由于全球環(huán)境破壞和溫室效應(yīng)越來越嚴(yán)重，全球很多地方都不同程度地出現(xiàn)了越來越嚴(yán)重的汛情，特別是近年，在我國(guó)，很多城市和地區(qū)都不同層度地遭受了極大的水災(zāi)，一些地方，一場(chǎng)大的降雨就可能造成很大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。
防洪防汛工作好壞已經(jīng)越來越關(guān)系到國(guó)家財(cái)產(chǎn)和人民生命安 全以否的重要保證，并日益受到管理部門的重視。但由于我國(guó)長(zhǎng)期遺留下來的問題，在我國(guó)水情防汛防洪監(jiān)測(cè)和測(cè)報(bào)重視程度不夠，自動(dòng)化程度還非常低，信息采集、集成和分享也難以實(shí)現(xiàn)，這種現(xiàn)狀必然會(huì)造就我們?cè)诜篮榉姥�、泄洪排水方面的管理科學(xué)化、信息化層度不高，已經(jīng)在根本不能適用越來越嚴(yán)峻的防汛防洪要求。
現(xiàn)狀及需求分析
通過對(duì)國(guó)內(nèi)眾多城市排水設(shè)施及防汛應(yīng)急和災(zāi)情檢測(cè)處理了解，以及水文部門、水庫水文檢測(cè)的調(diào)研，我們重點(diǎn)從城市排水、防汛檢測(cè)、水文信息檢測(cè)、管理、所采用的相關(guān)檢測(cè)系統(tǒng)及所要達(dá)到的管理目標(biāo)等方面入手分析，其現(xiàn)狀如下：
總體而言，國(guó)內(nèi)各城市防汛檢測(cè)及排水管理自動(dòng)化、信息化程度整體水平較低，手段較為落后，災(zāi)情數(shù)據(jù)的采集絕大部分依靠人員觀察；對(duì)城市防汛進(jìn)行測(cè)報(bào)和監(jiān)控已經(jīng)成為眾多城市、重要河流及城市灌區(qū)水文情況監(jiān)控的迫切要求，是城市防汛安 全調(diào)度、防洪泄流檢測(cè)的重要保證手段；整個(gè)基于城市防汛的檢測(cè)還未有較成熟的技術(shù)方案和實(shí)施案例，所檢測(cè)的數(shù)據(jù)單一，傳輸方式單一，未能形成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)；水文檢測(cè)測(cè)報(bào)系統(tǒng)和視頻監(jiān)控各自運(yùn)行，信息難于共享，增加系統(tǒng)成本和降低其可靠性。
根據(jù)目前城市及重要地點(diǎn)對(duì)防汛預(yù)報(bào)及處理的現(xiàn)狀及需求，對(duì)城市重要地段（點(diǎn)）實(shí)現(xiàn)防汛無人執(zhí)守及自動(dòng)化測(cè)報(bào)已成為當(dāng)前越來越迫切的需求，其系統(tǒng)需具備以下功能：
·可靠地實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)點(diǎn)水位高度自動(dòng)檢測(cè)；
·實(shí)時(shí)上傳所檢測(cè)到的關(guān)鍵部位水位數(shù)據(jù)及其變化數(shù)據(jù)到監(jiān)控中心；
·根據(jù)需要在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施顯示出水位檢測(cè)點(diǎn)處的水位高度值，為現(xiàn)場(chǎng)防汛排水，災(zāi)情實(shí)報(bào)提供依據(jù)；
·通過無線或有線方式將信息傳到控制中心；
·時(shí)刻注意檢測(cè)位置的災(zāi)情水位變化情況，如果水位到了警戒線，有了險(xiǎn)情，馬上報(bào)警，特別是汛期的水位變化情況；
·提供歷史數(shù)據(jù)分析水位變化情況和趨勢(shì)，特別是統(tǒng)計(jì)分析汛期的城市水位變化情況；
·滿足于野外地區(qū)的水位/測(cè)報(bào)需求；
·由于涉及野外遠(yuǎn)地水位的檢測(cè)和測(cè)報(bào)，需要所采用的檢測(cè)裝置可靠性高、適用性強(qiáng)、使用簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、維護(hù)量少或免維護(hù)。
解決方案
基于上述現(xiàn)狀和存在的實(shí)際問題，本文提出如下設(shè)計(jì)方案。
設(shè)計(jì)思想及目標(biāo)
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案以實(shí)用性，準(zhǔn)確性和可靠性為中心，采用本公司具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水位檢測(cè)電子尺，結(jié)合gprs無線數(shù)據(jù)傳輸模塊（也可以根據(jù)具體情況通過有線傳輸方式），構(gòu)成一套完整的城市防汛水位檢測(cè)及自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)，通過對(duì)重要地段點(diǎn)的水位檢測(cè)，可以掌握各重要點(diǎn)處水位情況和水位變化情況，從而正確指導(dǎo)防汛排水，為該城市重要地段點(diǎn)防汛及排水調(diào)度、水情安 全調(diào)度、防汛抗洪、高效運(yùn)行提供有力保障。
本系統(tǒng)主要由四部分組成：水文水位檢測(cè)電子尺、測(cè)控通信單元（包括gprs的數(shù)據(jù)無線傳送模塊）、現(xiàn)場(chǎng)汛情顯示單元（可選）和監(jiān)控中心汛情管理及信息發(fā)布系統(tǒng)。其中，以水文水位檢測(cè)電子尺和測(cè)控通信單元為防汛水情水位高度檢測(cè)的關(guān)鍵設(shè)備。
在符合現(xiàn)有城市防汛重點(diǎn)地段水位檢測(cè)的發(fā)展方向和用戶客觀需求的基礎(chǔ)上，充分利用現(xiàn)有的一些應(yīng)用模式，結(jié)合客戶的具體要求和自身的技術(shù)產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)如下目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)段點(diǎn)處水位變化的自動(dòng)實(shí)時(shí)檢測(cè)和上報(bào)，可靠運(yùn)行和最大限度的免維護(hù)，適應(yīng)野外環(huán)境要求；實(shí)現(xiàn)檢測(cè)段點(diǎn)水位檢測(cè)的數(shù)據(jù)無線傳輸（同時(shí)也支持有線傳輸方式）和現(xiàn)場(chǎng)汛情水位信息發(fā)布，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)城市重點(diǎn)地段點(diǎn)的水位變化情況及時(shí)掌握時(shí)監(jiān)控；提供多汛情情況檢測(cè)和變化情況分析，為防汛和泄洪提供決策；對(duì)關(guān)鍵地段點(diǎn)的信息，可以通過該網(wǎng)絡(luò)和
手機(jī)方式向公眾發(fā)布城市汛情信息，從而合理計(jì)劃和實(shí)施泄洪排水、人員疏散、交通疏散等。
設(shè)計(jì)原則和實(shí)現(xiàn)方法
準(zhǔn)確性原則
及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)水位狀況是本系統(tǒng)的重要目標(biāo)，而水位檢測(cè)準(zhǔn)確性的保證主要就體現(xiàn)在水位檢測(cè)電子尺上。本系統(tǒng)所用水位檢測(cè)電子尺依據(jù)介質(zhì)介電參數(shù)檢測(cè)原理，通過特定的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，一方面對(duì)不同的介質(zhì)（特別是水）檢測(cè)具有高精度和高準(zhǔn)確性，對(duì)水檢測(cè)有很高的靈敏度和準(zhǔn)確性，另一方面通過信息轉(zhuǎn)換處理，可保證在傳輸過程中的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和抗干擾能力。
可靠性原則
可靠性是系統(tǒng)得以持久應(yīng)用的前提，在本系統(tǒng)中可靠性主要體現(xiàn)在電子尺在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的可靠性，檢測(cè)控制系統(tǒng)的可靠性和數(shù)據(jù)傳輸及通信的可靠性等方面。
ycd系列電子尺的可靠性主要通過其可靠結(jié)構(gòu)來保證，即感應(yīng)探頭在長(zhǎng)時(shí)間的工作不會(huì)因腐蝕，結(jié)垢，堵塞等原因而出現(xiàn)不工作和誤報(bào)，在本方案中，感應(yīng)頭材料采用不銹鋼，這就保證了感應(yīng)頭不會(huì)因?yàn)榕c其他金屬接觸而產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致腐蝕。整個(gè)
傳感器電路采用高質(zhì)量灌封膠被完全封住，外殼采用鋁材通過陽極化處理。同時(shí)，由于采用的基于介電常數(shù)的測(cè)量原理，使得測(cè)量對(duì)探頭結(jié)垢的影響很小。
對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)部分，一方面，選擇電路系統(tǒng)時(shí)，注意系統(tǒng)的抗干擾性；在元器件選用上，按高級(jí)要求選用；另一方面，由于電子尺采用全球最低功耗的控制器作為主控制器，并根據(jù)應(yīng)用情況采用“睡眠－喚醒－工作－睡眠”的方式保證整個(gè)系統(tǒng)的功耗最低，從而延長(zhǎng)電源使用時(shí)間，特別適合供電困難的場(chǎng)合，也可采用蓄電池為主電源，充電電池作為預(yù)備電源系統(tǒng)，當(dāng)主電源系統(tǒng)電源不能正常供電時(shí)，預(yù)備電源可啟動(dòng)并為系統(tǒng)提供供電并通過gprs提供報(bào)警。
對(duì)信號(hào)傳輸?shù)目煽啃裕舅浑娮映呦到y(tǒng)采用總線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸路線上采用傳輸線路的屏蔽，從而保證整個(gè)傳輸通道的可靠性。
實(shí)用性原則
實(shí)用性要求所提供的系統(tǒng)能滿足用戶的實(shí)際需要，由于本方案采用模塊化設(shè)計(jì)，水位檢測(cè)，數(shù)據(jù)傳輸及中控管理模塊自成體系，經(jīng)過一定的集成就可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，用戶可以根據(jù)自身要求自由組合，從而提供較強(qiáng)的系統(tǒng)適用性。
方案組成
本方案依據(jù)上述設(shè)計(jì)目標(biāo)，其整體系統(tǒng)包括：水位檢測(cè)電子尺、測(cè)控通信單元（包括gprs的數(shù)據(jù)無線傳送模塊）、現(xiàn)場(chǎng)水位顯示led單元（視現(xiàn)場(chǎng)需要可選），監(jiān)控中心汛情管理及信息發(fā)布系統(tǒng)四個(gè)部分，其結(jié)構(gòu)如圖1�！ �
在本系統(tǒng)中，水位電子尺所檢測(cè)到的水位數(shù)據(jù)一方面進(jìn)入測(cè)控通信單元，由現(xiàn)場(chǎng)水位顯示led顯示（視其情況需要），另一方面通過gprs數(shù)據(jù)發(fā)送模塊實(shí)時(shí)地發(fā)送到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心接收通過無線信道上報(bào)的數(shù)據(jù)并由專門的軟件處理，形成實(shí)時(shí)的汛情水位信息，水情水位變化信息，汛情排洪及泄洪過程檢測(cè)信息，水位變化歷史信息及未來變化趨勢(shì)等重要信息，從而達(dá)到對(duì)整個(gè)城市重點(diǎn)地段及其他場(chǎng)所的汛情完全監(jiān)控和實(shí)時(shí)測(cè)報(bào)。保證城市重點(diǎn)部位和其他重要場(chǎng)所防汛工作的安 全調(diào)度、防汛抗洪科學(xué)有效進(jìn)行。
在本方案中，通過以下關(guān)鍵產(chǎn)品和技術(shù)來保證上述功能的實(shí)現(xiàn)：
1、水位檢測(cè)傳感器（電子尺）。水位檢測(cè)電子尺作為本系統(tǒng)主要的檢用傳感器提供了對(duì)水位高度的檢測(cè)和檢測(cè)數(shù)據(jù)上傳測(cè)控通信單元，同時(shí)也接收測(cè)控通信單元下發(fā)的監(jiān)控命令實(shí)現(xiàn)多電子尺的工作狀態(tài)檢測(cè)、參數(shù)設(shè)定、系統(tǒng)維護(hù)和故障診斷功能。根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以計(jì)算出水位高度值。
2、測(cè)控通信單元。測(cè)控通信單元用于對(duì)電子尺的工作進(jìn)行管理和控制。一方面，通過統(tǒng)一管理并接收下位多個(gè)電子尺單元計(jì)算出實(shí)際的水位高度值；并通過gprs模塊上發(fā)數(shù)據(jù)到監(jiān)控中心；另一方面，可以在現(xiàn)場(chǎng)或通過監(jiān)控中心下發(fā)控制命令給下位電子尺單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子尺工作狀態(tài)的檢測(cè)，參數(shù)設(shè)定、遠(yuǎn)程系統(tǒng)自動(dòng)標(biāo)定、系統(tǒng)維護(hù)和故障診斷功能。
3、現(xiàn)場(chǎng)水位顯示led單元。對(duì)于一些特定的重點(diǎn)部位，如城市下穿隧道，低洼地段等地，當(dāng)有重大汛情發(fā)生時(shí)，可以通過安 裝在現(xiàn)場(chǎng)的led顯示單元實(shí)時(shí)顯示出當(dāng)前的水位高度數(shù)值，從而為現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)人員，司機(jī)、排水人員、管理部門直接提供現(xiàn)場(chǎng)正確的判斷依據(jù)。本系統(tǒng)采用高亮度led顯示屏直接顯示其水位高度和一些管理指令，如一個(gè)下穿隧道的水位高于一定設(shè)定高度時(shí)，可在入口處通過該顯示屏顯示限制司機(jī)通過下穿隧道的命令。
4、通信方式。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，本系統(tǒng)方案在電子尺與測(cè)控通信單元之間采用總線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，測(cè)控通信單元與傳感器信號(hào)傳輸通道采用隔離方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離。在測(cè)控通信單元與監(jiān)控中心之間，本系統(tǒng)提供有線和無線傳輸方式，由于城市防汛重點(diǎn)部位范圍大，一般情況下，采用gprs方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，本系統(tǒng)所采用的無線傳輸設(shè)備適用于布線困難（若野外勘探、水文監(jiān)測(cè)、基站監(jiān)控、森林防火、車載/船載移動(dòng)監(jiān)控）等應(yīng)用場(chǎng)所。
5、電源及安 全保證。在電子尺端，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況采用電纜供電、蓄電池供電或太陽能電池供電方式；在測(cè)控通信單元，可采用兩組供電方式，一組由220v交流供電，另一組由24v直流供電，兩種供電互為備份，同時(shí)，蓄電池作為備用電池在緊急缺電情況下可為系統(tǒng)提供一定時(shí)間的電源。系統(tǒng)對(duì)傳感器所供電源與系統(tǒng)電源通過安 全柵實(shí)行電源隔離，以保證其系統(tǒng)可靠性。對(duì)于野外場(chǎng)所，本系統(tǒng)也提供太陽供電。
6、系統(tǒng)軟件。軟件設(shè)計(jì)上采用容錯(cuò)方式，對(duì)可能出現(xiàn)的系統(tǒng)錯(cuò)誤設(shè)有對(duì)應(yīng)的處理程序。在傳感器端檢測(cè)軟件部分采用看門狗保證系統(tǒng)在跑飛情況下自動(dòng)復(fù)位，從軟件和硬件上保證系統(tǒng)對(duì)一些異常事件具有自診斷和處理的功能。
系統(tǒng)配置及功能
按系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，其整個(gè)系統(tǒng)組成包括：水位檢測(cè)電子尺及測(cè)控通信單元（包括gprs的數(shù)據(jù)無線傳送模塊）、現(xiàn)場(chǎng)水位顯示led單元，監(jiān)控中心汛情管理及信息發(fā)布系統(tǒng)四個(gè)部分。
水位檢測(cè)ycd型電子尺
對(duì)水文水位測(cè)報(bào)系統(tǒng)而言，對(duì)各檢測(cè)點(diǎn)水位的準(zhǔn)確地、實(shí)時(shí)地檢測(cè)是水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)的核心，只有及時(shí)獲得正確的水文水位數(shù)據(jù)，才可以及時(shí)了解水庫的水文情況，從而合理做出科學(xué)決策。在本設(shè)計(jì)方案中，我們采用“ycd-102/105型水位檢測(cè)電子尺”作為水位檢測(cè)的主要設(shè)備。該“水位檢測(cè)電子尺”可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)、發(fā)送及遠(yuǎn)程通信（見圖2）。
測(cè)控通信單元
與水位檢測(cè)電子尺（ycd系列電子尺）配合使用，用于處理水位電子尺檢測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)施對(duì)系統(tǒng)的命令控制、水位監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)通信功能�？梢愿鶕�(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，選用不同的測(cè)控通信單元（見圖3、圖4）。
監(jiān)控中心管理軟件
·監(jiān)控中心管理軟件系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)如下功能：接收檢測(cè)數(shù)據(jù)并顯示/保存和信息發(fā)布；提供當(dāng)前汛情水位情況和水位變化情況；提供對(duì)測(cè)控通信單元及電子尺單元的控制和遠(yuǎn)程診斷；
·提供對(duì)數(shù)據(jù)分析，統(tǒng)計(jì)和報(bào)表功能，對(duì)防汛排水業(yè)務(wù)管理功能；提供對(duì)汛情預(yù)測(cè)分析、決策支持功能；軟件系統(tǒng)采用組件技術(shù)、容錯(cuò)處理技術(shù)，支持c/s和b/c構(gòu)架。其控制界面、菜單全為中文，用戶可以非常迅速地熟悉操作軟件的使用。
系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)
·功能集成，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源：常規(guī)的解決方案，上述的功能利用多個(gè)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，造價(jià)高且以后的擴(kuò)充和升級(jí)不方便。本方案利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的先進(jìn)性，將多個(gè)功能集成起來，不僅充分利用了網(wǎng)絡(luò)高速準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也容易將各種服務(wù)需求集成于intranet，體現(xiàn)了先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性；
·水位檢測(cè)方式適用，技術(shù)先進(jìn)：水位檢測(cè)電子尺直接實(shí)時(shí)檢測(cè)水位的高度值，所采用技術(shù)先進(jìn)，保證了檢測(cè)單元高的準(zhǔn)確性、可靠性和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的適應(yīng)性。系統(tǒng)安 裝方便，易維護(hù)，使用簡(jiǎn)單。特別是本系統(tǒng)所采用的水位檢測(cè)電子尺，檢測(cè)數(shù)據(jù)不受泥沙及水的流速的影響；
·水位數(shù)據(jù)和視頻同平臺(tái)無線傳輸：水庫水位檢測(cè)和視頻監(jiān)控對(duì)水庫的安 全調(diào)度和管理都扮演了重要的角色，針對(duì)這種需求，本解決方案提供了無線傳輸兩種檢測(cè)和監(jiān)控信息的無線通信平臺(tái)；
·系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活：提供無線數(shù)據(jù)傳輸方式，同時(shí)也保留了有線通信接口，可以組成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的監(jiān)控系統(tǒng)，又可以組成一個(gè)中心對(duì)各站點(diǎn)的系統(tǒng)；滿足多個(gè)用戶的需要，可以組成多級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)；
·可擴(kuò)容性強(qiáng)：采用模塊化設(shè)計(jì)，能夠平滑實(shí)現(xiàn)端局?jǐn)U容、中心擴(kuò)容和分控臺(tái)擴(kuò)容。無論單級(jí)擴(kuò)容或多級(jí)擴(kuò)容都可以充分利用前期資源，降低擴(kuò)容投入成本；
·易操作性：控制界面、菜單全為中文，用戶可以非常迅速地熟悉操作軟件的使用；
·自主開發(fā)：系統(tǒng)的核心硬件設(shè)備和軟件均采用具有擁有自主開發(fā)能力的本公司提供的產(chǎn)品，能夠及時(shí)提供良好的售后服務(wù)，響應(yīng)用戶的特殊需求，針對(duì)用戶的要求進(jìn)行功能方面的量身定做。
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