武都水库水情自动测报系统的构建及其关键技术

徐 辉

（四川省绵阳市武引工程管理局，621000，绵阳）

四川省武都水库是以防洪、灌溉为主，兼顾发电、工业及生活用水等综合利用的大型水利工程，电站装机容量15万kW，多年平均年发电量6.15亿kW·h。由于水库流域地处龙门山暴雨区，暴雨量集中，强度大，加之山高坡陡，水系发育，在暴雨洪水形成过程中汇流时间短，流速大，对水库工程及下游江油、绵阳的城市防洪提出了很高的要求。

武都水库水情自动测报系统通过在武都水库及江油、绵阳等城市所在水系的上游广大地区设立雨情、水文监测站，实时监测上游雨量和河道水位，提前预测来水量，并按预定方案及时准确地作出水库继续蓄水还是开闸放水的决定，保证武引工程安全，帮助武都水库实现由50年一遇提升到100年一遇的防洪能力，从而保障了下游城市的防汛安全，同时大大提高了涪江的天然来水利用率及武都水库的综合发电能力。

一、水情自动测报系统的构建

1.水情自动测报系统与其他信息化子系统的关系

根据规划，武引综合信息化系统包含多个专业自动化子系统，水情自动测报系统是其中最主要的子系统之一，其关系如图1所示。

武引综合信息化系统平台是武引集团公司全部自动化信息的总节点，它从各专业子系统中提取各种生产运行和管理所需关键数据信息进行存储，并将部分专业信息集中对外发布，同时负责武引集团公司与其外部系统 （指省防办、气象局、水文局、四川省电力公司等的自动化系统）的信息交换。除向综合信息化系统提供基础数据外，各专业子系统之间也会存在信息交流（如水情自动测报系统和机组自动监测系统）。水情自动测报系统在武引综合信息化系统平台建成以前，将由中心站的通信/Web服务器承担对外部的信息发布工作。

图1 水情自动测报系统与综合信息化系统的关系

2.水情自动测报系统的构成、功能结构及信息流转

（1）水情自动测报系统构成

水情自动测报系统由1个中心站、1个分中心站、12个雨量站及 8个水位站组成。

（2）水情自动测报系统的功能结构

根据功能结构划分，水情自动测报由5个内部子系统构成，即遥测数据采集子系统（即遥测站）、遥测数据通信网、分中心站子系统、数据传输广域网和中心站子系统。见图2。

①遥测数据采集子系统（即遥测站）：由通信终端（GSM通信设备、北斗卫星通信终端设备）、天馈线、数据采集器、蓄电池、太阳能电池及传感器组成，其任务是完成遥测站数据实时采集。

通信终端、数据采集器和蓄电池等设备集成在全密封筒形机箱内，筒形机箱置于高强度防锈铝合金立筒（直径约 300 mm，高 2 m，亦称“法拉第筒”）内；太阳能电池、天线和雨量传感器等安装在铝合金立筒上。遥测站整体设备采用一体化及防雷性能卓越的筒式结构，加强了电磁屏蔽和电磁隔离，具有良好的抗雷击防干扰性能；雨量传感器为翻斗式雨量计（承雨口内径为φ200 mm，分辨力为1.0 mm，准确度为±1.0 mm），水位传感器为浮子式水位计 （分辨力1.0 cm，测量范围0～40 m）。供电系统采用太阳能电池浮充免维护蓄电池供电方式，能满足40天无日照连续工作。

遥测站数据采集控制器采用HR 9800—ZK 31，它负责自动实时采集雨量、水位或人工置入的水文数据，其固态存贮器可储存1年内2个传感器每个传感器采样步长15min的全部数据。可扩展4、8、16等多个传感器和大容量固态存贮装置。

②遥测数据通信网：遥测站至分中心站的数据通信网络采用北斗卫星信道和GSM双信道混合组网方案。凡GSM覆盖地区，均选用GSM信道；GSM没有覆盖的地区，选用北斗信道。对于某些在洪水预报中比较重要的站点采用双信道热备份通信方式，GSM为主信道，北斗为备用信道。

随着通信基站越来越多，信号覆盖范围越来越广，信号质量越来越好，选用信道的方式也有所变化。特别是修改GSM信道通信后，可以大大节约通信费用 (GSM 0.1元/条，北斗0.5元/条)；同时换下来的北斗卫星通信设备可加到重要测站作双信道热备份通信，以增加系统可靠性。

北斗卫星数据传输速率误码率小于10-6，GSM传输误码率小于10-5。

③分中心站子系统：是水情自动测报系统的业务执行中心，负责对遥测站的控制、维护和管理，不仅接收、存储和预处理来自遥测站的全部信息，还将产生各种本专业的辅助决策信息。分中心站子系统的拓扑结构如图3所示。

④数据传输广域网：是分中心至中心站的数据通信网，鉴于目前武引水调大楼还未开始建设，中心站暂时安放在水库建设开发公司防洪值班室，分中心站在厂房未建成之前安放在一期取水枢纽值班室，两地距离仅500 m，有一根光纤连接两地，于是利用此光纤，增加相应光纤收发器便将中心站和分中心站连接成一个局域网。

⑤中心站子系统：运行业务软件，为武引综合信息化系统平台提供水雨情基础数据，并在该系统建成前承担对外发布信息。

（3）各内部子系统间的信息流转

整个系统采用中心站/分中心站结构，中心站拟建在绵阳市武引水调大楼内（大楼未建成之前安放在水库建设开发公司防洪值班室），分中心站拟建在武都水库电站副厂房（厂房未建成之前安放在一期取水枢纽值班室）。整个系统信息流转如下：

①信息总体流向基本上行，即遥测站→分中心站→中心站→外部系统，同时也存在下行信息，主要是控制和决策信息，其信息量远小于上行流向。

②遥测站采集的水、雨情实时信息经遥测通信网信道传送至分中心站，分中心站在特定情况下有可能远程修改遥测站运行参数，所以也存在分中心至遥测站的反向信道。

③分中心站产生的辅助决策信息和处理后的部分水雨情基础信息将通过上行信道传送至中心站，同时还将接收并执行来自中心站的决策指令。

④中心站设置一台Web服务器专门负责水情信息的对外发布。

在中心站、分中心站的计算机中，服务器采用Windows 2000 Server操作系统、SQL Server 2000数据库系统，安装相应专业软件；工作站采用Windows 2000 Professional系统，安装相应专业软件。

二、系统的关键技术

1.计算机网络配置

武引集团公司下属各部门办公所在地分布于绵阳、江油、武都等地，相距较远，规划用光纤将各地联成一个千兆环网，并遵循各专业信息化系统与办公、上网用计算机严格分离的原则，以保证信息系统的安全。由于武引集团公司总部办公所在地的调度大楼还未开建，武都水库、电站等工程正加紧施工，离建成还有一段时间，因此计算机网络只能是局部统筹配置。水情自动测报系统分中心站暂安放在取水枢纽值班室，中心站则安放在项目部防洪值班室，相距仅500 m，利用两地之间的光纤将中心站和分中心站连接成一个局域网。

IP要设置在同一网段内，在武引综合信息化系统建成之前，系统要对外提供服务的话，可为Web服务器申请一个固定IP，其他计算机使用IE可直接查看相关信息。

2.双机热备份及磁盘阵列的配置技术

分中心作为水情自动测报系统的业务执行中心，不仅接收、存储和预处理来自遥测站的全部信息，还将产生一些如洪水预报等功能的辅助决策信息，这些工作主要靠2台热备份服务器来完成。由第一台服务器作主服务器，当它发生故障时，第二台服务器自动替换它作为主服务器，完成同样工作。

两台热备份服务器各有2块网卡，其中一块作网络联结使用，另一块网卡专门用于两台服务器间的通信使用，它们通过一个普通网络交叉线相连，这根交叉线叫作服务器的心跳线。安装在两台服务器上的软件通过心跳线来实时监测对方的运行状态。一旦正在工作的主服务器因为电源失效、主要部件失效或者启动盘失效等导致系统发生故障，心跳线会反映给备份服务器，后者可以立即投入工作。这样可以最迅速和最大限度地保证网络和服务的正常运行，这一过程称为“心跳检测”。这两块作服务器间通信使用的网卡IP地址尽量不要与另两块设在同一网段上。

为保证系统数据能够保存到可靠的磁盘上，本系统采用了3块硬盘组成的磁盘阵列作为存储设备。它有2根专用数据线分别与2台服务器相连。两台服务器及磁盘阵列联结如图4。设备连接好后，使用一个双机热备软件rose进行两台服务器及磁盘阵列的配置。两台服务器安装好rose软件后，可选择在其中任一台上进行配置。

3.串口服务器配置

使用串口服务器的原因有两个：一是每台服务器自身串口不够，而连接的串口设备较多，需要扩展串口数量；二是一套串口设备要两台服务器都能使用。

串口服务器设备选用DiGATTO I/OLAN终端服务器，它是一款基于TCP/IP协议的通信服务器，包含4个RS232串行口、一个100M/10M自适应的以太口，所有串行数据可以通过以太口进行收发，并可通过以太口或串行口1进行调试或设置。将其IP地址设到服务器同一个网段，再通过串口映射器软件com port over tcp/ip将1、2、3、4 号串口仿真成服务器的 4、5、6、7 号串口。

串口设备连接要与专业应用软件端口设置相对应。将负责GSM短信发送的短信模块端口设置成com4，负责接收各测站数据的北斗卫星通信模块、GSM通信模块端口分别设置成 com5、com6。

4.洪水预报软件中的参数配置

洪水预报软件自动调用专用动态外国链接库及相应的参数文件（主要有流域特征文件、预报参数文件、蒸发文件），从相应的年份子目录中读取最近的初始土壤含水量资料，并直接从水情数据库中读取雨量、流量资料，计算完成后可将预报成果存入数据库，用图形方式显示预报成果。要保障系统准确预报，第一次正确配置至关重要。

①软件重新安装后需修改系统数据源配置文件Podbc.ini，这样软件才能正确读取服务器中的雨量、流量等信息。将其中默认的数据库服务器IP地址设为本系统双机热备份服务器对外提供的虚拟IP地址。

②在站名、站码、站号对应关系文件中分别按雨量站、流量站、流量控制站配置相应测站的站名、站码、站号。

③在流域特征文件中分别设置流域块、控制站及下属单元和各单元集雨面积、单元流域内所设立的测站号、权重。由于本系统含有武都水库洪水预报和绵阳城市洪水预报两个预报功能，因此需要分别配置它们各自的流域特征文件。

武都水库洪水预报系统将整个流域分成2个小流域块，分别由南坝、坝上测站作控制站，进行流量校正；第一个流域块又细分为集雨面积分别为 500 km2、400 km2的2个单元；第二个库区流域块只有1个570 km2单元。每个单元所辖的测站因代表的集雨面积不同而设置不同的权重，各单元内测站权重之和为1。武都水库洪水预报流域块、单元及测站关系如图5所示。

④在模型系数文件中设置相关参数。

三、结 语

图5 武都水库洪水预报流域块、单元及测站关系图

武都水库水情自动测报系统于2006年6月建成投入运行，至今已稳定运行多年，在历年的防汛工作中，都比较全面准确地收集了所需的水雨情信息，较为准确地作出了洪水预报，发挥了系统应有的设计功能，起到了重要作用。系统建成之后，在运行过程中出现一些问题是难免的，只能顺着信息流转链条往前查找，直到找到故障源头。通过了解水情自动测报系统与武引其他信息化子系统的关系，弄清它们之间的信息流转，有利于站在全局的高度统筹进行网络配置及日常管理维护。通过了解水情自动测报系统构成、功能结构及内部子系统间的信息流转，掌握关键技术，便于迅速查找和确定系统异常或故障部件，为解决问题提供依据。也只有这样，才能更好地提高对于系统的维护管理水平，从而使水情自动测报系统更好地发挥作用。

[1]水利部水利信息中心，北京金水信息技术有限公司.全国水利信息化规划（“金水工程”规划）[R].2003.

[2]电力工业部成都勘测设计研究院.水利水电工程水情自动测报系统设计规定[S].1996.

[3]DL/t1014-2006水情自动测报系统运行维护规程[M].北京：中国电力出版社，2007.