水利工程管理信息技术-水情自动测报与洪水预报调度系统

水情自动测报系统的设计原则

水情自动测报系统的设计原则水情自动测报系统的设计原则水情自动测报系统的设计原则(一)技术规范要求系统建设应主要参照和满足以下常用技术规范的要求:《国家防汛指挥系统总体设计大纲》；《国家防汛指挥系统工程水情信息采集系统分类设计》；《水利水电工程水情自动测报系统设计规定》(DL/T5051-1996)；《水文站网规划技术导则》(SL34-92)；《水文自动测报系统技术规范》(SL61-2003)；《水文自动测报系统设备基本条件》(SL/T102-1995)；《水文自动测报系统设备遥测终端机》(SL/T180-1996)；《水文自动测报系统设备中继机》(SL/T181-1996)；《水文自动测报系统设备前置通信控制机》(SL/T182-1996)；《水文测报装置遥测水位计》(UB11830-1995)；《水文自动测报系统通信电路设计技术规定》(SL199-97)；水情自动测报系统的设计原则(一)技术规范要求《水位观测标准》(GBJ138-90)；《降雨量观测规范》(SL21-90)；《水文情报预报规范》(SL250-2000)；《计算机软件开发规范》(GB8566-88>；《TCP/IP通信协议接口标准》(JGJ/T16-22)；《软件可靠性和可维护性管理》(GB/T14394-93)；《安全防范工程程序与要求》(GA/T75-94)；国际无线电咨询委员会(CCTR)的有关建议和报告。(二)系统功能的一般要求系统首先应满足建设单位的要求，同时还应具有下列特点:(二)系统功能的一般要求水情自动测报系统的设计原则1.准确性和可靠性在水情自动测报系统中对系统在恶劣条件下无故障工作能力有着较高的要求。因此系统的安全、可靠运行是系统设计的首要原则，各遥测点数据实时、准确的采集，并且可以准确地发布控制指令无疑是系统的核心。系统硬件要具有高可靠性的数据采集、控制能力，并有可靠的通讯方式，系统软件必须可以及时准确地对数据进行分析处理。2.先进性与开放性随着计算机软硬件技术的发展，高品质、高性能的自动化产品越来越多，要组成一个最优的自动化系统，最好方法就是选用具有标准通讯协议的产品。因此在系统的开发和设计上，尽量使用国际_上流行_巨成熟的工业技术和新型的芯片及通讯产品，能支持当前绝大多数的检测设备和各种有线与无线的通讯方式，保证系统在使用过程中的先进性。水情自动测报系统的设计原则(二)系统功能的一般要求同时系统设计时要预留前瞧性的开放接口，有利于系统的升级和并网连接。确保在系统的升级、维护、二次开发过程中有更大的灵活性。硬件、软件系统采用符合国际工业标准且使用广泛的产品，网络系统采用开放式网络结构、标准的网络协议、市场占有率高的产品。网络操作系统、工作站操作系统软件要采用开放性的产品；还有数据库系统也要采用国际主流的、开放性产品。3.安全性系统安全性包括:通信安全性与系统控制安全性。其中通信安全性指通信抗干扰能力强、信噪比高、误码率低等内容；系统控制安全性是对控制软件设置加密手段，从而区分不同的操作人员，制定不同的操作权限，实现硬件、软件、网络、数据库系统的安全性。水情自动测报系统的设计原则(二)系统功能的一般要求4.实用性和易维护性对于水情自动测报系统，系统不仅仅要提供准确可靠的遥测数据，对操作人员来说，操作简单直观、易学易用、符合使用者的业务习惯也是系统最重要的属性。如具有设备使用情况监控和故障提示功能，能给操作人员故障诊断信息和维护提示，并可以通过电脑、手抄器等设备实现就地或远程程序下载、参数设置与设备调试。水情自动测报系统的组成及分类水情自动测报系统的组成及分类水情自动测报系统的组成及分类水情自动测报系统的组成及分类

水情自动测报系统按规模和性质的不同，可分为自动测报基本系统和自动测报网。自动测报网是把若干个基本系统联接起来，组成进行数据交换的自动测报网络。水情自动测报系统是水库管理单位合理利用水资源和提高防汛、抗旱和水库调度的科学管理水平的专用智能化系统。它应用通信、遥测和计算机及网络等先进技术，实时收集水库所在流域的雨量、水位和流量等水文信息，快速传递至相关决策机构，以便进行洪水预报和优化调度，最大限度地减少水灾损失，提高水资源的利用率。水情自动预报系统工程案例水情自动预报系统工程案例水情自动预报系统工程案例水情自动测报系统工程案例安徽省某大型水库水情自动测报系统简介

(一)概述该水库位于淮河支流淠河东源上，与上游水库构成梯级水库，流域面积1840km2，流域内地形为山区，形状呈扇形，地势南高北低。流域平均高程为715m。多年平均降雨量1540mm，年来水16亿m3。系统规模为2：2：13，即系统由2个中心站，2个中继站和13个遥测站组成。支持水情自动测报系统的自联网，并通过本地区四水库联网系统，将本系统采集的数据传输到安徽省防办。系统采用超短波无线通信方式组网，预留有线信道接口，可连接有线信道。(二)水文组网水情自动预报系统工程案例该水库水情自动测报系统由2个分中心站(位于两梯级水库的水库管理处),2个互为备份的中继站、13个遥测站构成。其中，7个测站为单雨量站、2个测站为水位雨量站、4个测站为单水位站。组网示意图如图6-1所示)在本系统组网设计中，每个测站的RTU均可以兼作中继站，每个遥测站信息可以通过两个不同的路由传送到中心站水情自动预报系统工程案例(三)设备选型遥测站数据终端机(RTU)、中心控制终端(即前置机FIU)、通信电台选用Motorola公司产品，水位、雨量传感器选用南京水利水文自动化研究所等知名厂商的产品，太阳能电源选用宁波太阳能光板，免维护蓄电池选用合资企业产品。(四)通信设计系统采用超短波频点227.95MHz进行通讯组网。本系统的通信组网有两个特点:两个分中心，两个中继站互为冗余热备份。两个分中心接收的是相同遥测站且是相同中继站转发的数据。解决双中继热备份，避免同频干扰和数据传输碰撞，是本系统通信设计关键。本系统采用在遥测站发送的数据中包含通信路由和发送目的地，中心站接收到数据后给予确认，这样有效地保证了遥测站的数据通过指定的中继站发送到指定的分中心。由于有了确认信号，遥测站就能知道数据是否正确地发送到指定目的地，因此也就知道何时需要启用备用中继站。中继站即使不需要转发数据，每天也向中心站报送平安报以表示设备工作正常。水情自动预报系统工程案例系统通信流向如下:佛库坝上、佛库坝下、佛子岭、白莲崖、上土寺、太阳遥测站的数据只发送到佛子岭水库中心站，其他各遥测站均分别发送到佛子岭水库中心站和磨子潭水库中心站。为了避免碰撞，应尽量减少数据发送频度。具体做法是:雨量采用0.5mm采集存储，达到1mm时发送0.5mm增量过程数据。通常情况下，备用中继站不转发数据；只有在主中继站出现故障的情况下，备用中继站才开始转发数据，这样可以有效地减少数据量，避免碰撞。(五)系统联网为了充分利用已建和在建水情自动测报系统资源，本系统的水文数据接入六安水情分中心，并同时传输到安徽省水情中心(省防)。①通过坝址中继站将信息传至六安水情分中心，六安可实时监控、检索、处理、转发信息

水情自动预报系统工程案例②进入水情传输网，省水情中心、淮委及国家防办能实时获取水库水雨情信息，达到信息共享

③实现水库实时联机预报调度

④实时信息15min内到省水情中心

系统联网示意图如图6-2所示，图中虚线所示为备用通信路由

水情自动预报系统工程案例(六)遥测站本系统中遥测站有水位雨量站、单雨量站和单水位站三种类型，测量参数有水位、雨量。遥测站的主设备为RTU和收发信机，遥测站实例图如下，组成框图如图6-3。终端机（RTU）MOSCAD-M通信电台避雷器、天馈线雨量计太阳能板充电控制器蓄电池串行水位计1串行水位计1并行水位计Motorola产品图6-3遥测站组成框图水情自动预报系统工程案例遥测站主要功能有:①当水位在规定时间间隔(6min)内变化1cm或雨量变化1mm时自动发送信息给中心站及分中心站。本次发送失败，下次发送的同时补发上次未发送成功的数据。不管采用何种量级发送都发送采集的所有增量(水位1cm、雨量0.5mm)过程数据。②定时自报:无雨或水位不变时，每日必须采集报告5次(8时、14时、20时、0时、2时)数据和本站电池电压，以报告设备工作状况和收集资料。③具有定时掉电功能。④具有数据在站存储功能，配备后备电池保证数据不丢失，用于水文数据整编。⑤具有通讯路由自动选择功能。具有数据向多个目的地传送功能。⑥具有主用、备用信道自动切换功能。⑦通讯信道侦听功能，当信道忙时，自动延时发送。水情自动预报系统工程案例⑧具有现场设置站号和数据发送量级功能。⑨具有人工置数功能。⑩可以根据需要随时设置为中继站。(七)中继站中继站中的中继机与遥测站RTU完全相同，与遥测站可以互换。如果相邻遥测站之间可以通讯，则其中任何一个遥测站设备可以直接改为中继站兼遥测站，实现通讯路由的自动选择。中继站的组成框图见图6-4。终端机（RTU）MOSCAD-M通信电台避雷器、天馈线太阳能板充电控制器蓄电池串行水位计1串行水位计1并行水位计Motorola产品雨量计图6-4中继站组成框图水情自动预报系统工程案例(七)中继站双中继(多云尖中继、多云寺中继)冗余热备份的实现:在MOSCAD一M中配置一个网络通信配置文件(networkconfig)，对主中继站和备份中继站进行定义，将两条通信路由(可以很多)写入该文件，在系统调试时，将此文件下载到RTU内，双中继冗余热备份即告成功。本系统各站(遥测站和中继站)每天都向中心站传输5次电源电压，这样可随时知道遥测站设备及电源是否运行正常，同时也了解了两个中继站的运行状态。中继站主要功能有:①数据转发:既可以集合转发，又可以通信链路方式转发命令和有关遥测站数据。②状态报告:每日必须采集报告5次(8时、14时、20时、0时、2时)本站电池电压。③具有遥测站功能，可以接入水位、雨量、流量等传感器，测量相应水文参数。④可以实现信道自动切换，当主信道故障时，自动启用备用信道向中心站传输数据。(七)中继站⑤遥测站具有限时通话功能，限于系统维护或汛期通话需要时使用，设置成通话功能后，可以自动返回数据通信功能。水情自动预报系统工程案例(八)中心站中心站设在佛子岭和磨子潭水库管理处，硬件设备主要为前置通信控制机FIU(中心控制终端CTU(也是RTU,与遥测站RTU相同)、值班机、调度计算机(主机)、收发信机、避雷器、天馈线以及电源等。中心站的组成框图见图6-5。前置机（FIU）MOSCAD-M通信电台避雷器、天馈线交流充电控制器蓄电池值班机（服务器）主机Motorola产品UPS电源2级避雷器稳压电源数据库220VAC水情自动预报系统工程案例中心站采用双机冗余工作方式，即中心站值班机处于长期值守状态，主机通常用于数据处理、报表图形显示、打印和联机洪水预报。值班机既可单独运行，也可以和主机并行联机运行。(八)中心站

中心站按照《国家防汛指挥系统设计大纲》要求建立标准水情数据库(MSSQLserver数据库)，通过计算机局域网或计算机广域网方便快捷地进行数据的近远程查询、传输，实现数据资源共享。

中心站主要功能有:①随时或定时召测各遥测站雨水情数据，实现全区时钟同步。②把遥测信息形成原始数据文件存储，报文分解、检错、分类处理以及向本地和远地定时装载数据库(或数据文件)。③完成一次所属全部遥测站所有水文参数的收集、数据处理、传输、入库时间不超过8min,数据转发不超过15min.(八)中心站水情自动预报系统工程案例④可以随意增减测站的数量以及修改测站特征参数，修改工作将通过密码控制由有关管理人员进行操作，实现系统数据管理功能。⑤具有水文资料整编数据提取功能，满足资料整编需求。⑥通过计算机处理，显示打印各类报表及过程线，图形显示各类水情信息等。⑦具有人工置数功能。可以按照水情拍报段次并且匹配人工置数生成五位码水情报文，以自动或手动方式通过分中心局域网向上级防汛部门传送。⑧可以将实时遥测数据通过计算机广域网传送给省水情中心和其他防汛部门。⑨计算机洪水预报调度功能。水情自动预报系统工程案例(九)电源及防雷1.中心站电源中心站是系统数据收集传输的核心，由于其在系统中的重要性，设计交流电源的抗干扰和电源防雷，在交流电源输入端加二级避雷器和交流净化稳压滤波电源设备；中心站配置1台在线式3样KVAUPS，后备时间为8h。电源防雷采用两级不同泄放电流的单相避雷器，对中心站总电源进行防雷。为保证连续接收遥测数据，中心站FIU除了通过UPS供电外，另外再配置150AH/12V后备蓄电池，采用交流充电控制器浮充，设计过充、过放电保护。2.中继站电源中继站是系统数据传输的枢纽，设计中着重考虑其可靠性，主要是防雷和电源两方面。采用太阳能浮充蓄电池供电，使用10年寿命150AH/12V胶体蓄电池，设计过充、过放电保护，保证设备供电。最保守的情况下，蓄电池可以在无任何充电的状态下保证20d(佛子岭地区连续阴雨天最多为15d)的设备运行供电，而太阳能电池板在多云天气条件下就能对蓄电池充电。水情自动预报系统工程案例(九)电源及防雷3.遥测站电源测站电源配置如下:选用10年寿命26AH/12V的优质胶体蓄电池，24W太阳能板及充电控制器，设计过充、过放电、过流保护。最保守的情况下，蓄电池至少可以在无任何充电的状态下保证60d的设备运行供电。4.系统防雷设计一是从设备配置上采用电源防雷、信号防雷、天馈线防雷；二是从土建上设计避雷针防雷接地系统(系统接地电阻小于10Ω)和等电位接地方式等。对于交流供电的中心站电源防雷采用两级不同泄放电流的单相避雷器，对中心站总电源进行防雷；避雷器之后配置交流净化稳压电源，滤除电源干扰。对于太阳能供电的中继站、遥测站主要是天馈线防雷；对于远传电缆则采用金属管保护埋地式安装。水情自动预报系统软件及洪水预报水情自动预报系统软件及洪水预报水情自动预报系统软件及洪水预报

水情系统软件负责收集并处理水情数据，而洪水预报调度软件从处理后的水情数据中提取所需信息，进行洪水预报与水库调度。水情自动测报系统中的水情系统软件与洪水预报调度的软件起初是独立运行的，或者是外挂在水情系统软件上由水情系统软件调用。随着时代的发展，现在水情测报系统的承建单位都拥有包括遥测、通信、计算机、水文水资源等全方位的专业人才，故水情系统软件与洪水预报调度软件已达到完全融合。

水情自动预报系统软件及洪水预报(一)数据处理软件的主要功能1.数据导入。提供人工录(导)人或自动从水库管理信息化系统(如水情自动测报系统)数据库中提取相关数据。2.数据存储。在数据库中存储雨情、水情、工情、图片和报警等信息3.数据显示输出。显示各种实测、历史、人工输入数据和过程线。4.数据打印输出。在打印机上输出各种报表和过程曲线。5.数据的导出。将各种显示统计报表的数据导出到EXCEL电子表格。水情自动预报系统软件及洪水预报6.数据库维护、检索和统计计算。管理和维护实时数据库和历史数据库，支持数据记录的形成、存盘、查询、修改、转贮、删除、统计等主要功能。7.提供水文资料整编全部功能。(二)洪水预报及水库调度软件的具体要求实时联机洪水预报应根据不同流域的水库选用适合的洪水预报模型。(国内常用的洪水预报模型是暴雨一前期影响一径流相关图加经验单位线法、新安江三水源模型)。

①应具备雨量的自动插补功能或人工输入功能(人工干预)。由于洪水预报的可靠性与精度在很大程度上取决于洪水预见期内的降雨过程，故利用水情自动测报系统采集数据的及时性，洪水预报调度软件应具备实时预报校正功能。

水情自动预报系统软件及洪水预报(二)洪水预报及水库调度软件的具体要求②随着水文系列的延长，系统应具备定期人工或自动率定各项预报参数功能

③由于水库库容按规定(10年左右)必须重新测量，故应提供库容表人工录(导)入、修改功能。

④针对我国多数水库正在或即将进行除险加固，系统应提供水库泄洪(流)设施下泄流量关系修改、增加功能。洪水预报调度软件除具备实时预报功能外，还应包含人工干预等功能洪水预报一般应包括洪峰、峰现时间、洪量；水库调度一般应包括最高库水位及时间、最大下泄流量及时间，为错峰最迟开闸时间(针对不同开度)等。

(二)洪水预报及水库调度软件的具体要求同时预报调度还应满足当地防汛指挥机构的规范性或非规范性要求。针对梯级水库，洪水预报及调度均指梯级水库联调或水库群的优化调度。对各水库每年发生的全部统计洪水(统计洪水因库不同)，应提供洪水预报结果与实测反推洪水过程对比图表(附次洪时段降雨量)，并计算次洪预报精度及全年洪水预报精度(包括洪峰、峰现时间、洪量等)。

水情自动预报系统软件及洪水预报水文遥测站、中继站、中心站水文遥测站、中继站、中心站（一）、遥测站

遥测站一般安装在野外，在遥测终端设备控制下完成对当地的雨量、水位、流量等水文传感器数据的采集、预处理及存入固态存储器，并通过通信设备向中心站(或中继站)传送所采集的数据。它一般由遥测终端机RTU(含CPU模板、I/()模板、无线数传机、电源等)，水文传感器(雨量计、水位计、流量计等)，辅助设备(天线、馈线、避雷器、电台或卫星终端、太阳能电源板、蓄电池)等组成。遥测站还可选装人工置数装置和长期固态存储器。根据系统需要或业主要求，遥测站通常采用定时自报、增量自报、查询应答和综合兼容方式向中心站发送数据。

目前通常使用的遥测终端机RTU与早期产品相比，性能上有了很大的提高。一般均采用模块化结构设计，能够做到结构简单、性能可靠、功耗低，具有防潮、防雷、抗干扰措施，以及具有良好的可扩一展性、可维护性、可操作性和先进性，具备完全的数据通信能力，冲突检测和纠错能力，远程检测、配置和诊断能力等。水文遥测站、中继站、中心站（二）、中继站

中继站为可选站，组建系统时尽量不使用中继站。它是系统采用无线通信方式下遥测站与中心站通信条件不好时用来中继无线信号的，中继站一般安装在野外和高山上。中继站接收相关偏远遥测站的无线数据，并进行存储，采用数字再生方式向中心站转发数据。中继站一般由遥测终端机RTU(同遥测站)，辅助设备(天线、馈线、避雷器、电台或卫星终端、太阳能电源板、蓄电池)等组成。中继站接收和发送频率可采用同频或异频。智能化的中继站可通过本地或远程的软件进行相应的编程、配置和诊断。由于新型的遥测终端机RTU，都具有存储转发功能，因此中继站可由任何遥测站兼任。这种新型遥测终端机RTU,为系统节省专用中继站提供了极大的方便，并可通过自动优化通信路由，保证数据通信在恶劣环境中的畅通。水文遥测站、中继站、中心站（三）、中心站

中心站一般设在防汛调度中心，用来实时接收各遥测站(中继站，发送来的数据，在需要时，可以定时巡(召)测和人工巡(召)测，并通过对接收的数据解调及对各项数据进行合理性检查判别、处理、分类计算、显示并存储于数据库内，供防汛调度控制中心或更高一级防洪调度辅助决策系统(洪水预报调度程序)使用。通过通信网络还可与外界进行数据通信，或根据计算结果向相关测站发布指令。

中心站设备应包括中心站一般设有工程师站和操作员站。工程师站既可以汇总分析数据作为服务器使用，又可以作为操作员站，对遥测终端实施监控。中心站最重要的部分是水情自动测报系心计算机(多台)、绘图打印设备、网络通信设备(天线、电台)和UPS电源等辅助设备。中统软件及其配套的洪水预报调度软件。通信网络系统通信网络系统通信网络系统通信网络系统(一)通信方式分类

通信网络系统一般根据遥测站与中心站的远近分为无线通信与有线通信两种方式。有线通信包括:光纤通讯、专用或公共电话网(PSTN)、公用数据线路(ADSL、ISDN、DDN,X.25)、电力载波等。无线通信包括:短波、超短波、VHF(特高频)、微波、扩频微波、卫星(Inmarsat-C海事卫星、OmniTRACS全线通卫星)、GSM信道等。无线通信方式最适合在水情自动测报系统中应用。(二)通信方式选择通信方式的选择，要结合区域地理位置的不同、信道情况和当地经济条件综合选用。1.微波通信。带宽大、可靠性高，但微波站建设成本高，且通信站间必须通视，运行维护复杂，故微波通信一般仅用于大型电站工程，以满足大数据量传输的要求。(二)通信方式选择通信网络系统2.短波通信。短波通信的传播距离较远，受地形限制较少，但受电离层的影响，通信质量差和信道稳定性差，而且受气候的影响大，在实际应用中很少采用。3.超短波通信。是我国目前水情自动测报系统应用最广泛、最成功的一种通信方式。它的传输质量介于短波和微波通信之间，既克服了微波通信的局限，又比短波通信的质量稳定、可靠。超短波通信是水利部门推荐的水情自动测报系统通信方式，具有技术较成熟、设备较简单、建设成本低、可无人值守、运行维护方便等优点；其不足是电波绕射能力较弱、传播距离较近，受自然地理条件的限制，不能直通的山区遥测站需建中继站转发数据。通信网络系统4.卫星通信。(1)Inmarsat卫星通信系统。是由Inmarsat(国际移动卫星组织)所提供的一种移动终端卫星通信系统。系统由空间段、卫星地面站(LES)和移动终端(MES)三大部分组成。空间段包括通信卫星、网络协调站和网控中心。卫星地面站是卫星和陆地网之间的连接枢纽。广泛用于水情自动测报系统的卫星数据通信系统Inmar