水文遥测系统设计分析

廖彬秀，胡培良

（1.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，长沙 410000；
2.永清环保股份有限公司，长沙 410330）

水文遥测技术是水利信息化的重要基础。我国现代水情测报系统建设中，水文遥测站的运用十分关键，其主要是利用遥测终端机采集、处理现场多种水文信息，并将数据分段存储，固定时间间隔或是接收到中心站查询指令时，上传相关数据至中心站。在此过程中，水文信息的采集与稳定上传十分重要，本文就此针对水文遥测系统设计工作展开详细分析。

我国地域辽阔、水资源分布极为不均，多洪水、台风、暴雨等自然灾害，因此，及时、准确掌握水情对人类的安全与生存至关重要。近年来，我国水情测报系统发展迅速，用于对江河湖泊进行水情灾害监控，通过通信技术、计算机技术的运用实现水情数据的实时测量、快速传送和有效处理[1]。根据水情测报系统实际运用情况来看，中小型水情测报系统主要构成包括遥测雨量/水位站、信息中继站、枢纽分中心站、流域内的中心站；
大型水情测报系统通常会设置一个总调度中心站，分片区划分一些分中心站[2]。水情测报系统的运行流程如下：（1）遥测站设置远程终端单元（RTU），对水文信息进行采集，并通过数据通信模块（DTU）将相关数据发送至中继站；
（2）中继站接收数据后，重组、转发数据；
（3）中心站接收数据，存储、分析数据；
（4）中心站数据软件构建水文模型、预报洪水过程、制订防洪方案；
（5）中心站与枢纽站其他系统、上级水文部门互通信息。

在整个水情测报系统运行中，水文遥测站是重要的支撑系统，其利用现代科技实时遥测、传送、处理水文信息，综合了水文、电子、电信、传感器以及计算机等多学科成果[3-4]。通过水文遥测系统的应用改变了传统人工测量水情数据的情况，有效扩大了水情测报范围，提高了水情测报效率与洪水预报精度，对于江河流域与水库安全度汛、水资源综合利用等具有重要意义。

3.1 水文遥测站的主要功能

对于水情测报系统而言，需充分考虑流域洪水、暴雨特性以及拟建区域实际情况，合理控制水文遥测站数量的同时，保证收集到的信息可满足洪水预报精度要求[5]。对此，水文遥测站主要功能可归纳如下：

1）RTU在线采集各种水文数据，可暂存或实时发送数据；

2）除了交流电供电以外，应可利用光伏电池供电，充电回路提供过充电保护能力；

3）遥测站终端机的功耗较低，要求在阴雨天气下依旧可长期工作；

4）提供较好的防雷性能，检测设备可在恶劣暴雨洪水天气下长期良好工作；

5）配备不同采集接口，包括水位、雨量、流量、气象等传感器；

6）提供RS232/485通信接口，支持一对一、一对多通信；

7）具备自动校时、系统时钟同步功能；

8）面临突发断电问题，系统具备数据暂存自保护、死机自复位功能。

3.2 通信传输网络要求

在水情测报系统中，通信传输网络是实现水文遥测站与中心站数据高效、安全传输的关键，尤其是水文遥测站长期、全天候运行在野外无人值守的环境中，对数据传输可靠性要求更高[6]，具体如下。

（1）可靠性：要求提供良好的抗干扰、防雷性能，面临暴雨洪水灾害时可正常报送数据，信道可冗余配置。

（2）实用性：根据系统需求、实际环境选择合适信道，获取重要水文信息。

（3）经济性：综合考虑投资、效益等因素选择信道，有效控制通信整体费用，提高水文遥测站运行经济性。

（4）低功耗：遥测设备、通信设备电源能耗必须低，从而有效控制运行成本，提高运行可靠性和稳定性。

4.1 系统总体结构

水文遥测系统总体结构如图1所示[7]。

图1 水文遥测系统总体结构

4.2 水文遥测站设计

水文遥测站设计为模块化结构，包括通信模块、供电单元、处理器模块、扩展接口模块。其中，处理器模块选用STM32F103芯片，设置LED状态指示与其他外围电路，包括通用I/O、IIC接口、串行口等。在水文遥测系统中供电系统也是重要组成部分，野外较难提供220 V市电，因此，选用蓄电池+太阳能电池板的方案。

4.3 双信道网络设计

水文遥测系统运行中通信稳定是关键。在组网方案设计时，水文遥测站与监控中心可采用多点对一点的通信模式，优先利用GPRS网络，以北斗卫星网络为第二通信网络，具体如图2所示，监测平台利用TCP/IP协议可与GPRS模块建立连接，同时监控室内需设置1台北斗卫星接收机，数据解码后利用主机RS232接口发送至监测平台应用程序[8-9]。通过通信网络监控中心可向各水文遥测站发送回执指令，图3为信道传输过程。

图2 系统通信流程图

图3 信道传输过程图

4.4 水文遥测系统通信测试

针对此水文遥测系统搭建的通信设备进行测试，要求数据通信平均畅通率≥95%。测试时间为早上8:00至隔天早上8:00，各水文遥测站设置间隔1 h定时自动上报数据，其中，雨量自动上报阈值0.5 mm，水位波动超过1 cm自动上报。测试结束后通过数据分析显示：传输时延在1～30 s范围内；
每次上传的报文格式正确，无错误或是缺失的情况；
水位、雨量数据变化且满足触发条件时，均成功触发遥测站的上报[10]。

水文遥测系统安装完成后，开展了GPRS、卫星单信道稳定性测试与双信道稳定性测试工作，具体测试数据如表1和表2所示。根据测试结果分析可得，单信道数据畅通率均可达到95%以上，卫星单信道更为稳定，而双信道总体表现更好。

表1 GPRS、卫星单信道稳定性测试数据

表2 双信道稳定性测试数据

综上所述，水情测报系统充分利用了遥测、无线通信、计算机网络等先进的技术方法实现各种水文数据的采集与处理分析。水文遥测站是水情测报系统的重要组成部分，提供数据实时采集功能，且由于水文遥测站布设在河流重要控制断面，往往远离城镇、无人值守，因此，需科学开展水文遥测系统采集设备、电源以及通信信道的设计工作，保证水文遥测站长期、可靠运行，为洪水预报、防洪调度、水资源综合利用等工作及时提供精确的水文信息。