三、项目详细内容(限8页)

1、三、项目详细内容（限8页）一、立项背景1、国内外现状水资源是人类赖以生存和发展不可替代的自然资源，是农业发展的命脉。农业灌溉用水占全国用水总量的70%，灌区的输水监测、节水调度和安全管理，关系到国家粮食安全、防洪度汛安全和社会稳定。研究发展量水测流技术与监测控制技术是解决我国水资源不足，缓解供需矛盾，保障国家水安全和实现水利现代化的必由之路。在国外，发达国家灌溉水管理日趋朝着信息化、高效化方式发展，但在一体化水位量测技术以及湍流渠道量水测流技术领域研究很少，尚没有出现成功的研究成果。在国内，水利部在十一五期间对全国51座大型灌区作了信息化试点建设，在灌区的通讯网络、平台建设和软件方面取得了一定

2、成绩。但在渠道实时量水测流方面，由于灌区渠系点多、线长、面广、供电困难等问题一直沿用人工观测手段，致使渠道实时水位测量、水利闸门自动流量测量方面长期处于空白。2、存在问题当前，国外进口设备动辄数万或十几万美元，一般灌区很难投入得起，而国内设备处于研究初期，监测精度低、环境适用性较差，不适合实际应用。所以，灌区一直沿用人工观测，手工计量方式，致使灌区渠道水位监测、闸门流量计量与控制自动化程度低、实时性差，造成灌区宏观调控能力差、输水安全没有保障、水资源浪费严重、水费征缴困难等一系列问题。再有，从行业技术水平来看，当前灌区信息化领域技术水平整体落后于工业控制等其他行业，技术含量高并且适合灌区应用特

3、点的设备和产业化单位严重缺乏。3、目的意义项目研究目的是通过设计开发适合我国灌区实际的、通用型的量水测流及远程监控系统的整体解决方案，研制开发一体化智能量水测流技术、装置和管理软件，解决灌区渠道水位流量测量不准确，数据获取不及时，供水调度困难，输水安全预警能力差等问题。项目研究意义在于填补国内一体化量水测流技术的空白，形成具有自主知识产权、技术含量高、附加值高的产品，达到避免重复生产与低水平竞争，促进行业技术进步的目的。二、科学技术内容（一）技术思路综合采用自动控制、电子信息、物联网及计算机软件技术，构建灌区远程监控系统平台，研究一体化智能实时水位量测技术，研制水利闸门现场自控与过闸流量测量系

4、统装置，开发灌区决策支持信息系统。解决我国灌区缺少适合的实时量水设备，信息化管理手段落后，渠道输水存在的安全隐患，水资源浪费等问题，填补国内空白。最终达到灌区渠道水位流量实时测量与远程监控，缓解供需矛盾，减少跑冒滴漏、保障供水安全，提升灌区信息化管理水平的目标。（二）技术方案及创新成果针对水利灌区信息化建设的发展需要，综合采用自动化、计算机、通讯等技术集成创新，设计全局调控模式的一体化量水测流及远程监控系统总体方案；采用单片机、通讯、物联网及节电技术发明“一体化智能遥测水位计”，攻克灌渠、河流、水库、地下水、山洪及城市内涝等多种场合的实时水位测量难题；采用自有发明专利技术研制“湍流渠道稳水器”

5、和“一体化水位防盗测井”，达到湍流渠道稳水和野外设备防盗防破坏的目的，填补国内空白；采用自动控制、电子信息、无线传感等技术研制“电动闸门测流与自动控制系统”、“手动闸门监测系统”，实现水利闸门过闸流量测量、现场自动控制和远程监控，达到节约和科学调配水资源的目的。开发“灌区远程监控系统软件”，达到灌区全渠系“实时监测、科学调度、安全监控、节约水资源”的管理目标。 1、系统总体架构方案系统设计遵循“技术先进成熟、实时快速、安全可靠、便于扩展、容易升级”的基本原则，采用先进、成熟的全开放、分层、全分布系统结构，便于硬件设备扩展和功能扩充。系统由灌区渠道现场监测与自动控制系统、通讯网络和监控中心三部分

6、组成。灌区渠道现场监测与自动控制系统由一体化智能水位量测系统、电动闸门测流与自动控制系统、手动闸门水位流量自动监测系统、雨量监测系统等四个子系统组成。系统总体结构如图1所示。图1 系统总体结构图2、仪表及控制装置的研制（1）一体化智能遥测水位计的发明采用导压、隔离、温度补偿、防淤堵、无线传感、节电及物联网技术，研制了“一体化智能遥测水位计”，并获得国家发明专利。该设备具有水位测量、水位校准、水位记录、数据存储和远程通讯功能，解决了灌渠、河流、水库、地下水、山洪及城市内涝等多种场合的实时水位测量和远程监测问题。北京市路网管理中心在北京市38座下凹式立交桥安装使用本产品建立起“城市内涝监测预警系统

7、”，为全国城市内涝监测提供了成功范例。一体化智能遥测水位计由拦污栅、压力罩、导压管、水位计本体四部分组成，如图2所示：水位计本体锂电池水位仪表通讯模块压力式传感器拦污栅压力罩导压管 图2 一体化智能遥测水位计外观及结构原理图设备的研制过程中主要采用了以下关键技术：a.采用导压、隔离、温度补偿、防淤堵等技术设计，攻克了利用压力式传感器检测水位精度低、稳定性差等难题；b.采用MSP430超低功耗单片机，嵌入式软件编程和软时钟算法；c.设计开发了停水期自动进入睡眠节电模式，放水时通过心跳功能唤醒；d.采用高效率可控DCDC电源变化技术，将转化效率提高至96%，解决了低功耗和多电压供电的问题，靠自备7

8、.2V锂电池供电，实现了设备在无人干预情况下可自动运行3年以上；e.集成了GPRS/GSM通讯模块，通过无线通讯网络实现水情信息的定时和应答式上报；f.自主研发了低功耗2.4G RF模块，实现30米距离内无线手操器射频参数设定；g.自主研发了低功耗2.4G检波模块，使设备在低功耗状态具有实时通讯响应能力；h.自主开发了可控恒流源及低噪放大器（LNA），实现压力霍尔接入测量水位。主要技术参数如表1所示：表1 一体化智能遥测水位计主要技术指标水位测量范围：05m；分辨力：0.5cm;水位变率：40cm/min;准确度等级：0.5级；参数设定：上位机或手持参数仪设定；输出接口：射频接口、GPRS、R

9、S485；通讯协议：采用标准MODE-BUS协议；工作环境：-2570，湿度95%；供电时间：35年；电源：锂电池7.2V供电。（2）湍流渠道稳水器采用自有“湍流渠道水位测量中消除动水影响的方法及装置”发明专利技术，研制出“湍流渠道稳水器”装置。技术特点如下：a.该装置包含本体和下盖，本体由多层圆筒状弧形隔板组成，每层弧形隔板由两个相同的弧形板组成，压力式水位传感器设置在与最内层的圆筒状弧形隔板中间连通的位置；b.本体设置在下盖上，相互匹配，共同形成多层腔体；c.利用湍流的对冲原理能够消除动水影响，将测井中湍流变成稳水；d.该项发明专利技术攻克了静水环境的压力式水位传感器由于水流引起的动水冲击

10、力而造成采集数据可信度差，精度低，可靠性差的技术难题，解决了湍流渠道水位测量修正难题，水位测量精度提高10%以上。外观及现场安装效果如图3所示： 图3 湍流渠道稳水器外观及现场安装图（3）一体化防盗水位测井针对灌区水位量测点野外环境特点，采用防盗防破坏技术设计了 “一体化水位测井”作为水位量测设备的安装载体，解决了一致困扰灌区野外监测设备需要土建测井房施工周期长、施工和维护成本高、不便于清淤的老大难问题，实现了量测设备的安装、防护、防盗、防破坏、清淤的整体解决方案。测井体采用工程塑料制造，直径90mm，水泥防护上盖，并带防盗锁，分为直埋测井和贴壁型测井两种。一体化测井安装露出地面部分外观为一水

11、泥墩，减少人为破坏的可能。连通管用于测水管与渠道的连接，连通管端部加装拦污栅，有效防止测井淤堵。该装置已取得2项实用新型专利。（4）电动闸门测流与自动控制系统采用自动控制、单片机、嵌入式编程、通讯、2.4GHz射频通讯和物联网技术，以及专门设计的闸门输水流量智能算法，研制成功了“电动闸门测流与自动控制系统”。实现了闸门的现场自动控制、水位及闸位信息采集与过闸流量计算，为水利管理部门动态配水和科学调度提供科学依据和先进控制手段，减少了配水结算纠纷。同时，闸门操作人员不需要搬梯子爬上启闭机室，使用闸门无线手操器在闸门旁边便可现场遥控闸门启闭，既节省了人工又解决了闸门升降过度或卡住等安全问题。“电动

12、闸门测流与自动控制系统”由电动闸门测流与自动控制箱、无线手操器、上下限保护装置、闸位传感器随动装置及闸门监控系统软件组成。具体采用了以下关键技术：a.采用了闸位编码技术、压力霍尔直接接入技术、实现了压力式水位计的接入，完成闸位、闸前闸后水位的测量；b.采用单片机及嵌入式软件编程技术，集成灌区常用过闸流态判定及流量计算公式，设计了先进软件算法自动计算出过闸瞬时流量和累计流量；c.集成了GPRS/GSM通讯模块，通过无线网络实现闸门监测数据的实时上报；d.采用2.4G射频通讯技术，使用无线闸门手操器实现射频参数设定、闸位预设定，可自动识别闸门运行方向并实时显示闸门开度，实现目视距离内现场无线遥控闸

13、门启停。电动闸门测流与自动控制系统现场安装图如图4所示： 图4 电动闸门测流与自动控制系统安装及应用现场主要技术参数如表2所示：表2 电动闸门测流与自动控制箱主要技术指标闸位测量范围0-10米闸位/水位测量精度0.3%输入信号传输距离200m开关量输入信号4点开关量输出信号2点模拟量输入信号2路(闸前/后水位)线性化段数16段通讯输出接口RS485串行通讯口。支持多机通讯，站号0-99波特率1200、2400、4800、9600 bit/s（5）手动闸门水位流量自动监测系统结合灌区野外手动闸门现场无电源供电、测点潮湿、易被人破坏等环境特点，采用以微电脑技术为核心，水利计算为基础、自动监测为手段

14、，配以多种故障诊断和保护措施及GPRS通讯等技术研制了“手动闸门水位流量自动监测系统”。解决手动闸门实时流量测量和按水量征收水费问题，有效节约了水资源。系统由专项开发的手动闸门遥测终端机、水位传感器和闸位传感器组成，具有以下技术特点：a.闸位传感器采用自主研发的多圈绝对型12位光电编码器，可把测量的旋转角转换成位移量,结合压力霍尔接入技术、动态低功耗技术，实现闸位测量并低功耗运行；b.采用嵌入智能算法和检测转换技术，自动计算出瞬时过闸流量和累计水量；c.采用了2.4G射频通讯技术，使用无线手操起实现30米距离内的参数设置和水位校准；d.采用低功耗设计电路，并配以软件电源管理算法和自诊断算法，攻

15、克了使用装置自身7.2V锂电池正常运行三年以上的技术难题。手动闸门遥测终端机拓扑图如图5所示，外观结构如图6所示： 图5 手动闸门遥测终端机拓扑结构图 图6 手动闸门遥测终端机及无线手操器外观图主要技术参数如表3所示：表3 手动闸门遥测终端机主要技术指标水位测量范围：05m；闸位/水位精度：0.3%适用闸门类型：螺杆闸配套闸位传感器：绝对式格雷码配套水位传感器：压力式水位传感器方式：闸前/闸后保护钢管安装方式：启闭机安装防护方式：启闭机室参数设定与显示：上位机或手持参数仪输出接口：射频接口、GPRS；通讯协议：采用标准MODE-BUS协议；工作环境：-2570，湿度95%；供电时间：35年；电

16、源：锂电池7.2V供电。3、通讯网络通讯网络是一体化智能量水测流及灌区远程监控系统的重要组成部分，负责各监测点与监控中心之间传送信息，对监控系统运行的稳定可靠起着至关重要的作用。鉴于各测点分布覆盖范围大、分布零散等特点，以及新构建有线通讯网络时间漫长、结构复杂和存在维修困难等问题，本项目设计选择了GPRS通讯网络。此种通讯方式速率快、可靠性高、抗干扰性强、网络的安全防范好、组网简单、不受传输距离限制、运行费用低等特点。4、一体化智能量水测流及灌区远程监控系统软件开发采用以B/S模型为主，部分通过C/S模型程序辅助的开发方案，基于.net Frame Work，c#程序设计语言和SQL数据库开发

17、了“一体化智能水位量测及灌区远程监控系统”软件平台。软件开发过程中综合运用了分布式数据库、分布式计算、数据挖掘(Data Mining)、地理信息系统、多媒体、基于Ajax的B/S模式实时信息处理、COMET等技术。 灌区远程监控系统软件创建了统一的数据采集、业务管理和查询平台，主要包括灌区渠道水位实时监测系统、电动闸门测流与控制系统、手动闸门水位流量自动监测系统、雨情监测系统、灌溉仿真系统、供水调度系统、地理信息系统、设备管理系统、水费计收系统、水务公开系统等十个子系统。利用管理软件实现了全方位、多角度的灌区信息化管理。5、创新成果(1)发明了“一种水位自动测量方法”，采用导压、隔离、温度补

18、偿、防淤堵技术研制了“一体化智能遥测水位计”，攻克了传统压力式传感器检测水位精度低、稳定性差等难题； (2)发明了“湍流渠道水位测量中消除动水影响的方法”，利用湍流对冲原理研发了“湍流渠道稳水器”装置，解决了湍流渠道水位测量修正难题，提高了水位测量精度；(3)采用防淤堵、防盗等技术，研制了量水设备的安装载体“一体化防盗水位测井”，实现了一体化智能量测设备的安装、防盗、防破坏、清淤等一揽子解决方案；(4)研制出“电动闸门测流与自动控制系统”，实现了电动闸门的自动精准控制，解决了传统闸门控制方式繁琐，存在安全隐患的问题，实现了放水量的实时计量； (5)研制出“手动闸门水位流量自动监测系统”，充分适

19、用于灌区野外手动闸门现场具有无电源供电、测点潮湿、易被人破坏等野外环境特点，实现了手动闸门实时流量测量和按水量征收水费；(6)开发了“灌区远程监控系统软件”，实现了全方位、多角度的灌区信息化管理。三、与当前国内外同类技术主要参数、效益、市场竞争力的比较表4 主要产品与国内外同类技术产品相比较序号主 要 技 术 指 标国 内国 外本 项 目1导压式水位计设计未研究有研究，但未应用导压式设计加温度补偿技术，已获得发明专利2一体化设计无无是，测量、供电、通讯一体化3心跳唤醒功能无有研究，但未应用有，可在节电睡眠模式下通过心跳功能唤醒设备4DCDC电源变化技术无 无 有，解决低功耗和多电压问题52.4

20、G RF 模块嵌入技术无无有，射频参数设置及数据采集6多种通讯网络接入技术单一有支持GPRS、射频、RS485等多种方式7水位计测量精度0.5%0.3%0.3%，与国际水平相当8湍流渠道稳水器技术无无已获发明专利，提高测量精度10% 9一体化防盗水位测井土建测井房土建建筑物防护专利技术，安装简单，防护有效10水利闸门现场无线遥控无无使用无线手操器，实现现场遥控闸门启闭，并实现动态配水11水利闸门过闸流量自动测量无，人工采集，手工计算有研究，但未应用嵌入智能算法，实现过闸流态的自动判定，实时计算水量12自报式和应答式通信无有有，可定时发送也可召唤测量13性能价格比不满足需求质量好，价格高性能好，

21、价格适中14监控系统软件有，功能单一有，难于汉化有，架构科学，先进实用技术指标比对及查新检索结果表明，主要技术指标均达到或者优于国际同类技术，项目成果已取得发明专利2项，实用新型专利9项，外观设计专利1项，核心技术填补了国内空白。项目研制的一体化智能水位量测设备和水利闸门自动控制装置具有贴合我国国情、适用性强、使用方便、性能价格比高等特点，具有国内外同类技术不可比拟的竞争优势，研发成果中三项产品被水利部科技推广中心列入2014年水利先进实用技术重点推广目录。目前，项目成果已进入产业化生产阶段，在市场上基本上还未出现较强的竞争者。四、已发表论文及知识产权授权情况（一）已发表论文2篇1、“灌区渠道

22、一体化量水装置及监测系统的设计与实现” 华北水利水电学院学报2、“浅析灌区分水闸量测水自动化技术” 中国高新技术企业（二）已授权发明专利2项1、“一种水位自动测量方法及装置”， ZL 2011 1 0087635.6；2、“湍流渠道水位测量是消除动水影响的方法及专用稳水器”，ZL 2012 1 0062054.1。（三）已授权实用新型专利9项，外观设计专利1项1、“一种压力式水位测量装置” ZL 2013 2 0245139.3；2、“一种棒状智能水位计”， ZL 2011 2 0251542.8;3、“一种闸门测流装置”, ZL 2012 2 0576616.X;4、“一种水利电动闸门的保护装置”, ZL 2012 2 0576780.0;5、“一种闸门传感器组件”, ZL 2011 2 0473276.3; 6、“一种闸门传感器支架”, ZL 2011 2 0564176.1；7、“一种贴壁型防盗水位测井”， Z