雷达波在线测流及远程集控系统的研究与应用

曾佑聪，石瑞格，陈 晨

(1.水能资源利用关键技术湖南省重点实验室，湖南长沙410014；2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙410014)

0 引 言

目前，水文监测面临传统水文站数量多、人工方式控制测流工作效率低、洪水期测流安全威胁大、高洪水位时流量测验及时性差等问题，尤其还存在山溪性河流暴涨暴落、水文测验易受漂浮物、滚石影响等难题。研究一套无人值守条件下适合高流速测验的自动测流并能远程集中控制管理的系统意义非凡。解决无人值守条件下中小河流、山区性暴涨暴落河流流量自动测验难题，可极大地促进传统水文技术的进步，具有广阔的市场前景和社会价值。

雷达波流速仪根据多普勒雷达测速原理，对水流的表面流速进行探测。由于它是一种非接触式测流设备，测流不受测验河道的漂浮物、滚石等影响，适合山溪性河流高流速测验，为雷达波在线测流及远程监测集控系统的研究与实现提供了技术支撑。

1 技术方案及总体功能

本项目主要针对雷达波测流自动监测与集中控制的研究，解决水文部门通过拼人力来应对河道流量测验的难题，将测验人员从繁琐的流量测验工作中解放出来，促进传统水文测验技术的进步，达到优化管理模式、降低劳动强度、提高工作效率的目的，同时流量资料精度也有足够保障。

建立雷达波在线测流监测集控中心(见图1)，通过GPRS、4G、ADSL等网络技术，使各测站与中心站互通互联，集控中心只需1个值班人员即可完成下辖所有测站的流量测验任务，测站只需安排看管人进行日常巡视管理即可；采用GIS、组态、动态数据集成等技术，实现各雷达波流量监控点“所见即所得”运行监视与远程控制，采用摄像与图像自动识别技术实现测站设备故障与非法入侵管理并报警。

图1 在线测流集控管理系统架构及水情遥测系统架构

(1)集中呈现各个无人值守雷达波水文站的视频监控画面，对各水文站运行工况进行远程监视，每个水文站采用2～3路视频(一路视频监视测流缆道，一路视频水尺监视水文站环境安全)的接入；同时为逐步投运的其他水文站的接入预留接口。集中呈现各个水文站生产现场的实时数据，实现基于Internet的远程监控、远程故障诊断、远程指挥调度、远程设备管理功能。

(2)以GIS集中呈现各个水文站的缆道自动测流流程和设备运行状态，实现基于GPRS的缆道自动测流远程控制。

(3)系统自动采集、传输、接收和处理雷达波信息：能根据河道水流变化，自动精确定位测流装置进行测流；具有完善的保护和预警机制，详实记录过程，方便事件还原分析；软件界面美观，操作简单方便，参数配置简便，具有较大的灵活性和良好适应性；支持任意时间段的自动测流设置；支持任意水位变幅的自动测流设置；支持任意时间段声光报警的设置；支持多根代表垂线的测流设置；支持垂线加权平均流速计算的权重设置和全断面流速计算公式aV2+bV+c中a、b、c参数的设置；支持雷达波的远程参数设置；支持无市电状况下的手动流量测验。

(4)中心站自动接收遥测站信息，并分类存入数据库：可实现信息编辑、分类信息查询、地理分布信息查询；水文资料整编，为事后数据重算和水文资料整编提供准确而完整的数据信息。

(5)工程信息和历史水文信息查询，随时查询、打印实测流量成果表；水情要素越限、设备事故、电源欠压等报警。

2 雷达波在线测流子系统研发

2.1 系统简介

在无人值守水文站采用非接触式雷达波测速仪作为代表垂线水面流速自动测验传感器，利用简易双轨缆道系统或常规电动水文缆道系统，通过自动控制技术、无线通信技术和流量测验技术的系统集成，自动将雷达流速探头移动(见图2)到设定垂线水面上方，构建水位和断面流量的实时在线自动监测，实时将数据上传至集控中心，实时接受集控中心远程控制，并按照水文资料测验和整编要求输出成果。

系统以“无人值守水文站自动测流监控系统”软件为值班软件，按照设定的测流间隔、触发条件(水位涨幅)自动运行，系统故障自动诊断、异常自动告警。

图2 双轨缆道模式雷达波在线测流系统可移动测速部分示意

2.2 雷达波工作原理

采用多普勒雷达测速原理，对水流的表面流速进行探测。即

f=ν/λ

(1)

式中，f为频率；ν为速度；λ为波长。

当雷达传送非均匀流表面信号时，非均匀流表面的厘米波即反向散射体会导致多普勒频移的发生。在河道枯水期，这些厘米波由于具有一定的速度，而被准确识别，根据其波动的方向，产生正向或负向的多普勒频移。由于紊流的散射引起的这两种影响几乎相同，也就是说在枯水期时，其影响为零。传递表面波的顺流流动，产生额外的多普勒频移，此时需要对接受信号进行特殊的分析测定。在高洪期间，由于水面波浪反射明显，因此表面流速特性更加容易被雷达探头捕获。这种测定方法与利用高频雷达来测定海岸流表面流速的方法类似。

图3 雷达波测速原理

2.3 系统组成及各部分功能设计

系统由以下6部分组成：

(1)核心控制部分。以嵌入式工控机为系统主控器，通过RS232、RS485与缆道控制台(PLC)、GSM预警模块直连，通过数传终端与雷达波控制器、遥测终端连接，实现指令下达和信息交互。“监控管理软件”值班运行在测流计算机上，对测流全过程实行自动控制。

(2)简易直流缆道控制部分。由直流缆道控制柜、直流电机驱动器、计数器、继电器、控制按钮、指示灯等组成。负责启停直流缆道绞车，具有“手动/自动”二种运行模式。直流缆道控制箱接受嵌入式工控机的控制指令。

(3)水位采集部分。由遥测终端机、水位计、数传终端、太阳能电源等组成。负责河道水位的实时采集、存贮，并响应控制中心的水位召测指令。该部分通常部署在水位测井仪器房内，根据水位测井离缆道站房的距离可选择有线或无线方式连接。

(4)雷达波悬吊仪器箱。由雷达波控制器、雷达波测速仪、数传终端、温度/倾角/振动传感器、限位开关、太阳能电源等组成。负责水面流速测验、雷达波测速仪参数远程设置、悬吊仪器箱状态检测，并通过数传终端将流速数据发回控制中心。该部分由缆道控制箱(PLC)控制运行。

(5)视频监控部分。部署激光夜视摄像机，对系统工况进行全天候跟踪监视。包括摄像机、硬盘录像机(NVR)、二维主控键盘等设备。

(6)电源部分。供电电源包括太阳能电池板、充电控制器、免维护蓄电池组，是系统运行的保障。

2.4 系统工作流程设计

系统以雷达波测速仪为水面流速的测量仪器，由简易双轨缆道吊挂仪器箱，测流计算机定时给缆道控制箱通电，控制缆道系统移动悬吊仪器箱到代表垂线处；然后，测流计算机无线控制雷达波测速仪测量并接收测验数据同时采集水位，根据借用断面资料与率定的流量计算模型计算流量。一次流量测验完成后，将原始流量测验数据和流量计算结果存贮在本地数据库中，同时通过GPRS模块将测流信息发送至省在线测流中心。

系统同时支持单根、多根代表垂线测流模式，其工作流程见图4。

图4 系统工作流程

图5 平台架构

2.5 自动测流系统软件设计

测流计算机上的软件在无人值守水文站自动测流过程中担负值班任务，测流全过程实行自动控制， 测流完成后自动将数据上传至集控中心，值守时接受集控中心远程控制。自动测流全过程中，软件应具备较强的差错控制能力和良好系统辅助管理能力，能实现故障自动诊断、异常自动告警。

为了便于开发、调试，充分提高软件模块的可重用度，系统软件采用模块化结构。各模块主要按功能进行划分，每个模块既有一定的独立性，彼此之间又通过接口紧密联系。主要功能包括测流过程控制、通信监测、实时信息接收、数据解码、流量计算、数据查询、数据编辑、成果输出、数据上传、实时告警及事件记录、集控中心控制命令接收等。本软件采用Windows风格菜单操作，操作设备以鼠标为主、键盘为辅。

3 流量在线监测集控管理平台研究

3.1 平台架构设计

雷达波在线测流远程监测集控管理平台采用三层架构(见图5)，通信控制服务器软件(C/S)对“分散”、“偏远”的无人值守雷达波在线流量监测站进行统一管理，集中采集各测站监测数据；WEB应用管理平台(B/S)集中管理各测站监测数据、设备的运行参数、成果、视频信息等数据，为相关部门提供监测数据、测流成果、视频监控等数据的下载。

3.2 集控管理平台软件分布与信息流程

集控管理平台主要包括数据库、在线测流站通信控制服务器软件、WEB应用集控管理平台、视频服务器软件等多个子系统。

集控管理平台通过通信服务器子系统与各在线测流站互联互通，各流量在线监测站主动上报测流数据给通信服务器子系统，通信服务器子系统检测到用户的远程控制命令，将控制命令转发给目标在线监测站。

用户可通过IE浏览器以B/S方式查询、下载、打印流量在线监测站数据，远程视频监控。

图6 雷达波在线测流集控管理平台功能结构示意

图7 通信服务器主界面

3.3 WEB应用管理平台研究

(1)功能模块设计。WEB应用管理平台部署在流量在线监测集控管理中心WEB服务器上，通过WEB形式管理所有的流量在线监测站，基于高德地图进行测站管理与信息查询(位置、测站状态、实时信息)、图表信息查询与数据导出(实时水情、历史水情、测流成果、测站状态)、测流远程控制、测站运行参数配置、运行日志、系统管理等功能模块(见图6)。

(2)界面设计了基于GIS的测站信息查询主界面，单站实时信息界面，测站测流成果界面，单站设备状态界面及远程测流控制界面等(详图略)。

3.4 通信服务器软件研究

功能模块设计。通信服务器软件(C/S)是整个集控系统的纽带。它将各测流站与中心站有机地连接在一起，形成一个应用整体，达到少量的人员集中管理多个测站的目的。软件具有基于GIS的测站信息查询、通信监视、实时监控(测站状态、远程控制、测流过程)、实测水位流量成果整编(基于图形与表格的显示、查询、编辑)、实测流量成果表输出(显示、导出、打印)、5 min水位导出等功能模块。

通信服务器软件部分界面设计如主界面(见图7)布局采用Windows风格，左边是测站管理树，右边以自主研发的GIS进行站点管理，点击每个站点能进行测站远程实时监控，查看测站水位流量关系，输出施测流量成果。

4 结 语

上述研究成果分别在“湖南省中小河流水文监测系统雷达波在线测流系统工程第二批(第一包)”、“永州市水文局雷达波在线测流设备采购”、“四水治理雷达波高洪流量监测”、“新疆阿勒泰设备采购项目”4个项目中得到了应用。在湖南省内共建设了20个雷达波在线测流站站点，在省水文局部署雷达波在线测流远程监测集控管理平台，所有站点均在2015年度完成了建设并投入运行，数据实时上传到湖南省水文局部署雷达波在线测流远程监测集控管理平台，湖南省3个项目均在2016年12月底通过了项目验收与交付，实现了无人值守雷达波自动测流站以及测站远程集中管理、监测与控制的研究目标，目前系统运行稳定可靠、应用情况良好。

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