莊 冬

一、水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)背景

我國(guó)的水資源基本情況是人多水少、水資源時(shí)空分布不均勻，南多北少，生產(chǎn)力布局和水土資源分布不匹配，供需矛盾尖銳，缺口很大?；谖覈?guó)水資源的現(xiàn)狀，國(guó)務(wù)院出臺(tái)了《關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見(jiàn)》，旨在通過(guò)強(qiáng)化用水定額管理來(lái)提高用水效率，節(jié)約水資源。落后的人工抄表管理模式顯然不能滿足當(dāng)前水資源管理的要求，而且存在種種管理上的弊端，如抄表不到位、私自修改用水量、人情抄表等情況。針對(duì)這種管理模式上的弊端，利用信息化手段，遠(yuǎn)程對(duì)取水現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量設(shè)施的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、存儲(chǔ)、分析，不僅可以將數(shù)據(jù)直觀地呈現(xiàn)在管理者面前，而且可以節(jié)省大量人力資源、提高效率、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理。實(shí)現(xiàn)這種自動(dòng)化的水資源管理模式的關(guān)鍵在于水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建。

二、水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理

水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和水資源展示系統(tǒng)兩部分組成。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括：取水計(jì)量設(shè)施、遠(yuǎn)程終端單元（RTU）、數(shù)據(jù)傳輸單元（DTU）等設(shè)備。遠(yuǎn)程終端單元通過(guò)RS485接口與取水計(jì)量設(shè)施連接，然后根據(jù)取水計(jì)量設(shè)施的通訊協(xié)議對(duì)取水計(jì)量設(shè)施的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取并存儲(chǔ)。最后，數(shù)據(jù)傳輸單元會(huì)以一定的時(shí)間間隔將遠(yuǎn)程終端單元中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸至中心平臺(tái)。

水資源展示平臺(tái)：對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲(chǔ)，然后以直觀的方式將分析整理后的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在管理者面前。

三、水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

1.數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是獲得第一手?jǐn)?shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙測(cè)的基本條件。數(shù)據(jù)采集通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取水實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)，其主要由取水計(jì)量設(shè)施和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備組成，通過(guò)實(shí)時(shí)在線方式監(jiān)測(cè)各個(gè)取水點(diǎn)取水情況，并將實(shí)時(shí)水量信息通過(guò)GPRS/GSM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至水資源中心服務(wù)器。現(xiàn)場(chǎng)取水實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

取水計(jì)量設(shè)施由流量計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)采集顯示儀表構(gòu)成。其中，取水計(jì)量設(shè)施需要具備數(shù)據(jù)傳輸模塊，常見(jiàn)的有兩種信息獲取方式。

（1）具備RS232/485智能數(shù)字端口

采用雙絞屏蔽線連接RTU與現(xiàn)場(chǎng)采集顯示儀表，通過(guò)RS-485智能端口讀取取水計(jì)量設(shè)施的內(nèi)置數(shù)據(jù)。

（2）具備HART信號(hào)端口

對(duì)于不具備RS-485智能數(shù)字端口但是帶有HART輸出信號(hào)接口的取水計(jì)量設(shè)施，可通過(guò)“HART-RS485協(xié)議轉(zhuǎn)換器”來(lái)實(shí)現(xiàn)RS485信號(hào)輸出，以讀取取水計(jì)量設(shè)施的內(nèi)置數(shù)據(jù)。

2.數(shù)據(jù)傳輸

水資源監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)的信息采集站點(diǎn)通常分布于廣大分散的區(qū)域且傳輸?shù)男畔⒘髁勘容^小，因此優(yōu)先選擇公共移動(dòng)通信方式。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)與中心平臺(tái)數(shù)據(jù)采集軟件建立有效連接后，實(shí)時(shí)水量數(shù)據(jù)包便可經(jīng)由公網(wǎng)（Internet）專線轉(zhuǎn)發(fā)至中心平臺(tái)。

3.數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理是管理水資源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的軟件平臺(tái)，面向各級(jí)數(shù)據(jù)用戶提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)。其內(nèi)容主要包括水資源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的更新維護(hù)管理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理代碼維護(hù)、數(shù)據(jù)庫(kù)安全管理、數(shù)據(jù)庫(kù)備份恢復(fù)、提供外部系統(tǒng)對(duì)水資源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)的交互訪問(wèn)接口等。數(shù)據(jù)管理對(duì)各個(gè)取水點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，將分析整理后的數(shù)據(jù)以直觀的方式展現(xiàn)在管理者的面前。

四、水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)

1.精確性

數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性是整個(gè)水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。為此，現(xiàn)場(chǎng)的取水計(jì)量設(shè)施選取計(jì)量精度較高的流量計(jì)儀表，在傳輸過(guò)程中采用數(shù)字信號(hào)傳輸，在每個(gè)環(huán)節(jié)都要確保數(shù)據(jù)的不失真，真正實(shí)現(xiàn)零誤差遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。通過(guò)以下幾點(diǎn)的努力來(lái)實(shí)現(xiàn)：（1）在數(shù)據(jù)采集層，數(shù)據(jù)采集使用數(shù)字信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)RTU固態(tài)存儲(chǔ)，確保采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。（2）在數(shù)據(jù)傳輸層，對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)遠(yuǎn)程接收數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行定期核對(duì)，確保數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的準(zhǔn)確性。（3）在業(yè)務(wù)應(yīng)用層，對(duì)數(shù)據(jù)處理進(jìn)行科學(xué)論證，確保應(yīng)用數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.安全性

圖1 現(xiàn)場(chǎng)取水實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的安全性是整個(gè)水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的保障。系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)的目標(biāo)是保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全，并在系統(tǒng)遇到故障時(shí)，能夠有效地避免信息丟失和破壞，并盡快恢復(fù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。系統(tǒng)安全需做以下幾個(gè)方面：（1）系統(tǒng)的物理安全防護(hù)。物理安全包括電源供給、物理路由、通信手段、電磁干擾屏蔽、避雷等安全保護(hù)措施。（2）網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的安全防護(hù)。網(wǎng)絡(luò)安全主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的安全、網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的安全、用戶網(wǎng)絡(luò)的安全、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的安全和病毒防護(hù)。（3）數(shù)據(jù)安全的防護(hù)。數(shù)據(jù)安全包括數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)、訪問(wèn)、處理的安全以及數(shù)據(jù)的災(zāi)難備份。（4）系統(tǒng)與資源的訪問(wèn)控制與認(rèn)證。系統(tǒng)與資源的訪問(wèn)控制與認(rèn)證包括公網(wǎng)與專網(wǎng)之間的隔離與交換，資源的訪問(wèn)控制等防護(hù)措施。

3.時(shí)效性

數(shù)據(jù)的時(shí)效性是整個(gè)水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)。水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅監(jiān)測(cè)用水戶取水的累積取水量，還監(jiān)測(cè)其瞬時(shí)取水量，因此對(duì)取水計(jì)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)效性有著較高的要求。采集時(shí)間周期設(shè)置可調(diào)，正常使用時(shí)，最小采集周期為1h，最大周期為一周。另外，具備召測(cè)功能，急要數(shù)據(jù)可隨時(shí)采集，10min內(nèi)數(shù)據(jù)落地。

4.可擴(kuò)展性

系統(tǒng)的可擴(kuò)展性決定水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不斷完善。系統(tǒng)具有一定的可擴(kuò)充性，方便對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)、完善和升級(jí)，提供外部接口，以便于系統(tǒng)的集成，達(dá)到提高系統(tǒng)生命力、延長(zhǎng)系統(tǒng)生命周期的目的。

著眼于未來(lái)水資源監(jiān)測(cè)能力建設(shè)的發(fā)展，各取用水戶數(shù)量將會(huì)有很大的增長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模和傳輸能力也有更進(jìn)一步的要求，為了避免數(shù)據(jù)量大造成網(wǎng)絡(luò)擁塞和不必要的重復(fù)投資，選取總體樹(shù)形的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)。未來(lái)容量擴(kuò)充，可增加中間服務(wù)器，采用級(jí)聯(lián)方式擴(kuò)充容量，提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力。傳輸方案的主信道預(yù)留可擴(kuò)充傳輸能力，滿足未來(lái)幾十年的發(fā)展需要。

五、水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)用性

1.水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使管理更便捷

水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)水資源的實(shí)時(shí)流量和歷史流量等水量信息的統(tǒng)一管理。其報(bào)表生成功能，能夠以報(bào)表形式分地區(qū)、分時(shí)段和分用水類型統(tǒng)計(jì)出取水點(diǎn)水量信息?？砂粗芷谛裕ㄈ铡⒃?、年）報(bào)表統(tǒng)計(jì)某取水戶或取水點(diǎn)的取水信息，也可指定時(shí)間段生成取水量報(bào)表，有利于用戶進(jìn)行取水量的綜合統(tǒng)計(jì)分析。另外，系統(tǒng)還具備數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)的可視化表達(dá)、空間輔助決策、故障報(bào)警診斷、運(yùn)行狀況遠(yuǎn)程跟蹤、遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)出錯(cuò)追溯、補(bǔ)漏計(jì)量以及數(shù)據(jù)共享互聯(lián)等功能。

水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有良好的人機(jī)用戶界面，界面風(fēng)格符合水資源業(yè)務(wù)習(xí)慣，按功能模塊來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)界面布局，做到整體統(tǒng)一。功能設(shè)計(jì)無(wú)論是文本部分還是圖形部分都從實(shí)用的角度出發(fā)，做到形象直觀，操作方便。操作流程應(yīng)盡可能地簡(jiǎn)單實(shí)用，并提供完善的聯(lián)機(jī)幫助和規(guī)范的術(shù)語(yǔ)提示。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息要有基于地理信息系統(tǒng)、概化圖、過(guò)程線、直方圖、餅圖、表格等多種展示方式。

2.水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)帶來(lái)的效益

（1）規(guī)范管理

水資源取用水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)將有效增加水資源費(fèi)的征收力度，規(guī)范水資源管理，提高人們的節(jié)水意識(shí)。可以有效緩解由于缺水給工農(nóng)業(yè)帶來(lái)的巨大損失，經(jīng)濟(jì)效益巨大。

（2）指導(dǎo)決策

以水資源緊缺、水土流失嚴(yán)重為特征的水問(wèn)題已制約了水資源的可持續(xù)利用，關(guān)系到經(jīng)濟(jì)發(fā)展與布局、關(guān)系到人民生活水平的提高和經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)可以為政策制定和水資源的優(yōu)化調(diào)度提供依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)減少水資源浪費(fèi)，合理配置生活、生態(tài)和工農(nóng)業(yè)用水的目標(biāo)，加強(qiáng)水資源的調(diào)控能力，提高水資源可持續(xù)利用水平。通過(guò)水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)提供的技術(shù)服務(wù)，可以及時(shí)了解全局的水資源信息，從整體上把握水利行業(yè)在水資源開(kāi)發(fā)利用、節(jié)約保護(hù)、優(yōu)化配置等工作的發(fā)展動(dòng)態(tài)，提高工作效率與決策水平，對(duì)提高水利行業(yè)的整體管理水平具有極大的促進(jìn)作用。

（3）促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展

水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)增加可供水量、提高水資源的利用率、改善生態(tài)環(huán)境的目標(biāo)，為通過(guò)水資源的有效利用促進(jìn)環(huán)境逐步改善、生態(tài)逐步恢復(fù)的國(guó)家生態(tài)發(fā)展規(guī)劃提供有力支撐。過(guò)去，由于水資源管理缺乏統(tǒng)一的現(xiàn)代化技術(shù)，各自為政，在實(shí)行計(jì)劃供水和節(jié)約用水時(shí)缺乏必要的科學(xué)化、定量化管理手段，存在大水漫灌、無(wú)序引水、無(wú)度引水等現(xiàn)象。通過(guò)水資源管理系統(tǒng)建設(shè)，加強(qiáng)水資源統(tǒng)一管理，通過(guò)水資源的合理配置，緩解因水資源短缺引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題。

六、小結(jié)

隨著水利信息化的發(fā)展，水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)變得不可或缺。其在水資源的管理、優(yōu)化配置方面扮演著不可替代的角色。本文基于實(shí)踐的基礎(chǔ)上整理了水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)的一些經(jīng)驗(yàn)。水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)踐的過(guò)程中還會(huì)不斷改進(jìn)，使其能夠促進(jìn)水資源的可持續(xù)利用。通過(guò)現(xiàn)代科技手段更好地為水利行業(yè)服務(wù)，使水資源的管理更加科學(xué)、有效