水库水文无线数据监测及自动监测技术研究

(山西省晋中市潇河流域管理局, 山西 晋中 030600)

水库水文无线数据监测及自动监测技术研究

刘晓俊

(山西省晋中市潇河流域管理局, 山西 晋中 030600)

本文简要分析了水库水文自动监测系统的主要内容，对水文无线数据监测以及自动监测技术的特点、应用进行了深入分析，结合实际工作经验提出了自动监测系统中存在的问题；并探讨了无线数据监测技术的发展方向。

无线数据传输； 自动监测系统； 自动监测技术

1 前 言

水文自动监测通常是指利用计算机和网络技术、通信技术、遥测技术等现代科技手段对江河流域以及水库等测区内的水文信息进行自动采集、自动存储、自动传输。我国自20世纪70年代中期开始对水文自动测报系统进行研究，随着传感器与无线数据传输技术的不断提升以及水文资料的大量积累，水文自动监测技术在水库雨量、水位、流量、泥沙等测验项目中得到了广泛应用，为水库防洪调度和水资源合理利用提供了重要决策依据。

2 水库水文自动监测系统概述

水库工程往往承担着防洪、调度或灌溉供水等关系到民生的重要任务，对水文自动测报系统的精度和预见期要求较高，简单来讲，水库水文自动监测系统由中心站和监测站组成，通过一定的通信通道进行信息传输，具备信息采集、信息传输、信息处理的功能。在实际工作中，水库自动测报系统的监测站通常包括水位站、流量站以及雨量站三种，并且根据《水文站网规划》以及洪水预报调度要求进行布设。水文自动监测系统的信息传输方式非常复杂，通常情况下监测站采取无人值守的方式运行，以无线方式或者有线方式与分中心监控机交换数据，分中心站负责对辖区内水文信息进行接收、处理、上报和分发，并通过光纤链路将数据传入中心站，水文自动监测系统网络拓扑结构如图1所示。数据中心对终端数据进行分析后，可以判断监测设备的工作情况并且远程设置各个监测单元。对于位置偏远的监测站，还要另外设立遥测中继站，以实现信号的转发。监测站一般配备蒸发器、风速风向仪、水位计、闸位计、雨量计等监测仪表，RTU、充电器、蓄电池等基础设备，其中RTU与各个传感器间可以采用有线或者无线的方式连接；分中心站主要由无线通信终端、工控机、VPN网关/防火墙、交换机、服务器、工作站、激光打印机、UPS电源等网络设备组成；中心站主要则由VPN网关/防火墙、交换机、服务器、工作站、激光打印机、UPS电源等网络设备组成。

图1 水文自动检测系统拓扑结构

3 水文无线数据监测与自动监测关键技术

3.1 无线通信技术

由于水库防洪需要及时掌握上游的洪水流量，暴雨以及特大暴雨等信息，水文信息传递时极有可能遇到恶劣的天气，再加上水文站一般设在地形复杂交通不便的地区，无线数据传输方式明显更加适用于水库自动监测系统，监测站可以因地制宜地选择一种或几种通信方式。对于急迫性和时效性要求较高的水库测区可以选择卫星通信或者短波结合卫星通信的方式，对于普通的灌溉测区水文信息则可以选择GSM-SMS、GPRS方式进行通信。值得注意的是，在部分地区曾经出现过由于降雨等恶劣天气导致GSM网络通信塔中断的现象，因此在进行系统通信通道建设时最好准备备用通道。

3.1.1 超短波通信

超短波(高频波VHF)是频率30～300MHz的无线电波，与短波通信方式不同，不会被电离层反射，优点是受到外界环境的影响小，通信设备小巧，采用常用调频制即可得到较高质量的信号，建设成本低。但是这种通信方式会受到山地等高大建筑的限制，传播距离短，当需要长距离传输时需要架设中继站。

3.1.2 GPRS通信

GPRS是GSM通信方式的延伸，采用封包方式传输信息，利用TDMA通道提供中速的数据传递，传输速度比较快，是GSM方式传输速度的10倍，能够达到56～115kpbs，分组接入时间小于1s，可以做到随时在线。GPRS无线网络底层支持TCP/IP协议，可以与Internet 无缝连接，监测站只需进行部分改造即可使用。GPRS通信方式不受监测站地形的限制，但是在数据传输时存在转接延时问题，而且可能丢失数据包。

3.1.3 卫星通信

卫星通信采用的基本上都是地球同步静止卫星，由于采用L波段而非KU波段通信，几乎不会受到雨水的影响。这种通信方式受地形影响很小(高山、深谷会影响卫星通信)，传输距离不受限制，覆盖范围广，不需申请专用通道，组网灵活，适用于测点分布分散、水文信息数据量小的测区。虽然卫星通信的传输速率很快，但是建站成本和通信费用都较高。目前使用较多的通信卫星是北斗卫星导航系统。监测站在采用卫星通信时，卫星数据收集平台及接收站的天线方向性图，应满足国际无线电咨询委员会(CCIR)的规定，即对于D/λlt;100的天线基准辐射方向图提出如下公式:

式中D——天线直径，m；

G——天线增益，dB；

λ——波长，m；

φ——与天线主瓣方向的夹角，(°)。

另外，卫星数据收集平台及接收站应该避免对地面无线电路产生干扰或者受到地面无线电路的干扰，所产生的干扰功率应符合CCIR有关规定的要求。

3.1.4 Zigbee无线通信技术

Zigbee 技术是一项崭新的近距离无线通信技术，频段为2.4GHz，采用扩频技术，功率很低，工作模式下信号收发迅速，非工作模式下可以休眠。Zigbee技术通过安装于各种监测设备传感器上的Zigbee节点采集水位、雨量等水文信息，各种水文信息经处理后由Zigbee网络传输到网络协调器节点，网络协调器节点可以进一步将信息发送给GPRS网络。如果协调器与传感器距离较远，可以增设路由器节点。Zigbee技术具有以下优点：Zigbee协议免除专利费，传输数据时应用三级安全处理；传输时休眠激活时延15s，搜索设备一般时延30s；组网方式灵活，数据容量大，网络节点数目多；采用基于循环冗余校验的数据包完整性测试，数据传输可靠安全。[1]

3.2 水文监测设备

水文自动监测设备的合理选择是实现水文数据无线监测技术的重要环节。监测站应该根据当地的使用条件配置相关雨量、水位、流量监测设备，力求达到经济实用、维护方便、安全可靠的要求。目前雨量监测站一般采用翻斗式雨量计，分辨力通常选择0.5～1.0mm，如果水库主要关注防洪灌溉，可以考虑采用0.5mm，如果水库主要任务是防洪，重点监测大暴雨及特大暴雨，可以选择1.0mm；水位观测仪与当地基础条件、泥沙条件以及河床稳定性、是否结冰等因素有关，比如：浮子式水位仪虽然常用于水库坝上水位站，但不适用于游荡性河道。水位仪的种类包括浮子式、压力式、光电式以及非接触超声波式水位观测仪；多普勒剖面流速仪(ADCP)用于明渠流量监测，但不能用于多沙河流；管道供水可以使用管道流量计监测；蒸发量测量装置应用得比较少，使用时应该注意不同季节温度、风浪等因素对蒸发情况的影响。可以通过在蒸发器外安装防浪栅格减少蒸发场内的循环水进入蒸发器，在测量管里添加网格设备避免水面波动对读数的影响。

3.3 水文无线数据监测与自动监测技术存在的问题及发展方向

3.3.1 不同RTU的数据采集与传输

水文自动监测技术经过了近30年的发展，出现了各种各样的水文信息采集方式和传输方式。不同厂家生产的RTU( Remote Terminal Unit) 遥测终端产品各自为阵，造成RTU接口类型、通信协议和传输规则缺乏统一的规范，因此，不同的软件系统间往往无法进行顺畅的互联互通，也不能实现信息共享。这不仅增加了水文自动监测系统维护管理的难度，而且给水文信息自动监测工作带来了很大的不便。针对这个问题，相关文献指出水文自动监测系统的建设具有共性，因此都可以按照业务流程分为采集层、交换层和应用服务层，其中采集层是指负责收集、存储、管理数据的软件集合。通过约定采集层和分中心监测站的数据传输，以及软件规则可以在一定程度上解决不同RTU的信息采集传输问题，如图2所示。

图2 基于标准数据传输约定的采集层框架

因此，应该进一步推广和完善水文监测数据通信规约，以最终实现不同厂家的RTU可以互换的目的，增加系统的灵活性和兼容性。[2]

3.3.2 监测设备问题

在应用无线数据传输与自动监测技术的过程中发现，一些监测仪器的可靠性比较差，存在着返修率高、测量精度不能满足要求等问题。比如：气泡水位计很难达到厘米级的精度，浮子式水位计的精度稍高但是芯片容易烧坏，翻斗式雨量测量计测量时容易受到雨强的影响等。所以，实际工作中有的观测项目并没有实现自动监测，类似闸门开启度、蒸发量等水文信息仍然以人工观测为主。因此，提高设备的精度以及稳定性，减少环境因素对测量设备的影响，以及备用系统的设计都是未来研究的重点。

3.3.3 数据缺插补存

由于水文资料必须具有连续性，全年不能中断，一旦水文自动监测系统发生故障，就必须进行及时的抢修，并且将数据插补到水文数据里。这导致了两个方面的问题：ⓐ水文自动监测系统中应用的设备、软件非常复杂，如何提高维修速度；ⓑ如果中断缺测的次数多，如何插补数据。

4 结 语

随着社会的发展进步，水利部门对水文信息自动监测提出了更高的要求。我国水文信息自动监测技术虽然取得了一定进步，但是实践中仍有许多问题没有解决，因此水文工作者应该坚持深入研究无线数据监测以及自动监测技术，提高水文监测自动化水平与可靠性，更好地满足水库运行安全管理要求，进一步实现水文事业的长足发展。

[1] 张洋洋,赵建平,徐娟娟.基于物联网技术的水文监测系统研究[J].通信技术,2012(04):108-111.

[2] 胡金龙,莫晓聪,高祥涛,陈宁.基于不同遥测终端的水文自动测报系统研究[J].长江科学院学报,2013(10):118-120.

Study of Reservoir Hydrological Wireless Data Monitoring and Automatic Monitoring Technology

LIU Xiao-jun

(Shanxi Jinzhong Xiaohe River Basin Authority, Jinzhong 030600, China)

Main contents in reservoir hydrological automatic monitoring system are briefly analyzed in the paper. Features and applications of hydrological wireless data monitoring and automatic monitoring technology are deeply analyzed. Practical work experience is combined for proposing problems in automatic monitoring system and discussing development direction of wireless data monitoring technology.

wireless data transmission; automatic monitoring system; automatic monitoring technology

TV123

A

1005-4774(2014)12-0066-03