重庆地区气泡式水位雨量图像一体站的施工选型设计

李忠芬1，徐啸宇

(1.重庆博通水利信息网络有限公司，重庆 401121；2.国网重庆综合能源服务有限公司，重庆 401121)

气泡式水位雨量图像一体站是安装在受洪灾影响较大的集镇、重点河段、中小型水库、重要塘坝、低洼区域等野外重要防洪部位，实现实时雨量、水位、图像等水雨情信息自动采集和远程传输的装置，克服了在极端暴雨气候、洪灾时人员无法进行现场监测的局限性，大大提高了监测的实时性、准确性和数据完整性，并极大地降低了人力成本。

对于安装在重庆地区野外重要防洪部位的气泡式水位雨量图像一体站，其监测信息是重庆市水情预报的基础，是防汛抗旱抢险等重要决策的支撑，为确保监测信息的可靠性、准确性、稳定性，应根据重庆地区地理气象特点对气泡式水位雨量图像一体站进行合理设计，使之能够长期适应野外的恶劣环境，以及洪灾等不利条件带来的影响。

1 组成原理及功能

气泡式水位雨量图像一体站以无人值守模式自动运行，采用自报式、查询-应答式相结合的遥测方式，定时自报、事件加报和召测兼容的工作体制；它是以数据图像遥测终端RTU为核心，配置有测量设备(气泡式水位计、翻斗式雨量计等)、图像设备(高清网络数字摄像机)、通信终端、电源系统、防雷接地系统等，详见图1；它还配置有简易水尺，实现定时拍照和远程抓拍功能，并且由RTU根据水位变化自动调整拍照频率，照片、水位、雨量等信息全部通过GPRS、北斗卫星传输到指定的一个或多个远程中心平台上；为实现人工观测水位数据的传输，RTU支持人工置数器。

图1 气泡式水位雨量图像一体站组成示意图

气泡式水位雨量图像一体站采取定时采集(水位、图像)和触发采集(雨量)相结合的方式自动获取监测数据，实时雨量、水位、图像及测站设备状态等信息通过GPRS、北斗卫星等方式采取定时自报、事件加报、召测(查询-应答)兼容的工作机制自动上传到指定平台，实现自动采集和自动远距离传输，全程无须人工干预。正常情况下，水位根据提前设置的时间间隔(水位5 min/次,时间间隔可任意设定)定时采集数据；图像采取定时抓拍(图像1 h/次，时间间隔可任意设定)和自主抓拍方式(雨量或水位变化超过设定值)获取图像，雨量采取触发方式自动采集，当雨量发生了0.5 mm变化时就触发一次采集；在雨量变化达到设定时，也会自动触发采集图像和水位。实时雨量、水位、图像及测站设备状态等信息采取每隔1 h自动上报；当雨量或水位变化超过设定阈值测站自动增加报讯。

RTU遥测终端是气泡式水位雨量图像一体站的核心，主要完成气泡式水位雨量图像一体站工作流程控制、前端传感器数据采集、数据处理存储、数据传输等功能。

测量设备主要由气泡水位计、翻斗式雨量计、人工置数器等组成，承担水位、雨量等监测信息感知。其中气泡式水位计由内部的活塞泵产生的压缩空气流经测量管和气泡室，进入被测的水体中，测量管中的静压力P与气泡室上的水位高度h成正比(P=ρgh)；通过测定大气压和气泡压力，取两个信号之间的差值，计算出气泡室上面的水位高度；气泡式水位计安装简单，操作、组网灵活，是遥测系统中的水位监测,尤其是无井水位测量最理想的水位监测仪器，详见图2。

图2 气泡式水位计组织示意图

图像设备由高清网络数字摄像机、补光灯等组成，数字摄像机主要进行监测站现场图像采集功能，补光灯主要用于夜间光源补充。

供电系统是太阳能浮充蓄电池电源系统，由太阳能电池板、充电控制器、蓄电池等组成。

通信终端完成信息传输功能，通信方式是GPRS(需要SIM卡)、北斗卫星方式(带北斗卫星通信卡)，其中GPRS是主信道，北斗卫星作为备用信道，当主信道不通时，自动切换到备用信道发送。将其串行通信口的信号线接入RTU串行通信口即可。

防雷接地系统由避雷针、信号避雷器、防雷接地系统等组成。

2 施工选型设计

2.1 RTU遥测终端选型设计

采用模块化结构设计，由主模块、开关量模块、I/U(接入4～20 mA接口传感器)模块、RS485传感器接入模块、PSTN模块、调制解调模块、信号输入防雷模块等组成，各模块自带CPU，具备数据处理和故障检测能力。其中主模块具备ISP和IAP功能的FLASHROM单片机，可远程修改、升级芯片程序，从而降低了维护工作量。针对新型接口传感器，只需针对性地开发采集模块，就可很快应用，缩短开发周期。

2.2 测量设备选型设计

水位测量一般使用气泡式水位计，其信号线采用RS485标准接口，接入到RTU的RS485-Ll对应端口，使用前需对水位计和RTU进行地址配置，水位传感器的分辨率≥1 cm，量程根据实际需要选定。

雨量测量一般使用翻斗式雨量计，盛雨口内径为200 mm，分辨率为0.5 mm，使用前需对雨量计和RTU进行地址配置。翻斗式雨量计采用双干簧管，共有3根输出信号线，定义一根为信号线A，另一根为信号线B，公共一根为数字地线。翻斗式雨量计信号线采用带有屏蔽层的线缆，进入机箱后其屏蔽层需与机箱外壳做地连接，信号线需先接入防雷模块，再连接到主模块中。

2.3 图像设备选型设计

由网络高清数字摄像机和LED补光灯组成。500万像素以上网络高清数字摄像机，具有自动闪光灯控制功能，在夜里全黑环境下能清晰拍摄出使用反光材料的水尺图像，距离≥50 m；LED补光灯应是亮度≥500流明，有效距离应>50 m的低功耗LED灯。

2.4 通信系统选型设计

通信设备应当具有工信部颁发的“电信设备进网许可证”。采用工业级标准MODEM，7模全网通模块，同时支持FDD-LTE，TDD-LTE，WCDMA，CDMA1X，EVDO，GPRS等网络通信方式；通过RS-232或RS485与RTU连接，模块可由RTU通过AT命令操作控制。

2.5 电源系统选型设计

电源系统由光伏电池板、控制器、蓄电池组成。根据重庆地区气象(日照)特点及系统功耗实际情况，通常系统功耗估算耗电量每天至少采集发送24次，每次采集时间为30 s，传输时间为2 min，在电池电压12 V时，补光灯600 mA，点亮时间5 s，RTU通信功耗按120 mA计算，RTU按最大值守功耗20 mA算，水位计以最耗电的气泡水位计日常功耗2 mA算，月耗电量不超过32 Ah。考虑雨季采集密度增加，其太阳能电池板、蓄电池、充电控制器的选型设计如下。

1)太阳能电池板选用依据P=Q×R×K÷(r×s)，P为功率，Q为功耗，R为日供电时间，K为安全系数，r为日有效供电时间，s为充电效率。选用不小于80 W的单晶硅太阳能电池组件,最大工作电压17 V，开路电压21 V；要求光电转换效率不低于20%。

2)蓄电池选用依据F=Q×R×T÷(V×t)，F为蓄电池容量，Q为功耗，T为阴雨天天数，V为设备供电电压，t充电效率。选用12 V 100 Ah铅酸免维可充电蓄电池，其工作寿命>5年；保证重庆地区在连续阴雨天气下的工作时间≥45 d，连续45 d阴雨天气后能在10～20 d时间内将蓄电池充足。

3)当蓄电池电压<10.8 V时，控制器停止向RTU主模块供电，同时为蓄电池充电；当蓄电池电压<13.8 V或>10.8 V时,边充电边工作；当蓄电池电压≥13.8 V，则停止向蓄电池充电。故选用12 V/24 VDC，最大充电电流为8 A(50 ℃)，具有过流、过压、过充、过放、反极性自动保护功能。

2.6 简易水位尺设计

在简易水尺上标注警戒水位(准备转移)和危险水位(立即转移)，采用黄色线和字标注警戒水位，红色线和字标注危险水位。

2.7 防雷接地系统设计

2.7.1 避雷针设计

购买定型产品或按照《自动气象站场室防雷技术规范》(QX 30—2004)制作加工，避雷针的高度满足被保护的设备外缘(或顶端)与避雷针顶端的连接线的水平角>45°，避雷针可安装在立杆顶部或立杆侧面的焊接支架上，避雷针与立杆之间要可靠绝缘。

2.7.2 接地系统设计

避雷针接地网按照设计图纸要求，并根据监测站周边土质条件确定其接地网建设方案；接地体角钢尺寸为50 mm×50 mm×150 mm，把土地挖成50 cm深度的沟槽，将接地体埋设于地面以下50 cm，如果是在道路边进行挖沟埋设，则沟的深度最少挖至80 cm深，然后将长150 cm的角钢打入地下，避免形成跨步电压，保证行人的生命安全；接地网的走向根据监测站的具体情况确定建设方案，但接地电阻≤4 Ω；如果要将避雷针地网和仪器设备地网做成一个地网，务必使接地电阻≤4 Ω；仪器设备避雷接地角钢20根，将接地电阻降到4 Ω以下；避雷针接地角钢15根，根与根之间的距离为1.5 m，将接地电阻降到10 Ω以下；连接每根接地体的扁钢材料尺寸为5 mm×30 mm，监测站使用的长度预需40 m(6 m的扁钢7根)，避雷针机座与仪器箱体机座的中心间距为2.5 m，使仪器设备达到有效避雷。详见图3。

图3 防雷接地系统施工设计图

2.7.3 安装总图设计

气泡式水位雨量图像一体站的现场施工包括测站基础土建、防雷接地系统、气泡水位计气源管路敷设、设备安装调试等工作分项，其现场施工安装典型设计详见图4。

3 施工选型设计注意事项

气泡式水位雨量图像一体站设备需长期在重庆地区野外高温差(-25～+70 ℃)、雷电、暴雨、冰雹的恶劣气候条件下工作，为确保其可靠、稳定地运行，施工设计期间，对气泡式水位雨量图像一体站的功能、设备组成、各设备设施选型选材等方面应特别注意。

图4 气泡式水位雨量图像一体站的施工安装典型设计图

1)气泡式水位雨量图像一体站设备要符合结构简单、可靠、低功耗、宽电压适应性(6～15 V)的原则，具有RUN-STOP动态功耗管理功能(不采集不供电)，适用于电池供电场合；同时有防风雨、防雷、抗冰雹、防盗、防破坏、防尘、防锈等措施；所有设备都能在无人值守的条件下工作。

2)能定时或实时地自动采集水位、雨量、图像等参数，其采样间隔可任意设定。

3)能按定时或事件自报的方式通过主备式通信信道发送信息，当主发送通信信道不通时，自动切换到备用发送通信信道发送。

4)气泡式水位雨量图像一体站设备应能长期在暴雨洪水等恶劣天气条件下稳定、可靠地工作，即便中心站接收设备出现故障，存储的数据也不丢失。

5)能支持自报、自报-确认、应答三种数据的通信方式，可混合组网，也可响应召测，当接收到测控中心的召测指令，根据其指令要求将当前值、过去值或所有存贮的数据通过指定信道或指定路径发送。

6)具备定时自检上报、死机自动复位、站址设定、掉电数据保护、实时时钟校准和设备测试等功能。

7)具有现场或远程编程能力，可设置参数，改变路径，读取数据；具有人工置数功能；支持远程唤醒，响应监控中心命令；在其休眠状态下，监控中心可随时唤醒进行数据采集，读取任意时段自记数据或修改其配置信息工作；具有远程程序升级功能，方便测站的管理和维护。

8)RTU具有一包多发功能，即数据同时向县级平台、市水文局水情中心、市防办、其他特殊要求用户发送，以适应多系统调用信息且互不影响。

9)设备应具有全国工业产品生产许可证，通信终端应具有工信部颁发的“电信设备进网许可证”。

10)供电方式上采用“太阳能+电池”供电方式，同时应具有太阳能充放电管理功能，动态功耗控制。针对重庆实际情况，在无日照情况下，能正常工作30～45 d及以上。

11)野外设施支架、保护管材、机箱应选用热镀锌钢管，表面喷塑处理，设备应带全铝铸防水外壳，防护等级达到IP66，适应野外高温差、高湿度、暴雨等恶劣工作环境。

12)监测站应具有扩展性、端口多样化，同时各传感器接口应具有防错插设计，保证设备维护人员无须培训即可对设备进行更换。

4 结语

按照上述气泡式水位雨量图像一体站的施工选型设计，2014—2017年共建设了318个气泡式水位雨量图像一体站，其整体运行状况优良，为重庆市水情预报、防汛抗旱抢险等提供了可靠、准确、稳定的监测信息。

参考文献：

[1] 蒋虹,黄明.雨水情自动监测系统的组成及应用[J].科技创新与应用,2014(29)：43-44.

[2] 任斌,吴可,陈洁.基于GPRS的雨量采集系统设计[J].电子设计工程,2017(7)：162-164.

[3] 重庆市质量技术监督局.重庆市水文技术装备标准：DB 50/349—2010[S/OL].(2018-04-10)[2018-05-22]. http://www.cqwater.gov.cn/uploadfile/fckeditor/Upload/file/DB50%20349-2010%20%20%E9%87%8D%E5%BA%86%E5%B8%82%E6%B0%B4%E6%96%87%E6%8A%80%E6%9C%AF%E8%A3%85%E5%A4%87%E6%A0%87%E5%87%86.pdf.

[4] 李钟实.太阳能光伏发电系统设计施工与维护[M].北京：人民邮电出版社,2010.

[5] 中国气象局.自动气象站场室防雷技术规范：QX 30—2004[S].北京：中国标准出版社，2005.

[6] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.建筑物电子信息系统防雷技术规范：GB 50343—2012[S].北京：中国建筑工业出版社,2012.

[7] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.交流电气装置的接地设计规范：GB 50065—2011[S].北京：中国建筑工业出版社,2011.