水库输水管线信息化系统的思考

□毛海辰（灵宝市水利局）

1 项目概述

白虎潭水库位于黄河一级支流宏农涧河一级支流的东涧河（断密涧河）中上游，坝址位于苏村乡境内的坂里村，距灵宝市区15 km，控制流域面积116 km2，是一座以城乡居民供水为主，兼顾防洪、灌溉、发电功能的水库.白虎潭水库，设计总库容为999万m3，兴利库容597万m3，死库容167万m3。水库由大坝（包括挡水坝段和溢流坝段）、排沙洞、供水引水口以及下游电站组成。大坝为碾压混凝土重力坝，设计坝高76.30 m，坝顶长180.50 m，泄流建筑物为坝顶无控制溢流堰，电站装机2×160 kW，多年平均发电量为170万kW·h。

白虎潭水库输水管线信息化监控系统主要实现对输水管道的水流压力、流量、环境及设备视频的远程无线监控。通过GPRS无线通讯和太阳能技术，实现输水管线全场景、24h无人监控，主要的关键技术包括：①采用太阳能电池板及蓄电池供电；②采GPRS 4G无线网络传输监测数据；③采用无线数据采集终端RTU；④采用各类便携式、无线传感器采集水情数据。

2 技术方案

信息化监控系统以C/S架构为基础，以各类水情传感器为数据采集点，通过RTU集中收集数据打包，并基于GPRS 4G网络传输至远程监控室，并存储于部署于监控室内的水情数据库中，借助信息化监控客户端实现水情数据的实时可视化和综合分析。系统的技术方案包括：①监控软件平台：通信服务器、Web服务器、数据库服务器等；②终端监控单元：GPRS无线通信模块、RTU采集单元；③传感器探头（管道压力传感器、流量传感器、网络视频摄像头）；④网络依托：GPRS、4G、短信及Internet；⑤供电设备：光伏太阳能板、太阳能控制器、多路控制电源、阀控铅酸蓄电池；⑥安装设施：监测杆及机构件；⑦防护设施：防雷、避雷针；防盗门禁可以远程报警；防水顶部密封设计。

平台监测软件主要承担监控系统的水情监测、存储、显示、各应用系统数据接入、中央控制和电话、报警扩音等支撑功能，同时满足综合集中监控、系统展示介绍的功能需要。

中心级监控平台在同一界面中展示以下基本画面：GIS总貌图、设备状态信息、水位、流量、压力等主要参数当前监测值、视频监控工作画面(可另设)、报警信息。中心级监控平台能够实现与视频监控系统、阀门等的相关联动；可由监控系统主机发出指令将相应的摄像机图像切换至大屏幕并数字化存储、记录；后台工作站可对系统设备管理、预设置、数字化编辑、存储，处理系统运行机制，接受来自以太网的报警信号并做出反应。

控制中心大屏幕与监控摄像机间可采用对应方式时序轮流切换显示；当监控到异常信息报警时，系统自动弹出相应分区的画面至大屏幕（由操作键盘也可任意切换所需画面）。

3 关键技术

3.1 设备选址

根据管线沿线特征设计视频监控、流量监测和压力监测点的选点位置，选址原则如下：①流量与压力监测点：主要考虑高程落差因素及进出口、分水口，尽量均匀分布设置监测点。基本原则为高程落差间隔30 m，设置一个监测点，总计9处；②视频监控点：在流量和压力监测点设置视频监测，增加重要部位（公路桥、村交通桥、管道重要拐点）视频监测。

3.2 管道流量监测

采用管道超声波流量计。供电电压为DC24V±10%，信号输出RS485，MODBUS协议。由数据采集终端RTU负责控制上电和定期采集数据，具体参数如下：①适应管径：DN50～1 000；②测量范围：流速0.1510.00 m/s，流量0～1 m3/s；③精度：准确度等级1.00；基本误差＜1.00%；重复性误差＜0.50%；④信号输出：RS485，MODBUS协议，或4～20 mA；⑤电源：DC24V,＜3W。

3.3 管道压力监测

采用插入式管道压力计，由数据采集终端RTU负责控制上电和定期采集数据。主要技术参数如下：①测量形式：过程压力直接作用于陶瓷膜片上，衬底电极和膜片电极检测出与压力成正比的电容变化；②量程：0.00～5.00 MPa；③精度：±0.15%FS；④长期稳定性：±0.15%FS/a；⑤温度系数：±0.10%FS；⑥工作温度：-40～85℃；⑦相对湿度：0～100%；⑧模拟输出：两线制4～20Ma；⑨防护等级：IP68。

3.4 视频监控

采用两种方式解决：一种是网络固定摄像机，另一种是4G无线网络固定摄像机。网络固定摄像机，采用海康威视、浙江大华、宇视科技等品牌的网络固定摄像机，输出RJ45百兆网口，电源DC DC12V±10%/200mA。

4G无线网络固定摄像机具有以下特点:①采用用超低照度200万（1 920×1 080），2×10-3Lux@F1.20（彩色模式），2×10-4Lux@F1.20（黑白模式）CMOS图像传感器，低照度效果好，图像清晰度高；②最高支持1 920×1 080@60fps；③支持多种码流方式和视频数据编码技术，扩展达20路的连接；④支持移动端的实时水情获取，并通过多种提醒方式进行突发事件预警；⑤采用智能图像识别技术，捕获异常水情信息；⑥联动警务接口，实现针对突发情况的一键式报警；⑦支持多焦距、多亮度、宽动态和多维降噪设置。

3.5 GPRS4G通信

采用工业级4G无线全网通模块，全面兼容3大运营商网络和7大通信制式的自由选择；高速的网络通信基础，可以极大优化数据传输效率；采用基于VPN的客户端/服务器技术，便于系统的部署，优化设备的远程管理流程。

该产品采用高性能的工业级32位通信处理器和工业级无线模块，以嵌入式实时操作系统为软件支撑平台，同时提供1个 RS232（或 RS485/RS422）、4个以太网 LAN，1个以太网WAN，可同时连接串口设备、以太网设备，实现数据透明传输和路由功能。

为了提高产品的稳定性和可靠性，采用了WDT看门狗设计，保证系统稳定；采用完备的防掉线机制，保证数据终端永远在线；以太网接口内置1.50KV电磁隔离保护；RS232/RS485/RS422接口内置15KVESD保护；SIM/UIM卡接口内置15KVESD保护；电源接口内置反相保护和过压保护；天线接口防雷保护。

3.6 太阳能供电系统

采用太阳能电池供电系统。由太阳能电池板（含安装支架）、太阳能充放电控制器、后备蓄电池组成。

根据设备及工作模式（常态上电工作，或周期性上电工作）核算平均功耗，及设备要求的最大阴雨天连续工作时间，核算后备电池的容量；再根据设备安装区域的年度统计的晴天/阴雨比例，以及最大允许的充电时间，核算太阳能板的功率配置。

项目的设备平均功耗约为5.10 W（常态功耗3.60 W，周期性功耗核算1.50 W）。系统应该满足的连续阴雨天工作≥7 d。核算后备电池容量为DC12V/100AH。安装区域的晴天/阴天比例为3:2，最大允许电池充电时间应＜5 d，核算出太阳能电池板的功率配置为120W。

4 结论

白虎潭水库输水管线信息化监控系统是灵宝市水利管理在智慧水利管理中的一次有益尝试，通过本项目的建设，实现了在复杂管线路径环境下，输水管线信息的无人、全天候监控，太阳能输电线路支持，无线传输，以及水情信息的动态监测、险情预报等功能，极大提升了输水管线水情监控智能化，同时大大提升了水利工程管理水平。

后续项目的建设方向，应在传感器监测的基础上，充分应用物联网和大数据技术，对涉及水情信息的多变量和指标进行多尺度的监测，并通过构建水情大数据库，采集和积累多维度水情数据，利用数据挖掘和机器学习技术，对历年水情数据进行挖掘学习，提取水情态势规则和模型，从而实现水情的高效管理、监测和预警。