河道流量自動(dòng)監(jiān)測集控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張侃侃+曾佑聰+石瑞格+鄧思濱

摘 要：文章設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了河道流量自動(dòng)監(jiān)測集控系統(tǒng)，包含一套河道流量自動(dòng)監(jiān)測集控管理平臺(tái)、數(shù)據(jù)上傳多信道多通訊模式以及五種可選的針對不同水文站河道工況的流量就地自動(dòng)監(jiān)測方式。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)流量自動(dòng)測驗(yàn)、遠(yuǎn)程可控制、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳、成果匯集導(dǎo)出等功能，已形成完整的河道流量自動(dòng)監(jiān)測體系，可實(shí)現(xiàn)全天候、無人值守水文站的集中管理，使流量測驗(yàn)由傳統(tǒng)手工作業(yè)向信息化管理轉(zhuǎn)換。

關(guān)鍵詞：水文測驗(yàn)；集控系統(tǒng)；無人值守；ADCP；雷達(dá)波

中圖分類號：P332 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）33-0097-03

Abstract： The centralized control system for automatic monitoring of river flow is designed and implemented in this paper， which contains a set of automatic monitoring control and management platform， data upload by multi-channel multi-communication mode and five automatic monitoring methods for different working conditions of river hydrological station. The system can realize the automatic flow measurement， remote control， real-time upload， results collect and export， which has formed a complete system of automatic monitoring of river flow and realize full-time unmanned hydrologic station centralized management. Based on the system， the flow measurement has been transformed from the traditional manual method to information management.

Keywords： centralized control system； remote control； unmanned； ADCP； radar wave

前言

水文測驗(yàn)是獲取河道流量第一手資料的直接途徑[1-5]。傳統(tǒng)河道流量測驗(yàn)的技術(shù)主要有三種：水文纜道鉛魚流速儀方式[6，9]、水面浮標(biāo)法測流方式和走航式ADCP（聲學(xué)多普勒）測流方式。其中，水文纜道鉛魚流速儀方式是傳統(tǒng)水文站的主要水文測驗(yàn)手段，也是當(dāng)前國內(nèi)大部分水文站所采用的方式；水面浮標(biāo)法測流方式主要應(yīng)用于汛期高洪測驗(yàn)或北方河道流冰期，需盡量縮短測流時(shí)間的情況；ADCP方式組裝調(diào)試費(fèi)時(shí)，主要用于臨時(shí)測驗(yàn)。這三種傳統(tǒng)的測流方式目前都存在諸如：技術(shù)落后、測流過程耗時(shí)費(fèi)力、施測頻次低等問題。針對山溪型河流的主汛期，洪水漲落率快，高洪過程短，且此時(shí)河道流量大，沖刷物和漂浮物多，水文搶測人員一般需要24小時(shí)值班，勞動(dòng)強(qiáng)度極大，存在很大的安全隱患。

基于上述問題，本文設(shè)計(jì)了河道流量自動(dòng)監(jiān)測集控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)流量自動(dòng)測驗(yàn)、遠(yuǎn)程可控制、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳、成果匯集導(dǎo)出等功能，已形成完整的河道流量自動(dòng)監(jiān)測體系。通過集控中心的管理平臺(tái)和不同的自動(dòng)測流模式，本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全天候、無人值守水文站的集中管理，使流量測驗(yàn)由傳統(tǒng)手工作業(yè)向信息化管理轉(zhuǎn)換。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的河道流量自動(dòng)監(jiān)測集控系統(tǒng)，主要包含一套河道流量自動(dòng)監(jiān)測集控管理平臺(tái)、數(shù)據(jù)上傳多信道多通訊模式以及五種可選的針對不同水文站河道工況的流量就地自動(dòng)監(jiān)測方式。系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

在下面的內(nèi)容中，我們將根據(jù)圖1所示的系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)圖詳細(xì)介紹該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1.1 河道流量自動(dòng)監(jiān)測集控管理平臺(tái)

集控管理軟件平臺(tái)由通信服務(wù)器軟件、WEB信息監(jiān)控管理軟件、分中心（中心水文站）集控管理軟件（C/S）三部分組成，該平臺(tái)采用微軟的.NET技術(shù)架構(gòu)，應(yīng)用B/S與C/S相結(jié)合的模式，所有流量成果數(shù)據(jù)和監(jiān)控信息全部上傳到河道流量自動(dòng)監(jiān)測集控管理平臺(tái)（WEB），部署在分中心（中心水文站）的河道流量自動(dòng)監(jiān)測集控管理軟件可通過網(wǎng)絡(luò)從WEB端下載數(shù)據(jù)，同時(shí)對自動(dòng)測流系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了集控測流所需的控制、監(jiān)視和管理等功能。

（1）流量自動(dòng)監(jiān)測集控管理平臺(tái)（Web）：本平臺(tái)軟件是在線測流平臺(tái)的核心監(jiān)控軟件，主要功能包括基于高德地圖的測站信息查詢（地圖信息、測站狀態(tài)、實(shí)時(shí)信息）、圖表信息查詢和數(shù)據(jù)導(dǎo)出（實(shí)時(shí)水情、歷史水情、測流成果、水位過程）、測流遠(yuǎn)程控制、參數(shù)配置、日志查詢、系統(tǒng)管理等功能模塊。圖2所示為該平臺(tái)的一個(gè)功能頁面。

（2）流量在線測流集控管理平臺(tái)（分中心，C/S）：平臺(tái)部署在各個(gè)分中心（中心水文站）的計(jì)算機(jī)上，用于監(jiān)控所管理的雷達(dá)波在線監(jiān)測系統(tǒng)。平臺(tái)主要功能包括測站狀態(tài)監(jiān)控、測站通信監(jiān)視、數(shù)據(jù)同步、測站實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)測流量成果表查詢及實(shí)測流量過程線線圖繪制等，如圖3所示。

（3）通信服務(wù)器軟件：通信服務(wù)器軟件是整個(gè)河道流量自動(dòng)監(jiān)測集控系統(tǒng)的中心通信樞紐，保證集控中心、各分中心（中心水文站）、在線測流站互聯(lián)互通，將各在線測流站的數(shù)據(jù)采集、入庫，并允許分中心（中心水文站）通過通信服務(wù)器控制測站在線測流系統(tǒng)和視頻監(jiān)控?cái)z像頭運(yùn)行，修改在線系統(tǒng)參數(shù)，下載存儲(chǔ)在線測流站的數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)上傳多信道多通訊模式endprint

針對不同工況的河道斷面，根據(jù)現(xiàn)場通信條件，由于GPRS/GSM/3G/4G在不同地區(qū)覆蓋的程度不同，都屬于移動(dòng)公網(wǎng)通信的范疇，以下簡稱“移動(dòng)物聯(lián)”。默認(rèn)通過移動(dòng)物聯(lián)/北斗信道將水雨情信息發(fā)送到水情中心；通過移動(dòng)物聯(lián)/ADSL/北斗信道將在線測流系統(tǒng)監(jiān)測的信息發(fā)送到在線測流集控管理中心；通過ADSL信道將視頻監(jiān)控信息（含抓拍圖片）發(fā)送到自動(dòng)測流集控管理中心。

流量就地自動(dòng)監(jiān)測站每次測完流量后，將流量、相應(yīng)水位傳送給測站的雨水情信息采集系統(tǒng)；將垂線流速等成果信息發(fā)送到在線測流集控管理中心，包括：測次，起、止時(shí)間，垂線數(shù)、垂線起點(diǎn)距、垂線流速、過水面積，水面寬、最大水深、最大流速，相應(yīng)水位、流量，以及系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。

1.3 河道流量就地自動(dòng)監(jiān)測方式

河道流量就地自動(dòng)監(jiān)測方式主要包括代表垂線法纜道模式ADCP在線測流系統(tǒng)、高效纜道模式雷達(dá)波在線測流系統(tǒng)、座底式ADCP（V-ADCP）在線測流系統(tǒng)、岸邊式ADCP（H-ADCP）在線測流系統(tǒng)等。

（1）代表垂線法纜道模式ADCP在線測流系統(tǒng)：依托常規(guī)電動(dòng)水文纜道系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了ADCP模式的無人值守流量在線監(jiān)測。包括現(xiàn)地監(jiān)控管理軟件、遙測RTU、ADCP控制器、系統(tǒng)主控器、PLC纜道控制臺(tái)，以及測流計(jì)算機(jī)、ADCP、紅外一體攝像機(jī)等軟硬件設(shè)備的研發(fā)與集成。系統(tǒng)特別適合于受下游洪水頂托與上下游水電工程發(fā)電、泄水影響，導(dǎo)致水位～流量關(guān)系紊亂條件下的水文站流量測驗(yàn)。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)如圖4所示。

（2）高效纜道模式雷達(dá)波在線測流系統(tǒng)：依托高效雙軌纜道與直流水文絞車，實(shí)現(xiàn)了非接觸式雷達(dá)波模式的無人值守流量在線監(jiān)測。包括現(xiàn)地監(jiān)控管理軟件、遙測RTU、雷達(dá)波控制器、系統(tǒng)主控器、視頻控制器、直流纜道控制箱、直流水文纜道絞車，以及測流計(jì)算機(jī)、雷達(dá)波測速儀、紅外一體攝像機(jī)等軟硬件設(shè)備的研發(fā)與集成。系統(tǒng)全部采用太陽能光板+蓄電池組供電方式，特別適宜于山區(qū)性河道流量自動(dòng)測流。圖5所示為纜道模式雷達(dá)波在線測流的現(xiàn)場使用情況。

（3）固定式ADCP在線測流系統(tǒng)：主要分為水平H-ADCP在線測流系統(tǒng)和河底固定坐底式V-ADCP在線測流兩種方式。

河底固定坐底式V-ADCP在線測流和岸邊固定水平式H-ADCP在線測流的，都是利用水平聲學(xué)多普勒流速法測流[7]，2～3個(gè)超聲波探頭沿水平方向發(fā)射超聲波束，利用多普勒原理測量探頭所在水層的單元格上各點(diǎn)的二維流速，另一束向上發(fā)射用來測量水深（可不用），二者原理相同，區(qū)別在于安裝方式不同，H-ADCP安裝固定在河岸，V-ADCP安裝固定在河底。該測流方式可能測量探頭所在垂線的垂向單元格流速，適合用于河道斷面變化小，斷面窄的測站。

2 難點(diǎn)

第二節(jié)詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其組成部分，本節(jié)介紹系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中的難點(diǎn)，主要有五方面：

2.1 河道流量監(jiān)測集控技術(shù)

按照分區(qū)（片）或分流域機(jī)構(gòu)管理模式進(jìn)行各測站的縱向管理。要求集控管理平臺(tái)（WEB）支持500個(gè)測站同時(shí)接入、分中心（中心水文站）集控管理軟件（C/S）支持30個(gè)測站同時(shí)接入。

2.2 ADCP模式PD0數(shù)據(jù)解析

走航ADCP自帶程序包不提供原始數(shù)據(jù)的解析數(shù)據(jù)接口，需要開發(fā)人員利用PD0數(shù)據(jù)包進(jìn)行譯碼解析。

2.3 雷達(dá)波測流模式數(shù)據(jù)穩(wěn)定性

非接觸式雷達(dá)波流速儀在強(qiáng)風(fēng)、大暴雨情況下數(shù)據(jù)跳動(dòng)較大，雷達(dá)波運(yùn)行車如何選擇合理的運(yùn)行與控制模式、監(jiān)控管理軟件如何合理有效的選用原始數(shù)據(jù)分析算法是一個(gè)難點(diǎn)。

2.4 代表垂線纜道模式懸吊ADCP防碰撞

由于懸吊ADCP需要入水0.2m，流量測驗(yàn)過程中存在可能的漂浮物、過往船只、人等潛在的危險(xiǎn)。合理有效的防撞措施是系統(tǒng)可靠安全運(yùn)行的保證。

2.5 測站供電

水文測站位置通常比較偏僻，電源沒有保障，特別是山區(qū)性河道站，交流電往往不能到達(dá)。要求系統(tǒng)低功耗，最好全部采用太陽能供電。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

本系統(tǒng)在行業(yè)內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)了一個(gè)河道流量監(jiān)測集控系統(tǒng)，由一個(gè)控制中心集中控制多個(gè)遠(yuǎn)端水文站測流，通過在系統(tǒng)軟件中設(shè)置好測流時(shí)間間隔、代表垂線等參數(shù)，遠(yuǎn)端測流系統(tǒng)將根據(jù)設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)測流，并在無人狀態(tài)下自動(dòng)對測流全過程實(shí)行智能控制。同時(shí)，在該系統(tǒng)中，集控中心、分中心和移動(dòng)客戶端都可隨時(shí)監(jiān)視、遠(yuǎn)程控制各監(jiān)測站工作。創(chuàng)新點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：

（1）在無人狀態(tài)下自動(dòng)對測流全過程實(shí)行智能控制，同

時(shí)，集控中心可隨時(shí)監(jiān)視、遠(yuǎn)程控制各監(jiān)測站工作。

（2）通過將紅外視頻技術(shù)、熱感應(yīng)技術(shù)及圖像識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于水文站纜道，并利用傳統(tǒng)的測流纜道懸吊走航ADCP進(jìn)行測流，實(shí)現(xiàn)了纜道流量測驗(yàn)的自動(dòng)化和測流過程防碰撞的智能化。

（3）系統(tǒng)全部采用太陽能供電，為無人值守模式，測流不受停電、漂浮物、渾水、大風(fēng)、暴雨、雷電等惡劣環(huán)境的影響。此外，系統(tǒng)為雷達(dá)波測流儀器箱輔助補(bǔ)電設(shè)計(jì)了無線充電裝置，為流量人工比測設(shè)計(jì)了吊船ADCP同步比測裝置、雙軌纜道自平衡裝置。

（4）河道流量自動(dòng)監(jiān)測站（代表垂線ADCP模式、高效纜道雷達(dá)波模式）采用太陽能光板+蓄電池組供電模式，由系統(tǒng)主控器進(jìn)行智能電源管理，根據(jù)測站電能情況開啟對應(yīng)工作模式。非測流期間，除系統(tǒng)主控器（測流計(jì)算機(jī)）外，其余部分全部下電，極大降低了遭雷擊的概率，節(jié)省能耗，且在電能不足的情況下可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)流量自動(dòng)監(jiān)測。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的河道流量自動(dòng)監(jiān)測集控系統(tǒng)能根據(jù)不同的測驗(yàn)河段和測站具體情況，采用多種方式實(shí)現(xiàn)水文站流量的實(shí)時(shí)在線自動(dòng)檢測，集控中心只需要少量人即可完成下轄所有測站的流量測驗(yàn)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)無人值守全自動(dòng)水文站集中管理的模式，具有廣闊的市場前景和社會(huì)價(jià)值。

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