水雨情应急监测一体化设备小型化设计与集成

(四川省水文水资源勘测局，成都，610036)

水雨情应急监测一体化设备小型化设计与集成

薛内川

(四川省水文水资源勘测局，成都，610036)

水位、降水量的一体化自动采集与传输设备，已在水文、水利等行业中得到广泛应用。本文针对常规水雨情自动监测设备开展应急监测时的不足，进行了小型一体化设计与集成，最终形成了具有结构紧凑、运输方便、搬运轻便、安装快捷、调试简单、造型美观、采集准确、传输及时等优点的水雨情应急监测一体化成套设备。在突发水事件情况下，该成套设备能够快速运至应急监测现场，短时间内完成安装、调试，实现水位、雨量的自动采集与传输。

水位 雨量 应急监测 一体化设备 小型化设计

本文所述水雨情应急监测一体化设备小型化，是为响应水文要素应急监测的“应急”理念。自2008年“5·12”汶川特大地震以及2013年雅安“4·20”特大地震之后，次生山洪地质灾害层出不穷，每年都有不同程度的山洪地质灾害发生，及时取得第一手实时山洪水文资料，是保障抗洪抢险决策支持的重要依据。因此，从应急反映的时间上不仅要有一支快速反应冲锋陷阵的队伍，而且还要有能在最短时间内收集到灾区一线水文资料技术装备，这就给水文应急监测提出了更高的要求。应急监测必须在满足及时、准确的水位和降雨量基本水文要素的自动采集、可靠的信息传输、监测设备的供电保障、监测点实时定位等要求的前提下，具有结构紧凑、搬运轻便、运输方便、安装快捷、调试简单、造型美观等优点的小型一体化水雨情应急监测设备。

1 小型化设计的技术背景

1.1 技术原理

随着科学技术的发展，针对水位、降水量资料自动采集与传输的先进、成熟技术，已在水文、水利等行业中得到广泛应用。

通过数据采集终端(RTU)，每5min自动从雨量传感器和水位传感器采集一次监测现场的降雨量和水位数据，再由通用分组无线服务技术(General Packet Radio Service)(简称GPRS通信)和北斗卫星数传信道形成的一主一备双信道传输实时水雨情信息。以具有实时在线、畅通率高、设备值守功耗低等特点的GPRS信道为主要信息传输通道，当因监测点通讯条件限制，而造成GPRS主信道通信失败后，数据采集终端(RTU)将自动切换到北斗卫星信道，及时、准确地将采集的水文信息传到指挥信息中心，从而实现水位、雨量自动采集与传输。

1.2 技术现状及特点

目前广泛应用的自动监测设备具有技术先进、成熟、自动化程度高、水文数据采集密度大、实时性强、采集数据准确及时等优点。其监测数据满足《降水量观测规范》和《水位观测标准》要求。信息传输时效性与工作模式特别适用于水文应急监测。

目前常用的水文自动监测设备，是将监测设备安装支架、集成了数据采集终端(RTU)、信息传输设备(GPRS终端、北斗卫星终端)等采集与传输设备的机箱、蓄电池、太阳能电池、雨量、水位传感器设备等各部分，采用专用货运车辆集中装运到监测现场，再由3人及以上专业技术人员，密切配合至少30min以上，才能完成监测点的现场组装、调试，然后投入实时监测。设备运输、现场安装、现场调试等各方面都较为繁琐，并且还需要提前在安装现场做一些辅助的土建工作。从运输车辆、安装时间以及安装难易程度上，都不能充分体现水文应急监测的“应急”理念。

1.3 技术需求及解决方案

为应对突发水事件，实现快速反应、及时到位、第一时间将监测点的水文数据及时、准确采集并传输到指挥中心。在保证监测设备的基本功能和数据采集精度的前提下，从监测设备的结构上进行小型化设计是非常必要的，使之方便交通运输与短距离搬运。预先最大程度地完成采集设备、信息传输设备、传感器设备及电源设备的集成与调试。当设备运抵现场后，仅需简单调试、少许现场特征参数设置，便可投入水文数据实时监测。使之更便捷，更及时地投入采集与传输准确的监测数据，从而达到“水文应急监测”的目的。

2 设计方案

针对上述技术需求，本方案设计的小型一体化水雨情应急监测设备，应具有体积小、空间利用率高、结构紧凑、造型美观、搬运轻便、长途运输方便、安装快捷、调试简单等优点。小型一体化水文应急监测设备设计方案详见图1.

2.1 结构设计

以机箱为载体，将雨量传感器、水位传感器接口、数据采集终端(RTU)、信息传输终端、蓄电池和太阳能电池等设备与机箱集成为一体。根据所选设备的外观尺寸，定制带门铝合金机箱，其尺寸为：300mm×560mm×600mm。

图1 小型一体化水文应急监测设备设计图

2.2 功能分区

(1)传感器区：将雨量计承雨口及漏斗、计量翻斗布设于机箱左侧；

(2)数据采集传输区：数据采集终端(RTU)、信息传输终端、蓄电池等布设于机箱右侧；

(3)电源补给区：将太阳能电池以及限位支架依附于机箱外布设；

(4)安装支架区：在机箱底部布设三颗支撑螺丝，形成三角形设备调平机构。

2.3 布设方案

2.3.1 雨量传感器

在机箱的左上端按雨量传感器外径大小开孔，并用与机箱相同的材料，卷一段相同口径特制的雨量计外筒，为避免雨水溅入，筒的高度应≥150mm，并与机箱顶同径孔满焊为一体。

将标准雨量传感器解体而得的承雨口及漏斗，插入特制雨量筒进入机箱内；作为测量降水量大小的计量翻斗组件，设置于机箱内漏斗下方，用三颗螺丝与机箱底部固定为一体，其下方设置排水管，通过机箱底部预留排水孔引至机箱外，将翻斗计量后的水排出箱外。

在承雨漏斗下部连接引水管，引至翻斗引水漏斗上方20mm～50mm处。

2.3.2 采集传输设备

机箱内右则区域设置固定安装板，考虑到设备的扩展性，固定安装板与机箱使用铰和螺栓连接，并与机箱背板之间留有间隙，方便布线和其他扩展设备(流量处理终端、分体式北斗卫星终端等)安装固定。将数据采集终端(RTU)、信息传输终端等设置于固定安装板上。

信息传输终端(GPRS、北斗卫星)的通讯天线等设置于机箱上部右侧，并定制专用非金属防护罩将GPRS天线进行防护。

在机箱右侧面设置水位传感器电缆标准接口，其接口应能够防水渗入。

2.3.3 电源设备

在机箱内固定安装板下方安放电池，并定制抱箍将其固定于机箱底部。将太阳能电池板设置于机箱背面，与机箱铰接，便于收起与展开。同时在太阳能板下方布设太阳能电池限位支架，支架与机箱铰接，可水平方向转动90°，便于展开与收起。

2.3.4 安装调整机构

作为机箱上雨量计和整体设备的调平装置，共由三个调节螺杆和一根伸缩杆组成，其中两个螺杆设置于机箱底部前侧，另一个设置于伸缩杆上，形成易整平的三脚调平装置。

2.3.5 其他附属机构

(1)搬运提手与背带挂扣：提手是设备装卸与短途搬运的关键辅助附件，设置于机箱两侧上半部，与机箱连接牢固，具有一定的承载能力，受力时不变形，表面应光滑、应手。背带挂扣便于单人背托设备时固定所用；

(2)线缆收纳盒：用于收纳各种多余电缆，使机箱内更整洁。将其设置于机箱下部、蓄电池后面，与机箱一并焊制而成；

(3)机箱门通过活页铰接于机箱上，门上配置仪器箱门锁；

(4)防水胶条：机箱口与门内侧边缘设置防水密封条，防止雨水渗入机箱。

2.4 集成方案

数据采集终端(RTU)与信息传输终端、雨量计翻斗脉冲信号端口、水位传感器电缆连接口电连接。

信息传输终端与天线电连接。

充电控制与数据采集终端(RTU)、蓄电池、太阳能电池电连接。由蓄电池、太阳能电池板和充电控制器所组成的电源系统，向数据采集终端(RTU)、信息传输终端和水位传感器供电。

采用上述技术方案，将本来需要在监测现场进行组装的设备预先与机箱集成为一体，其一体化集成程度高，仅需要1～2人即可装卸与短距离搬运，并且可用普通越野车一次性运载1～3套该水雨情应急监测设备抵达应急监测现场，在现场最多需要2人在5min～10min内即可完成现场安装调试并投入运行。

2.5 其他要求

(1)箱体表面处理：机箱表面应喷砂，氧化处理。机箱门上喷绘行业标志、监测设备名与运管单位名；

(2)压阻水位传感器收纳：其应盘绕在电缆绕线盘上，便于运输和现场快速布设。另备延长电缆一卷(约50m)，同样收纳于另一电缆绕线盘上，便于监测水域至监测设备安置处的距离超过水位传感器原配置电缆长度时延伸续接。

3 设备选型

为满足水文应急监测的要求，对数据采集终端(RTU)，水位、雨量传感器，信息传输设备，由蓄电池、太阳能电池及充电控制器所组成的电源设备，以及机箱大小与材质等进行优化选用。为最大限度地缩小一体化应急监测设备体积，减轻设备整体重量，在设备配置与优化选型中，应选低功耗设备，材质轻的材料。

3.1 机箱

为有利于长途运输及短距离搬运，机箱及各部件选用本质轻、且材质强度能满足设备结构物理强度要求的材料。在众多金属材料中铝合金本质较轻、强度高、具有抗干扰屏蔽作用，是作为机箱的主材选择之一。

3.2 数据采集终端(RTU)

选择质量好、技术先进、功耗低、运行可靠的成熟产品，其通讯规约应与已建中心平台一致，以便与中心平台实现无缝衔接。为利于现场调试与参数配置，RTU应自带操作显示屏，应具有结构简单、逻辑清晰、操作方便的人性化菜单界面，通过菜单操作，可对所有基本参数进行调显与设置、对传感器进行配置与调试，可配接多种品牌、多类型的水位、雨量传感器，对信息传输信道进行配置与测试等功能。为简化整体结构，RTU应自带GPRS通信功能、具有监测点定位及定位数据传输功能者为优选。

3.3 水位传感器

应选择在满足《水位观测标准》要求的前提下，具有安装方便、技术先进、测量及时、准确度高、功耗低的成熟产品。目前，技术成熟的水位传感器有：

(1)浮子式水位传感器：监测精度高、功耗低，但需要修建专用测井；

(2)气泡式水位传感器：监测精度高、功耗高，且需将气管及气室固定于水下；

(3)雷达水位计：监测精度高、功耗较低、传感器无需入水安装，但对监测点河岸的地形条件有一定要求(如：岸边距水边较近、矩形渠道边、过河桥等)；

(4)电子水尺：功耗低，精度满足要求，需要将水尺固定安装在水下，且需做好防雨淋；

(5)压阻式水位传感器：适应各种河岸条件，功耗低，监测精度高，安装便捷，虽然传感器探头需要置于水中，但安装固定方式较灵活、可变，投资成本较低。

本方案水雨情应急监测设备选配压阻式水位传感器。如果监测点的环境条件许可时，也可选配雷达水位计、电子水尺等便于安装、功耗较低的水位传感器。

3.4 雨量传感器

作为采集降水量的标准器具，翻斗式雨量传感器是目前雨量自动监测最常用的传感器，根据机箱空间大小，按《降水量观测规范》或应急监测预警预报特殊要求的监测精度进行配置。选用通过检定合格的标准雨量传感器(口径：φ200±0.6mm)，成都地区年平均降雨量大于800mm，选用0.5mm翻斗雨量传感器，如年平均降雨量小于800mm的地区，则可选配0.2mm的翻斗雨量传感器。

3.5 北斗卫星数传终端

作为备用信道，应选锁星快、畅通率高、传输信息量大、功耗低、与中心平台为同一卫星通讯协议和服务平台的卫星终端。为简化一体化设备的内部结构和尽可能地减轻整体设备重量、降低设备整体功耗，本方案选用的是与中心平台衔接(4.0协议)的、功耗相对较低的一体化北斗卫星数传终端。

3.6 电池

一般来讲，应急监测均为应对突发水事件的短期临时水文应急监测，不比常规监测站的40d续航时间要求。根据机箱内部结构和空间大小，在保证应急设备正常用电的情况下，尽可能选体积较小、重量较轻的电池。同时也在一定程度上减少一体化设备整体重量，便于运输装卸和短距离搬运，能在连续阴雨天气，太阳能无法保证向电池补充电能的极端情况下，可连续正常运行10d左右均可。根据所选设备的功耗，本方案实现选用自损功耗较小的24Ah/12V免维护铅酸蓄电池。

3.7 太阳能电池板

根据机箱背面尺寸以及蓄电池容量，选择光电转换效能高、结构紧凑、质量好的单晶硅太阳能电池。本方案是选用了一块12V/20W太阳能电池板。

3.8 充电控制器

根据选配的电池与太阳能电池选取，本方案选用自带充电状态数字显示屏，且功耗较低的充电控制器，方便现场监控电源系统的工作情况。

4 成果与应用

4.1 成果

按照以上设计方案和设备选型，通过加工、集成与调试，形成了如下图2所示的小型一体化应急监测设备定型产品。整套设备分为两部分：一部分为监测设备主体(即将数据采集、信息传输、电源及雨量传感器等设备集成为一体)；一部分是盘绕在绕线器上的压阻式水位传感器设备和延长电缆。

图2 小型一体化应急监测设备成品

4.2 应用实例

2017年6月24日四川阿坝茂县叠溪镇新磨村发生山体高位垮塌灾害后，我们第一时间利用普通越野车装运了两套完整的小型一体化水文应急监测设备抵达塌方现场的下游段，选定监测点位后，在10min完成了采集设备和水位传感器的安装，2min内完成了本地特征参数的设置，并向省中心站发出注册信息(自动上传监测点位置与海拔高程信息)，在5min的采集时段内准确、及时上报了第一条受灾点下游的水位信息。因垮塌山体将道路中断，车辆无法前行至上游河段，随后，则由多人轮换肩背另一台监测设备，翻过垮塌堆积体来到上游河段进行应急监测点的布设；同样利用较短时间完成安装、调试、参数设置、发送注册信息，在5min的采集时段内准确、及时上传了第一条受灾点上游的水位信息。圆满完成了因山体高位垮塌受阻河段上下游水文应急监测站布设任务。

通过此次应急监测的实际应用和取得的效果证明，该套监测设备完全满足“水文应急监测”的要求，具有明显优于常规水雨情监测设备的技术优势，为水文应急监测提供了技术保障。

P335

B

2095-1809(2017)05-0017-05

薛内川(1960.09-)，男，四川成都人，高级工程师，长期从事水文自动测报系统的查勘、设计、建设、监理、维护、管理、通讯规约修编与技术指导工作。

■