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水庫水情測報系統(tǒng)(懷柔水庫)

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產(chǎn)品簡介

利用衛(wèi)星的水情測報系統(tǒng)有許多優(yōu)勢，如區(qū)域、成本、效率、可靠性等

詳細介紹

　　利用衛(wèi)星的水情測報系統(tǒng)有許多優(yōu)勢，如區(qū)域、成本、效率、可靠性等。論文介紹了Inmarsat-c的性能特點及其在懷柔水庫水情測報系統(tǒng)中典型應(yīng)用，它為我國水情測報及其他環(huán)境、氣象、油田、交通等領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了新的途徑、很值得關(guān)注。

　　完成單位：北京通訊與導(dǎo)航系統(tǒng)有限公司（中國交通通訊指揮中心下屬公司）
　　使用控制器型號：LP3100/LP3500
　　數(shù)據(jù)采集點：38點
　　通訊方式：海事衛(wèi)星
　　主要測點：
　　1. 庫區(qū)水位（投入式水位傳感器）
　　2. 雨量（雨量計）
　　3. 風(fēng)速（部分）
　　供電方式：太陽能極板+蓄電池
　　安裝位置：測井旁測量室或柱上

　　
一、系統(tǒng)概述

　　水情自動測報是采用現(xiàn)代科技對水文信息進行實時遙測、傳送和處理的專門技術(shù)，是有效解決江河流域及水庫洪水預(yù)報、防洪調(diào)度及水資源合理利用的手段。它綜合了水文、電子、電信、傳感器和計算機等多學(xué)科的有關(guān)成果，用于水文測量和計算，提高了水情測報速度和洪水預(yù)報精度，改變了以往僅靠人工測量水情數(shù)據(jù)的落后狀況，擴大了水情測報范圍，對江河流域及水庫安全度汛和電廠經(jīng)濟運行以及水資源合理利用等方面都能發(fā)揮重大作用。
　　
　　海事衛(wèi)星(Inmarsat)水情自動測報系統(tǒng)是利用海事衛(wèi)星通信為通信媒體的測報系統(tǒng)。目前，我國已經(jīng)建成的水情測報系統(tǒng)共有幾百個，其中99%都采用了超短波，這些系統(tǒng)對于短距離、地勢較平坦的地區(qū)來說發(fā)揮了很大的優(yōu)勢。但是，超短波通信的局限性在于會因高山的阻擋而影響通信，為此不得不增加中繼站。這樣系統(tǒng)的設(shè)備投資、土建投資和運行維護費用都會相應(yīng)增加。因此，對于流域面積較大、地勢復(fù)雜的水域來說，采用超短波通信傳送水情信息遇到了很大的困難，有時需要經(jīng)過4-5級的中繼才能把水情信息送到控制中心，這樣也降低了系統(tǒng)的可靠性。

　　
二、Inmarsat-C通信介紹

　　
　　1 Inmarsat簡介

　　 Inmarsat即國際移動衛(wèi)星組織（原名國際海事衛(wèi)星組織），是一個提供衛(wèi)星移動通信業(yè)務(wù)的政府間合作機構(gòu)。創(chuàng)建于1979年，總部設(shè)在英國倫敦，目前擁有87個成員國。Inmarsat初創(chuàng)時旨在為海上用戶提供移動通信業(yè)務(wù)服務(wù)，隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展，目前它已經(jīng)成為世界上為陸?？沼脩籼峁┬l(wèi)星移動公眾通信和遇險安全通信的業(yè)務(wù)提供者。Inmarsat面對不同的用戶提供Inmarsat-A、B、M、C、Mini-M及Aero等多種衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

　　
　　2 北京船舶通信導(dǎo)航公司和北京海事衛(wèi)星地面站簡介

　　中國是Inmarsat創(chuàng)始成員國之一，Inmarsat中國簽字者為北京船舶通信導(dǎo)航公司（Beijing Marine Communication and Navigation Company）。作為中國向國際移動衛(wèi)星組織負責(zé)的經(jīng)辦機構(gòu)，北京船舶通信導(dǎo)航公司負責(zé)在中國經(jīng)營和管理Inmarsat業(yè)務(wù)。負責(zé)向用戶提供從終端設(shè)備入網(wǎng)啟用、通信服務(wù)、系統(tǒng)集成、技術(shù)支持到帳務(wù)結(jié)算的服務(wù)，建設(shè)和運營北京海事衛(wèi)星地面站。北京海事衛(wèi)星地面站自一九九一年正式運轉(zhuǎn)至今，已經(jīng)能夠提供幾乎所有Inmarsat業(yè)務(wù)，包括Inmarsat-A、B、M、C、及Mini-M型標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)。一九九八年，北京船舶通信導(dǎo)航公司投巨資對Inmarsat-C站進行了升級改造，業(yè)務(wù)能力得到完備和增強。北京海事衛(wèi)星地面站
　　強大的技術(shù)支持和網(wǎng)管陣容為陸海空用戶提供24小時不間斷的、全天候的衛(wèi)星移動通信服務(wù)。

　　
　　3 Inmarsat-C業(yè)務(wù)介紹

　　 Inmarsat-C系統(tǒng)是一個以存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式（Store & Forward）向用戶提供雙向衛(wèi)星移動數(shù)據(jù)通信的系統(tǒng)，其通信速率為600bit/s。Inmarsat-C通信系統(tǒng)由三部分組成，既空間段、衛(wèi)星地面站和用戶終端?？臻g段包括通信衛(wèi)星、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)站和網(wǎng)控中心。衛(wèi)星地面站為衛(wèi)星和陸地網(wǎng)之間的連接樞紐。Inmarsat擁有和運營空間段，制定通信技術(shù)規(guī)程。各國簽字方擁有和運營衛(wèi)星地面站，負責(zé)面對用戶提供服務(wù)，制定收費標(biāo)準(zhǔn)。Inmarsat-C用戶終端體積小、重量輕，全向性收發(fā)天線。用戶終端的能耗很低，可以使用蓄電池、太陽能等電源，尤適合邊遠地區(qū)使用，且設(shè)備費用經(jīng)濟。世界上任何有實力的生產(chǎn)廠家都可按照Inmarsat制定的技術(shù)指標(biāo)生產(chǎn)用戶終端，但須經(jīng)Inmarsat測試獲得類型批準(zhǔn)后方可投入市場銷售，目前世界上有很多廠家生產(chǎn)Inmarsat-C用戶終端。
　　
　　 Inmarsat-C終端的通信方式有兩種：電文方式和數(shù)據(jù)報告方式。電文方式是利用信息信道傳送大批量數(shù)據(jù)的一種存儲轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)。采用電文方式傳送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)到達地面站后要重新打包，然后轉(zhuǎn)發(fā)給接收方，需要的傳輸時間比較長，通常要五、六分鐘，若地面站當(dāng)時的業(yè)務(wù)繁忙則傳輸時間會更長一些。但電文方式傳送數(shù)據(jù)，由于采用了錯誤校驗、信息重發(fā)和收妥確認等技術(shù)手段，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃员容^高。
　　
　　電文方式一次最多可傳送數(shù)據(jù)32K字節(jié)。數(shù)據(jù)報告方式是利用信令信道傳送小批量數(shù)據(jù)，一次最多傳送32個字節(jié)。數(shù)據(jù)報告方式分為兩種，一是移動終端到陸地用戶數(shù)據(jù)報告方式，經(jīng)由地面PSDN或PSTN網(wǎng)；另一是移動終端到移動終端的數(shù)據(jù)報告方式。數(shù)據(jù)報告方式傳送時間比較短，從發(fā)送端到接收端為40秒左右，非常適合于要求傳輸數(shù)據(jù)快、傳送信息量小的稀路由用戶，如無人監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用，非常適用于水文測報、輸油輸氣管理監(jiān)控、地震、森林及海洋等領(lǐng)域數(shù)據(jù)監(jiān)控。

　　
　　4 Inmarsat-C數(shù)據(jù)報告業(yè)務(wù)介紹

　　4.1通過PSTN或PSDN網(wǎng)的數(shù)據(jù)報告方式

　　該方式將一組用戶所有的終端作為遙測站，中心控制站由一臺計算機完成，整個系統(tǒng)賦予一個網(wǎng)號，遙測站之間用成員號（Member No.）加以區(qū)分。中心控制站與衛(wèi)星地面站之間通過PSTN或PSDN陸地網(wǎng)連接。遙測站發(fā)來的信息經(jīng)衛(wèi)星地面站，通過PSTN或PSDN網(wǎng)直接傳遞給中心控制站，也可由中心控制站撥號到衛(wèi)星地面站去取遙測站發(fā)來的信息。

　　
　　4.2 移動終端到移動終端的數(shù)據(jù)報告方式

　　移動終端到移動終端的數(shù)據(jù)報告業(yè)務(wù)的工作方式是將一組用戶，如：一個門所有遙測站和監(jiān)控中心站組成一個網(wǎng)，分配給它們一個數(shù)據(jù)網(wǎng)號（DNID），此網(wǎng)中所有終端都有各自不同的成員號（Member No.），其中有一個或兩個終端可設(shè)為主站（中心監(jiān)控站），其余終端為從站（遙測站），每個網(wǎng)絡(luò)最多可容納255從站，如果一個網(wǎng)的容量不夠，可申請使用多個網(wǎng)號，每個衛(wèi)星地面站的網(wǎng)號資源可達65536個。從站可定時自動地向主站控制中心發(fā)送數(shù)據(jù)，每次可發(fā)1至3包，各個包捎帶數(shù)據(jù)量分別為8、12、12字節(jié)，共32個字節(jié)。主站可向網(wǎng)中所有從站發(fā)送數(shù)據(jù)或控制指令，也可以向網(wǎng)中某一從站發(fā)送數(shù)據(jù)或控制指令。通過PSTN或PSDN網(wǎng)的數(shù)據(jù)報告方式的特點是地面站與中心控制站間不是通過衛(wèi)星鏈路連接，而是通過PSTN或PSDN有線網(wǎng)連接。移動終端到移動終端的數(shù)據(jù)報告方式的特點是所有通信均不經(jīng)過陸地網(wǎng)，通信不受陸地網(wǎng)的限制，對于陸地網(wǎng)不發(fā)達的地區(qū)使用這種組網(wǎng)方式比較合適，如西藏、新疆等地區(qū)。兩種方式的通信如圖2.4.2-1所示：

5 Inmarsat-C用于水情測報的特點

　　（1）可靠性高

　　 Inmarsat系統(tǒng)是為海上遇險、緊急與安全通信而設(shè)計的，系統(tǒng)主用衛(wèi)星四顆，備用衛(wèi)星七顆，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)站均有備份，有Inmarsat-C地面站30多個，整個系統(tǒng)的備份好。另外，Inmarsat是下的民用國際組織，不會因為戰(zhàn)爭等因素而導(dǎo)致系統(tǒng)關(guān)閉，因而系統(tǒng)可靠性；

　　（2）雨、雪衰減小

　　 Inmarsat-C系統(tǒng)用戶終端采用L頻段，該頻段對雨衰非常小，約為0.2dB，惡劣天氣（尤其是雨季）不會影響通信。

　　（3）設(shè)備輕巧

　　 Inmarsat-C終端天線很小（重0.75公斤，尺寸HxD 124mm x 150mm），雨季不至遭到雷擊，終端設(shè)備輕（重約1.3公斤，尺寸HxWxD 50mm x 180mm x 165mm），易于運輸、安裝和維護，非常適用于野外監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。

　　（4）可無人值守

　　 Inmarsat-C終端省電，睡眠狀態(tài)下耗電僅為30毫瓦，可用太陽能供電。中心站可遙控控制遙測站。

　　（5）投資少

　　利用Inmarsat-C建立通信系統(tǒng)，用戶只需購買終端自行組網(wǎng)。衛(wèi)星系統(tǒng)和衛(wèi)星地面站已運行多年。設(shè)備小，土建簡單，費用少。維護方便使得運行后的維護費用也很低。沒有通信月租金,即不通信不收費。

　　（6）建設(shè)速度快

　　所有市場銷售的Inmarsat-C終端都已經(jīng)過Inmarsat的批準(zhǔn)。用戶只需購買終端辦理入網(wǎng)即可使用，故系統(tǒng)的建設(shè)速度快。

　　　　
三、CScadaTM 系統(tǒng)組成及功能

CScadaTM水情自動測報系統(tǒng)由中心控制站和遙測站組成。中心控制站實時接收Inmarsat衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的各遙測站上報的水文數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行檢查、存貯、顯示、打印等處理，向所有遙測站發(fā)送控制命令，包括控制每天發(fā)送次數(shù)、校時等，按設(shè)定的時段間隔，計算出各雨量站的時段雨量值，統(tǒng)計上報數(shù)據(jù)的次數(shù)及工作狀態(tài)，檢索數(shù)據(jù)。遙測站的主要任務(wù)是自動實時采集、存貯雨量及水位數(shù)據(jù)，按設(shè)定的時間及時間間隔通過衛(wèi)星向中心控制站傳送水文數(shù)據(jù)。

　　
四、中心站介紹

五、遙測站介紹

　　1 遙測站組成

　　遙測站由傳感器（雨量計、水位計等）、Inmarsat-C通信設(shè)備、數(shù)據(jù)采集儀、人工置數(shù)儀(或計算機)、充電保護器、太陽能電池板、蓄電池組等組成。

　　　　
　　2 遙測站功能

　 ◇ 實時采集雨量、水位數(shù)據(jù)并將過程存儲到閃存,可保留1年歷史數(shù)據(jù)
　　◇ 定時自報，按時段向中心控制站發(fā)送數(shù)據(jù)（中心控制站可遙控設(shè)置時段間隔，按的要求，分為5個時段，也可通過置數(shù)設(shè)備設(shè)置時段間隔。）
　　◇ 事件自報，當(dāng)雨量或水位達到預(yù)先設(shè)定的間隔時，系統(tǒng)會自動將數(shù)據(jù)發(fā)送到中心控制站
　　◇ 可通過人工值數(shù)設(shè)備現(xiàn)場修改、查詢數(shù)據(jù),
　　◇ 可通過計算機讀取歷史數(shù)據(jù)或設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)
　　◇ 衛(wèi)星校時
　 ◇ 接收中心站的控制指令并完成相關(guān)操作,如雨量清零的等

　　
　　3 CTC-001數(shù)據(jù)采集儀介紹

　　 CTC-001數(shù)據(jù)采集器是一種全自動、多功能、微功耗數(shù)據(jù)采集器，特別適合水情、水文、環(huán)境、氣象、石油、交通等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)自動采集。

　　5.3.1 CTC-001的構(gòu)成

　　 CTC-001由接口擴展及電源控制電路板、美國Z-World公司LP3100控制器和德國桑蘇（Solsum 6.6）充電保護器構(gòu)成。所有信號接口均采用德可（WAGO）接口端子，電源接口端子采用中國臺灣町洋（DINKLE 2ESD）接插件，面板傳感器及電源接口均采用航空接插件。內(nèi)部信號線接頭處全部用熱縮管密封。圖5.3.1-1和圖5.3.1-2分別為CTC-001內(nèi)部結(jié)構(gòu)及后面板接口示意圖，表5.3.1-1為后面板接口說明。

5.3.2.1 LP3100控制器LP3100是CTC-001的核心器件，它具有如下特點：
低功耗、低電壓設(shè)計（3.3V工作電壓）
靈活的電源控制系統(tǒng)
　　◇ 可選的系統(tǒng)時鐘（6.144MHz或3.072MHz）
　　◇ 閃存技術(shù)（512K）
　　SRAM（128K）
　　◇ 2個串行通信口（RS-232和RS-482）
　　◇ 4個12位模擬輸入
　　◇ 4個數(shù)字輸入
　　◇ 8個數(shù)字輸出
　　◇ 8個可編程數(shù)字輸入輸出
　　◇ 時鐘
　　◇ 微處理器監(jiān)測電路
　　◇ 擴展接口
　　◇ 診斷LED

　　圖5.3.2.1-1 為LP3100元器件分布圖，H2為I/O接口，H3為擴展接口，H4為軟件輸入接口，U29為128KRAM，U8為256K Flash Eprom用于存放程序，U25為256K Flash Eprom，用于存放用戶數(shù)據(jù)。D1為診斷發(fā)光二極管，本系統(tǒng)將D1引到機殼上，機殼前面板右側(cè)的“工作指示"就是D1。圖5.3.2.1-2是LP-3100原理結(jié)構(gòu)圖.

　　美國Z-World公司是一個專門從事生產(chǎn)工業(yè)控制設(shè)備的公司，其產(chǎn)品遍及70多個國家和地區(qū)。近250,000個Z-World控制器在不同的應(yīng)用領(lǐng)域使用。其中，廣州博控LP3100控制器專門為野外應(yīng)用而設(shè)計，它的特點就是功耗低，適合太陽能供電。

　　5.3.2.2 接口擴展及電源控制電路板

　　功能：擴展LP3100接口，傳感器接口電路，控制C站電源，控制光電水位計電源。
　　圖5.3.2.2-1 為接口擴展及電源控制電路板接口示意，表5.3.2.2-1為接口說明.

說明:
◆ 標(biāo)準(zhǔn)接口擴展及電源控制電路板沒有控制光電水位計電源電路（印刷電路板上預(yù)留了元件焊接孔，但未焊接元器件），系統(tǒng)若要求接光電水位計,則需焊接相關(guān)元器件。
◆ 系統(tǒng)缺省連接的雨量計為單簧雨量計，若要求接雙簧雨量計，需將電路板左側(cè)的K1連接到標(biāo)有“Double"字樣的端子。

　　　　
5.5 工作方式及過程

5.5.1 工作參數(shù)

1) 衛(wèi)通ID碼
由海事衛(wèi)星管理部門分配，每臺衛(wèi)星設(shè)備在使用前需到該國的海事衛(wèi)星管理部門辦理入網(wǎng)，獲得一個識別碼（ID碼），然后才可投入正常使用。
2) 數(shù)據(jù)網(wǎng)號
Inmarsat-C用于水情測報時，工作方式為數(shù)據(jù)報告方式，該方式要求分配一組數(shù)據(jù)網(wǎng)號（DNID）才能工作，一個水情測報系統(tǒng)通常只有一組數(shù)據(jù)網(wǎng)號，用于區(qū)分其它系統(tǒng)。
3) 成員號
一個數(shù)據(jù)網(wǎng)號允許有255個成員，成員號是區(qū)分各遙測站和中心站。每個測站有的成員號。
4) 測站類型
本系統(tǒng)中測站類型分為純雨量站、純水位站、雨量水位站和雨量水位閘位站。
5)定時報數(shù)間隔
遙測站可按事先設(shè)定的時間間隔向中心站發(fā)送數(shù)據(jù)，該時間間隔就是定時報數(shù)間隔，分為5個時段。
6) 降雨量間隔
遙測站存儲的降雨量累加值若和上一次發(fā)送的數(shù)據(jù)相差某一數(shù)值時，系統(tǒng)啟動發(fā)送數(shù)據(jù)，該值便是降雨量間隔。
7) 水位間隔
遙測站監(jiān)測的水位值若和上一次發(fā)送的數(shù)據(jù)相差某一數(shù)值時，系統(tǒng)啟動發(fā)送數(shù)據(jù)，該值便是水位間隔。
8) 水位計類型
本系統(tǒng)可以連接光電水位計和機械水位計，水位計類型參數(shù)是區(qū)分這兩種水位計。
9) 光電水位計監(jiān)測間隔
為了節(jié)省功耗，光電水位計在野外不是一直上電工作的，它是按一定的時間間隔上電監(jiān)測水位，該時間間隔即為光電水位計監(jiān)測間隔。
10) 光電水位計量程
該參數(shù)用于設(shè)置光電水位計量程，分8個量程，最小量程為5米，每隔5米為一個量程，40米。

5.5.2 工作方式

1) 定時自報
按“定時報時間隔"向中心控制站發(fā)送數(shù)據(jù)（中心控制站可遙控設(shè)置時段間隔，按的要求，分為5個時段，也可通過值數(shù)設(shè)備設(shè)置時段間隔。）
2) 事件自報
當(dāng)雨量或水位達到預(yù)先設(shè)定的間隔時，系統(tǒng)會自動啟動并將數(shù)據(jù)發(fā)送到中心控制站
3）查詢應(yīng)答方式
中心站每天9:01分向所有的遙測站發(fā)送控制指令，以改變遙測站的工作狀態(tài)。