國(guó)3G技術(shù)的逐漸應(yīng)用，中國(guó)的水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)逐漸邁向智能化、網(wǎng)絡(luò)化。

我國(guó)是一個(gè)洪澇災(zāi)害頻頻發(fā)的國(guó)家，因此，國(guó)家和人民對(duì)雨量及氣象信息服務(wù)，特別是對(duì)雨量監(jiān)測(cè)、氣象信息為防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)的要求越來(lái)越高。然而我國(guó)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)報(bào)的雨量站點(diǎn)較少，量杯式、虹吸式、翻斗式雨量站使用普遍，其測(cè)量范圍及計(jì)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(zhǔn)確依據(jù)，不便實(shí)現(xiàn)水雨情測(cè)報(bào)的自動(dòng)化、信息化。

2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

高精度遙測(cè)雨量站是湖南南昶水利科技有限公司，在吸取國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)精密機(jī)械加工工藝特點(diǎn)，自主研發(fā)并制造的一款國(guó)內(nèi)率先采用微小流量計(jì)與數(shù)據(jù)采集軟件匹配組合的水文儀器。可廣泛應(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(cè)雨量信息更加方便、快捷、準(zhǔn)確、安全。產(chǎn)品技術(shù)先進(jìn)，操作簡(jiǎn)便，整機(jī)性能穩(wěn)定、有效、可靠，具有不受地理限制等優(yōu)點(diǎn)。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(guò)圖、文、聲、像等方式將采集的雨水情信息實(shí)時(shí)、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(guò)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?、電瓶底座、外窗及其拴環(huán)與鎖扣、蓄電池、太陽(yáng)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(qiáng)，讓高精度遙測(cè)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(wú)溢流、滲水現(xiàn)象，確保了遙測(cè)雨量站測(cè)量雨量數(shù)據(jù)的安全、準(zhǔn)確、有效；在承雨器中的底部設(shè)計(jì)立式的條縫式過(guò)濾罩、圓底帶孔式過(guò)濾罩的兩次過(guò)濾方式，儀器自身采用提高降雨量的雨量勢(shì)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(shì)，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(chǔ)存、發(fā)送降雨量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、有效；遙測(cè)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(jì)理念，從而達(dá)到其造成的濕潤(rùn)損失和蒸發(fā)損失較小的效果；分界時(shí)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(jì)降雨量誤差較小，正好到分界時(shí)段雨量是上一時(shí)段或上一日的量。一體化遙測(cè)雨量站記錄時(shí)間是與網(wǎng)絡(luò)時(shí)間正點(diǎn)調(diào)校，其時(shí)間的準(zhǔn)確性相對(duì)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(jì)、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(qiáng)和慣性，將導(dǎo)管中空氣排盡，使被測(cè)直管中雨水總量滿足微小流量計(jì)計(jì)量要求。微小流量計(jì)采用：二維設(shè)計(jì)、三維建模校驗(yàn)、有限元強(qiáng)度分析計(jì)算等開發(fā)手段，設(shè)計(jì)質(zhì)量高、可靠性強(qiáng)的一款適用于雨量采集的計(jì)量?jī)x器。其管道中心安裝一個(gè)小渦輪，兩邊由軸承支撐。微小流量計(jì)的轉(zhuǎn)速是通過(guò)機(jī)殼外的傳感線圈來(lái)檢測(cè)，當(dāng)流體通過(guò)管道時(shí)，使得微小流量計(jì)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(dòng)力矩旋轉(zhuǎn)，當(dāng)微小流量計(jì)的葉片切割由殼體內(nèi)永久磁鋼產(chǎn)生的磁力線時(shí)，就會(huì)引起傳感線圈中磁通變法。傳感線圈將檢測(cè)到的磁通周期變化信號(hào)送入前置放大器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、整形。從而轉(zhuǎn)化成與流速成正比的脈沖信號(hào)，送入單位轉(zhuǎn)算與流量計(jì)算電路得到、并顯示累計(jì)流量值，同時(shí)亦將脈沖信號(hào)送入頻率電流轉(zhuǎn)換電路，將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電流量，進(jìn)而指示得到瞬時(shí)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(guò)葉片的旋轉(zhuǎn)角速度得到，從而可以計(jì)算得到通過(guò)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(jí)嵌入式處理器。當(dāng)降雨發(fā)生時(shí)，遙測(cè)雨量站由于雨水流量的變化，影響輸出模擬電流信號(hào)放大濾波后，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換至處理器。處理器將電流信號(hào)處理成雨量數(shù)據(jù)信號(hào)，定時(shí)通過(guò)GPRS模塊發(fā)送至數(shù)據(jù)中心。在現(xiàn)場(chǎng)可通過(guò)按鍵選擇進(jìn)行時(shí)間、參數(shù)的設(shè)置，并可觀測(cè)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(chǔ)器的控制器、LCD控制器、3通道UART、2通道SPI接口、USB主機(jī)和設(shè)備接口、ADC和觸摸屏接口、定時(shí)器等多種資源。

2.4 通信模塊

高精度遙測(cè)雨量站系統(tǒng)傳輸功能主要是通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)將雨量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至雨量監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器，服務(wù)器通過(guò)運(yùn)行Java程序?qū)崿F(xiàn)軟件解析、并顯示GPRS遠(yuǎn)程傳輸?shù)膶?shí)時(shí)雨量信息。

3 高精度雨量站工作原理

當(dāng)下雨時(shí)，雨水進(jìn)入承雨器，雨水經(jīng)過(guò)承雨器中的立式過(guò)濾罩后，再經(jīng)過(guò)承雨器底部的導(dǎo)出管套和過(guò)濾元件進(jìn)入接雨器，雨水到達(dá)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(dá)到遙測(cè)雨量站設(shè)計(jì)測(cè)量要求時(shí)，浮球?qū)⒆詣?dòng)發(fā)出一個(gè)開關(guān)信號(hào)，開關(guān)信號(hào)經(jīng)繼電器迅速傳達(dá)到電磁通斷閥，電磁通斷閥瞬時(shí)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(shí)下降，當(dāng)雨水下降的同時(shí)，浮球也隨雨水的下降而下降，當(dāng)浮球下降到遙測(cè)雨量站設(shè)計(jì)測(cè)量要求時(shí)，浮球?qū)⒆詣?dòng)發(fā)出一個(gè)開關(guān)信號(hào)，開關(guān)信號(hào)經(jīng)繼電器迅速傳達(dá)到電磁通斷閥，電磁通斷閥將瞬時(shí)關(guān)閉。雨水排出電磁通斷閥后進(jìn)入排氣器，排氣器的排氣管道瞬時(shí)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(wú)氣體流入雨水導(dǎo)管，雨水經(jīng)雨水導(dǎo)管流入測(cè)流導(dǎo)管，雨水進(jìn)入測(cè)流導(dǎo)管后依次通過(guò)立式排氣器和微小流量計(jì)，立式排氣器瞬時(shí)將其自身、雨水導(dǎo)管、測(cè)流導(dǎo)管與帶絲直接中的空氣排出，雨水滿管、無(wú)氣體流入微小流量計(jì)，微小流量計(jì)開始迅速采集、計(jì)量、累計(jì)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(guò)微小流量計(jì)計(jì)量后，再經(jīng)微小流量計(jì)后側(cè)的測(cè)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(jì)按照設(shè)計(jì)計(jì)量降雨量要求完成此次降雨量計(jì)量。儀器按設(shè)定時(shí)間間隔自動(dòng)采集、存貯雨量數(shù)據(jù)。其存貯的雨量數(shù)據(jù)通過(guò)防水屏蔽通信電纜將雨量數(shù)據(jù)傳輸至遙測(cè)遙測(cè)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(cè)的的雨量信息安全、準(zhǔn)確、有效地發(fā)送、傳輸?shù)街鞴懿块T指定的接收平臺(tái)。該產(chǎn)品測(cè)量范圍更廣、更精準(zhǔn)。技術(shù)含量高，通過(guò)圖、文、聲、像等方式將所采集的雨水情信息，實(shí)時(shí)、直觀、快速的展示出來(lái)，并對(duì)采集到的信息實(shí)時(shí)監(jiān)視、報(bào)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(xiǎn)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(duì)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(diǎn)總結(jié)及測(cè)試結(jié)果

（1）計(jì)量系統(tǒng)采用微小流量計(jì)。將設(shè)計(jì)測(cè)量誤差從±4%減少到±2%，設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度從4 mm/min提高到12 mm/min，測(cè)量誤差提高50%。更適應(yīng)強(qiáng)將雨量監(jiān)測(cè)的應(yīng)用需求。

（2）采用兩次過(guò)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(jì)計(jì)量準(zhǔn)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(qiáng)和慣性。將導(dǎo)管中空氣排盡，使得被測(cè)直管雨水滿管經(jīng)過(guò)微小流量計(jì)。從而改變傳統(tǒng)雨量計(jì)出現(xiàn)排空不徹底、空翻、不翻的測(cè)量值偏大或偏小現(xiàn)象。計(jì)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(jí)嵌入式處理器，以實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為軟件支撐平臺(tái)，超大內(nèi)存，內(nèi)嵌自主知識(shí)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(yuǎn)在線，多種協(xié)議轉(zhuǎn)換的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量控制的用戶，產(chǎn)品支持語(yǔ)音，短信，數(shù)據(jù)觸發(fā)上線以及超時(shí)自動(dòng)斷線的功能。同時(shí)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(jì)量功能需求，包括信號(hào)調(diào)理模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊，處理控制模塊及GPRS無(wú)線傳輸模塊等。采用S3C2440核心板和擴(kuò)展板進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，創(chuàng)建了雨量器的硬件控制平臺(tái)。

（6）在控制器平臺(tái)上根據(jù)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)了啟動(dòng)引導(dǎo)程序、LINUX操作系統(tǒng)程序，完成雨量器軟件運(yùn)行平臺(tái)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(shí)產(chǎn)權(quán)的TCP/IP協(xié)議棧。

（7）通過(guò)對(duì)雨量器整體系統(tǒng)功能的分析和設(shè)計(jì)，運(yùn)用多線編程和SOCKET網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了遙測(cè)雨量站多項(xiàng)任務(wù)與功能的同時(shí)執(zhí)行，包括雨量的實(shí)時(shí)采集、控制器數(shù)據(jù)處理與傳輸、人機(jī)交互界面、GPRS撥號(hào)上網(wǎng)并與服務(wù)器建立連接。

（8）遙測(cè)雨量站測(cè)試結(jié)果顯示表明：其消除了量杯式、虹吸式、翻斗式雨量計(jì)使用計(jì)量時(shí)所帶來(lái)的系統(tǒng)誤差。真正實(shí)現(xiàn)了降雨量的自動(dòng)化、科學(xué)化的測(cè)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(zhǔn)確用圖、文、像等方式實(shí)時(shí)、直觀、準(zhǔn)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(jìn)，操作簡(jiǎn)便，整機(jī)性能可靠，具有不受地理限制、穩(wěn)定、有效、可靠等優(yōu)點(diǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

基于目前雨量站的現(xiàn)狀，我國(guó)水利、水文、氣象行業(yè)急需高精度雨量站。為國(guó)家防汛抗旱、水利工程建設(shè)、水資源管理、水環(huán)境保護(hù)及與水有關(guān)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展等方面提供相對(duì)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。使其發(fā)揮更加重要的作用，提高社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。本文僅就雨量站中國(guó)現(xiàn)狀及高精度遙測(cè)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(xiàng)目管理培訓(xùn)班在長(zhǎng)沙開班

短 訊

為進(jìn)一步加強(qiáng)湖南省水利科技項(xiàng)目管理，規(guī)范項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)使用，10月26日，湖南省水利科技項(xiàng)目管理培訓(xùn)班在長(zhǎng)沙舉辦。水利廳機(jī)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(cái)務(wù)工作負(fù)責(zé)人和重大水利科技項(xiàng)目負(fù)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(xiàng)目管理常見問(wèn)題解讀”、“科技項(xiàng)目資金管理新政改革及實(shí)務(wù)”兩個(gè)課程，由廳水利科技項(xiàng)目管理人員及國(guó)家科技部財(cái)務(wù)檢查專家分別講授。培訓(xùn)課程緊扣主題，聯(lián)系實(shí)際，重點(diǎn)解讀了省委省政府辦公廳2017年出臺(tái)的完善科技經(jīng)費(fèi)管理、激發(fā)創(chuàng)新活力的最新政策，對(duì)湖南省水利科技項(xiàng)目申報(bào)、立項(xiàng)、實(shí)施、結(jié)題驗(yàn)收過(guò)程中遇到的常見問(wèn)題進(jìn)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(shí)準(zhǔn)確掌握科技創(chuàng)新政策，進(jìn)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