(新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

北疆恰海水庫水情自動監(jiān)測報(bào)告系統(tǒng)建于2002年，投入運(yùn)行后，實(shí)現(xiàn)了水、雨數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、快速傳輸，并進(jìn)行了準(zhǔn)確的預(yù)測和計(jì)算。在蓄水、連續(xù)重大洪水和特大洪水過程中，均能及時(shí)、準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)水情，為水庫防洪調(diào)度提供了科學(xué)合理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為防洪減災(zāi)作出貢獻(xiàn)。

1 系統(tǒng)概況

北疆恰海水庫水情自動測報(bào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用SQLServer2000,采用B/S結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)基于Web方式的應(yīng)用功能，具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、系統(tǒng)配置、圖表生成等功能。建設(shè)規(guī)模為1∶6∶42，即1個(gè)中心站、6個(gè)中繼站、42個(gè)遙測水情站,系統(tǒng)由中心站、中繼站和遙測站組成，通信方式為超短波，無信道冗余。中心站負(fù)責(zé)接收遙測站傳送來的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、檢索、處理、顯示和分析，為防洪、調(diào)度提供決策依據(jù)；中繼站負(fù)責(zé)信號轉(zhuǎn)發(fā)；遙測站主要完成對水位、雨量、氣溫參數(shù)的采集、存儲，并通過超短波電臺通信設(shè)備向中繼站、中心站傳送數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)的功能和存在的問題

由于當(dāng)時(shí)通信條件和其他技術(shù)條件的限制，北疆水庫水情自動測報(bào)系統(tǒng)經(jīng)過連續(xù)12年的運(yùn)行，該系統(tǒng)存在以下問題：

a.通信信道質(zhì)量下降。隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展和人類活動的增加，特別是庫克蘇中繼站，超短波通信信道的質(zhì)量受到一定程度的影響，傳輸數(shù)據(jù)經(jīng)常丟失。

b.單數(shù)據(jù)傳輸通道。由于當(dāng)時(shí)通信技術(shù)的影響，不存在冗余信道和備份信道，影響了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，降低了系統(tǒng)的通暢率。

c.設(shè)備常年在野外使用，設(shè)備出現(xiàn)了不同程度的老化，蓄電池饋電、信號突然中斷、遙測儀數(shù)據(jù)亂碼,系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到一定的影響。

d.系統(tǒng)采用的技術(shù)和平臺由于其依賴指定版本的操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫軟件和辦公軟件，系統(tǒng)部分硬件停產(chǎn)，導(dǎo)致系統(tǒng)無法升級。

e.目前運(yùn)行數(shù)據(jù)采集、通信、數(shù)據(jù)庫存儲和預(yù)報(bào)應(yīng)用的服務(wù)器、系統(tǒng)工作站等設(shè)備運(yùn)行負(fù)擔(dān)較重。

f.系統(tǒng)軟件功能不完整，如涉及安全的身份認(rèn)證和報(bào)警功能，涉及業(yè)務(wù)應(yīng)用的水文預(yù)報(bào)功能。

g.系統(tǒng)整體的可靠性、數(shù)據(jù)傳輸暢通率、設(shè)備的可維護(hù)性、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和精度等關(guān)鍵性指標(biāo)不能完全滿足智能水情自動測報(bào)系統(tǒng)要求。

3 水情自動測報(bào)系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)

3.1 升級設(shè)計(jì)總體要求

水情監(jiān)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)需要準(zhǔn)確、及時(shí)、可靠的流域水雨情信息。作為局部改造的一部分，通過升級傳感器設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信終端設(shè)備、系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)等，對水情監(jiān)測與報(bào)告系統(tǒng)進(jìn)行升級，數(shù)據(jù)精度、數(shù)據(jù)暢通率可以達(dá)到更高的精度。該系統(tǒng)支持IEC61850標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，可以訪問控制中心的高速數(shù)據(jù)總線，與其他相關(guān)系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)，為洪水預(yù)報(bào)、防洪調(diào)度和發(fā)電調(diào)度提供科學(xué)、準(zhǔn)確、詳細(xì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)符合《水情信息編碼標(biāo)準(zhǔn)》(SL 330—2011)和《實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和標(biāo)識符標(biāo)準(zhǔn)》(SL 323—2005)。

3.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

遙測站網(wǎng)：雙通道通信網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前水文遙測系統(tǒng)的主要通信組網(wǎng)方式，也是當(dāng)前水文編碼的要求。整個(gè)遙測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用GPRS/短消息信道、北斗衛(wèi)星雙信道通信組網(wǎng)模式，各遙測站采用雙信道建設(shè)模式，各站數(shù)據(jù)通過GPRS/短消息信道和北斗衛(wèi)星模式發(fā)送到控制中心。組網(wǎng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 測站組網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

數(shù)據(jù)采集：控制中心部署數(shù)據(jù)采集軟件和設(shè)備，并根據(jù)需要配置相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)、通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等。遙測站數(shù)據(jù)通過GPRS/GSM、北斗衛(wèi)星發(fā)送到控制中心的采集服務(wù)器，并通過通信服務(wù)器傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫服務(wù)器。對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)。數(shù)據(jù)采集部分結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 水情測報(bào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集部分結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 系統(tǒng)工作體制

采用自報(bào)式工作體制。

3.4 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

3.4.1 集成性

系統(tǒng)中的每個(gè)功能模塊應(yīng)該是相對獨(dú)立的，任何功能模塊的失效都不應(yīng)導(dǎo)致其他功能模塊的失效。各功能模塊應(yīng)盡可能遵循統(tǒng)一開放的集成標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)各軟件模塊的方便集成。現(xiàn)場遙測站應(yīng)將數(shù)據(jù)采集器(RTU)、通信設(shè)備、傳感器適配器、太陽能充電裝置等集成到標(biāo)準(zhǔn)底盤中。傳感器、天線和太陽能電池板等外部設(shè)備可通過遙測終端上的標(biāo)準(zhǔn)接口(或封閉入口)進(jìn)行訪問。

3.4.2 開放性和可擴(kuò)展性

系統(tǒng)應(yīng)采用開放式技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。在硬件方面，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備應(yīng)便于交換，并為系統(tǒng)增加新設(shè)備；在軟件方面，應(yīng)便于系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的擴(kuò)展和升級。

3.4.3 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性

整個(gè)水文遙測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)應(yīng)在5min內(nèi)采集。在可靠性方面，遙測數(shù)據(jù)采集、傳輸和接收的完成率不小于95%。遙測系統(tǒng)設(shè)備MTBF≥25000h，中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)備MTBF≥35000h。在不阻塞率方面，水文遙測系統(tǒng)在規(guī)定條件下，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)采集數(shù)據(jù)時(shí)，每月平均暢通率為不小于98%。就維修性而言，MTTR的平均維修時(shí)間通常為20min。設(shè)備故障數(shù)據(jù)收集器應(yīng)該能夠在本地日志中記錄或遠(yuǎn)程提取。硬件上有不相連的點(diǎn)，便于測試和隔離故障?？墒褂迷谑袌錾腺徺I的標(biāo)準(zhǔn)電子、電氣和機(jī)械部件，以確保系統(tǒng)的長期可用性。

3.5 系統(tǒng)功能

3.5.1 遙測數(shù)據(jù)采集

能夠測量和收集以下物理量：降雨量、水位、流量、電池電壓、太陽能充電狀態(tài)、視頻數(shù)據(jù)(靜態(tài)或動態(tài)圖像)；遙測站的RTU應(yīng)支持接入符合以下接口或協(xié)議的傳感器：4-20MA、格雷碼、SDI-12、RS232、RS485、脈沖信號、頻率信號(1-2kHz)、Modbus協(xié)議；對于基本水文數(shù)據(jù)，系統(tǒng)收集的最小頻率不應(yīng)超過5min一次。

3.5.2 遙測數(shù)據(jù)傳輸

遙測站和數(shù)據(jù)中心站應(yīng)支持基于以下通信信道的數(shù)據(jù)傳輸：北斗衛(wèi)星、GPRS(中國移動通用無線分組業(yè)務(wù))、CDMA1X(中國電信寬帶業(yè)務(wù))、SMS(短消息)、VHF(超短波)、PSTN(公共電話交換網(wǎng))?；谏鲜鲂诺赖牟杉δ鼙仨氃谝粋€(gè)程序中實(shí)現(xiàn)，不能分成多個(gè)程序。

3.5.3 中央臺站的數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集軟件應(yīng)該是基于開放的模塊化設(shè)計(jì)，這樣可以方便地?cái)U(kuò)展未來可能使用的其他通信通道或協(xié)議，而不需要調(diào)整現(xiàn)有的總體結(jié)構(gòu)。配置正確的通信設(shè)備和傳輸信道，以接收由遙測站發(fā)送到中心站的原始消息。它集成了各種通信信道驅(qū)動程序和通信協(xié)議，可以與通信設(shè)備交互，解碼接收到的原始消息，獲取實(shí)際數(shù)據(jù)。具有與后臺數(shù)據(jù)庫的接口，實(shí)現(xiàn)接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)寫入后臺數(shù)據(jù)庫。遠(yuǎn)程呼叫遙測站具有當(dāng)前數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)傳輸，修改遙測站關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)，下載程序等功能。

3.5.4 遙測站的功能要求

考慮到目前的應(yīng)用和未來的擴(kuò)展，遙測站軟件應(yīng)該支持不少于10個(gè)傳感器，并且可以設(shè)置傳感器的自動采集間隔。所有收集到的數(shù)據(jù)都應(yīng)用時(shí)間刻度存儲，數(shù)據(jù)存儲的時(shí)間尺度應(yīng)與收集數(shù)據(jù)的時(shí)間尺度相同。傳感器數(shù)據(jù)可以在一定的時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)送到中心站，并且可以設(shè)置自報(bào)間隔。支持超限消息。遙測站在判斷數(shù)據(jù)傳輸失敗時(shí)，應(yīng)能將所有未成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)存儲在非易失性介質(zhì)中，等待通信信道恢復(fù)正常。必須能夠提供基于北斗衛(wèi)星的定時(shí)功能。支持RTU參數(shù)設(shè)置和通過PC、筆記本計(jì)算機(jī)或其他PDA終端進(jìn)行程序更新。

3.5.5 數(shù)據(jù)接收和處理軟件需要具備的功能

可以采集各種通信系統(tǒng)(如衛(wèi)星、超短波系統(tǒng)等)的雨水信息，檢查數(shù)據(jù)的合理性，糾正誤差，自動分類存儲在數(shù)據(jù)庫中。接收到的水文數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算并存儲在數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)庫分別建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫。統(tǒng)計(jì)不阻塞率、通信時(shí)間、原始數(shù)據(jù)和各種組合查詢；遙測站設(shè)置、故障監(jiān)測、報(bào)警和工作狀態(tài)監(jiān)測、信號減少或中斷報(bào)警；數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)存儲和安全管理；各種圖形、報(bào)表生成、顯示、打印和報(bào)表管理；用戶手動修改，輸入數(shù)據(jù)接口。

3.5.6 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)軟件要求實(shí)現(xiàn)的功能

遙測站點(diǎn)屬性的定義，每個(gè)站點(diǎn)的添加、修改、刪除，系統(tǒng)接口的定義和過濾參數(shù)的定義；數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)被查詢、檢查、手動修改(設(shè)置權(quán)限)，數(shù)據(jù)的手動輸入、插值、備份和加載等。繪制雨量條圖、等值線圖、水位流量關(guān)系曲線、水位和水庫容量曲線，并與洪水預(yù)報(bào)和水庫調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行共享。數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)備份和數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)恢復(fù)管理。

3.5.7 數(shù)據(jù)庫管理需要的功能

進(jìn)行實(shí)時(shí)遙測數(shù)據(jù)庫和雨水?dāng)?shù)據(jù)庫的選擇；進(jìn)行基于表和關(guān)鍵詞的簡單查詢；對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行添加、刪除、修改等日常維護(hù)；提供圖形人機(jī)界面，保存工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，刪除工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，備份數(shù)據(jù)庫，清除事務(wù)日志。對于人工觀測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)提供了人工觀測數(shù)據(jù)插值的接口。提供圖形人機(jī)界面，提供數(shù)據(jù)存儲程序，具有識別不合理數(shù)據(jù)和處理能力。

4 結(jié) 語

北疆恰海水庫水情自動測報(bào)系統(tǒng)在水庫防汛調(diào)度中發(fā)揮著不可替代的作用，為充分發(fā)揮水庫的防汛抗旱作用，使水庫管理人員科學(xué)調(diào)度,該測報(bào)系統(tǒng)改造在總體設(shè)計(jì)上本著綜合分析、揚(yáng)長避短、合理規(guī)劃、優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠、技術(shù)先進(jìn),并兼顧系統(tǒng)籌建運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，能夠及時(shí)準(zhǔn)確地為防汛和發(fā)電調(diào)度提供科學(xué)的依據(jù)。