地下水供水水源井远程监控技术应用研究综述

2015-07-28秦继伟

水电站机电技术 2015年6期

关键词：电台水源远程

郭　江，秦继伟

（天津水利电力机电研究所，天津 301900）

地下水供水水源井远程监控技术应用研究综述

郭江，秦继伟

（天津水利电力机电研究所，天津 301900）

摘要：采用自动化控制、通信及计算机网络等高新科技手段，对地下水供水水源井进行数据采集、传输，实现水资源综合调度管理。远程监控系统由主控层、网络层及现地控制层组成，应用基于高速长距离光纤网络、SCADA数字电台网络、光纤网络和GPRS无线网络及现地智能终端等设备，具有信息传输量大、抗电磁干扰、传输频带宽、抗辐射性强等特点，具备控制、调节、监视与事故报警、数据通信、数据采集处理及图像监视等功能。

关键词：水源井远程监控高速长距离光纤网络；SCADA数字电台网络；GPRS无线网络

1　引言

水资源短缺和水污染问题以及因超采水资源引发的生态环境问题日益显著，如何合理有效配置水资源、强化水资源安全管理及抓好节水工作成为当今社会发展的一个刻不容缓的重大命题。水源井是重要的供水基础设施，水源井地下水监测信息、地下水综合调配及合理利用对于工农业生产、城市供水及生态环境保护等都具有重要作用。通过水利信息化建设，加强水资源实时监控能力，实现水源井地下水水量、水位、水质及井泵参数、周围物理环境的远程监测，为地下水规划管理、水资源优化配置调度、工情管理工作奠定基础。

水源井远程监控技术集现代通信技术、数据信号采集技术及计算机网络技术，通过Internet/Intranet网络，对远端进行监视、监测和控制[1]。将视频光端机、SCADA电台、可编程智能终端等设备无缝集成，对水源井泵组、微机保护装置、高低压配电系统、直流系统以及泵站等重要部位与关键对象实现有效监控，对地下水水量、水位、水质等必要的数据、图像、指令进行上传、接收与处理，对视频光端机、SCADA电台、可编程智能终端设备的运行参数进行远程修改，以实现整个监控系统运行方式的改变，达到远程维护和现场无人值班（或少人值守）的目的。

2　发展现状及趋势

2.1发展现状

1997年1月，首届基于Internet的远程监控诊断工作会议由斯坦福大学和麻省理工学院联合主办，有来自30个公司和研究机构的50多位代表到会。会议主要讨论了有关远程监控系统开放式体系、诊断信息规程、传输协议及对用户的合法限制等，并对未来技术发展作了展望。由斯坦福大学和麻省理工学院合作开发基于Internet的下一代远程监控诊断示范系统，得到了制造业、计算机业和仪器仪表业的Sun、HP、Boeing、Intel、Ford等12家大公司的热情支持和通力配合。之后，由这些公司共同推出了一个实验性的系统Testbed。Testbed用嵌入式Web组网、用实时JAVA和Bayesian Net初步形成在Internet范围内的信息监控和诊断推理。另外，还有许多国际组织，如MIMOSA、SMFPT、COMADEM等，也纷纷通过网络进行监控与故障诊断咨询和技术推广工作，并制定了一些信息交换格式和标准。许多大公司也在产品中加入了Internet功能，如Bently的计算机在线设备运行监测系统DataManager2000，它可以通过网络动态数据交换（NetDDE）的方式向远程终端发送设备运行状态信息。著名的National Instru-ments公司也在产品Lab Windows／CVI以及 Lab VIEW中加入了网络通讯处理模块，因而可以通过WWW、FTP、Email方式在网络范围内进行监控数据的传送。法国“ALARM”研究组对生产过程的智能报警和监控系统进行了长期研究，并在多个项目中进行了应用。

随着嵌入式系统的广泛应用，在我国远程监控技术领域，将嵌入式设备接入Internet已经成为一种必然，而通过Web方式对嵌入式设备进行远程监控，则是最自然和最切实可行的选择，基于嵌入式Web技术的监控系统是工业现场实现网络控制的最新发展趋势，嵌入式Web技术改变了以往监控系统体系结构，满足了现代监控系统的可扩展性、分布式等要求[4]。近年来，国内越来越多的设备制造商在其产品中加入了远程监控功能，以提高其产品的竞争力，并且可以使设备使用者更好地了解设备运行状况，统一监督管理，从而提高生产效率。

2.2发展趋势

目前运行的多数分布式测控系统通常以局域网为基础,测控仅局限于同一地点，所以具有一定的地域局限性，尤其是当被监控部分所处环境恶劣、现场噪音干扰大、工作人员不宜停留的工作场所，运行维护工作就显得尤为困难。因此，无论是在水源井的管理还是其他工业生产中，远程监控技术的重要性正在逐渐被人们所认识和重视。

在水源井的管理中，远程监控技术可以实现水源井现场运行数据的实时采集和快速获得，为远程故障诊断技术提供物质基础。通过远程监控技术，运管和技术人员无须亲临现场就可以监控设备的运行状态及各种参数，维护现场设备的正常运行，从而减少值守工作人员，最终实现远端的无人值班（或少人值守）[5]。

远程监控技术除了在地下水水源管理中广泛应用外，跨地域发展的企业集团，利用网络技术实现远程监控，对降低生产成本，提高劳动生产率，增强企业的综合竞争实力等都具有十分重要的意义。

3　基于高速长距离光纤网络的水源井远程监控技术

光纤通信是现代通信技术中最为重要的技术之一，信息高速公路就是由光导纤维铺设而成的。其突出优势是：①通信容量大、传输距离远；②信号串扰小、保密性能好；③抗电磁干扰、传输质量佳；④光纤尺寸小、重量轻,便于敷设和运输；⑤无化学腐蚀，使用寿命长；⑥无辐射，难于窃听。

3.1光纤通信原理

光纤通信是利用光波在光导纤维中传输信息。光纤通信中的光波主要是激光，激光具有高方向性、高相干性、高单色性等优点，所以又叫激光-光纤通信。光纤通信是在发送端把要传送的信息(如数据、话音)变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度（频率）变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端检测器收到光信号后再把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。

数字光纤通信系统由光发射机、光纤与光接收机组成。发送端的电发射机把信息进行模/数转换，用转换后的数字信号去调制光发射机中的光源器件（LED），LED就会发出携带信息的光波。光波经光纤传输后到达接收端。在接收端的光接收机把数字信号从光波中检测出来送给电接收机，而电接收机再进行数/模转换，恢复成原来的信息。其通信过程如图1所示：

3.2应用研究

图1　通信过程

（1）通信差错控制技术

为降低误码率，引入前向纠错（FEC）编码技术。

（2）通信可靠性控制技术

引入校验数据包机制，通过在系统设备可编程智能终端同监控中心服务器之间定时发送校验数据包，使校验数据包往返于监控中心服务器和可编程终端之间，来检测系统设备间的通信是否保持畅通。

（3）波分复用技术（WDM）

所谓波分复用，就是用一根光纤同时传输几种不同波长的光波以达到扩大通信容量的目的。在系统的发送端，由各个分系统分别发出不同波长的光波如λ1、λ2、λ3、λ4，并由合波器合成一束光波进入光纤进行传输来扩大通信容量。

（4）相干光通信技术

①可以增大光纤的传输容量，②提高光接收机的灵敏度（可提高10～20 dB）。相干光通信技术的关键是光源器件、光波的匹配，此外，本振光和从光纤传输来的光载波必须具有良好的匹配，这就要求光纤应该是偏振保持光纤。

（5）智能终端同光端机通信设计

智能终端和监控中心服务器之间的通信完全由光端机来实现。通过智能终端网络控制芯片同光端机间的通信设计，来完成监控中心的各种功能。

3.3应用实例

2011年7月，二连浩特市第二水源地供水工程成功应用了基于高速长距离光纤网络的水源井远程监控系统，对水源地水源井及泵站等重要部位与关键对象、参数，实现了有效监控和监测，并做到必要的数据、视频图像、指令的上传和接收与处理等。

经现场运行证明，该监控系统设计新颖、工作可靠且管理方式灵活高效，同时，对于其他需要实现远程监控的行业，该系统也具有一定的借鉴参考价值。

4　基于SCADA数字电台无线网络的水库泵站远程监控技术

无线通讯作为一种重要的通讯手段，已越来越多地应用到各个领域。无线电台具有维护方便、绕射能力强，组网结构灵活、覆盖范围远等特点，适合点多而分散，地理环境复杂等场合，在很多领域有广泛的应用。SCADA数字电台运行在25kHz信道，25kHz信道间隔空中数据传输速率为19 200 b/s，收发转换时间在10ms内，可完全满足用户数据的传输和响应速度的要求，并且在山区、戈壁等无线信号不能覆盖的地区，可采用SCADA数字电台进行通讯，采用数字电台通过电磁波进行通讯，也不用支付费用，运行成本低。

SCADA数字电台传输距离在50 km以上（开阔无阻挡），可在全双工、半双工、单工方式下工作，收发同频或异频。电台自带系统网管软件，能实现空中远程设置电台参数，如发射功率、发射频率等，也可以实现空中远程监测系统内其他电台工作状态，如工作电压、工作电流、接受信号强度、信噪比、误码率、状态告警等。

4.1 SCADA数字电台通讯原理

SCADA数字电台作为系统通讯的核心设备，是将信号变成相应频段的电磁波信号进行传输，电台采用3个不同的通信频率：0、1和2。其中，0专门用于信道访问；1用于群内通信；而2用于群首之间的通信。在MAC层，采用改进型CSMA/CD算法。发送数据的结点先向接收结点发送请求信号RTS，等待收端响应。收端如果在这时没有接收数据，也没有收到其他结点的发送请求，就向请求结点发送CTS信号。发端收到CTS后就开始发送数据。数据发送完成后，收方要回送ACK信号。整个数据发送过程通常被称为RTS/CTS/DATA/ACK过程。

4.2应用研究

（1）TCP/IP协议栈应用

基于TCP/IP协议栈的高速数字电台系统是一种新型的无线通信设备，是无线通信领域的生力军，它不仅是一个无线信道传输设备，更是一个复杂的路由设备，具有强大的互联功能。本系统将这种技术成功的应用在了盘山红旗水库泵站远程监控系统内，系统通讯速度快、效率高、稳定可靠。

（2）网络协议选择

高速数字电台传输网络采用了IPS网络协议族实现整个电台网络的互联。采用IPS协议族，系统能自动建立起半自治的多个群首，形成小型的、按地理取向的组群或小区，组群之间的通信使用OSPF路由协议。组群的拓扑信息不向外传播，其他的群也不会收到。通过采用这种机制，实现电台网络的高速互联，而且使系统内数据的传输更为安全。

（3）网络的抗干扰措施

为提高信道访问效率，减少通信中的干扰，电台通讯系统采用3个不同的通信频率：0、1和2。，0专门用于信道访问；1用于群内通信；2用于群首之间的通信。由于各个通信频率各负其责，不互相影响，因而采用这种机制来保证数据传输的完整性。

（4）OPC技术应用

OPC技术是把硬件供应商和软件供应商分离开来，提供了从设备和数据库等数据源获得数据和用一种标准的方法与任何客户通信的机制。通过OPC机制可以使软件开发者从不得不考虑不同厂商的繁杂的硬件细节中解放出来，大大提高了工作效率。解决了不同厂家生产的设备之间不能通信的问题。

（5）短信报警模块功能设计

作为现代无线远程通讯技术的代表之一GSM已经发展的十分成熟，随着手机用户的普及，GSM网络的覆盖范围越来越广，因此，基于GSM网络无线远程监控成为一种廉价、便捷的方式，受到人们的青睐，盘山红旗水库泵站远程监控系统采用宏电

GPRS短信报警模块，通过GSM网络作为传输介质，将水库越限报警信息传输至接收人员。

4.3应用实例

2011年4月，辽宁盘山县红旗水库监控工程成功应用了基于SCADA数字电台无线网络的水库泵站远程监控系统，对水库的水位、降雨量、水温、气象等信息与关键对象、参数，实现了远程有效监控、监测，并做到必要的数据、指令的上传和接收与处理等。

系统自运行以来，运行稳定可靠，网络通讯状况良好，运行成本低且维护简单，达到了预期的水库泵站远程调度、远程管理的目的。

5　基于光纤、GPRS无线网络水源井远程监控系统

在当前众多应用领域中，光纤网络基于其通信容量大、传输速度快、无干扰、数据稳定可靠等优点，已应用越来越多，由于光纤网络的敷设受成本限制，应用光纤网络的监控系统实际上还是基于现场工作的，还不能将应用现场运行状态及各种参数跨地域远程传输至监控中心进行集中监测，随着现代通信技术的发展，对于跨地域传输数据的需求，无线通信技术成了未来通信技术的发展方向。

GPRS通用无线分组业务，是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。GPRS是一项高速数据处理的科技，方法是以“分组”的形式传送资料到用户手上。虽然GPRS是作为现有GSM网络向第三代移动通信演变的过渡技术，但是它在许多方面都具有显著的优势[7]。

GPRS适用于远程数据采集的主要特点为：①永远在线，接入速度快。用户可以随时与无线网络保持连接。②采用数据流量计费方式，即用户只需要在传输数据时按照数据通信量进行计费，这样可以大幅度降低用户的使用费用。③支持IP协议。GPRS网络覆盖广，底层支持TCP/IP协议，使得GPRS能够与Internet实现无缝连接。

5.1 GPRS无线网络通信原理

GPRS网络是利用“包交换”（Packet-Switched）的概念所发展出的一套基于GSM系统的无线传输方式。所谓的包交换就是将数据封装成许多独立的封包，再将这些封包一个一个传送出去，形式上有点类似寄包裹，采用包交换的好处是只有在有资料需要传送时才会占用频宽，而且可以以传输的资料量计价，这对用户来说是比较合理的计费方式，因为像Internet这类的数据传输大多数的时间频宽是闲置的。

5.2应用研究

（1）确保网络传输可靠性机制

当GPRS在线时间过长却不传输数据时，其数据业务优先级被降低而出现掉线情况。因此，引入心跳设置及掉线参考两种机制来同时保证GPRS永久在线。通过心跳设置使设备运行期间发送数据包，任何一方收到后即原样返回，来保证GPRS优先级；掉线参考机制使用ICMP协议中的PING操作来保证无线掉线情况。

（2）无线VPN虚拟专网

为保证局端和数据监控中心之间信息传输的安全性，系统采用了GPRSVPN技术。即监控中心通过专线和移动公司GPRS网的GGSN连接，从而在局端和监控中心之间构成一条无线虚拟专网通道，以此来解决信息传输的网络安全性和数据私密性要求。

（3）网络拥塞控制

为减小GPRS网络数据传输过程中的拥塞，系统采用数据压缩和滑动窗机制，实现对GPRS数据传输的拥塞控制。采用该技术可减少30%～50%的传输数据量，有效抑制传输拥塞，满足了GPRS网络传输瞬时大数据量的要求

（4）使用PID调节实现恒流量

水源井在供水过程中做到按需进行用水量的供给，可以有效的实现供水综合调配和节约用水。系统采用PID技术，通过将给定流量同反馈流量在程序内进行比较，由PLC驱动阀门进行模拟量调节来实时调节进出水阀门开度实现恒流量供水。

（5）视频影像报警联动

监控中心通过水源地视频设备实时查看现地周围环境情况并通过安保设备实现现地机电设备的防盗、防损坏。系统采用视频影像报警联动机制，即当不明物入侵安全区域时，监控中安保设备报警，同时，视频设备云台自动转动，拍摄被入侵现场情况并录像。

5.3应用实例

2012年9月，蓟县许家台供水所成功应用了基于光纤、GPRS无线网络的水源井远程监控系统，对水源地水井周围环境、水位及井泵取水量、管网压力、井泵电机电量参数和图像进行远程监测，对现场设备进行远程控制，同时，实时监测现地水源的pH值、温度、溶解氧值、电导率及浊度等水质参数，并将重要数据通过无线网络远程传输至监控中心，为更好地进行水资源管理提供决策。

本系统自投入运行以来，保证了水源井稳定可靠的工作。并优化了水资源配置，推进了水资源的合理开发，提高了水资源的利用效率和效益。因此，本系统具有广泛的市场推广应用空间。

6　前景和展望

计算机领域经历了一场新的革命,它结合了现代控制技术、图形技术,其目标是随时随地为人们提供无缝的、高质量的、易用的、廉价的信息资源,使其能真正进入人们的生活。计算机监控系统的技术水平也从初期的模拟信息传输与控制飞速发展到了数字化、网络化信息传输与控制。

目前，远程监控技术的主流是应用Internet技术，在TCP/IP协议和WWW规范的支持下，合理组织软件结构，使工作人员通过访问网络服务器来迅速获取自己权限下的所有信息并及时作出响应。网络通信技术在测控系统中的应用还渗透到了传感器领域，将网络接口芯片与智能传感器集成起来，并将通讯协议固化到智能传感器的ROM中，导致了网络传感器的产生，.网络传感器能够和计算机网络进行通信，因而成为现场级数字传感器[9]，目前国内外有不少仪器公司已研制出了各种各样的网络传感器。监控技术的发展始终与最新技术的发展息息相关,使用者不断对远程监控的简便性及实时性提出更高的要求。因此，必须要更好地、更及时地应用最新技术,这样，才能使得远程监控不断地发展,不断地满足人们的需求。

参考文献：

[1]石柏铭.计算机通信网与开放互联技术[M].北京：人民邮电出版社，1993.

[2]杨叔子,史铁林,李东晓.分布式监测诊断系统的开发与设计[J].振动、测试与诊断，1997,17（l）：l-6.

[3]NICHOLSH M C.,BERNARD C B，DAVID M H.Remote Instrument Diagnosison the Internet[J].IEEE Intelligent System，1998,（5）:70-76.

[4]吕京建，肖海桥.面向二十一世纪的嵌入式系统[J]半导体技术，2001，26(1)：36-39.

[5]张曾科.计算机网络与通讯[M].北京：机械工业出版社，2012. [6]秦继伟，雷亮，郭江.辽宁省盘山县红旗水库泵站远程无线监控系统[C]//中国水利学会第四届泵及泵站专业委员会学术年会论文集.

[7]韩基荣.基于GPRS远程监控系统的设计[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.

[8]秦继伟，郭江，李振华，等.基于城域网的水源井远程监控系统设计与应用[C]//中国水利水电科学研究院第十一届青年学术交流会议论文集.

[9]朱文凯，陶波，何岭松.基于Internet的测控系统,网络化仪器[J].中国计量，2004（7）：53-54.

中图分类号：TP273

文献标识码：A

文章编号：1672-5387（2015）06-0023-05