黎 业 黄 维 毛玉姣
（贵州省水利科学研究院 贵阳 550002）
摘要：通过对山塘雨水情、及视频信息的实时采集与监测，可及时将山塘实时数据、图像信息准确直观的发送给水利防汛部门，为防汛抗灾决策支持提供重要的依据和技术支撑[2-4]。对于确保安全度汛，对于保障人民生命安全意义重大。
关键词：灌区信息化；自动化工程；建设研究
0引言
根据《贵州省小型农田水利信息化与自动化建设技术导则(暂行)》要求，小型农田水利信息化与自动化工程建设应采用现代信息采集技术、通信技术、计算机网络技术、信息处理技术逐步建成覆盖铜仁市小农水的自动化远程监测系统,实现对各类资料信息的有效管理、维护，做到信息共享、互联互通，使各级水利行业主管部门及时、准确和全面了解掌握项目建设、运行管理情况，为我省逐步建成灌溉云平台重要的数据支撑。同时，山塘安全问题关系到下游人民群众生命财产安全，关系到当地经济社会稳定和发展，也一直是水务、防汛管理部门所关心的重要问题[1] 。
一、系统功能模块设计
1.1 实时采集接收处理系统软件
实时采集接收处理系统软件部署在水务局监控中心工控机上，各监测站将渠道流量、图片信息通过GPRS无线网络传输至水务局管理中心平台，管理中心根据收集到的各类信息进行综合判断分析，作出洪水预报和调度方案，同时通过网络分发至各监测站点[5-6] 。数据采集系统包括系统自动获取（从相应网站及终端及报表数据获取）和人工数据表导入（包括终端数据填报）及人工终端填报等三部分组成，并将获取的相关数据自动生成相应的数据库进行管理。
1.2 智能采集控制终端
流量智能采集控制终端，负责对现场信号、工业设备的监测和控制[7]。流量智能采集控制终端是构成综合自动化系统的核心装置，通常由信号输入/出模块、微处理器、有线/无线通信设备、电源及外壳等组成，由微处理器控制，并支持网络系统。它通过自身的软件(或智能软件)系统，可理想地实现企业中央监控与调度系统对生产现场一次仪表的遥测、遥信和遥调等功能。
1.3 远程图像监控系统软件
视频信息采集，主要采集渠道水位、流量情况的实时图片信息，由于本系统前端通讯网络采用GPRS的传输方式，受GPRS带宽的限制和根据本项目实际情况考虑，视频信息不采用常规的每时每刻的传输和监视，采用视频抓拍的方式，可以将任意时刻的现场视频信息以图片的形式传输至中心，正常情况下，每个一小时（时间间隔可设置）传输抓拍一幅传输至中心；同时与水位数据采集实现联动，当水位增量超过一定值或水位突然超过一定值时，立即进行抓拍，将图片信息传输至中心[8-9] 。
二、监测现场硬件设备选型
根据水库水渠道流量监测特点和需求，监测现场需配备的主要设备有：水库测控终端（智能采集控制终端），用以采集传感器数据，并远程发送到监控中心；雨量计、水位传感器及工业照相机；太阳能电池板及蓄电池，为测控终端和传感器供电[10] 。
2.1 水位流量监测系统
① 水位-管道流量监测
主要是采用水位计、外夹式超声波流量计和山塘水位、灌溉管道流量进行自动监测；通过GPRS网络将水位、流量数据发送到信息中心，如图一。管理人员通过软件平台查看监测信息，综合了解水位、流量等水情信息，及时掌握管辖区域内水情情况；为水利工程安全、防汛抗旱，水资源监控，辖区配水调度、量水测水、用水计费提供了及时有效的信息支撑。
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图一 系统结构图
② 渠道流量测量方法
明渠渠道计量采用水位-流量关系法。水位-流量关系法利用水工建筑物，如计量渠、堰、槽、挡板，将水位与流量的关系公式或数表作为依据，通过测量水位算出瞬时流量和累积流量。流速-面积法则是通过已知渠道断面测量水位计算有效输水断面，并与所测流速相乘得到瞬时流量。闸门流量计量利用闸前闸后水位及闸位，通过判断流态计算过闸流量和累计流量。
流量监测方法比较表
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③ 泵站自动化控制
泵站自动化控制系统是通过泵的出水管道的流量监测、压力监测和高位水池水位的自动监测来实现泵的自动化控制；管理人员在信息中心可实时查看高位水池水位数据、出水管道压力和流量数据，利用这几组数据来控制泵的启闭。通过实时掌握水池水位、管道流量、压力、泵站开关状态、电压、电流等各种监测指标，为灌溉供水安全运行提供保障。
泵站自动化控制系统主要由监测设备、远程监控设备、传输网络和应用软件五部分组成。监测设备包括高位水池水位计、泵站出水管道流量计和压力计组成，远程监控设备包括泵控柜和控制器等，通过GPRS无线网络与信息中心进行通信。
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图二 泵站自动化控制系统结构图
④ 雨量监测系统
雨量监测站点分布在试点区，用于监测雨量信息，从而为试点区内的气候监测提供数据支持，设备安装于雨量站防护栏内，同时确保周围没有遮挡物（如树木、高层建筑等），通过各类传感器数据采集终端相连，各项雨量参数通过采集终端进行处理，并利用数传设备将信息上传，实现雨量信息的实时自动监测。
雨量监测系统由数据采集仪、相关传感器(风速、风向、雨量、蒸发、土壤温湿度)、通讯系统、服务器数据处理中心、供电和防雷系统组成。具体功能如下：
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图三 系统结构功能图
数据采集仪负责采集前端传感器数据，并加以处理后通过无线通信模块或有线通讯转发到数据中心。数据中心可以对现场进行实时监控，将实时数据以数字、统计图、曲线等显示在软件上，客户可自由设置数据上传时间，并保存上传的数据，实时监测农田或温室内环境因子的状态。软件可以根据客户设置的保存间隔来保存历史数据，并可查询相应时间内的历史数据，以各种报表方式导出。
雨量分析仪器与数据终端机的供电均为DC12V，设备采用太阳能供电方式供电。
⑤ 太阳能供电系统
系统现地控制系统采用太阳能电池板供电系统供电。设计时充分最不利因素即保证在30天连续阴雨天气情况下，蓄电池本省电量可以单独保障系统正常工作；防止蓄电池电压过电或欠压现象，应配置相应的充电控制器进行保护。
系统主要由太阳能电池板、控制柜、免维护储能电池、无线传输报警、太阳能控制器、升压器及电源接口等几部分组成。黎平县山塘雨水情及视频自动化监控系统与电源接口连接，进行供电。
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图四 太阳能供电系统结构图
三、建设目标和总体设计
3.1建设目标
系统预期实现将山塘的水位-流量-图像自动监测、泵站智能控制、水库干渠、低压管灌区及排涝渠、干渠渠道灌溉、集镇人饮取用水量的自动量测及工程运行情况的视频信息的自动化控制与信息化管理为一体的系统化解决方案。系统自动采集渠道（山塘）的水位、流量数据信息及实时图像通过无线传输的方式实时或定时动态地传输到水务局中心管理系统，实现在线监测系统对数据进行管理、查询和显示。
系统同时实现与省级小农业信息化管理系统无缝接入，便于各级水利主管部门动态实时掌握工程建设情况、效益情况，实现项目管理、运行等重要环节的高效。系统具有预警和自动报警机制，水位一旦出现问题（如水位、流量超过防洪标准）系统将发出预警信息或自动报警，并会将报警信息发送到相关人员的手机上。
3.2系统总体设计
在本系统的建设中，技术体系结构将综合采用C/S结构和B/S相结合的方式。根据渠道流量与图像自动监测系统业务特点，在体系结构的设计上，要保证层次之间的相对独立性和接口的规范性，使得核心服务模块能最大限度的共享，以此为出发点，本项目各应用信息服务子模块的开发采用B/S结构方式。
系统主要由现地采集控制单元、监控中心管理应用系统2部分组成。现地采集控制单元主要完成包括渠道流量、图像实时采集、传输，监控中心管理应用系统主要完成信息接收、显示以及数据的存储、分析、处理与预警等综合应用。
系统现地采集控制单元具体由流量计、流量监测主机、工业相机、流量智能采集控制终端、太阳能供电系统、控制柜、立杆及信号防雷等几部分组成。
监控中心管理应用系统主要由工控机、无线网络终端、显示控制屏、实时采集接收处理系统及远程图像监控系统软件等几部分组成。
参考文献：
[1]姜明梁,邓忠.我国灌区信息化建设现状与发展对策[J].中国农村水利水电,2019(10):132-133+138.
[2]高占义.我国灌区建设及管理技术发展成就与展望[J].水利学报,2019,50(01):88-96.
[3]张金星. 现代灌区建设进程评价方法及其应用研究[D].武汉大学,2018.
[4]李铮,何勇军,范光亚,吴秀会.灌区信息化建设发展现状及应对策略[J].水利信息化,2017(03):68-72.
[5]谢红兰,储华平,王春树.农村中小型灌区信息化系统在欧阳海灌区的应用[J].水利科技与经济,2016,22(06):125-128.
[6]赵来生. 大型灌区信息化软件系统设计[D].天津大学,2014.
[7]朱艳. 大型灌区水情测报自动化控制系统的设计应用研究[D].新疆农业大学,2012.
[8]程广平. 大型灌区信息化系统的研究与设计[D].西安建筑科技大学,2008.
[9]陈冰峰. 大型灌区信息化应用系统分析与设计[D].西安建筑科技大学,2005.
[10]郝敬伟,张宏图,李敏.灌区信息化建设困境及建议[J].河南水利与南水北调,2015(14):61-62.
基金项目：贵州省水利厅科技项目“基于农作物灌溉制度的贵州喀斯特山区高效精准灌溉系统应用及示范”，项目编号：KT201818。
《基于物联网的智能灌溉施肥控制方法及系统推广示范》（项目编号：SF-2010913）
作者简介：黄维（1990--），男，贵州铜仁，博士研究生，主要从事水文水资源、水利信息化应用等研究工作。
作者简介：黎业（1992--），男，贵州铜仁人，硕士，主要从事农田水利、农村区域发展等研究工作。