孫超作 ，王 偉 ，王志良

（1. 丹江口市氣象局，湖北 丹江口 442700；2. 漢江水利水電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430040）

0 引言

丹江口水利樞紐位于漢江與其支流丹江匯合口下游 800 m 處，總庫容 319.5 億 m3，防洪庫容110.2～80.5 億 m3。丹江口流域地勢西北高，東南低。水系成葉脈狀，自上而下主要支流有任河、洵河、甲河、堵河、丹江、南河、唐白河等，丹江口以上為上游，干流河長為 952 km，集水面積為95 200 km2，占漢水流域面積的 60%。

丹江口水庫既是漢江中下游防洪的控制性工程，又是南水北調(diào)中線、鄂北調(diào)水等工程的水源地，承擔(dān)著防洪、供水、發(fā)電等重要功能[1-2]，水情測報系統(tǒng)是丹江口水庫調(diào)度工作的重要技術(shù)支撐，為做好丹江口水庫防汛等綜合調(diào)度工作，自 20 世紀(jì)70 年代至今已經(jīng)過 4 代水情測報系統(tǒng)建設(shè)。1982 年丹江口開始引進(jìn)意大利的雨量、水位自動測報系統(tǒng)，并于 1983 年完成建設(shè)，覆蓋了庫周 9 000 km2的范圍；80 年代后期與水利部南京水利水文自動化研究所合作建立了基于超短波的水情自動測報系統(tǒng)；丹江口現(xiàn)有遙測系統(tǒng)于 2013 年投入運行，主要包括 31 個水雨情自動測報站和 1 個中心站，測站站點控制監(jiān)測丹江口庫區(qū)周邊近 1 萬 km2區(qū)域，覆蓋鄂、豫、陜?nèi)〉娜衅呖h區(qū)域主要水雨情信息。同時為滿足國家實施最嚴(yán)格水資源管理制度對取水用戶的計量要求，2010 年起，逐步在丹江口庫區(qū)建設(shè)了庫區(qū)取用水計量監(jiān)測系統(tǒng)，改造前已建成 8 個流量站和 1 個中心站，能夠?qū)崟r掌握各取用水戶在丹江口水庫用水的實時信息。此外為實時掌握丹江口水庫庫區(qū)部分區(qū)域的基本氣象信息，于 2016 年建設(shè)了自動氣象監(jiān)測站，為丹江口水庫運行管理相關(guān)單位提供實時氣象信息，改造前已建成 2 個野外站和 1 個中心站。

水情測報系統(tǒng)是一個集通信、計算機(jī)、水文和遙測等技術(shù)于一體，能實現(xiàn)快速、準(zhǔn)確采集測站信息[3]，是水庫自動化的基礎(chǔ)，隨著通信發(fā)展和資費降低及國產(chǎn)衛(wèi)星技術(shù)的逐步成熟，大量遙測系統(tǒng)逐步采用短信、GPRS 及北斗衛(wèi)星進(jìn)行通信，主流的技術(shù)是短信或 GPRS 作為主信道，衛(wèi)星作為備用信道，實現(xiàn)主備信道自動切換功能，在采集設(shè)備的精度上也進(jìn)一步提高，采集的內(nèi)容和協(xié)議進(jìn)一步多樣化[4-8]。

原丹江口水庫水情測報系統(tǒng)雖然能實現(xiàn)自動采集雨水情、取水及氣象信息，為水庫調(diào)度生產(chǎn)提供了技術(shù)支撐和保障，然而也存在部分站點通訊手段單一，觀測儀器老化、故障率高，中心站不穩(wěn)定等問題，特別是水雨情、水資源及氣象 3 套相對獨立的采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)分散，不利于綜合應(yīng)用，運維難度大，因此有必要在現(xiàn)有系統(tǒng)狀況的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，建立統(tǒng)一的水雨情、氣象、水資源采集平臺，為新水調(diào)系統(tǒng)提供可靠、穩(wěn)定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)改造設(shè)計

1.1 改造目標(biāo)及范圍

根據(jù)丹江口水庫調(diào)度系統(tǒng)的建設(shè)任務(wù)需求，結(jié)合當(dāng)前丹江口水情測報系統(tǒng)存在的問題及未來發(fā)展的需要，確定系統(tǒng)升級改造目標(biāo)。新系統(tǒng)為丹江口水庫調(diào)度系統(tǒng)之?dāng)?shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，總體技術(shù)改造要求遵循水情測報通用技術(shù)要求，建成 2 個中心站（1 主 1 備），31 個水雨情野外站，15 個水資源野外站和 4 個氣象野外站，以中國移動 GPRS 和北斗衛(wèi)星為主要通信方式，實現(xiàn)水位、雨量、流量和氣象信息統(tǒng)一平臺自動采集、監(jiān)控和管理，系統(tǒng)應(yīng)保證運行穩(wěn)定，滿足水庫洪水預(yù)報及日常水文計算工作需要，為水庫防洪、供水、水資源管理等提供實時，準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)保證。

丹江口水庫水情自動測報系統(tǒng)升級改造的主要內(nèi)容包括：建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集中心站，在丹江口建立數(shù)據(jù)采集主站，在武漢建立數(shù)據(jù)采集備站，2 站互為熱備，升級中心站系統(tǒng)、采集軟件及建立專用數(shù)據(jù)采集通信鏈路，將原移動 VPN 專網(wǎng)改為移動互聯(lián)網(wǎng)專用線路，原移動數(shù)據(jù)卡全部更新為移動 4G物聯(lián)網(wǎng)卡，更改所有野外測報站為一站雙發(fā)設(shè)置，部分雨量站新增北斗衛(wèi)星通信通道。丹江口中心站新增北斗指揮機(jī)，提高北斗用戶機(jī)的管理和數(shù)據(jù)暢通率，原丹江口北斗衛(wèi)星主站遷移至武漢中心站。新增 7 個水資源流量站和 2 個氣象站。

1.2 遙測站配置及功能

水情遙測站由遙測終端機(jī)、通訊傳輸模塊、天線、蓄電池、太陽能電池板、水位計及雨量計等組成，如圖1 所示。丹江口水庫水情測報站共有 13 個水位（其中 5 個配置雨量）站和 18 個雨量站。遙測站均支持 GPRS 和北斗衛(wèi)星（水位雨量站均配置，雨量站部分配置）雙信道并行的工作模式，可遠(yuǎn)程設(shè)置運行參數(shù)，也可接收中心站校時指令、自動實現(xiàn)時鐘同步。工作機(jī)制支持自報式、答應(yīng)式、混合式 3 種工作制式，目前設(shè)置為按定時（1 h 平安報）或超閾值（水位變化 2 cm、雨量變化 0.5 mm）動態(tài)向丹江口和武漢中心站同時發(fā)送數(shù)據(jù)，對發(fā)送的報文要求到達(dá)回執(zhí)。發(fā)送數(shù)據(jù)采用 GPRS 傳輸為主，北斗衛(wèi)星為輔。

圖1 水雨情遙測站采集示意圖

氣象站由氣象傳感器（風(fēng)速、風(fēng)向、空氣溫度、空氣濕度、氣壓、雨量等 6 個傳感器）、氣象數(shù)據(jù)采集儀、通訊傳輸模塊、避雷器、蓄電池、太陽能電池板和電源控制器等組成，如圖2 所示。能夠?qū)︼L(fēng)速、風(fēng)向、空氣濕度、空氣溫度、雨量大氣壓力等 6 個氣象要素進(jìn)行全天候現(xiàn)場監(jiān)測?？蛇h(yuǎn)程設(shè)置氣象數(shù)據(jù)自動保存間隔時間、運行參數(shù)，也可接收中心站校時指令，自動實現(xiàn)時鐘同步。發(fā)送數(shù)據(jù)采用 GPRS 傳輸。

圖2 氣象遙測站采集示意圖

水資源流量站由超聲波傳感器、計量終端設(shè)備、通訊傳輸模塊、蓄電池、太陽能電池板和電源控制器等組成，如圖3 所示。計量終端設(shè)備選用超聲波流量計，通訊傳輸模塊選用 4G 通訊模塊，發(fā)送數(shù)據(jù)采用 GPRS 傳輸，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)Modbus-RTU 協(xié)議?？稍诰€監(jiān)測管道取水瞬時流量、累計流量、正累計、負(fù)累計、凈累計，以及設(shè)備通訊和傳感器實時狀況?？蛇h(yuǎn)程設(shè)置運行參數(shù)，也可接收中心站校時指令，自動實現(xiàn)時鐘同步。

圖3 水資源遙測站采集示意圖

1.3 中心站軟件功能設(shè)計

中心站由通信服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備、北斗指揮機(jī)（北斗衛(wèi)星主站）、移動數(shù)據(jù)專用鏈路、采集軟件等組成，如圖4 所示，遙測數(shù)據(jù)采集平臺是集成了多種通信信道和多種 RTU 協(xié)議的通用水情遙測數(shù)據(jù)采集、查詢分析與數(shù)據(jù)處理的平臺，RTU 采集平臺具有 Access 后臺數(shù)據(jù)庫，可獨立運行，RTU 采集平臺采用單進(jìn)程多線程結(jié)構(gòu)（多個線程間可以實現(xiàn)故障隔離）?？刂撇煌拇卸丝冢ㄍㄟ^計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)），支持多種通信方式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)接收，軟件主要功能及特點如下：1）可裝配的模塊結(jié)構(gòu)；2）運行參數(shù)在線配置；3）支持主備信道切換；4）支持?jǐn)?shù)據(jù)召測和遠(yuǎn)程參數(shù)修改。

圖4 系統(tǒng)中心站數(shù)據(jù)采集圖

遙測站還有一部分功能為遙測信息監(jiān)視功能，包括氣象、水雨情、水資源及遙測站暢通率信息統(tǒng)計，如圖5，6 所示，超過 2 h 未來報會顏色提示報警，在相應(yīng)對象上查詢可彈出運行過程線。

圖5 系統(tǒng)中心站遙測信息監(jiān)視圖

圖6 系統(tǒng)中心站遙測信息單站查詢圖

2 應(yīng)用效果

2.1 典型故障分析及處理

自 2018 年 6 月基本完成遙測系統(tǒng)各項改造并投入試運行，統(tǒng)計時間截止至 2019 年 5 月，遙測系統(tǒng)經(jīng)歷 1 個完整的自然年及汛期，期間出現(xiàn)多起故障，完成的各項試運行故障現(xiàn)象、原因分析及處理解決方式如下：

1）采集服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)故障。2018 年 8 月發(fā)現(xiàn)遙測采集服務(wù)器重啟后采集軟件能正常接收到水情采集平臺數(shù)據(jù)，但通過歷史數(shù)據(jù)查詢不能查到水雨情、氣象及水資源遙測數(shù)據(jù)入庫，遙測采集服務(wù)器運行正常，初步判斷遙測站工作正常，但采集后數(shù)據(jù)入庫故障。由于遙測系統(tǒng)通過 GRPS 作為主信道接入，采集服務(wù)器處于 DMZ 區(qū)，通過采集服務(wù)器 Telnet 數(shù)據(jù)庫服務(wù)器端口不通，由此判斷采集服務(wù)器為網(wǎng)絡(luò)故障，線路和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備排查確認(rèn)正常后查看本機(jī)路由表發(fā)現(xiàn)到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的路由信息丟失，分析原因為調(diào)試期間添加的路由為臨時路由，服務(wù)器重啟后會丟失，添加永久路由后功能正常。

2）軟件兼容性故障。2018 年 10 月發(fā)現(xiàn)新接入的水資源站無法讀取和解析流量數(shù)據(jù)，經(jīng)查看后臺發(fā)現(xiàn)采集平臺軟件有異常拋出。因為遙測采集平臺采用多信道多協(xié)議的方式進(jìn)行接入，水雨情、氣象及水資源分別采用不同廠家的設(shè)備，各廠家的協(xié)議均不一樣，同一廠家不同批次的產(chǎn)品之間也略有差異，通過跟蹤報文解析過程，很快排查出是采集軟件的兼容性問題，通過修改采集軟件后信息采集恢復(fù)正常。

3）遙測站極低溫度下失穩(wěn)故障。2019 年 1 月，通過中心站發(fā)現(xiàn)潘口電站附近遙測站陸續(xù)出現(xiàn)遙測站信息中斷，最后出現(xiàn)大面積測站失效，經(jīng)過通信信道排查，排除欠費及信道阻塞等其它故障，工程師奔赴現(xiàn)地挑選了幾個典型遙測站進(jìn)行原因分析及排查，最終發(fā)現(xiàn)原因為當(dāng)?shù)囟虝簶O低氣溫造成遙測站進(jìn)入自我保護(hù)狀態(tài)，經(jīng)過恢復(fù)啟動及添加保暖措施后，遙測系統(tǒng)恢復(fù)正常。

2.2 遙測站暢通率統(tǒng)計

暢通率以 d 為基本單位進(jìn)行計算，然后按月統(tǒng)計暢通率，由于水情、氣象遙測站及水資源站來數(shù)規(guī)律和特點差異比較大，所以日暢通率的統(tǒng)計計算方法各不相同，水情遙測站水位數(shù)據(jù)按照每小時在允許時間誤差范圍的實際是否有數(shù)據(jù)到達(dá)進(jìn)行統(tǒng)計，暢通的時段數(shù)除 24 h 則為測報站日暢通率，雨量站則以 d 為單位進(jìn)行統(tǒng)計，每天至少 1 條自報數(shù)據(jù)為暢通；氣象站數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法與雨量站相同；水資源站由于來數(shù)頻率較高，按照每小時至少 1 條記錄為暢通，每小時至少 1 條記錄為本小時暢通，各小時的暢通數(shù)除 24 h 為本站日暢通率，各類測報站由日統(tǒng)計為月進(jìn)行分類統(tǒng)計分析，試運行期間各類暢通率統(tǒng)計情況如表1 所示。

表1 丹江口試運行期間暢通率統(tǒng)計%

整個遙測系統(tǒng)總體平均暢通率為 96.8%，典型故障期間暢通率有所下降，且在運行期內(nèi)暢通率整體呈上升趨勢，滿足水情測報系統(tǒng)相應(yīng)規(guī)范及丹江口水庫調(diào)度生產(chǎn)運行要求[9]。

3 結(jié)語

針對丹江口水情測報系統(tǒng)的特點及業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，進(jìn)行了水情測報系統(tǒng)改造設(shè)計及應(yīng)用，本次改造充分利用了原水情測報系統(tǒng)所有野外站設(shè)備，最大化利用了原有中心站設(shè)備，整合了原水雨情、氣象和水資源系統(tǒng) 3 個中心站，開發(fā)了 1 套多信道多協(xié)議通用數(shù)據(jù)采集平臺，豐富了數(shù)據(jù)處理和查詢功能，進(jìn)入試運行以來，遙測系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可擴(kuò)充性強(qiáng)、系統(tǒng)監(jiān)視及運維便利，為丹江口水庫調(diào)度工作提供了強(qiáng)有力的支撐，多信道多協(xié)議的系統(tǒng)架構(gòu)大幅度提高了系統(tǒng)的集成性、穩(wěn)定性和安全性，對類似工程的建設(shè)有較強(qiáng)的借鑒意義。

不足之處為主備中心站由于兩地受當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)限制還不能實現(xiàn)完全熱備，武漢采集平臺沒有北斗指揮機(jī)，無法接入全部北斗遙測站，站網(wǎng)布設(shè)離規(guī)范要求有一定差距，需進(jìn)一步的優(yōu)化，同時充分利用硬件設(shè)備的使用狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)情況及數(shù)據(jù)質(zhì)量情況，實現(xiàn)智能預(yù)警，提高系統(tǒng)運維的及時性。