水利信息化应用深圳宏电水雨情及气象信息采集系统.docx

1、水利信息化应用深圳宏电水雨情及气象信息采集系统水情及气象信息采集系统深圳市宏电技术股份有限公司2010年3月目 录第一章 系统概述 41.1背景与概况 41.2 系统建设总体功能 41.3.1系统信息采集功能 51.3.2系统报汛通信功能 51.3.3系统信息接收功能 61.4 本系统建设引用的规范和标准 7第二章 暴雨山洪灾害信息采集项目设计 82.1设计目标 82.2传感器选型 82.2.1遥测雨量信息采集设备 82.2.2人工雨量信息采集设备 92.3主要功能 9第三章 遥测站系统设计 103.1设计目标 103.2设计方案 103.3技术要求 103.4遥测站功能 113.5遥测站结构

2、和设备组成 153.6设备主要选型 153.6.1遥测终端机 153.6.2 GPRS通信机 173.6.3蓄电池 182. 6.4太阳能板 192.6.5信号避雷器 202.6.6太阳能充电控制器 213.7遥测站的防雷设计 213.8雨量遥测站设备配置 22第四章 水情信息中心系统设计 234.1建设任务 234.2功能需求 234.3信息接收系统系统配置与选型 234.3.1信息接收工控机 244.3.2VPN设备 244.4山洪监测信息接收软件设计 254.4.1基本原则 254.4.2软件包特点 264.4.3信息接收与通信值守软件结构和功能 264.4.4数据存储软件系统 28第一

3、章 系统概述1.1背景与概况随着气候环境的变化，降雨出现了局部化的特性。山洪灾害是山区、丘陵地带在一定强度或持续的降雨下，因特殊的地形地质条件而发生的自然灾害，它具有突发、破坏性大、防治困难的鲜明特点，山洪及其诱发的泥石流和滑坡，往往对局部地区造成毁灭性灾害，对国民经济和人民生命财产造成重大损失。近年来，我国山洪灾害问题日益突出，每年都造成大量人员伤亡，严重影响社会经济发展。在党中央和国务院的重视下，水利部会同国土资源部、中国气象局、建设部、国家环保总局于2005年起，在全国进行了山洪灾害的防治建设工作。山洪灾害的防御策略是“以防为主，防重于抢”，防御防治的方法是既要采取工程措施，提高工程防洪

4、标准，也要采取非工程措施，建立综合防洪减灾体系，提高防灾抗风险能力。建立山洪灾害预警系统，是国家防治山洪灾害的一项重要的非工程性措施。山洪灾害预警系统体现监测、通信及预警一体化，由监测子系统、通信网络子系统、决策支持子系统、预警子系统组成。山洪灾害预警系统是通过利用和重建高密度山区雨量站网、水文站网，针对暴雨、汛情和灾害情况，利用先进的GPRS通信技术进行实时监测，并对信息进行加工处理，利用监控软件自动进行预测、预警，通过各种有关的预警通知和警报设施，提前通知有关成员单位、防汛责任人，通知危险区居户，做好山洪抢险组织、转移撤离准备，最大地减少人员和财产损失，提高对山洪灾害快速、全面、准确的预报

5、、预警以及指挥调度的技术手段。因此，建设山洪灾害预警系统非常必要。1.2 系统建设总体功能监测预警系统包括遥测站基础设施建设、信息采集、传输设备购置安装、中心站设备的采购、报汛设备购置安装、软件开发、安装调试及相关服务，为本地区暴雨监测、山洪灾害预防提供决策支持服务。因此我方对系统进行的设计将满足以下总体建设要求： 1、系统设计符合国家现行的有关标准；2、系统具有先进、可靠、实用、高效、易维护、开放性、兼容性和可扩展性；3、系统具有较高的抗干扰能力，适应通信要求的环境；4、具有山洪灾害预警系统暴雨监测系统的运行特点，系统具备较强的抗自然灾害能力，在较恶劣环境下能有效保证通信质量；5、系统集暴雨

6、情分析、遥测站运行管理、信息发布等功能为一体，形成一整套适应山洪灾害预警系统暴雨洪水监测系统信息采集的管理系统。1.3.1系统信息采集功能（1）信息采集实现自动采集、传输和接收遥测站雨量信息，信息传输信道采用GPRS。（2）遥测站现场水文数据具有在站存储功能，数据存储时间为2年。（3）遥测站传输全部采用GPRS无线传输方式。（4）中心站等信息中心正确接收一次所属全部报汛站的遥测数据的时间不超过 5 分钟，完成一次区域自动水位雨量站数据采集并完成数据传输、处理、入库的时间不超过10分钟，并能及时向有关单位和上级部门分发，提供信息服务。（5）系统采用查询（召测）和自报混合式体制。使用自报式方式时有

7、自动确认机制，即当自动水位雨量站根据被测参数的增量变化或定时时间，自动采集并报送数据给中心后，能够自动接收到来自数据通信网通信协议的确认信号，以确认本次数据通信准确无误；若报汛站在给定时间内未接收到应答确认，则能够自动重发。1.3.2系统报汛通信功能（1）系统设计要求先进、可靠、实用、防雷、省电，达到无人值守、有人管理的目的。（2）遥测站发送信息采用GPRS，通信实时性强。支持通信信道备份自动切换，并确保数据可靠传输。（3）系统能够长期、特别是在暴雨洪水等恶劣天气条件下可靠地工作，系统设备具有野外运行高可靠性。（4）系统具有先进的数据通信协议，确保数据通信的可靠性。通信协议具有信道侦听检测、碰

8、撞及拥塞调度等功能，具有自动查错纠错功能，以保证数据通信误码率小于10-6，数据畅通率达到99%，可靠度大于99.99%。（5）传感器分辨力：雨量0.2。（6）数据收集速度：5分钟内完成一次全系统的数据收集。（7）固态存储：雨量能采集存储0.2变化量的雨量数据。（8）系统各站采用太阳能浮充蓄电池供电方式，保证连续15天阴雨天条件下正常供电。（9）系统便于运行管理和维护。1.3.3系统信息接收功能（1）接收各个报汛站发来的GPRS信道发送遥测数据信息；（2）对所接收本分中心内的全部遥测信息进行解码、合理性检查、纠错，并按要素分类进行存储；同时将报文按照实时水情报汛任务书要求编译成新编码通过水利信

9、息网发往省中心。（3）按照遥测信息数据库库表结构建立遥测信息数据库，管理遥测站的落地信息；（4）建立实时雨水情数据库，及时将从不同渠道接收的雨水情信息进行译电、处理，保存进入数据库；（5）编制信息查询分析软件，实现遥测雨水情信息的查询、显示、打印；（6）编制专用程序对数据库系统进行管理、维护;（7）具有参数输入，更新及查询功能，并能够修改存储数据，雨量的插补及人工置数处理;（8）实时监控显示整个中心站、遥测站的雨水情遥测信息，并具有对错误信息进行纠错、改错功能；（9）提供各种故障信息情况和故障排除手段；（10）实时监控显示中心站、遥测站的越限参数，设备故障，事故记录及设备运行状态，具有声光报警

10、功能;（11）支持固态存储器长期记忆的数据远程取出和测站直接现场读取；（12）支持向报汛遥测站发送指令，主动查询、召测数据；（13）向其他有关防汛机构发送实时雨水情信息;（14）对遥测站进行远程工作设定和工作参数修改等，包括报汛时段的变更和开机、关机等；（15）通过中心站进行全系统统一远程自动校时；当前置机发现遥测站时钟超差时则自动校正。1.4 本系统建设引用的规范和标准 1. 水文自动测报系统技术规范(SL61-2003)2. 水文基础设施建设及技术装备标准(SL276-2002)3. 水文情报预报规范(SL250-2000)4. 水位观测标准(GBJ138-90)5. 降水量观测规范(SL

11、21-90)6. 水文资料整编规范(SL247-1999)7. 水情信息编码标准(SL330-2005)8. 实时水情数据库表结构及标识符标准(SL323-2005)9. 水文测报装置遥测水位计(GB11830-89)10. 电子设备雷击保护导则(GB7450-87)11. 电子计算机机房设计规范(GB50174-93)本系统设计除严格遵循上述规范外，还依据了其他国际标准化组织ISO及国内其它水文自动测报系统建设的经验资料。第二章 暴雨山洪灾害信息采集项目设计 2.1设计目标山洪灾害预警系统暴雨洪水监测系统建成后可以实现山区雨量和水位数据自动采集、固态存储、数字化自动传输至分中心，水文站对流量

12、信息或其它少量没有自动采集的信息，利用标准水情编码通过人工置数进行数字化自动传输。中心站通过GPRS实时收集或远程集中下载的数据满足暴雨洪水实时报汛和水文资料整编的要求。2.2传感器选型2.2.1遥测雨量信息采集设备型号：JDZ02-1型翻斗式遥测雨量计；生产许可证号：XK34232-00005生产厂家：南京水利水文自动化研究所我方选用的JDZ02-1型翻斗式遥测雨量计为目前国内水利部门大量使用的成熟产品。其工作原理如下：降水由环口控制面积，集水器回拢，通过进水漏斗进入翻斗，当计量到一定水量时，引起翻斗翻转，磁铁吸合（或释放）干簧管，产生一个通断信号，供遥测或记录仪器使用。翻斗部件是本仪器的核

13、心部件，经过专门工艺处理，使降水在斗内成浸润状态。底部小轴用钢玉轴承支撑，使翻斗能灵活转动。翻斗的倾斜角度可调节，并与翻斗的翻转水量有关。主要规格和技术参数： 分辨力：0.2mm 承雨器内径：200+0.6mm。刃口角4050； 测量精度：4%； 雨强范围：0.014 mm/min（允许通过最大雨强8mm/min）； 平均无故障工作时间：MTBF40000小时； 误码率：10-4； 信号输出标准：磁钢干簧管式接点通断信号(单信号或双信号)，接点允许承受的最大电压不小于15V，允许通过电流不小于150mA，输出端绝缘电阻不小于1M，导通电阻不大于10，接点工作寿命在50000次以上； 供电和防雷

14、：无功耗传感器，传感器及输出信号传输具有防雷措施； 防堵塞：传感器具有防堵、防虫、防尘措施； 支持有线传输，通过外接无线短传终端支持无线远距离传输。 工作温度：-10+50； 相对湿度：不限。2.2.2人工雨量信息采集设备型号：JQH型人工雨量计生产厂家：南京水利水文自动化研究所其主要性能指标如下： 不锈钢量雨筒； 承雨口内径200mm； 仪器读数分辨率1mm，降雨强度分辨率0.0110mm/min，最大容量120mm； 雨量多级自动声光报警，报警设置分辨率10mm，报警值可调； 功耗直流6V，连续工作时间6个月； 承水器皿外标注区域内预警雨量值。2.3主要功能遥测站自动采集雨量参数，还可人工

15、置数发送采集的流量、蒸发、气温、风速风向等水文参数；定时、适时地传输数据，数据可长期（2年）在测站存储，避免因中心站出现故障而丢失成片的水文数据。第三章 遥测站系统设计 3.1设计目标山洪灾害预警系统暴雨洪水监测系统报汛通讯项目满足国家防汛抗旱指挥系统建设的需要，选用快速可靠的通信信道，利用现代化的通信设备，县防汛指挥中心、市水情分中心等信息中心正确接收一次所属全部报汛站的遥测数据的时间不超过 5 分钟,完成一次区域自动水位雨量站数据采集并完成数据传输、处理、入库的时间不超过10分钟。应用先进的技术和设备，实现雨量水位自动测量、数据长期固态存储、自动进行数据传输，数据传输格式、存储格式严格按照

16、本标书中的要求进行。3.2设计方案暴雨山洪监测系统建设主要针对山洪灾害易发区的山洪灾害的监测预警及群测群防设施，建立基于区、县平台的山洪灾害监测系统，以区、县级平台为主体，省、市、县级防汛部门根据山洪灾害信息和预测情况，及时发布预警。依据招标文件要求系统采用选择移动通信系统GPRS信道；RTU自动接收信息采集设备的信息，RTU同时具有一站多发功能，可以选择发送地址。当遥测站RTU同时具备GPRS和GSM短信发送功能，即在GPRS新到不同的情况下可自动转入GSM短信方式发送信息。测站配备完善的电源系统和避雷接地系统。自动监测站采用GPRS公网，将采集终端自动采集到的水情数据及时、准确的传输到区中

17、心站。3.3技术要求本系统建设的主要技术要求如下：1) 山洪灾害预警系统暴雨监测系统设计先进、可靠、实用、防雷、省电，以实现无人值守为目的。2) 遥测站发送信息采用GPRS加短信的主备通信信道，确保每份信息的准确无误。 3) 系统能够长期、特别是在暴雨洪水等恶劣天气条件下可靠地工作。系统设备具有较高的可靠性。 4) 适应在暴雨洪水等恶劣天气条件下可靠地工作，确保数据通信的可靠性，系统数据通信网具有先进的数据通信协议，确保系统具有自动信道侦听、碰撞检测、拥塞调度等功能；具有抵御外部干扰的手段，具有自动查错纠错功能，以保证数据通信误码率小于10-6，数据畅通率达到98%以上。5) 传感器分辨率：雨

18、量0.2mm。6) 数据收集速度：5分钟内能完成一次全系统的数据收集。固态存储：水位能采集存储10分钟为间隔的变化数据；雨量能采集存储0.2变化量的雨量数据。7) 系统各站采用浮充蓄电池供电方式，保证连续15天阴雨天（或停电）条件下正常供电。8) 系统运行维护方便简单。3.4遥测站功能系统遥测站在RTU的控制下，采集和长期本地存储信息，并按约定标准格式向上报送信息，利用GPRS主信道和短信备用信道向所属分中心报送情报信息，可以接收所属水情分中心的指令，完成调整参数、召测、下载历史资料等任务。具体有以下几点。1、采集方式雨量采集采用翻斗式雨量观测设备，精度为 0.2mm。工作时，降水进入环口控制

19、面积，由集水器汇拢后，通过进水漏斗进入翻斗；当计量到一定水量时，翻斗翻转，翻斗上的磁石吸合或释放翻斗旁的干簧管，产生一个通断信号，该信号进入终端机进行累加计算，以数字代码形式发射。故障的检测信息能够分离，不进入固态储存器。2、报送方式遥测站采用自报式、查询应答式兼容的混合式工作体制。并可在自报数据连通的时刻或每天固定的时段开机，随时响应分中心前置机的远程操作指令。即使采用纯自报式方式，也具有自动确认机制，即当自动水位雨量站根据被测参数的增量变化或定时时间，自动采集并报送数据给中心后，能够自动接收到来自数据通信网通信协议的确认信号，以确认本次数据通信准确无误；若报汛站在给定时间内未接收到应答确认

20、，则能够自动重发。1）自报：自报式：根据量级和需求由中心设定自报时间，在报汛站设备控制下采用增量自报和定时自报相结合。增量自报：每当被测的水文参数发生一个规定的增减量变化时（如雨量增加1mm，且与上次发送数据时间间隔大于规定的值 ）即自动向中心发送一次数据；定时自报：每隔一定时间间隔，不管参数有无变化，即采集和报送一次数据，分中心的数据接收设备始终处于值守状态。2）查询-应答式：由中心设定自动定时巡测或随机召测，报汛站有条件自动响应，当报汛站接受分中心的查询（召测），能实时采集水文数据并发送给分中心。定时自动巡测的时间间隔，可根据数据处理和预报作业的需要。这种工作体制的实现主要是由RTU来控制

21、进行，各种发报的控制参数和门坎都可以由分中心随时进行远程设定。其形式是由分中心上位机监控程序或FIU通过FIU利用通信信道或来设定和管理所属的遥测站，进行RTU内部软件设定、更改报送方式、查询遥测站状态和改变参数设置（比如起报门阀值、时钟校正等）。3）混合式：由自报式和查询一应答式两种工作制式的报汛站组成的系统为混合式系统。本系统能够通过软件设置支持上述功能数据传输体制，无需修改硬件，能够自动或根据中心指令增减传送数据频度。3、存储与数据下载遥测站的RTU自身集成了本地固态存储器，容量4M，能够实时纪录自动采集数据2年，记录的数据能够满足水文资料整编的要求，根据不同的站点确保纪录二年的数据量。

22、水文参数固态存储是水文系统重要的业务手段。国家防汛指挥系统水情分中心的项目建设指导书中，已明确要求将水文数据在站存储和水文数据多信道传输列为系统建设的必备内容。根据SL61-2003规范的规定，根据国家防汛指挥系统水情分中心建设项目设计指导书的要求，在遥测站配备数据在站存储模块有重要性和必要性，并提出在水文遥测终端RTU内集成固态存储应用模块的基本设计原则和设计思路。 我所设计水文参数固态存储的方式：以FLASH ROM作为数据存储的载体。支持雨量和水位数据以及其他采集信息的固态存储。水位、雨量存储10分钟为间隔的变化数据；雨量存储0.2变化量的雨量数据。数据存储在非易失性存储器中，数据可以进

23、行压缩，也可以不压缩。数据存储容量可以保存24个月的数据采集信息存储，数据记满后将循环记录，保留最近的数据，覆盖掉以前老的数据。支持PC的本地或远程控制指令进行数据提取。数据提取方式为批量提取：本地下载数据时，通过RS-232接口本地获取存储器中的数据，在PC中形成数据文件。远程下载数据时，PC通过GPRS方式远地获取存储器中的数据，形成数据文件。下载时段由上位机下载模块设定。下载完毕，PC可向模块发出总清除命令从头开始或继续接续存储，该命令需确认，以免误删数据。4、管理及其他具有本地实时水文参数数据显示、参数设置修改功能、人工置数功能，在传感设备故障时可以人工置入其它自动采集的水情数据。具有

24、远程修改测站参数和时钟校正的功能。自动站设备功耗低，采用蓄电池组和太阳能电池板，保证在连续阴雨15天内正常供电。自动站对中心站下达的指令均给予确认，保证中心站RTU运行状态与遥测站状态一致。自动站每天在固定的时段可将RTU处于开机状态以便随时接收指令；在自动站发报后等待回执的过程中，还可以接收中心站的指令，并执行相应的操作。具有分析记录报送天气阴雨睛、水位涨落平峰的功能。1) 水文遥测站的RTU有外接LCD显示屏，具有本地显示实时水文参数、时钟校正、监测参数设置和修改功能，当传感器发生故障时，可以由人工通过RTU自带的键盘进行人工置数的方式置入人工采集的水情数据。2) 利用信息接收系统监控软件

25、实现远程修改测站参数和时钟校正的功能。遥测站对分中心所下达的指令能给予确认，以保证分中心站监控软件运行状态与遥测站状态一致。3) RTU和通信模块平时处于值守状态以节约用电，采用休眠唤醒机制，也能由分中心站指令唤醒。4) 具备超限报警功能和自检功能，设备定时自检，并将设备工作状态发送出去。5、通信信道和信道切换本项目采用GPRS（GSM）作为数据通讯主信道，当主信道出现故障时，RTU能够自动切换到短信信道进行数据传输。6、节电措施遥测站点有不少是无人看管，采用蓄电池供电，因此在完成所有的功能基础上，要采用积极的节电措施。遥测站采用蓄电池组和太阳能电池板或交流电浮充方式可长期工作，在连续阴雨15

26、天以上时仍能有效的工作。我方设计的遥测站主要有以下几点节电措施：1) RTU本身为低功耗设备，工作时功耗（不含通讯模块）小于20mA，休眠值守时功耗仅2mA；2) RTU设备支持休眠-唤醒方案，使RTU值守时总处于休眠状态，同时RTU还能控制测站其他设备的供电关闭和开启，使整个遥测站达到最低功耗状态；3) 提供在板供电管理技术，能够通过灵活的编程和设置，是出于工作状态下的RTU仅为与当前操作有关的电路部分加电，以达到降低遥测站操作期间功耗的目的。7、报文标识RTU对发送的GSM报文、GPRS报文人工置数报文等各信道报文设有不同的标志位。每种信道报文还按正常报文、人工置数、调试置数（系统安装调试

27、或维护维修时随机输入的数据）、告警信息等分别加注明显标示，便中心对数据的分类、入库和处理。8、多信道兼容考虑到以后系统扩展的可能，当前GPRS、GSM通信的优越性，我方设计的遥测系统同时兼容GPRS、GSM通讯方式，RTU内部软件也是支持GPRS、GSM的数据编码和发送，另外我方所选用的通讯模块同时支持其他的通讯方式。9 信源编码和信道编码信源编码(传感器),采用格雷码或带奇偶校验的二十进制码(BCD)。信道编码采用抗干扰编码,以发现和纠正在传输中产生的错码。如汉明码(BCH)、循环冗余校验CRC等。10、遥测站能在恶劣的天气环境下和无人职守情况下正常运行，RTU可靠性MTBF87600小时。

28、11、具有数据人工置入和直观现场显示功能。以便在特殊情况下采用。遥测站可采用“人工置数”可将人工测量参数（如水位、流量、蒸发、水温、气温）通过人工置数方式发送给中心；可设置参数：现场设置本站站号、水位基值、雨量初值参数。同时显示这些参数及蓄电池当前电压状态、日期和时间等。12、为有效的防止雷电的破坏及外部电磁信号的影响，报汛站数据采集终端设备RTU的所有外部接口具有光电隔离能力。13、遥测站采用压缩的远程数据存储和优化提取方案，针对以前系统雨量传输5分钟为间隔包传输中存在无降雨的无效0数据，传输中自动删除，提高传输效率，降低传输费用。3.5遥测站结构和设备组成遥测站设备主要包括：遥测数据采集终

29、端（RTU）、传感器（根据测量参数需要可能包括雨量、水位计等传感器等）、人工置数仪、通信设备（GPRS模块）、供电系统（太阳能电池-蓄电池、太阳能充电保护控制器）。遥测站（以太阳能供电的雨量水位站为例）结构框图如下所示：图3.1遥测站设备组成结构图3.6设备主要选型遥测设备选型的原则是：具有系统所要求的各项功能，满足系统的技术指标；符合国家相关专业标准；选择设计定型的，经过长期应用考核证明是稳定可靠的产品；选用优质品；选用低功耗的产品；有一定的安全保障措施，能防止一般的破坏，在无人值守和就近管理相结合的条件下，保证整个系统长期稳定运行；各项指标符合本系统设计遵循的标准和要求。3.6.1遥测终端

30、机型号：YDH1型遥测终端机 生产许可证号：XK34-232-00005生产厂家：南京水利水文自动化研究所YDH-1遥测数传终端RTU是由微处理器控制的通用设备，被优化设计用于对远端设备的监视和控制。它具有本地处理和控制能力。YDH-1遥测终端能满足国家防汛指挥系统水文测验和报汛设备的有关技术要求；能实现多信息源的水文数据采集和多信道的水文数据传输；也能实现按水文情报预报拍报办法的要求，人工键入水文信息的发送任务。主要功能：（1）可外接翻斗式雨量计，并实时测量雨量值，定时检测电源电压、设备内部温度。具备所测参数的阈值（变化量）设置功能。依据设定的工作体制向中心站发送数据。可在现场人工或在中心站

31、通过远程无线通道动态设置RTU的工作参数。（2）可设置站号、设置定时报时间、平安报间隔时间、系统时钟，也可设置工作方式如实时报、定时报、自适应报等；（3）实时自报、定时自报、自适应报、平安报。遥测站具有定时自报功能，当长时间（时间间隔可设置）没有参数变化时，遥测站将自动启动报数一次（参数可设置）。（4）完善的WATCHDOG功能。（5）可将实时采集的雨量数据、水位数据写入非易失性固态存贮器内，所存贮的数据带时标（年月日时分）。RTU固态存储器（Flash RAM）容量为4兆，存储雨量和水位数据的容量达到440000条以上，能存储二年的原始水情数据。（6）支持休眠唤醒工作方式，以降低测站功耗。（7）所有外部接口都有光电隔离能力，包括雨量、水位等多种传感器输入接口。（8）具有死机自动复位功能。（9）具有信道机超时发送强迫掉电功能。（10）具有低电压告警及掉电数据保护功能。（11）统一接收中心站实时时钟广播，并自动进行时钟校准，实现全系统时钟统一。（12）既可以在现场由计算机或使用专用编程器直接配置参数，又可以