龔萬立 （1968-）

男，湖北秭歸人，工程師，本科學(xué)歷，現(xiàn)就職于湖北省秭歸縣水利電力勘察設(shè)計院，主要研究方向為水利工程。

摘要：文章引入近年來迅速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提出了將無線網(wǎng)絡(luò)和移動通信公網(wǎng)應(yīng)用到水情遙測中的設(shè)計思想。在此基礎(chǔ)上，提出了基于移動通信公網(wǎng)和無線網(wǎng)絡(luò)的水庫監(jiān)測系統(tǒng)的功能，其中是主要以攝像頭為主的遙測系統(tǒng)，對該遙測系統(tǒng)進行了設(shè)計，并就遙測系統(tǒng)的優(yōu)勢和有待改進的地方做了詳細的分析和描述。

關(guān)鍵詞：自動監(jiān)測；無線網(wǎng)絡(luò)；移動通信網(wǎng)；設(shè)計

    隨著社會生產(chǎn)力的不斷提高和科學(xué)技術(shù)的高度發(fā)展，水利工程管理單位的自動化建設(shè)成為了水利現(xiàn)代化的重要組成部分，為了保證水庫的度汛安全，充分發(fā)揮工程效益，合理利用水資源，提高灌溉效益和工程運行管理水平，采用高科技的水文信息采集和計算機監(jiān)控技術(shù)，實現(xiàn)對水庫的自動化監(jiān)控，從而達到全天候的對水庫各種觀測數(shù)據(jù)的實時采集、洪水預(yù)報和大壩安全管理以及優(yōu)化調(diào)度運行，是水庫管理的必由之路，也是勢在必行^[1] 。因此，對此作了深入的研究和設(shè)計。

    研制流域水資源遙測系統(tǒng)的主要目的是：遠程實時視頻監(jiān)視水位、流量、水閘狀態(tài)；遠程控制水閘開啟和關(guān)閉，甚至操作者在國外都能實現(xiàn)，只要密碼可靠，不擔(dān)心被他人操控；清析、直觀、實時了解現(xiàn)場狀況及遙控效果^[2] ；運行維護簡單，完全可以實現(xiàn)現(xiàn)場無人值班無人值守的程度，上百個水庫的調(diào)度與值班可交由防汛中心一人完成。

1 系統(tǒng)設(shè)計原則和整體結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計原則

1.1.1 系統(tǒng)整體性

    系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和每一個環(huán)節(jié)的設(shè)計，都要充分體現(xiàn)運行、監(jiān)控、管理一體化、自動化、網(wǎng)絡(luò)化以及信息資源與設(shè)備資源共享的水利工程現(xiàn)代化管理趨勢；

1.1.2 系統(tǒng)安全性

    在安全調(diào)度基礎(chǔ)上，實現(xiàn)閘門系統(tǒng)的自動控制，充分發(fā)揮工程的效益。

1.1.3 落實可靠性第一的原則

    系統(tǒng)可靠性不僅指某一組成部分或某一設(shè)備，更重要的是系統(tǒng)的整體可靠性。系統(tǒng)任何一部分可靠性欠缺都會造成整體可靠性降低，因此，要采用成熟的經(jīng)驗和先進技術(shù)，把提高可靠性落實到從系統(tǒng)總體設(shè)計、各層次軟硬件系統(tǒng)設(shè)計、設(shè)備選型、安裝調(diào)試直到系統(tǒng)維護每一環(huán)節(jié)。

1.1.4 系統(tǒng)易維護、易擴展和可移植

    應(yīng)用程序界面化，操作提示完善詳細，便于應(yīng)用和推廣。管理人員經(jīng)過短期培訓(xùn)就能掌握系統(tǒng)的操作和使用。故障易查、易排除是系統(tǒng)易維護的重要標(biāo)志，借助上位機故障診斷系統(tǒng)，維護人員可以很快的確定系統(tǒng)發(fā)生故障位置和故障類型，使故障在很短時間內(nèi)排除。

1.1.5 總體設(shè)計起點高

    為了充分發(fā)揮水庫工程的社會效益和經(jīng)濟效益，適應(yīng)科學(xué)技術(shù)日新月異高速發(fā)展的形勢，該系統(tǒng)必須吸納水利工程管理、計算機、自動控制、通信等各專業(yè)的高新技術(shù)進行設(shè)計，避免一些先天性的局限，維持系統(tǒng)資源的長遠利益。系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)具有充分的開放性和可擴展性，便于今后的擴充。

1.1.6 系統(tǒng)應(yīng)具有優(yōu)越的性能價格比

    在保證系統(tǒng)功能完善、可靠性和先進性的基礎(chǔ)上，盡可能降低系統(tǒng)成本，減少投入資金。　　　　　　

1.1.7 實用性強

    能及時的讓水管機構(gòu)掌握水庫的水位、庫容及進庫、泄出流量的實時數(shù)據(jù)。以便于水管機構(gòu)對奎屯河流域水資源的合理利用，提供可靠的信息，同時還可以進行歷史數(shù)據(jù)的查詢及通過歷史曲線的觀察，更快地掌握奎屯河的規(guī)律性。

1.1.8 實時性與兼容性

    實時反映各水庫及渠道的水位及閘位的高度；測報系統(tǒng)在不改變水庫原有的操作的情況下，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，水庫按原操作運行，便于管理及維護。

1.1.9 多樣性、擴展性

    系統(tǒng)可實現(xiàn)多種功能，在完成整個實時測報外，還具有參數(shù)存儲、越限報警、即時打印、報表打印、故障打印等其他科室功能；預(yù)留數(shù)據(jù)接口，便于奎屯河流域水庫群自動化管理發(fā)展的需要，且維修方便，易操作等原則。

1.2 整體結(jié)構(gòu)

    防汛中心設(shè)備：一臺普通的上網(wǎng)的電腦，網(wǎng)絡(luò)帶寬在4M以上。

    水庫端設(shè)備：一臺帶485接口的網(wǎng)絡(luò)攝像機、一臺帶485接口的水位控制儀、一臺帶485接口的流量儀、一臺485接口的閘門控制器（含閘門位置數(shù)顯、電機保護）以及配電箱。

    整體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

    圖1   水庫自動化監(jiān)測整體結(jié)構(gòu)圖

2 監(jiān)控中心和監(jiān)控管理

    監(jiān)控中心監(jiān)控中心的設(shè)備包括網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、上位監(jiān)控計算機(值班機)、離線管理計算機、水雨情顯示大屏幕、閉路電視監(jiān)視器和控制器、打印機、集線器（Hub）、調(diào)制解調(diào)器（Moder）、控制柜和控制臺。監(jiān)控中心是整個系統(tǒng)的核心。以Windows XP為網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)構(gòu)成星型局域網(wǎng)，實現(xiàn)信息資源、軟硬件資源共享。

    用Pentium系列原裝高檔微機作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，內(nèi)置數(shù)據(jù)庫服務(wù)器(SQLSever)、Web服務(wù)器、文件與打印服務(wù)器，并連接Modern，通過電話線或電臺與外界聯(lián)絡(luò)，實現(xiàn)遠程查詢、互聯(lián)網(wǎng)等功能。采用雙絞線連接、TCP／IP協(xié)議、傳輸速率10M／100M。可以與外界Intenlet互聯(lián)。各計算機統(tǒng)一分配IP地址。Web服務(wù)器上有供遠程查詢的實時動態(tài)主頁和其他靜態(tài)頁^[3，4] 。

    選用Pentium系列多媒體微機作為離線管理計算機、運行離線管理軟件和辦公服務(wù)軟件，完成日常管理工作。配置的管理軟件具有以下功能：系統(tǒng)管理與工程數(shù)據(jù)庫管理；數(shù)據(jù)可靠性檢驗：資料查詢包括數(shù)據(jù)檢索、統(tǒng)計、年報、月報、日報、表格、圖形、曲線以及防汛與工程資料查詢；圖形輔助資料分析包括多種資料解釋模型；安全監(jiān)控和預(yù)報；圖象圖形處理、多媒體演示、傳真、接發(fā)送郵件等。

    選用工業(yè)控制計算機(工控機)作為在線監(jiān)控計算機(上位監(jiān)控機或值班機)，運行監(jiān)控軟件，完成日常監(jiān)控任務(wù)。所配置的監(jiān)控軟件具有以下主要功能：采集水雨情、水庫安全監(jiān)測數(shù)據(jù)以及溢洪道泄洪閘、輸水涵管閘門的運行工況；報警功能，當(dāng)監(jiān)測水位達到警戒水位時，立即發(fā)聲光報警，進行調(diào)洪演算，給出安全泄洪方案和防范措施。并可自動進行泄洪閘的調(diào)度控制；對大壩進行實時安全監(jiān)控；水雨情與大壩監(jiān)測動態(tài)數(shù)據(jù)庫管理。

    根據(jù)工程實際情況選用不同的聯(lián)網(wǎng)方式：監(jiān)控點聯(lián)接寬帶方便的選用直接Modem方式，監(jiān)控點聯(lián)接寬帶不方便但無線通訊網(wǎng)絡(luò)方便的選用移動通訊Modem方式，監(jiān)控點聯(lián)接寬帶不方便，無線通訊網(wǎng)絡(luò)也無信號但能用無線網(wǎng)橋接入網(wǎng)絡(luò)的選用網(wǎng)橋聯(lián)網(wǎng)方式。監(jiān)測系統(tǒng)如圖2、圖3、圖4所示。

                                      圖2   直接Modem方式

                                     圖3   移動通訊Modem方式

                                     圖4   網(wǎng)橋聯(lián)網(wǎng)方式

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與輸出

3.1 網(wǎng)絡(luò)攝像機

    網(wǎng)絡(luò)攝像機為攝像機和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器組合在一起的，只要連接進Internet網(wǎng)絡(luò)，就能在世界的任一角落查看實時視頻。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器帶有485通訊口，可以采集水位信號、閘門位置信號、流量信號等，可以控制攝像機的云臺旋轉(zhuǎn)、閘門的操作以及其它設(shè)定的操作（如攔污柵的清污操作）。

    網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器采用高性能、功能強大的可編程媒體處理器，單芯片SOC，內(nèi)置（ARM9＋DSP）和高速視頻協(xié)處理器，高靈敏度CCD或CMOS傳感器（SONY、SHARP等），優(yōu)化的視頻壓縮算法，方便在窄帶上實現(xiàn)高清晰的圖像傳輸，最大可支持10個用戶同時瀏覽，內(nèi)置Web Server方便用戶使用標(biāo)準的IE瀏覽器實現(xiàn)對現(xiàn)場的實時監(jiān)看和設(shè)置管理，支持遠程系統(tǒng)升級功能，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬自動調(diào)整碼流大小和編碼幀率，提供RS485/RS232 串口和內(nèi)置各種解碼器協(xié)議，支持透明傳輸協(xié)議。

    根據(jù)實際需要可選擇固定安裝的和自帶云臺的，根據(jù)防水要求可選擇室內(nèi)型和室外防水型，根據(jù)有無夜視要求選擇是否帶夜視功能的。

3.2 水位、閘位、流量顯示儀

    水位控制儀為單片機結(jié)構(gòu)，由投入式壓力探頭檢測水壓力來測量水位，水壓的變化在探頭上產(chǎn)生不同的阻抗，引入水位控制器。可設(shè)置一到二路水位報警信號，接入攝像機的報警輸入口。水位、閘位、流量巡檢儀有一路485的通訊口，可和其它組件一起接入攝像機（內(nèi)部的服務(wù)器），可以通過網(wǎng)絡(luò)讀取到水位數(shù)據(jù)。

    閘門的位置信號由與閘門啟閉機聯(lián)動的電位器連接至巡檢儀，電位器的阻值變化轉(zhuǎn)化為閘門的位置信號，即時準確監(jiān)測閘門的位置。

    用一水壓力測量探頭設(shè)置于水閘出口后一定距離的渠道上，用于測量渠道水深，通過積算監(jiān)測放水流量，水位、閘位、流量巡檢儀和閘門控制器一起裝于墻掛式儀表箱，也可以與配電部分一起組合成一個控制柜。

3.3 閘門控制器

    閘門控制器（含電機保護）為閘門啟閉控制的核心。

    控制部分的核心元件是MC-205 M/P10，是集保護和控制于一身的自動化元件，主要功能是在故障或事故時斷開回路，保護電動機，穩(wěn)定啟動和停止正反向運轉(zhuǎn)，配合網(wǎng)絡(luò)元件可以實現(xiàn)四遙功能。

    MC-205 M/P10是具有先進的現(xiàn)場總線接口，基于微處理器技術(shù)開發(fā)研制的電機保護與控制裝置。由微處理器來執(zhí)行電機的保護與控制功能，完成對電機操作次數(shù)的統(tǒng)計、自診斷以及與上位機的通訊等。MC-205 M/P10為電機提供的完備保護，避免了因電機過載過熱、堵轉(zhuǎn)、欠壓、輕載、斷相、三相不平衡、電機過熱（PTC）、接地等可能故障導(dǎo)致的生產(chǎn)事故，最大限度地保證設(shè)備運行的有效性與安全，MC-205 M/P10采用RS485通訊接口設(shè)計，保證了與上位機通訊的快速可靠，同時能快速響應(yīng)上位機的實時查詢等要求并執(zhí)行相應(yīng)操作。采用帶背光高清晰度大屏幕液晶顯示，全中文系統(tǒng)，設(shè)置簡單方便。

4 系統(tǒng)功能

    本系統(tǒng)的功能主要包括^[5] ：

    （1）自動采集監(jiān)測數(shù)據(jù)。系統(tǒng)可對滲壓、氣壓、滲流量、水位、水溫、降雨量等各類型的傳感器采取自動控制(自動式)和強制式(應(yīng)答式)方式，可進行常規(guī)巡測、檢查巡測、定時巡測、常規(guī)選測、檢查選測和人工測量。

    （2）數(shù)據(jù)通訊。測控單元(MCU)與監(jiān)測之間，監(jiān)測室與控制室之間可以通過多種通訊設(shè)備實現(xiàn)雙向通訊功能。

    （3）數(shù)據(jù)管理與分析。系統(tǒng)可對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行顯示、存儲和打印，建立檔案，并實現(xiàn)在線處理和離線處理，還可以及時制成圖表，對工程性態(tài)進行分析。

    （4）自檢。系統(tǒng)具有自檢能力，即主機可顯示故障信息狀態(tài)，以便及時檢查維修。

5 結(jié)語

    從宏觀的角度來看,以攝像頭為主的水庫自動化監(jiān)測系統(tǒng)作為一種任務(wù)型網(wǎng)絡(luò)和移動通訊網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合,有效地將各個級別、各種用途的流域監(jiān)測點組成了一個綜合網(wǎng)絡(luò),獲得的信息被作為一個整體來處理,這樣可提高信息的全局性和準確性。各種信息相互支持,也拓展了監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的決策應(yīng)用范圍。該系統(tǒng)的特點是利用實時采集各被監(jiān)測區(qū)域的水情數(shù)據(jù),進行存儲、分析,利用強大的網(wǎng)絡(luò)功能,實現(xiàn)了信息通暢、資源共享,提供大量準確的水文數(shù)據(jù),從而為各級管理部門的決策提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。


參考文獻

[1]孫利民,李建中,陳渝,等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[2]謝新民,蔣云鐘,閏繼軍,等.流域水資源實時監(jiān)控管理系統(tǒng)研究[J].水科學(xué)進展.2003,14(3).

[3]曾凡智,李鳳保.基于GSM的網(wǎng)絡(luò)化傳感器系統(tǒng)[J].傳感器技術(shù).2004,23(4).

[4]孫增義.水情自動測報技術(shù)基礎(chǔ)及其應(yīng)用[M].北京:中國水利水電出版社,1999.

[5]徐立中,楊錦堂.水文自動測報系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)研究[J].河海大學(xué)學(xué)報,1998,(26)4:20-23.