于桥水库水文自动测报系统可靠性设计

2011-02-28王鸿雁卢小伶谢雪涛

水科学与工程技术 2011年1期

关键词：中继站水情测报

王鸿雁，卢小伶，谢雪涛

（天津市引滦工程于桥水库管理处，天津 301900）

于桥水库水文自动测报系统可靠性设计

王鸿雁，卢小伶，谢雪涛

（天津市引滦工程于桥水库管理处，天津 301900）

水文自动测报系统是涉及水文遥测、通信、计算机和网络等学科的一门先进技术，是实现水文现代化的重要手段。该文在分析水文自动测报系统可靠性有关概念的基础上，从总体、仪器、防雷、软件等方面总结了于桥水库水文自动测报系统的可靠性设计经验，为更好地服务于水利工作提供了参考。

水文自动测报系统；可靠性；设计

于桥水库水文自动测报系统始建于1985年，是由南京市水利水文自动化研究所与于桥水库管理处协作研制。在十几年的运行和使用中，对该系统进行了多次更新改造，系统功能不断增加和完善，应用上更加广泛、便利、有效，在防洪与水情调度中发挥了积极作用。

于桥水库水文自动测报系统由1个中心站、1个中继站、13个遥测站组成，分布在蓟县至河北省遵化市境内，最远的遥测站距中心站63km。遥测站和中继站的仪器设备大多设置在荒郊野外，处在无人值守、交通不便、气候条件差、电磁辐射严重的情况下，而担负着水文信息采集的设备本身又是相对脆弱的电子产品，因此可靠性是水文自动测报系统设计的关键课题之一。

1 可靠性的含义及其指标

1.1 含义

系统可靠性是指系统在规定条件下和规定时间内，实现规定功能的能力，是对系统可靠性的定性评价。影响系统可靠性的因素很多，一般来说，有系统设计中的缺陷、电源系统、数据通道、电磁辐射的干扰及温度、湿度等因素。

1.2 指标

广义上的可靠性指标可以引用分散型工业控制系统的RAS来表示，其中R是可靠性（Reliability），A为可用性（Availability），S为可维修性（Serviceability）。

1.3 可靠性指标的确定

RAS指标严格意义上讲都是随机变量，与系统元器件、原材料、设计及组装、现场土建、安装调试、运行维护及现场环境等因素有关，因此只能用概率统计方法进行研究。从RAS指标来分析，影响于桥水库水文自动测报系统可靠性的因素主要来自以下几个方面：

（1）外部干扰与作用。包括各种电磁干扰、高低温及温度变化、潮湿、振动、灰尘、水滴等。

（2）内部干扰。包括工作时发热，各电路间电磁耦合，特别是各地线间的干扰等。

（3）各集成电路及材料老化。

（4）厂家的技术实力、管理水平及售后服务方式。

（5）软件的稳定性。

2 于桥水库水文自动测报系统可靠性设计

系统可靠性措施，即研究在设计阶段如何预测和预防各种可能发生的故障和隐患。水文自动测报系统的可靠性包含系统的可靠性和设备的可靠性。遥测站一般处于偏远地区且分散，维护起来很不方便，需要长期在无人值守的环境下工作，因此在系统设计环节的可靠性尤为重要。

2.1 选择有效的通信组网方式

水文自动测报系统的通信方式有卫星通信、超短波通信和GSM/GPRS通信等。采用超短波通信是目前在水文自动测报系统中应用最多的通信方式，但这种通信方式受地形和距离的限制，如要扩展站网覆盖范围，需设计多级中继站；GSM/GPRS通信的优点是设备投资低、技术先进、通道质量好、传输速度高、不受距离和地形限制、覆盖面广，缺点是运行费用较高。

基于以上两种通信方案，于桥水库水文自动测报系统采用超短波与GSM/GPRS混合组网通信方式。这是目前大中流域水情自动测报系统应用较多的通信组网方式。其优点是通信组网灵活、受距离和地形影响小、覆盖面广、设备投资较低；缺点是通信网络复杂，对运行维护人员的素质要求较高。

2.2 提高测站电源的稳定性

中心站采用UPS电源，遥测站和中继站均采用蓄电池组和太阳能光电板浮充供电方式。遥测站、中继站电池容量配置应能保证各类设备在连续20d阴雨天气情况下仍能正常工作；电源有可靠的防雷电设计，能有效避免从电源回路引入雷击信号。在日照期间该系统给蓄电池充电，在夜间或连续阴雨期间使用蓄电池电能。铅酸全密封进口酸性蓄电池具有良好的低温特性和过量充电特性，而且免维修，因而选用它做为遥测设备供电。为保证最长连续无日照期间供电，需合理选择电池的容量。

2.3 提高设备抗雷电干扰能力

为了保证遥测站中继站可靠运行，防止从天馈线、电源线、遥测设备与传感器间的信号线引入的雷电损坏设备，遥测站、中继站采用全电磁屏蔽的全密封铝合金法拉第筒结构，全面实现雷电、高低温、高湿防护。

（1）选取自报式制式，使终端设备遥测工作减少雷电干扰几率。

（2）遥测站使用市电，但在雷雨季节阴雨天气时切断市电改用电瓶供电，减少电源导入雷电脉冲机会。

（3）如需接地，应采取Ⅰ级防雷，即信号线防雷、电源防雷和天线防雷。防雷接地严格按照国家规范要求，接地电阻应考虑不同季节、土壤等因素引起的变化。

（4）信号线宜选用屏蔽线并穿钢管地埋，钢管需焊接并连接接地网，所有信号引入线等均应加装避雷器防止导入雷电波。

（5）当必须选用较高的通信铁塔时，应加设避雷针。

2.4 设备可靠性

水文自动测报系统设备由中心站设备、中继站设备和遥测站设备3部分组成。其中中心站设备由计算机及其网络设备、超短波通信及GSM/GPRS通信设备、前置通讯处理机（中心站控制仪）、供电设备及避雷设备等组成；中继站设备由模拟中继设备和再生中继设备组成；水文遥测站由遥测数传终端RTU、传感器、电台、同轴避雷器、天馈线和电源等组成。

设备的可靠性用设备的有效度A来描述：

式中 t1表示平均无故障时间；t2表示平均维修时间。

设备的平均无故障时间越长，平均维修时间越少，则设备的可用度就越高。

影响设备可靠性的因素主要分为设备本身质量、累计、外部环境影响3类。

要提高设备可靠性，需从3个方面入手：①对各厂设备认真比对，选取质量较好的设备。②做好站点的防雷措施。每个站点均应有避雷针接到防雷接地点，在信号输入端应接信号避雷管。③减少环境对设备的影响。野外湿度较大，各种引线应绑牢，做好设备的密封防水；要有防止设备被人为破坏的措施。

2.5 保障水文自动测报系统的可靠性

2.5.1 在设备的安装质量上满足要求

在设备的安装过程中多次测试有关参数，既保证的功能达到规定的指标，也要考虑系统可能承受的各种影响耐久性的因素（包括雷电、动植物和人为破坏），同时做好记录以备查证。

2.5.2 关键设备应有足量备份

不论是中继站还是遥测站，都是遥测系统组网的关键环节，都应备有足量、完整的备份（如数传终端、天线、馈线、防雷系统、电源系统等）。一套主运行，作为正常情况下的中继站；另一套热备份，不作中继转发，但对主中继站实时检测，当备份中继站发现主中继站发生故障则立即中止主中继的运行，并自动代替主中继站工作，同时向中心站发出告警信息，或者直接在中心站的控制下，执行允许和禁止转发、主备中继机切换的功能。

备用设备可缩短故障修复时间，提高测站在线率，明显提高系统的可靠性。

2.5.3 采取有效措施，减少因设备老化带来的一系列问题

系统老化将对水文自动测报系统产生一些影响和干扰。如蓄电池的老化会导致系统工作不正常，甚至污染其他设备。因此，必须对设备定期检查，消除事故隐患。

2.5.4 加强设备的管理维护

管理和维护是遥测系统正常运行的保障。每年汛前都应对操作人员进行设备维护技术培训，使操作人员做到小故障站内解决、大故障快速上报处理，提高操作人员发现问题和维护维修的水平，有效缩短故障解决时间，确保数据传输精确。

2.6 中心机房的环境要求

中心机房是系统的数据汇集和管理中心，也是数据库服务器所在地。于桥水库中心机房能迅速查询和分析整个系统实时的、历史的全部水情信息，与洪水预报系统相连接，实时做出决策。于桥水库中心机房建设，历经多次更新、改造，布局更加合理，环境条件符合系统的技术要求，并充分考虑到系统扩充的可能性。

2.6.1 温度

工作站室、服务器室、配线室、电源设备室温度满足10℃～35℃。为了满足上述要求，各房间配置了空调。

2.6.2 湿度

工作站室、服务器室、配线室、电源设备室相对湿度保持在45%～65%。

2.6.3 机房接地

工作站室、服务器室、配线室、电源设备室均采用抗静电地板，地板下部空间高度不小于25cm。

2.6.4 其他

工作站室、服务器室、配线室、电源设备室满足防火、防盗、防噪声、防雷等要求。

2.7 采用先进的软件设计方法

软件设计必须遵循标准化、规范化设计原则。在编码设计、通信规约、用户界面、文档编制时应贯彻标准化、规范化的设计方法。

于桥水库水文自动测报系统采用人机界面（MMI）开发及运行软件和PLC编程、组态等相关软件，采用面向用户的图形化交互界面，显示流域水系图、站点分布图和通信组网图，并在图上动态显示各测站的实时水位、雨量等数据。

本系统形成的计算机局域网，以应用软件为基础，通过计算机、服务器和网络设备，使运行人员快速、准确地做出正确预报和调度方案。

2.8 选用公网进行通信

当前，公网通信技术成熟，网络覆盖面广。根据水文数据传输应用的特点，于桥处向移动公司申请了GPRS（Virtual Private Network）专用数据网，遥测站将各项水情数据实时采集后通过GPRS模块将数据发送到中国移动GPRS网络。GPRS网络将各个遥测站的数据采集到移动运营商前端机，再利用专用线路传输到于桥水库水情分中心站服务器进行数据处理。通过水情调度软件完成对各遥测站的监视控制、水情警戒及历史曲线显示等功能。这样的优势在于：外界的终端或节点不能进入；数据安全性好；保证数据传输的实时性、灵活性。