灌区信息化建设初探

2022-06-16任创社田文旭

大科技 2022年23期

关键词：水位水利供电

任创社，李贞，田文旭

（新疆伊犁花城勘测设计研究有限责任公司，新疆伊宁 835000）

0 引言

本次建设量测水设施及水利管理信息化系统主要对灌区骨干渠系实施水位流量进行计量。信息化平台利用市级灌区信息化平台，信息中心位于市水利局。本次项目建成后将接入已有的平台中[1]。

1 设计理念

借助灌区信息化建设，提升管理、水资源监控能力建设，建立起水利工作的数字化管理体系，逐步形成并落实“智慧水利”的总体构想，具体包括：水利信息网络、及时准确的信息传输、一体化协同作业、高效便捷的服务体系。

通过常规监测站点和自动监测站点相结合，实现对水资源的数字化监测。辖区内的任何地方、任何时间发生的用水事件在建成的信息网络中能及时反馈，并通过相应的指标反应出来。通过水利专网为基础的通信骨干网络，在灌区实现综合信息的传输，构建起全面、可靠、安全的信息传输网络，实现指令的快速传达。

建立覆盖灌区的一体化协同工作平台，使各级水利工作人员能随时、随地了解、掌握及时、全面、准确的水资源、工程调度信息。充分利用物联网、移动互联网等新兴传播渠道。在灌区建立高效便捷的信息查询、访问与服务体系，实现水利业务处理与信息的多层次需求。

2 技术路线

采用“分区采集，集中管理的模式”，对本灌区内业务进行管理。灌区管理信息中心对灌区业务及数据进行统一集中管理，提供服务。

信息的采集，主要通过生产设备、仪器、仪表、传感器、摄像头等采集灌区骨干渠道的水位数据然后进行传输。通过遍布于灌区内渠系、闸门等关键区域的传感器与设备组成灌区水利物联网，实时对水资源全过程进行测量、监控与分析。

通过物联网技术、移动互联网技术和数据库技术，连接“灌区信息化业务平台”的“网络层”，形成完善的网络层体系，网络层解决的是所获得的数据在一定范围内传输问题。网络层主要通过网络传输及通信，数据的实时采集、传输、存储，传输到灌区信息分中心、水利信息中心，形成完善的网络层体系。

平台层是应用层各种应用和服务统一部署的技术平台，提供信息化建设的基础运行环境，进行统一管理。信息采集汇集平台与“数据中心”共同构成“灌区信息化业务平台”的平台层，主要实现对智慧水利数据资源进行存储、分析和处理，实现网络层信息到应用层信息的转换，网络设备的管理、设备信息和业务信息的呈现[2]。

服务对象为管理人员、工作人员，以及用户单位，应用终端包括监控屏、手机APP 等。

3 量测水方案设计

3.1 系统概述

水位观测是灌区信息建设中的一项基础性工作，通过水位传感器配合一些数据采集、传输、存储等装置实现水位的自动监测功能，水位传感器是水位自动化监测的核心元件，直接关系到水位监测的精度、可靠性和实用性，也决定水位观测站的建设形式和工程投资。根据应用环境及技术要求选用合适的传感器方能达到事半功倍的效果。

3.2 组成结构与比选依据

依据灌区调研情况，灌区的各监测站点主要有：水情传感器单元、数据处理与传输单元和供电单元三大单元组成。通过对三个单元的合理选配，组成良好的水量自动化监测站，采集各种渠道的水量信息，上报给灌区信息中心以供各单位作为依据，对水资源的合理调配与管理[3]。对各单元的比选依据如下。

（1）传感器单元。土建施工需简单方便；采用精度满足实际要求同时，降低成本造价；便于清淤，维护简单。

（2）数据处理与传输单元。目前，在水利、灌区领域中，主要的通信方式有：光纤链路通信；GPRS 通信；短程无线；北斗卫星；无线网桥等。

（3）供电单元。供电单元即对传感器单元和数据处理与传输单元供电，确保其正常工作。目前的供电单元模式主要有市电供电和太阳能供电两种模式。

3.3 水位传感器比选

根据目前国内在水利、灌区信息化建设中水量传感器的应用情况，技术较成熟的，在我国应用较多的水位传感器有浮子式、压力式、雷达式和磁致伸缩式等水位传感器[4]。

3.3.1 浮子式水位传感器

浮子式水位计传感器是国内使用最广泛，应用最成熟的水位传感器，工作原理是通过浮子在垂直方向向上随水位变化，通过绳索牵动水位计的计程轮转动，最后将计程轮的位置变化转换为水位的测量仪器。根据计程方式的不同可分为绝对式和增程式，根据计程原理又分为机械式、电磁式、光电式等，浮子水位传感器具有结构简单、量程较大，造价低廉、功耗小、易维护等优点；缺点是需要修建测井或钢管井，土建规模较大，投资较高。适用环境及场所：含沙量较少的渠道；水位变化幅度较缓的渠道。

3.3.2 压力式水位传感器

压力式液位计是一种测量液位的压力传感器，包括静压液位计、液位变送器、液位传感器、水位传感器、压力变送器等，是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理。压力式液位计适用于石油化工、冶金、电力、制药、供排水、环保等系统和行业的各种介质的液位测量。精巧的结构，简单的调校和灵活的安装方式为用户轻松地使用提供了方便。集成水位、温度测量于一体，适用水位监测、地质灾害综合利用。

3.3.3 磁致伸缩水位传感器

磁致伸缩液位传感器是采用磁致伸缩原理制造的高精度、超长行程绝对位置测量传感器。该产品由脉冲电路、波导线、回波信号单元、结构件和保护套管组成，具有精度高、稳定性可靠、寿命长、安装方便、多种输出方式可供选择等特点，它不但可以测量运动物体的直线位移，而且可以给出运动物体的位移和速度模拟信号。由于采用非接触测量方式，传感器性能稳定，使用寿命长，多种输出方式供选择。因而被广泛运用在石油化工、食品、水处理、环保、农药、造纸、水库、染料、油压机械等行业设备中。

磁致伸缩位移传感器具有高精度、高响应、低迟滞、高可靠性等特点，其缺点是造价高、量程小、浮子易卡主等。应用场景：磁致伸缩液位传感器主要应用在石油化工、食品、水处理、环保、农药、造纸、水库、染料、油压机械等行业设备中。

3.3.4 雷达水位传感器

雷达水位计是利用电磁波探测目标的电子设备。发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得水位水流至电磁波发射点的距离、距离变化率（径向速度）、方位、高度等信息。应用领域：河流水位，明渠水位自动监测；水库坝前，坝下尾水水位监测；调压塔（井）水位监测；潮位自动监测系统，城市供水，排污水位监测系统。

根据灌区的诸多条件，选用雷达水位传感器，主要原因如下：水位变化幅度大，量程高（基本在2m 以上），不宜采用磁致伸缩水位传感器；若建建设测井、引水管道，清淤工作较大，且河道两侧为交通、农田运输通道，不宜开挖较大土方工作；雷达水位传感器具备较高的量程，一般在测量范围在10m 以上，满足支渠测量范围；雷达水位计采用非接触式，测量与水质无关，不受漂浮物、泥沙等影响；综合成本低，安装维护简单，寿命长。

4 通信方式比选

根据目前国内在水利、灌区信息化建设中水量监测站的通信应用情况，主要有光纤/有线通信、GPRS 通信、短程无线通信等模式。

4.1 光纤/有线通信

此类模式主要是用于点位分布比较密集，在某一区域点位较多的情况下使用，如：以半径200m 的圆形分布区域内，若站点较多，可采用通信线与光纤模式组网通信。

光纤/有线通信优势：数据传输实时在线；通信速率高、高带宽；可扩展性好；一次性投入，无后期使用费。

光纤/有线通信局限性：数据多路并发单一；链路铺设、架空工程量大；单一站点通信造价较高；日常维护工作量较大，尤其是在高密度种植区。

4.2 无线GPRS 通信

GPRS 在原GSM 网络的基础上叠加了支持高速分组数据的网络。此种模式非常适合于站点分布分散、分布较广情况。

GPRS 通信模式优势：点位选址不受约束，各站点独立通信，互不影响；数据并发性好，可同时多客户端发送；无须铺设链路，大大减少了工程施工量；日常维护简单、方便。

GPRS 通信模式局限性：日常使用会产生一定的费用；通信速率较光纤/有线模式低，带宽窄；受移动信号影响。

4.3 短程无线通信

典型的短距离无线系统由一个无线发射器和一个无线接收器组成。短程无线在无线接收塔基（基站）允许范围内，点位选址不受约束；一次性投入，无日常使用费；不受天气、气候影响；可扩展性较好。站点至塔基之间有一定的距离限制，站点至塔基之间需在可视范围内，不能有高的建筑物、山体、树林等遮挡；需建基站，需在以基站为半径的圆形区域内设置站点点位；基站造价较高，一般与移动、联通等基站造价类似。

依据实际调研情况，灌区的通信方式现状如下：水量站点分布较广，且点位虽多，但不在某一密集区域内；点位分布密度小，分布较散；铺设光纤难度较大，且成本高昂，无法实现；综合诸多因素，相比较光纤/有线和短程无线模式，GPRS 通信模式为首选，大大提高了以后的扩展性，数据的并发性和站点与信息中心的通信灵活性。