小(一)型水库水文自动测报系统项目设计方案

小（一）型水库水文自动测报系统项目设计方案

小（一）型水库水文自动测报系统项目设计方案 1项目概述

1.1概况

本项目拟建设小一型水库水文自动测报系统，在水利局设置1处数据接收中心。

1.2建设目标及原则

1.2.1建设目标

系统建设的总目标是：实现水位、雨量数据自动采集、传输处理、（存）入（数据）库和数据检索。选用快速可靠的通信信道，利用现代化的通信设备，确保水情信息在10分钟内到达水情分中心，20分钟内将实时数据共享到其它相关防汛部门，满足资料整编、预报和水情信息服务要求的目标。

系统建设将充分利用和整合现有有效资源，综合运用应用电子测控、现代通信、计算机编程等技术，实现对雨水情等实时动态监测管理。结合地区降雨及数据管理特点，建设有效的、符合国家标准、及时、准确的防汛雨水情自动监测体系。

在充分利用现有先进的成熟技术和已有成果资源的基础上，建立一个集信息采集、传输共享、安全存储、智能化分析管理等为一体的高可靠信息化系统，为各级管理部门的防汛抗旱管理工作提供全面、及时、准确的数据基础和支持平台。

系统在技术手段上，采用目前国内行业主流技术，代表国内行业先进水平；系统结构上达到架构清晰，层次分明，系统功能完善；设备性能上达到稳定可靠，数据测报及时准确。系统建设后，从数据测报、数据存储、数据管理等多方面形成多级监管模式，能很好的满足防办当前及今后一定时期内防汛指挥调度管理的需求，为防汛抗旱指挥调度搭建平台。最终实现“信息采集自动化、传输网络化、管理数字化、决策科学化”的工作目标。

1.2.2建设原则

“使水文监测基础设施向正规化、标准化、现代化方向发展，提高水文监测能力”。进一步完善水文测报站网，提高水文测报的自动化能力，建设一套可靠、先进的、与本流域相适应的水文信息监测系统，并与洪水预报系统、洪水警报、山洪预警等系统形成统一的整体，为防洪减灾发挥更大作用。

2系统方案设计

2.1设计指导思想和设计标准

2.1.1 设计指导思想

满足当地气象、地理环境条件。符合《水文自动测报技术规范》等相关标准、规范要求。

本着技术先进、安全可靠、经济实用的原则，严格按照行业规范和标准的指导思想进行系统的总体设计和系统配置。

系统应具有技术先进性，采用先进的技术和平台，适应系统的发展，保证系统的可靠性、实时性、开放性和兼容性。

为保证系统的可靠性和可扩展性及投资效益，应尽量选用模块化的系统设备结构，以强大的设备可塑性和可配置性满足小型水库所处的复杂环境和各种

应用需求，并为将来系统规模扩大和功能扩展提供良好的接口。

各监测站均采取有人看护无人值守的管理体制，实现数据的自动采集传输。

根据测站的条件，采用太阳能/蓄电池供电方式方式。使用太阳能/蓄电池供电方式时，应尽量降低遥测站设备的功耗。

根据站点的功能要求选配设备。

系统组网合理，技术先进，数据流向清晰，系统响应速度快，易于扩充。

便于维护管理，操作简便、直观，实用性强。

满足因地制宜，经济实用的原则，系统具有良好的性能价格比。

2.1.2 设计基本原则

结合本工程特点，以先进性、实用性、可靠性为指导思想，拟定以下设计原则：（1）先进性

（2）可靠性与稳定性

（3）及时性、准确性

（4）经济性

（5）全局性和整体性

（6）开放性及扩展性

（7）安全性和保密性

（8）系统设计应满足国家行业有关规范、标准和规程要求，并结合原有站网的

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实际情况进行设计。为水资源管理和保护、防汛抗旱、山洪预警、水资源优化配置和调度、水资源可持续开发利用规划提供准确及时的信息和科学依据。

（9）系统的设计、建设既要考虑水文资料整编数据的准确性、连续性和精度要求，又要考虑防汛部门对水文数据的实时性要求。

2.1.3 设计标准及依据

《水文情报预报规范》（SL25-2000）

《水文自动测报系统规范》（SL61－2003）

《降水量观测规范》（SL21-90）

《水位观测标准》（GBJ 138-90）

《水文巡测规范》（SL195-97）

《水文自动测报系统通信电路设计技术规定》SL199-1999

《水情信息编码标准》（SL330-2005）

《实时雨水情数据库表结构与标识符标准》（SL323-2005）

《水文基本术语和标准》（GB/T50095-98）

2.1.4 设计条件分析

符合《水文自动测报系统技术规范》等相关技术标准、规范。

系统设计要求先进、可靠、实用、防雷、省电，达到无人值守、有人管理的目的。

采用定时自报式和查询应答式相兼容的工作体制，对各种发报的控制参数和门坎能够进行远程设置修改。

系统能够长期，特别是在暴雨洪水等恶劣天气条件下可靠地工作。系统设备要求有较高的可靠性，尤其是系统主设备要求有更高的可靠性。

系统应具有先进的数据通信协议，确保数据通信的可靠性，以保证数据通信误码率小于10-6，数据畅通率应达到99%以上。

固态存储器必须实时记录自动采集的全部数据，记录数据能满足水文资料整编的要求，根据不同的站类确保记录容量大于一年测站采集的信息容量。具

有现场、远程下载固态存储器数据的功能。

10分钟内应能完成水情分中心一次全系统的数据收集，20分钟内将实时数据送到其它防汛部门。

系统各站采用浮充蓄电池供电方式，应保证连续30天阴雨天（或停电）条件下正常供电。

通信系统应能满足GSM SMS/GPRS相兼容，留有VHF、卫星等备用信道接口，且能够实现切换。

2.2系统总体方案

2.2.1系统总体结构

系统信息流向总体结构如下图所示。

下图仅供参考。

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如上图所示，系统采用GPRS作为传输信道，小一型水库自动采集信息发送到水利局接收中心，水利局设置一处分中心，用于接收水库的水情信息。

2.2.2系统总体设计要求及特点

自动测报系统总体功能要求如下：

（1）系统具有先进、可靠、实用、防雷、省电、便于维护等优点，满足无人值守、有人管理的要求。

（2）雨量自动采集：能自动采集到0.5mm雨量变化值和的降雨量。

（3）定时自报：按预先设置的定时时间间隔，向水情分中心发送当前的雨量数据，同时包括测站站号、时间、电池电压、报文类型等参数。

（4）自动加报：在规定的时间内水位变幅以及降雨强度超过设定值，且设定的发报时间未到时，自动增加报送次数。如预先设定水位连续变化＞±10cm，连续降雨＞5mm时，可自动加报，以实时获取数据特征值。（超限值可根据测站实际设置）。

（5）应答查询：可响应分中心的查询，按接收到的指令报送实时数据和批量数据。

（6）现场固态存储：采集的雨量可现场带时标存储。可提供现场或远程查询、下载。

（7）显示功能：在现场能实时显示雨量、电压等水情数据。

（8）现场或远地编程：可在现场或远地对设备进行各项参数设置或读取的编程操作。

（9）自维护功能：应具有定时工况报告、低电压报警、掉电保护以及自动复位等多项自维护功能。

（10）工作环境：应能在雷电、暴雨、停电的恶劣条件下正常工作，雨量采集设备具有融雪功能。

（11）安全措施：充分考虑设备设施在防风、防盗等方面的安全问题。

2、设备技术要求

中小河流水文监测系统工程的雨量信息采集、存储、传输、接收设备要求如下：

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（1）先进适用、技术成熟。充分利用国内水文测报先进技术成果和成熟的设备，达到实用性和先进性的有机结合，保证水雨情数据的采集、存储和传输质量，满足报汛需求。

（2）操作简便、易于维护。立足国产设备，选择技术上可靠且操作简便、易于维护的技术装备，同时考虑水文事业今后的发展要求，各种设备优选符合国家标准的型材和通用件，利于系统运行的维护管理。

（3）节能环保、服务到位。在基本功能具备的情况下，优先选择具有绿色环保、中国节能认证的设备，遵循节能、节材的原则，设备本身及包装应使用环保、可循环利用的材料；本项目应选择拥有ISO质量管理体系认证和全国工业产品生产许可证的仪器设备。

2.2.3系统主要技术指标

遥测参数：雨量、水位、电压等

数据收集周期：所有报汛站信息在10分钟内准确传到水情分中心，20分钟传至其它防汛部门

工作频段：GSM--900/1800/1900MHz 、VHF--220-240MHz、卫星--接收S 波段；发射L波段

数据传输速率：SMS时9600bit/s(bps)、GPRS时约40kb/s、超短波1200bps、PSTN 9600bps、卫星9600bps

数据畅通率：≥99％

数据传输误码率：GSM≤10-6、卫星通信≤10-7

设备平均无故障工作时间：MTBF≥100000h

雨量分辨力：0.5mm

水位分辨力：1cm

主设备工作环境温度：-15~+60℃，相对湿度90%RH@+50℃

遥测终端配置大容量非易失存储模块（4Mbit），可存储512天的水位、雨量数据，可以通过GPRS遥测信道远程读取

遥测站设备具有低功耗特点，采用太阳能浮充蓄电池供电方式，保证连续30天阴雨天条件下正常工作。

2.2.4系统工作制式

自动监测站采用自报式、查询—应答式相结合的遥测方式和定时自报、事件加报和召测兼容的工作体制，采用有人看管，无人值守的管理模式。各种发报的控制参数和门坎，必须做到由分中心随时远程设定，RTU控制报送方式的执行和数据的传输。

所有自动监测站向省中心自报数据，确保15分钟所有站点数据到达水情分中心。水情分中心接收软件为常上电值守工作体制，实时接收所有站点的最新数据报文，并分解入库。同时水情分中心实时将各分中心的站点数据利用网络同步转发到省水情中心数据库中，便于省水情中心及时了解分中心管辖站点的情况和雨水情信息。

监测站通过结构简单、设备低耗省电、维修方便、可靠性高、实时性高的运行机制，采用终端自报和查询（召测）—应答兼容的混合式工作制式。为保证设备长期稳定运行，设备采用掉电模式运行，通信模块常加电；召测设备时，通过通信模块唤醒设备，召测数据，查询、配置设备。

1、自报式

根据量级和需求由分中心设定自报条件，在监测站设备（RTU）的控制下，达到要求等级或标准时，采用增量自报和定时自报相结合。

2、查询/应答式

由分中心随机召测，报汛站自动响应，当监测站接受分中心的查询（召测），能实时采集水文数据并发送给分中心。

2.2.5数据流程

监测站采用自报或自报-确认体制工作模式采集相关数据，监测站针对每一类传感器设定了独立的数据采集和数据通信工作策略。

通常监测站的数据采集终端、水位传感器等处于掉电工作状态，GSM/GPRS通信终端处于待机状态，每当设定的时间或有触发事件时，监测站的数据采集终端自动触发上电，并打开传感器的电源，监测站等待传感器稳定工作后，采集水位等数据并将数据和时标写入自记内存，如果满足发送数据条件，采集终端通过指令控制GSM/GPRS通信模块，然后发送采集到的数据。无需建立连接，完成发送后，监测站重新返回低功耗值守状态。

根据遥测设定的参数，监测站会定时上电，自动发送雨量水位参数、采集站设备状态等信息，发送完成以后自动返回低功耗值守状态。

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监测站采用自报-确认通信体制。测站发送出数据以后，等待接收方返回确认信息，如果未收到确认信息，测站会自动重发数据，保证数据接收方可靠收到数据。采用自报-确认的机制既能保证了数据发送的及时性，又能保证数据的无错接收，同时测站的耗电会大大降低。

系统自报-确认数据流程如下：

当中心需要采集监测站当前的数据或需要读取监测站历史数据时，由分中心通过系统监控软件向报汛站发送召测短信或拨打报汛站号码，报汛站GSM/GPRS通信模块收到中心的召测信号后，由GSM/GPRS通信模块触发数据采集终端上电，然后接收中心的召测命令，并相应命令，返回召测数据。

系统召测数据流程如下：

2.3系统组网和信息流向设计

2.3.1通信网络设计原则

本系统信息网络设计要求采用以下几个主要的关键技术和原则：

（1）应用现代通信技术，组建以分中心为数据汇集点的星形数字通讯网，形成覆盖辖区信息采集系统（移动公网信号要有足够强度）。

（2）系统采用监测站点定时自报、分中心远程召测、远程巡测和分中心实时向省中心转发数据、分中心自动向省中心发送修正报文的工作体制。

（3）通信网设计确保99％以上监测站传输的系统畅通率。

（4）遥测终端机采用基于休眠和远程唤醒的良好电源管理技术，提高系统的可靠性。

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2.3.2通信方式的选择原则和依据

（1）选择原则

根据《水文自动测报系统规范》，结合国内水情自动测报系统技术发展现状和设备状况，流域地理及环境特点，国内近几年来水情自动测报系统建设运行管理的经验和体会，确定按下述设计原则进行组网设计：

根据流域的地理特点和站点分布，为使监测信息传输可靠，便于管理，应根据系统所在地区的环境、交通和维护等实际情况，采用高可靠性、维护量小的通信方式组网，实现可靠的数据传输信道。

重视采用新技术、新方法，保证系统设计的科学性和先进性。

传输方式的选择原则：

①覆盖、可靠原则。采用的通信方式要能覆盖站点，通信方式具有较好的可靠性，保证信息的实时传递和畅通。

②规范、经济原则。选用的通信方式要符合国家和行业的有关规范、电磁环境要求。通信及维护成本要经济合理，在满足安全的条件下尽可能利用公众通信网。

③先进、安全原则。尽可能采用先进成熟的通信方式，具有一定的安全性，能防止蓄意的网络攻击。

④最大共享原则。信息除实时传递到水情分中心外，按照全国防汛指挥系统的建设要求，有关信息应同时传送到省水情信息中心、省、市、县防办等相关单位。（2）选择依据

水利部颁发的《水文自动测报系统规范》（SL61-94）

水利部颁发的《水文自动测报系统通信电路设计规定》

2.3.3各种通信方式比较

在水利信息化建设中所使用的通讯方式多种多样，常见的通讯方式主要包括：超短波数传电台、微波、GSM/GPRS、卫星通信、PSTN等。各种通讯方式可以分为专网或公网两种基本类型，从发展趋势看，使用公网或依托公网的专网将在水利信息化建设中的通讯网络建设中占据更大的比重。

（1）超短波

超短波通信是水文自动测报系统应用最广泛、最成功的一种通信方式。它的传输质量介于短波和微波通讯之间，既克服了微波通信的局限性，又比短波通信的质

量稳定、可靠。

超短波通信为地面可视性通信，依靠直线方式传输数据信号，传输距离约50km 左右，当传输距离超过有限范围内时，需通过中继站进行接力通信传输，以成为在平原和丘陵区域内组建水情自动测报系统中应用最多、技术上也较成熟的通信方式。超短波通信网具有通信质量较好、信道稳定、设备简单、投资省、建设周期短等优点，但在距离远或多高山阻挡的区域内，需建多级中继站方能实现测站与中心站之间的数据传输，从而导致系统土建费和设备费的增加，同时由于中继站级数的增加将造成系统可靠性下降，同时给设备的安装及维护带来许多不便。

超短波的优点是：信号传输比较稳定，质量较好，又具有一定的绕射能力，设备投资比较小，是我国先前水情自动测报系统中应用比较多的方式。

超短波的缺点：传播距离较近、传输速率低、受地形限制，在山地通信或距离较远时需设置中继转发站。

（2）微波

微波通信是近期迅速成熟的一种通讯手段，其通讯速度提高，设备价格迅速下降，应用范围也迅速扩大。

微波通讯包括两种基本类型，即微波无线局域网（802.11b/802.11g）和数字扩频微波传输。

优点：微波直接序列扩频通信抗干扰能力强，系统误码率低，建设方便，频谱功率低，辐射很小，抗干扰能力强，通讯速率高。

缺点：价格较高，对天线要求高；通常采用点对点传输，比较适合骨干网在带状区域做接力传输。

（3）GSM

GSM短信息是近年来在水文和其它部门迅速崛起的一种具有组网灵活、成本低、维护方便等优势的新型通信传输手段。但由于实时性差，受地域基站影响大，使用受到一定限制。

GSM短信息的优点是：

传播不受距离、地形限制；

投资少，建设快、运行费用低；

抗破坏能力强，可实现“一包多发”。

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GSM短信的缺点是：因受基站覆盖影响，建设地点有限制条件；实时性相对较差。

（4）GPRS

GPRS是通用分组无线业务（General Packet Radio Service）的英文简称，是在现有GSM系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务。

GPRS采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，资源被有效的利用。使用GPRS技术实现数据分组发送和接收，用户永远在线且按流量计费，降低了服务成本。

优点：

?覆盖范围广；

?不受距离与地形限制；

?使用费率低；

?设备功耗低、维护简单，扩展方便

缺点：

局部地区可能不在GPRS网络覆盖范围内，无法使用。

（5）卫星

卫星的优点是：

?信号传输质量好；

?传输距离不受限制，覆盖面积大；

?受地形、气候的影响小；

?组网灵活。

卫星的缺点是：

?系统建设成本高；

?使用成本高；

?水情数据的传输有部分延迟现象；

?数据传输速率有限

不同的卫星系统，其设备投资、通讯速度、使用费用以及性能指标差距比较大，需要根据实际情况进行选择。

（6）PSTN

公共交换电话网（Public Switched Telephone Network或简称PSTN）是目前普及程度最高、成本最低的公用通讯网络。

PSTN组网具有适用范围广，传输速率高，没有无线通信中常遇到的同频干扰问题等优点。在电路的响应速度上，若采用专用的调制解调器，一般一个报汛站的数据通信在3～6秒钟内即可完成。若采用通用的调制解调器，通信链路的建立需要约40秒钟。采用PSTN组网无论是设备造价还是运行经费都明显低于其它无线信道组建的专网。

然而，由于PSTN通信采用电路交换方式，在建立通信连接过程中需花费一定的时间。当所建系统容量较大时，时效慢的问题较为突出，但可通过在数据接收中心站安装多条同号电话线和配置专用MODEM予以解决。PSTN属有线通信信道，由于电话线而构成的引雷，极易造成设备因雷击而毁坏，因此在建设防雷地网的同时需配置相应的避雷设备。

有线组网方式的优点是：

建设投资省、周期短。由于采用公用电话网不需要建设通信线路，同时有线组网的设备比超短波电台设备便宜，建设费用低；有线电话由邮电部门负责维护和保养，有线组网的系统维护费用低；有线电话通信距离远，适用范围广，不需要中继站，没有同频干扰，信号传输质量高。

有线组网方式的缺点：数据采集时间长，抗自然灾害能力差。

2.3.4信道选择

选择全球移动通信系统GSM/SMS为通信网主信道，支持GPRS信道，两种信道可以任意切换并可以同时启用，部分公网覆盖信号不稳定的测站可以采用卫星通信作为备用信道。RTU自动接收信息采集设备的信息，选择SMS信道将遥测信息和状态信息发送到水情分中心，水情分中心通过一台连接GSM Modem的值守计算机接收信息，并写入数据库存储。

2.4系统测控流程设计

2.4.1 数据采集过程设计

通过对本监测系统测控对象的分析，并考虑到广泛适用性，本监测系统可能的