水库水雨情测报系统.docx

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水库水雨情测报系统

一、概况

工程简介

1.1.1自然概况及洪水情况

1.1.2水库工程建设情况

工程建设必要性

工程建设的可行性

水库水雨情自动化检测系统是一种先进的水文气象参数实时采集和传输、处理系统。

它应用通信、遥测和计算机等技术手段来完成雨量、水位、流量等各种参数的实时处理，并以其来实现防洪、供水、发电等优化调度，提高水资源的合理开发利用，其经济效益和社会效益是十分显着的。

水库自建库以来，水库的管理人员具备了丰富的水库管理、运行经验，通过各种手段积累了大量水库流域内的水情资料，这些水情资料为建设系统提供最基本的数据依据。

我国从七十年代末开始建设水情自动测报系统和闸门监控系统，目前技术已经成熟。

特别是进十年来，我国大中型的洪水调度系统的建设已逐步普及，使得水库洪水预报、实时预报及水库洪水调度自动化技术得到了迅速发展，并日成熟。

流域雨水情信息采集及传输系统、数据处理及中心控制系统的硬件设备、传感器等的生产步入规范化和定型化阶段，设备故障率极低。

综上所述，为了确保XX水库防汛的安全运行，提高管理质量，充分发掘水资源的潜力，进—步提高流域内水库的经济效益和社会效益，建设XX水库水雨情自动化监测系统是可行的。

二、总体设计

目标任务

2.1.1目标

遵照国家防汛抗旱总指挥部印发的《水库洪水调度系统设计与开发规则》及《水情自动测报系统规范》，根据全国防汛指挥系统和水利信息化建设要求，水库水雨情自动画监测系统的设计目标是：

建成“先进、实用、可靠、统一、可扩展”的水雨情自动化监测系统，在国内具有领先水平。

建成的洪水调度系统应具有下列功能：

●野外遥测站为无人值守站，全天候工作，具有良好的防雷能力；

●系统设备结构简单、维护方便、性能先进、可靠性高、省电定型产品；

●实时采集、传输、接收各遥测站的水情信息，并实现实时动态显示；

●用计算机网络系统实现实时数据处理，在线实时水雨情测报；

●利用计算机网络系统通过Internet/Intranet向主管部门发送水情数据、传递水情信息；

2.1.2任务

2.1.2.1水情自动遥测系统

1.遥测站网规划：

主要依照《水情自动测报系统规范（SL61-94）》和《水情站网规划技术导则（SL34-92）》的规定和XX水库建设水库洪水调度系统的要求，结合流域的自然地理情况，进行站网规划。

2.站网设计：

应按照国家防汛抗旱总指挥部1999年8月制定的“水库洪水调度系统设计与开发规则”，结合流域的自然地理情况，在满足水库洪水调度、洪水预报精度、预见期的要求下，合理进行站网设计。

3.通信电路设计：

通信设计应满足实时、可靠、准确、方便地传输水情数据的要求。

通信电路的质量应保证在99％的时间内，数据传输的误码率不大于1×10-4。

4.站网防雷设计：

水库流域地处山区防雷设计是保证遥测站运行可靠重要手段，也是可靠性重要指标。

2.1.2.2水库环境视频监测系统

1.水库环境视频监测系统具有功能：

实时监测水库被监测范围内环境情况，实时监测水库水位变化其情况。

2.水库环境视频监测系统应能通过INTERNET/INTRANET网络系统或电信公众网传输其它汛情数据信息，达到资源共享。

2.1.2.3信息化网络系统

信息化网络系统的主要功能：

信息化网络系统管理，数据库管理，各种数据传输与交换管理，资源共享，办公自动化管理，等其它管理功能。

设计依据

水库水雨情自动监测系统自动化系统设计应遵循以下规范、规程的要求：

SL61-94《水情自动化测报系统规范》；

DL/T5051-1996《水情自动测报系统设计规定》；

SL34-92《水文站、网规划技术导则》；

SL/T102-1995《水情自动测报系统设备基本技术条件》；

SL/T180-1996《水情自动测报系统设备遥测终端机》；

SL/T181-1996《水情自动测报系统设备中继机》；

SL/T182-1996《水情自动测报系统设备前置通信控制中心》；

SL199-97《水情自动测报系统通信电路设计规定》；

国家防汛抗旱总指挥部1999年8月制定的“水库洪水调度系统设计与开发规则”；

国家防汛指挥系统总体规划和设计纲要；

全国水利信息化规划大纲。

系统总体结构

2.3.1系统组成

XX水库水雨情自动化监测系统总体构架拟采用10/100M快速以太网技术，WINDOWS2000网络操作平台，以Client\Server方式组建信息化网络系统，为实现全管理处LAN和WAN网络服务平台提供基础条件，为建设XX水库数据库系统、雨水情自动遥测系统、视频监测系统系统等提供先进、实用、稳定、可靠的网络体系，实现资源共享，大大提高水库管理水平，最大限度地发挥水资源的效益，促进经济社会的可持续发展。

系统结构如图2-1所示。

数据库系统

应用系统

办公自动化系统

自动测报系统

信息化网络中心

视频监测系统

相关系统

网络管理系统

图2-1XX水库网络系统总体结构

2.3.2系统功能

2.3.2.1水雨情自动测报系统

水情自动测报系统主要功能：

在水库流域内形成一个能控制流域降雨时空分布特性的遥测信息采集网络，利用各种通信方式实时地自动完成流域内水雨情信息采集、传输到中心站，并将采集水雨情信息通过局域网络存入数据库。

2.3.2.2视频监测系统

视频监测系统的主要功能：

实时监测被监测范围内的环境情况、水库水位变化情况等，防止人为蓄意破坏水库相关设施，减轻工作人员工作量，通过网络通信系统将监测实时画面传送到上级防汛调度指挥中心，为防汛调度决策提供参考。

2.3.2.3信息化网络系统

信息化网络系统的主要功能：

为流域内水雨情信息采集、视频监测系统、数据库管理、办公自动化等提供一个数据平台。

2.3.3系统结构

2.3.3.1自动测报系统

通信设备

通信设备

遥测数传仪

中心控制仪

太阳能电池

中心站配电

自动水位计

自动雨量计

计算机工作站

信息化网络中心

图2-2水情自动测报系统结构

水库水情自动测报系统是一种先进的水情气象参数实时采集和传输系统，主要包含有自动雨量计、自动水位计、遥测数传仪、通信设备、中心控制仪、计算机工作站等组成，如图2-2所示。

公共通信网

2.3.3.2视频监测系统系统

视频监控系统结构如图2-3所示，主要包括摄像设备、视频服务器、控制设备、传输设备及监控中心设备等。

系统以传输网络为平台，以摄像设备为基础，以计算机网络为工具，通过人机交互操作，实现水库监测对象的实时数据传输。

视频监测系统具有主要功能：

1．实时、动态的监测被监控对象；

2．对监控图像进行本地/远程录像，回放、检索；

3．远程控制云台；

4．系统的信息传递和图像、数据显示功能。

2.3.3.3信息化网络系统

信息化网络系统主要包含核心交换机、中心服务器、数据库、系统管理中心、低端交换机、路由器等。

该系统主要为洪水调度、雨水情测报、信息传递提供运行平台。

省市防汛网络

数据采集终端

用户工作站

服务器

卫星地面站

路由器

网络交换机

图2-4水库信息化网络系统拓扑结构

2.3.3.4相关系统

相关系统是指洪水自动化调度系统、水情自动遥测系统外的系统，大坝安全监测系统、电视监控系统、办公自动化系统等，均可进入信息化网络系统中心的系统。

本设计范围

本设计范围主要完成水情自动化测报系统、视频监控系统、信息化网络系统。

三、水情测报通信组网设计

组网原则

XX水库水情测报通信组网应遵循以下原则：

●通信设计应满足实时、可靠、准确、方便地传输水情数据的要求。

●通信电路的质量应保证在99％的时间内，数据传输的误码率不大于1×10-4。

●选择具有高可靠性的工作体制。

●通信组网方案应满足遥测水情（水位）站位置不变。

遥测雨量站位置原则上不变的要求，并应尽量减少中继站数目及中继级数，使系统结构简单合理实用可靠。

站点的选择力求安装、运行维护及看管方便。

●通信设备应选用技术先进，经济实用，经鉴定合格，质量上乘的产品。

●遥测水情站网设计应满足水库洪水调度、洪水预报精度、预见期的要求。

测报系统站点选择

依据《水情自动测报系统规范（SL61-94）》和《水情站网规划导则（SL34-92）》的规定和XX水库洪水调度系统的要求，在水库流域内形成一个能控制流域降雨时空分布特性和水库各种来水情况的信息采集网络，结合流域的自然地理情况，在满足水库洪水调度、洪水预报精度、预见期的前提下，XX水库遥测水情站点的选择通过反复论证，拟确定雨量站5座；水位站4座；分中心站1个，中心站1个。

通信方式选择

水情测报系统目前采用的通信方式有超短波、卫星、短波、有线通信GSM（CDMA）短消息等五种方式。

3.3.1五种通信方式的性能比较

3.3.1.1超短波通信

超短波通信是采用超短波230MHZ频段组网，该频段是国家无线电管理委员会指定的数

据传输专用频段。

超短波通信方式的优点是：

信号传输比较稳定，质量较好，又具有一定的绕射能力，是我国目前水情自动测报系统中应用最多，技术上也较成熟的通信方式。

超短波通信方式的缺点是：

传播距离较近，受地形限制，在山地通信时需设置中继站。

3.3.1.2卫星通信

近几年，通信卫星VAST系统、Inmarset-C海事卫星及神州天鸿卫星通信系统在水情自动测报系统应用也日趋增多，而且也日趋成熟，是未来水情测报的一大发展方向。

卫星通信方式的优点是：

传输质量最好，传输距离不受限制，覆盖面积大，受地形、气候的影响小，组网灵活。

设备的抗雷击能力强。

卫星通信方式的缺点：

神州天鸿卫星通信系统和Inmarset-C海事卫星通信系统在收费上采取使用时收费，不使用时不收费的方式，但依然有较高的使用成本，而且系统天线仰角较低，在某些陡峭的山脚下，建站有困难。

通信卫星VAST系统设备体积较大，功耗大，系统建设成本高，且不利于维护管理。

3.3.1.3短波通信

短波通信是利用短波在电离层的反射来进行的通信。

短波通信方式的优点是：

传播距离较远，受地形限制较少，投资少，建设快，抗破坏能力强。

短波通信方式的缺点：

受电离层、气候的影响，通信质量差，信道稳定性差。

3.3.1.4PSTN系统

PSTN（PublicSwitchingTelephoneNetwork）遥测报汛网络系统是近年来在水情和其他部门迅速崛起的－种具有高可靠性、组网灵活、成本低、维护方便等优势的新型通信传输手段。

但由于系统运行通话费用较高，运行成本高，而且发送数据间隔较长，不能及时实时地反映上游的水雨情，也不能真正做到水库调度自动化。

3.3.1.5GSM（CDMA）短消息系统

GSM（CDMA）短消息是电信部门向用户提供的一种数字通信资源，是一种无线通信公网。

水利上主要是使用GSM（CDMA）短消息系统的短消息平台进行组网。

点对点的短消息业务是由短消息业务中心完成存储和前转功能的，短消息发送到短消息中心后，先存储在短消息服务器上，然后再转发到接收机上。

利用短信息平台组网，具有以下优势：

系统响应速度快，传输时效好，信道稳定可靠。

系统容量较大，可传输的数据量较大。

信息量限制为140个字节（7比特编码，160个字符）。

GSM（CDMA）信道无需中继，即可用于无线远程传输，加上它属于双向通信，可方便地实施远程控制，所以组网十分灵活。

GSM（CDMA）系统设备体积小、重量轻、功耗低。

由于不需要架设室外天线，安装方便，一次性建设投资少，维护管理简单，运行费用较低。

3.3.2通信方式的选择

从上述对比分析可见：

对于XX水库水雨情自动化监测系统而言，卫星通讯虽优点多但运行成本相对较高，短波通信虽廉但质量太差，超短波需要建设中继站，而在水库流域范围基本上都有GSM或CDMA手机信号覆盖，所以我们建议在本系统中我们认为使用GSM（CDMA）短消息通信方式为最佳方案。

四、水情测报信息传输设计

信息传输设计原则

XX水库自动测报信息传输设计必须遵循以如下设计原则：

◆传输设计应满足实时、可靠、准确、方便地传输水情数据的要求。

◆传输电路的质量应保证在99％的时间内，数据传输的误码率不大于1×10-4。

◆选择具有高可靠性的工作体制。

信息传输工作体制选择

目前，水情自动测报系统信息传输体制基本上分为自报式和应答式两种方式。

4.2.1两种体制的工作方式

自报方式：

当水情发生一个计量单位的变化时，（即雨量变化1mm，水位变化1cm），遥测站实时自动采集存贮，并立即向中心站发送这些数据。

这种方式的特点是各遥测站主动报数，中心站被动接收。

应答方式：

当水数据发生变化时，遥测站自动聚集和存贮这些数据，但并不立即发送，只在接收到中心站的召测命令后，才将存贮的最新数据发送给中心站。

这种方式的特点是中心站主动召测，而各遥测站被动响应。

4.2.2两种体制的性能比较

4.2.2.1系统结构及设备复杂程度

自报式体制的数据单方向传输，因而仅需要单向信道，系统结构简单。

遥测站只发送，不接收，中心站只接收，不发送，因而设备的软硬件简单，设备投资低，设备维修容易。

应答式体制属双向通讯，需要双向信道，系统结构复杂。

遥测站和中心站均需具备发送和接收功能，设备软硬件复杂，投资高，维修困难。

4.2.2.2电源消耗

自报式体制的遥测站在不发送数据的时处于微功耗状态，用7AH蓄电池组和小容量太阳能光电板浮充方式供电，体积小、重量轻，便于实现结构一体化设计。

应答式体制的遥测站因接收机一直处于接收守候状态，因而电源功耗大，通常为自报式测站的数十倍以上，需要特大容量的太阳能光板浮充供电，蓄电池容量也要求较大。

使用交流供电，则使供电设备复杂，且存在引进雷击的危险。

4.2.2.3实时性

自报式体制即测即发，实时性很强。

应答式体制只有在中心站召测时才发，实时性较差。

4.2.3工作体制的选择

由上述对比分析可见，自报式体制的大多性能优于应答式体制。

水情信息网络传输方式

4.3.1网络平台确定

网络平台的确定包括硬件平台和软件平台两大部分。

硬件平台的建设主要是选择先进实用、性能稳定的网络设备、服务器、工作站等设备，建立良好的网络拓扑结构。

软件平台的建设主要包括操作系统、数据库系统、应用软件开发系统三部分内容，在软件选型、研究开发过程中着重考虑以下因素：

★先进性好：

在Windows32位平台上，选用VisualBasic、VisualC++等最新版本计算机编程语言，按客户机/服务器结构设计开发系统软件；

★实时性强：

基于网络应用层开发的数据通讯程序，使各工作站之间的实时数据传输及动态数据的反应速度得到保证；

★支持多种数据库：

采用ODBC技术与数据库联接，支持目前各种数据库，保证操作软件与数据库的联接、调用；

★开放性：

系统软件应采用设置定义结构，图形报表输出应采用非编程定义，完全向用户开放，以便适应系统变化、站点增减，以及图形表格输出的自行定义；

★扩展性：

拟全部选用微软公司的软件开发语言及其Windows平台，避免兼容性问题并保证其可扩展性。

应用软件应不因硬件或软件平台的升级而淘汰，不同协议的通讯程序、设制图形的基本图元及表格定义中的网格函数均采用外挂式结构（DLL动态链接库结构），增加系统功能仅需增加或修改相应的系统动态链接库，以便系统的扩展和修改调试。

★数据库标准化：

以一九九八年四月国家防总最新制定的《国家防汛指挥系统工程实时水雨情库表结构》定义数据库表结构，使数据库表结构更合理、更通用，为将来在省内各部门充分做到互连、互通，以及操作提供了基础的条件。

基于上述要求，选择Windows2000操作平台。

Windows2000是微软公司操作系统中最新的、功能最强的产品，该操作系统采用Windows界面，操作直观，管理简单易行，Windows2000的主要特点是：

◆安全性高：

提供一个高级可靠的C2级安全环境；

◆可靠性好：

操作系统对系统软件和硬件的出错情况有所预计并进行适当的处理，使得系统本身及用户数据和程序得到保护；

◆强大的网络能力：

Windows2000支持多种协议，具有强大的异种机、异种操作系统的互连能力，使不同档次的计算机通过各种标准通讯协议以工作站形式与Windows2000操作系统连结。

4.3.2数据网络传输协议

数据网络通讯模块主要负责单机、局域网内计算机、广域网内计算机的程序模块之间的信息通信，该程序组主要在网络七层结构的应用层下采用单进程多线程结构进行开发，其包含下列内容：

★本地机各程序模块间的进程通信；

★网络间的文件传输；

★远程数据访问；

★电子邮件传输；

★网络管理。

由于选择Windows2000操作平台，该程序组主要在网络七层结构的应用层下采用单进程多线程结构进行开发，支持、NetBEUI、TCP/IP、IPX/SPX等多种协议。

五、水情测报设备选型

设备选型原则

XX水库水雨情测自动化系统地处山区。

交通不便，覆盖面积较大，遥测站距水库管理处远且无人值守。

结合国内建设自动测报系统经验及本工程特点，设备选型应遵循以下原则:

●设备选择应以结构简单，维护方便，性能先进，可靠性高，省电等要求，选择可靠性高，已定型，有一定运行经验的设备。

●野外遥测站为无人值守站，应能满足全天候工作的要求。

●各站具备自检能力，并能对电源电压进行自动监测。

●除中心站外，所有站点均采用直流供电方式，并具有可靠的防雷措施。

●应可靠实时采集、发送水情信息。

遥测站设备选型

XX水库水情系统遥测站结构如图5-1所示，主要是采用超声波水位计和雨量筒组成遥测站，采用自报式工作体制。

组成

图5-1GSM雨量监测站组成框图

雨量计

监测数传终端机及附件

RS232,通信接口单元

数据储单元

充电控制单元

数控单元

编程单元

人工置数、数据显示单元

太阳能电源

GSM通信机

水位计

5.2.1遥测站功能

a、实时数据采集：

当水位传感器发生变化1个增量（即1CM）时，设备自动采集存贮并将水位更新值发送出去。

b、定时数据采集：

实时采集水位传感器数据，定时将当前值发送出去。

c、自适应数据采集：

当传感器数据在容限内变化时，按定时方式采集数据：

当数据突变时，可根据变幅自动增加发送次数，以取得数据极值。

d、设备自检：

当数据口无增量变化时，设备定时自检，并将各口及电源状态发送出去。

e、站号当地设置：

可方便地在当地设置站号。

5.2.2遥测站设备技术指标

遥测站的主要技术指标及功能如下：

（1）工作温度：

-20℃～+50℃。

（2）静态功耗：

＜1ｍA（含收信机）。

（3）可靠性指标：

MTBF＝8年（每年实际维护保养1小时）。

（4）电台功率：

5W或25W。

（5）具有watchdog功能，即具有软件故障自动恢复功能。

（6）具有电台保护功能。

（7）具有数据纠检错功能，引入BCH编码，抗突发干扰强。

（8）具有多路径数据传送功能，以便灵活组网。

（9）具有与国内所有不同体制的水情遥测及控制系统联网。

（10）具有传统存贮再生中继所具有的其它功能，转发速率为300波特，数据传输的月畅通率大于98%。

（11）入口信噪比门限：

S／Nmin≤16dB（Pe＜l×10-5）。

（12）遥测站设备的使用寿命7～10年。

5.2.3遥测站水位传感器设备配置

本系统采用超声波水位计，它在各水情自动测报系统中和国家防汛指挥系统试验中普遍使用。

它与水位数据收集、存储、处理系统配套，可作为国家专设站网长期收集水位信息的水位传感器。

该水位计适用于江河、湖泊、水库、河口、渠道、船闸、地下水及各种水工建筑物处的水位测量。

超声波水位计主要技术指标：

1．测量范围：

10.0米、20.0米、40.0米；

2．分辨力：

1.0cm；

3．准确度：

10m量程时，95%测点的允许误差为≤±％FS，99%测点的允许误差为≤±％FS；＞10m量程时，≤±％FS；

4．波浪抑制：

非接触超声波水位计的输出稳定，具有消波浪功能；

5．平均无故障时间MTBF：

≥20000小时；

6．供电和防雷电方式：

采用直流供电，传感器及信号传输应具有有效的防雷措施；

7．工作环境温度：

-20℃～＋50℃，工作环境湿度：

95％RH（40℃凝露）。

5.2.4遥测站雨量传感器设备配置

本系统采用国内自动翻斗式雨量传感器，它在各水情自动测报系统中和国家防汛指挥系统试验中普遍使用。

自动翻斗式雨量传感器主要技术指标：

1.承雨量内径：

Φ200mm；

2.分辨率：

0.5mm；

3.降雨量测量范围：

-4mmmin；

4.翻斗计量误差：

≤±4％；

5.输出信号方式：

磁钢—干簧管式开关信号；

6.开关接点容量：

DCV≤12V,I≤120Ma；

7.接点工作次数：

l×107

8.工作环境温度：

-10℃～＋50℃

水情信息接收处理中心站设备选型

中心站以分布式多微机的局域网方式配置，系统采用客户机/服务器结构。

一套YCZ前置机连接到水情采集工作站上采集数据。

水情采集工作站以太网方式连接到局域网，将采集数据送入数据库。

网络互联采用工业标准TCP/IP协议，运行Windows　2000操作平台下。

YCZ前置机是水情自动测报系统中心站的通信控制设备，系统中所有各遥测点的数据均要经过它进入计算机构成水情工作站。

水情工作站以太网方式连接到局域网，网络互联采用工业标准TCP/IP协议，运行Windows　2000操作平台下。

YCZ前置机采用嵌入式CPU系统设计，功耗低、内存大、通信接口多，即可用于自报系统也可用于应答系统。

系统中心站组成如图5-３所示。

Modem

直流稳压电源

雨量计

前置机

水情工作站

图5-３系统中心站组成

前置机除具有高可靠的工作特性外，还具有造型新颖、结构合理、使用方便和维护简单等优点。

其主要技术指标如下：

输入输出接口：

电台数传接口1个，RS232C接口2个，RS485接口1个；

工作方式：

无线（UHF/VHF）或有线（RS485）；

传输速率：

无线1200波特（典型300波特），有线4800波特；

无线传输载频（300波特）：

“信号”——980Hz，“空号”——1180Hz；

无线调制器输出电平：

100mV；

无线解调器允许解调电平：

20mV；

无线解调特性：

pe<10-5（>6db）；

有线传输距离：

2.4km（2400波特）。

六、视频监测系统设计

设计原则

先进性：

在投资费用许可的情况下，系统采用当今先进的技术和设备，一方面能反映系统所具有的先进水平，另一方面又使系统具有强大的发展潜力，以便该系统在尽可能长的时间内与行业发展相适应。

可靠性：

采用成熟的技术产品，在设备选型和系统设计中都尽量提高系统的可靠性与易维护性。

安全性：

对于视频监控系统，其本身的安全性能不可忽视，系统设计时，必须采取多种手段防止本系统遭受各种形式与途径的非法破坏。

可扩充性：

系统设计时应充分考虑今后的发展需要，系统应考虑预备容量的扩充与升级换代的可能。

规范性：

在系统的设计与施工过程中应参考各方面的标准与规范，严格遵从各项技术规定，做好系统的标准化设计与施工。

系统结构

计算机数字视频监控系统，是集实时图像监控、图像技术处理和硬盘录像为一体的综合监控管理系统，系统由前端摄像、传输、控制、显示、记录5大部分组成。

前端摄像部分完成模拟视频的拍摄等功能，主要器件包括：

摄像机、镜头、云台、防护罩、解码器和支架等。

摄像机通过内置的CCD及辅助电路将现场情况拍摄成为模拟视频电信号，经同轴电缆传输。

防护罩给摄像机和镜头提供适宜的工作环境。

本次采用的摄像机支持夜间图像监测，可实现日夜图像监控。