河道流量自动监测集控系统设计与实现

张侃侃+曾佑聪+石瑞格+邓思滨

摘 要：文章設计并实现了河道流量自动监测集控系统，包含一套河道流量自动监测集控管理平台、数据上传多信道多通讯模式以及五种可选的针对不同水文站河道工况的流量就地自动监测方式。系统可以实现流量自动测验、远程可控制、数据实时上传、成果汇集导出等功能，已形成完整的河道流量自动监测体系，可实现全天候、无人值守水文站的集中管理，使流量测验由传统手工作业向信息化管理转换。

关键词：水文测验；集控系统；无人值守；ADCP；雷达波

中图分类号：P332 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）33-0097-03

Abstract： The centralized control system for automatic monitoring of river flow is designed and implemented in this paper， which contains a set of automatic monitoring control and management platform， data upload by multi-channel multi-communication mode and five automatic monitoring methods for different working conditions of river hydrological station. The system can realize the automatic flow measurement， remote control， real-time upload， results collect and export， which has formed a complete system of automatic monitoring of river flow and realize full-time unmanned hydrologic station centralized management. Based on the system， the flow measurement has been transformed from the traditional manual method to information management.

Keywords： centralized control system； remote control； unmanned； ADCP； radar wave

前言

水文测验是获取河道流量第一手资料的直接途径[1-5]。传统河道流量测验的技术主要有三种：水文缆道铅鱼流速仪方式[6，9]、水面浮标法测流方式和走航式ADCP（声学多普勒）测流方式。其中，水文缆道铅鱼流速仪方式是传统水文站的主要水文测验手段，也是当前国内大部分水文站所采用的方式；水面浮标法测流方式主要应用于汛期高洪测验或北方河道流冰期，需尽量缩短测流时间的情况；ADCP方式组装调试费时，主要用于临时测验。这三种传统的测流方式目前都存在诸如：技术落后、测流过程耗时费力、施测频次低等问题。针对山溪型河流的主汛期，洪水涨落率快，高洪过程短，且此时河道流量大，冲刷物和漂浮物多，水文抢测人员一般需要24小时值班，劳动强度极大，存在很大的安全隐患。

基于上述问题，本文设计了河道流量自动监测集控系统，可以实现流量自动测验、远程可控制、数据实时上传、成果汇集导出等功能，已形成完整的河道流量自动监测体系。通过集控中心的管理平台和不同的自动测流模式，本系统可实现全天候、无人值守水文站的集中管理，使流量测验由传统手工作业向信息化管理转换。

1 系统设计

本文设计的河道流量自动监测集控系统，主要包含一套河道流量自动监测集控管理平台、数据上传多信道多通讯模式以及五种可选的针对不同水文站河道工况的流量就地自动监测方式。系统总结构图如图1所示。

在下面的内容中，我们将根据图1所示的系统总结构图详细介绍该系统的设计。

1.1 河道流量自动监测集控管理平台

集控管理软件平台由通信服务器软件、WEB信息监控管理软件、分中心（中心水文站）集控管理软件（C/S）三部分组成，该平台采用微软的.NET技术架构，应用B/S与C/S相结合的模式，所有流量成果数据和监控信息全部上传到河道流量自动监测集控管理平台（WEB），部署在分中心（中心水文站）的河道流量自动监测集控管理软件可通过网络从WEB端下载数据，同时对自动测流系统进行远程监控，实现了集控测流所需的控制、监视和管理等功能。

（1）流量自动监测集控管理平台（Web）：本平台软件是在线测流平台的核心监控软件，主要功能包括基于高德地图的测站信息查询（地图信息、测站状态、实时信息）、图表信息查询和数据导出（实时水情、历史水情、测流成果、水位过程）、测流远程控制、参数配置、日志查询、系统管理等功能模块。图2所示为该平台的一个功能页面。

（2）流量在线测流集控管理平台（分中心，C/S）：平台部署在各个分中心（中心水文站）的计算机上，用于监控所管理的雷达波在线监测系统。平台主要功能包括测站状态监控、测站通信监视、数据同步、测站实时监控、实测流量成果表查询及实测流量过程线线图绘制等，如图3所示。

（3）通信服务器软件：通信服务器软件是整个河道流量自动监测集控系统的中心通信枢纽，保证集控中心、各分中心（中心水文站）、在线测流站互联互通，将各在线测流站的数据采集、入库，并允许分中心（中心水文站）通过通信服务器控制测站在线测流系统和视频监控摄像头运行，修改在线系统参数，下载存储在线测流站的数据。

1.2 数据上传多信道多通讯模式endprint

针对不同工况的河道断面，根据现场通信条件，由于GPRS/GSM/3G/4G在不同地区覆盖的程度不同，都属于移动公网通信的范畴，以下简称“移动物联”。默认通过移动物联/北斗信道将水雨情信息发送到水情中心；通过移动物联/ADSL/北斗信道将在线测流系统监测的信息发送到在线测流集控管理中心；通过ADSL信道将视频监控信息（含抓拍图片）发送到自动测流集控管理中心。

流量就地自动监测站每次测完流量后，将流量、相应水位传送给测站的雨水情信息采集系统；将垂线流速等成果信息发送到在线测流集控管理中心，包括：测次，起、止时间，垂线数、垂线起点距、垂线流速、过水面积，水面宽、最大水深、最大流速，相应水位、流量，以及系统运行参数。

1.3 河道流量就地自动监测方式

河道流量就地自动监测方式主要包括代表垂线法缆道模式ADCP在线测流系统、高效缆道模式雷达波在线测流系统、座底式ADCP（V-ADCP）在线测流系统、岸边式ADCP（H-ADCP）在线测流系统等。

（1）代表垂线法缆道模式ADCP在线测流系统：依托常规电动水文缆道系统，实现了ADCP模式的无人值守流量在线监测。包括现地监控管理软件、遥测RTU、ADCP控制器、系统主控器、PLC缆道控制台，以及测流计算机、ADCP、红外一体摄像机等软硬件设备的研发与集成。系统特别适合于受下游洪水顶托与上下游水电工程发电、泄水影响，导致水位～流量关系紊乱条件下的水文站流量测验。该系统的实现如图4所示。

（2）高效缆道模式雷达波在线测流系统：依托高效双轨缆道与直流水文绞车，实现了非接触式雷达波模式的无人值守流量在线监测。包括现地监控管理软件、遥测RTU、雷达波控制器、系统主控器、视频控制器、直流缆道控制箱、直流水文缆道绞车，以及测流计算机、雷达波测速仪、红外一体摄像机等软硬件设备的研发与集成。系统全部采用太阳能光板+蓄电池组供电方式，特别适宜于山区性河道流量自动测流。图5所示为缆道模式雷达波在线测流的现场使用情况。

（3）固定式ADCP在线测流系统：主要分为水平H-ADCP在线测流系统和河底固定坐底式V-ADCP在线测流两种方式。

河底固定坐底式V-ADCP在线测流和岸边固定水平式H-ADCP在线测流的，都是利用水平声学多普勒流速法测流[7]，2～3个超声波探头沿水平方向发射超声波束，利用多普勒原理测量探头所在水层的单元格上各点的二维流速，另一束向上发射用来测量水深（可不用），二者原理相同，区别在于安装方式不同，H-ADCP安装固定在河岸，V-ADCP安装固定在河底。该测流方式可能测量探头所在垂线的垂向单元格流速，适合用于河道断面变化小，断面窄的测站。

2 难点

第二节详细介绍了该系统的设计及其组成部分，本节介绍系统在设计过程中的难点，主要有五方面：

2.1 河道流量监测集控技术

按照分区（片）或分流域机构管理模式进行各测站的纵向管理。要求集控管理平台（WEB）支持500个测站同时接入、分中心（中心水文站）集控管理软件（C/S）支持30个测站同时接入。

2.2 ADCP模式PD0数据解析

走航ADCP自带程序包不提供原始数据的解析数据接口，需要开发人员利用PD0数据包进行译码解析。

2.3 雷达波测流模式数据稳定性

非接触式雷达波流速仪在强风、大暴雨情况下数据跳动较大，雷达波运行车如何选择合理的运行与控制模式、监控管理软件如何合理有效的选用原始数据分析算法是一个难点。

2.4 代表垂线缆道模式悬吊ADCP防碰撞

由于悬吊ADCP需要入水0.2m，流量测验过程中存在可能的漂浮物、过往船只、人等潜在的危险。合理有效的防撞措施是系统可靠安全运行的保证。

2.5 测站供电

水文测站位置通常比较偏僻，电源没有保障，特别是山区性河道站，交流电往往不能到达。要求系统低功耗，最好全部采用太阳能供电。

3 创新点

本系统在行业内率先实现了一个河道流量监测集控系统，由一个控制中心集中控制多个远端水文站测流，通过在系统软件中设置好测流时间间隔、代表垂线等参数，远端测流系统将根据设定的参数进行自动测流，并在无人状态下自动对测流全过程实行智能控制。同时，在该系统中，集控中心、分中心和移动客户端都可随时监视、远程控制各监测站工作。创新点有以下几点：

（1）在无人状态下自动对测流全过程实行智能控制，同

时，集控中心可随时监视、远程控制各监测站工作。

（2）通过将红外视頻技术、热感应技术及图像识别技术应用于水文站缆道，并利用传统的测流缆道悬吊走航ADCP进行测流，实现了缆道流量测验的自动化和测流过程防碰撞的智能化。

（3）系统全部采用太阳能供电，为无人值守模式，测流不受停电、漂浮物、浑水、大风、暴雨、雷电等恶劣环境的影响。此外，系统为雷达波测流仪器箱辅助补电设计了无线充电装置，为流量人工比测设计了吊船ADCP同步比测装置、双轨缆道自平衡装置。

（4）河道流量自动监测站（代表垂线ADCP模式、高效缆道雷达波模式）采用太阳能光板+蓄电池组供电模式，由系统主控器进行智能电源管理，根据测站电能情况开启对应工作模式。非测流期间，除系统主控器（测流计算机）外，其余部分全部下电，极大降低了遭雷击的概率，节省能耗，且在电能不足的情况下可实现定点流量自动监测。

4 结束语

本文设计的河道流量自动监测集控系统能根据不同的测验河段和测站具体情况，采用多种方式实现水文站流量的实时在线自动检测，集控中心只需要少量人即可完成下辖所有测站的流量测验任务，实现无人值守全自动水文站集中管理的模式，具有广阔的市场前景和社会价值。

参考文献：

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