山洪灾害多媒体监测预警系统技术方案

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1、山洪灾害多媒体监测预警系统技 术 研 究 报 告29目 录1 概述11.1 山洪灾害预警系统研究的重要意义11.2 山洪灾害预警系统研究方法21.3 山洪灾害预警系统建设目标51.4 山洪灾害预警系统设计依据51.5 山洪灾害监测系统研究综述71.5.1 山洪灾害监测技术71.5.2 监测系统组成81.6 山洪预警系统现状91.6.1 山洪灾害防治规划91.6.2 洪水预警信息发布方式102 山洪灾害监测控制系统112.1 监测终端可靠性研究112.1.1 可靠性理论112.1.2 提高元件可靠性122.1.3 提高单元可靠性122.1.4 监测终端可靠性设计142.1.5 监测终端软件可靠性

2、设计172.2 信息采集控制172.2.1 传感器的适应性182.2.2 传感器的控制192.3 传输通信控制202.3.1 通信设备适应性202.3.2 通信体制兼容性212.3.3 信道侦听222.4 终端全兼容策略232.4.1 监测预警站作为中继站232.4.2 监测站之间传递信息232.4.3 远程通信设置242.5 固态存储技术242.6 电源管理242.6.1 终端节能设计242.6.2 太阳能充电控制252.6.3 监测预警站电源监测252.7 控制终端界面设计262.8 设备防雷保护272.8.1 限压防雷设计272.8.2 等电位防雷设计282.8.3 综合防雷措施283

3、监测信息传输303.1信息传输途径303.1.1 超短波传输303.1.2 GSM短信传输303.1.3 GPRS实时在线传输323.1.4提高无线电路质量333.2 信息传输协议343.2.1 WDTP无线通信数据格式353.2.2 WDTP无线组网协议393.3 信号碰撞概率分析443.3.1 信号碰撞概率443.3.2 降低碰撞概率措施453.4 山洪灾害多媒体传输网络结构453.4.1 ADSL宽带网络结构453.4.2 GPRS传输网络结构463.4.3 IP地址与动态域名解析484 实时洪水预报系统504.1 概念性洪水预报系统504.1.1 流域洪水预报模型504.1.2 模型选

4、择514.1.3 模型参数率定514.2 河道汇流演算524.3 系统结构与设计534.3.1 子系统组成534.3.2 系统流程544.3.3 系统设计目标554.3.4 关键技术研究564.4 洪水预报软件系统584.4.1 洪水预报模型结构设计584.4.2 洪水预报模型参数修正594.4.3 预报资料检查修正614.4.4 洪水预报624.4.5 洪水预报成果查询635 远程语音预警系统655.1 灾害预警系统通信方式655.2 超短波山洪灾害预警系统665.2.1 设备低温运行环境665.2.2 设备省电技术研究675.2.3 监测预警站拓扑结构图685.2.4 预警系统流程695.

5、2.5 山洪灾害预警方式706 系统综合评价736.1 技术特征736.1.1 集成化程度高736.1.2 智能化程度高736.1.3 预报预警相结合746.1.4 直观的多媒体监测746.1.5 多种警报方式746.1.6 低功耗设计746.2 总体性能指标756.2.1 监测系统性能指标756.2.2 预报系统性能指标766.2.3 预警系统性能指标766.3 技术成熟程度766.4 推广应用的条件和前景776.4.1 自然灾害频发，需要高科技监测预警系统776.4.2 政府重视，行政管理部门积极落实776.4.3 防御山洪灾害的成熟方法786.4.4 推广应用前景786.5 存在的问题7

6、96.5.1 降低系统造价796.5.2 智能化的“傻瓜型”设备研制796.5.3 培养综合应用型人才791 概述1.1 山洪灾害预警系统研究的重要意义众所周知，我国是山洪灾害极其频繁严重的国家，每年汛期由降雨引发的山洪、泥石流、滑坡都造成了大量人员伤亡和财产损失，不仅严重威胁着广大人民群众的生命安全，而且严重制约着广大山丘区经济社会的发展和人民群众的脱贫致富，影响全面建设小康社会目标的实现。据19501990年统计资料，我国洪涝灾害死亡人数共计22.5万人，其中山丘区死亡人数15.2万人，占总死亡人数的67.4%，年均死亡人数3707人。19921998年全国每年因山洪灾害死亡人数约为190

7、03700人，约占全国洪涝灾害死亡人数的62%69%；19992002年山洪灾害死亡人数下降为11001400人，但占全国洪涝灾害死亡人数的比例提高到65%75%；2003、2004年山洪灾害分别造成767人和815人死亡，占全国洪涝灾害死亡人数的49%和的76%。由此可见，山洪灾害造成的死亡人数占全国洪灾死亡人数的比例呈逐年递增趋势，山洪灾害造成的危害愈来愈大，损失愈来愈重，已经成为当前防洪减灾工作中亟待解决的突出问题。山洪灾害点多面广，具有明显的多发性、无序的突发性和强烈的破坏性，防御难度很大。而中国的暴雨区、山洪灾害易发区和人口居住区相互重叠，更使山洪造成的损失层层加码。统计表明，中国2

8、100多个县级行政区中，有1500多个分布在山丘区，受到山洪、泥石流、滑坡灾害威胁的人口达7400万人。2004年9月4日，温家宝批示：“山洪灾害频发，造成损失巨大，已成为防灾减灾工作中的一个突出问题。必须把防治山洪灾害摆在重要位置，认真总结经验教训，研究山洪发生的特点和规律，采取综合防治对策，最大限度地减少灾害损失。”2004年，由水利部牵头，会同国土资源部、中国气象局等有关部门，成立了全国山洪灾害防治规划领导小组，开始编制全国山洪灾害防治规划。2006年10月，全国山洪灾害防治规划报告通过审查，旨在研究和探讨山洪灾害发生的特点和规律，科学、合理地谋划防治对策和防治方案，逐步建立和完善防灾减

9、灾体系，为中国日趋危殆的山洪灾害现状确定了防治规范。按照规划目标，到2010年，中国将在山洪灾害重点防治区初步建成“以监测、通信、预报、预警等非工程措施为主，非工程措施与工程措施相结合”的减灾体系。1.2 山洪灾害预警系统研究方法1.2.1 山洪灾害主要特点1、突发性强山洪灾害多由暴雨所致，由于暴雨强度大，加上特定的地质、地貌等下垫面条件，导致山洪来势凶猛。河南省山丘区以变质岩、严重风化的石灰岩和花岗岩等组成的山体居多，易冲蚀，有利于滑坡、崩塌和泥石流的形成；山丘区坡陡谷深、高程起伏大，产汇流快。由于河南省境内河流众多，比降大，因此，汇流迅速，洪水涨势猛，极易产生山洪灾害。从降雨到山洪形成一般

10、只几个小时，甚至在一个小时以内，较难进行准确的预报和防治。2、来势凶猛、破坏性强由于山区河流底坡陡，流程短，流速快，冲击力强，破坏性大，对工矿、交通及居民生命财产的危害都十分严重。其破坏性强的突出表现是造成人员伤亡和基础设施损坏严重，恢复难度很大，有的甚至具有毁灭性。2003年7月上旬淮河南部山区普降暴雨，商城县长竹圆乡北战村，在7月10日突发泥石流，流速12.3 m/s，冲毁房屋一间，一家三口全部死亡。3、季节性强、频率高降水是诱发山洪、滑坡、泥石流的主要原因，在降雨较多的年份地质灾害发生的频次也明显偏高。汛期49月，特别是主汛期68月，是山洪灾害多发期。在同一流域，甚至同一年内有可能发生多

11、次山洪灾害。据湖南省统计，湖南全省汛期发生的山洪灾害约占全年山洪灾害的95%，其中68月份发生的山洪灾害约占全年山洪灾害的80%以上。4、区域性明显，易发性强山洪主要发生于山区、丘陵区及岗地，特别是位于暴雨中心的上述地区，暴雨时极易形成具有冲击力的地表径流，导致山洪暴发，形成山洪灾害。1.2.2 山洪灾害成因山溪洪水灾害的发生主要与气象、地形地貌和人为因素等有关。突发性的暴雨洪水是造成山洪灾害的主要因素，暴雨形成原因也就是洪水灾害形成的主要原因，再加之人为因素、地形地貌的影响，更促成了山洪灾害的形成。1、降水是引发山洪灾害的最直接原因降雨年内分配不均、年际变化大等特点，由于产生降雨的条件不同，

12、汛期具有强度大、极易造成山洪灾害。从山洪灾害的分类统计看，长历时高强度降雨及暴雨会使山洪暴涨、山坡土层含水量饱和，土体软化、强度减弱，加之雨水沿断裂或岩石裂隙渗入地下，导致溜塌、蠕动、浅层滑坡及泥石流大量发生，强大的水动力条件和河谷中不良地质发育，成为山洪灾害产生的环境条件。2、地形是导致山洪灾害的基础因素陡峭的地形地貌为洪水、泥石流、滑坡提供了强大的势能，使降雨产生的径流顺坡而下，向沟谷汇集，快速形成强大的洪峰流量，进而诱发泥石流和滑坡的发生。3、人类活动是加剧山洪灾害发生的重要因素良好的地面植被可以起到固土保水的作用，对于山洪灾害的防治具有重要的意义。植被能够防止流水对地面的冲蚀、能够减缓

13、地表径流的汇流速度，减少山洪的发生与危害。人类生产、生活、工程建设等活动对环境的破坏，使自然植被损毁，加剧了水土流失和环境的持续恶化，为降暴雨转换成山洪灾害提供了有利条件，成为山洪灾害形成与发生不可忽视的重要因素1.2.3 山洪灾害的防治对策对山洪灾害的防治可采用工程措施和非工程措施进行防治。工程措施包括：山洪沟、泥石流、滑坡治理；水利工程除险加固，山洪灾害威胁区水土保持治理等。非工程措施包括：气象、水文监测系统，预警预报系统和决策支持系统建设等。本项目主要研究山洪灾害的非工程防治措施。1、建立气象、水文监测系统根据山洪突发性、区域性的特点，在小流域上，在泥石流和滑坡重点地区，增加降雨和水文观

14、测站点，重点地区布设雨量自动监测预警站，实时监测降雨过程，分散的居民区则可安装人工观测的简易雨量桶，收集降雨资料，分析降雨强度对山体滑坡、泥石流的影响程度。2、建立图片、视频多媒体监测系统因为图片和视频多媒体的直观可视性，给人身临其境的效果，在泥石流和滑坡重点地区，增加图片、视频多媒体监测项目，平时按一定的间隔时间传输静态图片，在发生灾情时启动摄像功能，实时动态传输现场灾情的发生变化过程，为防汛抢险和灾情评估收集第一手资料。3、建立预警预报系统建立准确的采集、传输系统和预警预报系统，实时收集流域内的降水、水位和流量等信息，建立多模型的水文、地质预报系统。其主要构成包括：数据分析、处理系统；水雨

15、情查询、监控系统；山洪灾害强降雨预警系统；洪水预报及泥石流、滑坡灾害预警预报系统等。4、建立山洪灾害决策支持系统建立山洪及地质灾害数据库，编制山洪灾害的预防预案，组建山洪灾害的通讯系统，山洪灾害的防治指挥系统以及灾害评估系统等。5、建立山洪灾害防治的法规政策体系通过法律和政策的手段强制性进行山洪灾害风险区控制和管理，规范、约束人类各种无序活动造成灾害加剧的行为，从根本上防止已遭破坏的生态环境继续恶化。健全和完善有关法律法规，特别要使山洪灾害重点防治区内退耕还林和移民搬迁、生态环境保护等方面的政策、法律、法规得到严格执行。6、提高公众的防御山洪灾害意识在山洪易发区活动，人们思想上时刻绷紧防御山洪

16、这根弦。在平时应做好宣传训练，使群众了解熟悉报警信号和转移路线；一旦险情来临或山洪初发，监测责任人或第一个发现的村民，就要采取急骤鸣锣、放铳、打电话、拉警报器等预先设定的群众知道的信号，责无旁贷地迅速向下游村组、农户报警，同时向当地政府及防汛部门报告，以便政府和防汛部门立即向下游更大范围施放警报、广播通知或通讯报警，组织抢险救援。1.3 山洪灾害预警系统建设目标按照“安全、先进、高效、可靠”的建设目标，水文监测及远程预警系统为山洪灾害防御系统工程的核心，其建设的总体目标为：应用稳定可靠的信息采集设备和成熟先进的通信手段，收集防汛基础资料，将流域内的实时雨情和水情快速准确地发送到防汛指挥中心；在

17、当前计算机软、硬件基础上，建设完善、合理的防汛信息综合数据库，实现水情信息的自动采集、实时传输和有序存储，使水情信息在局域网上共享；利用WWW技术，选用B/S模式，建立实用、可靠、高效、先进的信息查询显示系统；研制流域洪水预报预警系统，对洪水大小和发生时间作出准确的预测，并通过专用网络、公用网络和广播电视媒体对灾区群众发布；建立快速实用的灾情评估系统和灾后建设管理系统。1.4 山洪灾害预警系统设计依据1.4.1 水文测报系统设计依据1. 2005年全国山洪灾害防治规划2. SL61-2003水文自动测报系统规范3. SL34-92水文站网规划技术导则4. SL/T102-1995水文监测系统设

18、备基本技术条件5. SL199-97水文监测系统通信电路设计规范6. SL/T149-95水文数据固态收集系统通用技条7. SL/T180-96水文监测系统设备监测终端机8. SL224-98水库洪水调度考评规定9. SL1089水文仪器术语的规定。10. GBJ9586水文测验术语和符号标准的规定。11. GBJ9586水文情报预报规范的规定。1.4.2 计算机软件设计依据1. GB/T 15261989 信息处理、数据流处理、程序流程图、系统流程图、程序网络图和系统资源图的文件编制符号及约定2. GB/T 85661995 信息技术、软件生存期过程3. GB/T 85671988 计算机软

19、件产品开发文件编制指南4. GB/T 93851988 计算机软件需求编制指南5. GB/T 93861988 计算机软件测试文件编制指南6. GB/T 114571995 软件工程术语7. GB/T 125041990 计算机软件质量保证计划规范8. GB/T 125051990 计算机软件配置管理计划规范9. GB/T 134231992 工业控制用软件评定准则10. GB/T 135021992 信息处理、程序构造及其表示约定11. GB/T 137021992 计算机软件分类与代码12. GB/T 140791993 软件维护指南13. GB/T 140851993 信息处理系统、计算

20、机系统配置图符号及约定14. GB/T 143941993 计算机软件可靠性和可维护性管理15. GB/T 155321995 计算机软件单元测试16. GB/T 155381995 软件工程标准分类法17. GB/T 156971995 信息处理、按记录组处理顺序文卷的程序流程18. GB/T 158531995 软件支撑环境19. GB/T 162601996 信息技术、软件产品评价、质量特性及其使用指南20. GB/T 166801996 软件文挡管理指南21. GB/T 175541998 信息技术、软件包、质量要求和测试1.4.3 防汛综合数据库设计依据1. NFCSDSSOD12

21、国家防汛指挥系统工程中央决策支持系统总体设计2. NFCSDSSOD01 国家防汛指挥系统工程实时水雨情库表结构3. NFCSDSSOD02 国家防汛指挥系统工程工情信息数据库表结构设计4. NFCSDSSOD03 国家防汛指挥系统工程社会经济信息库逻辑设计5. NFCSDSSOD04 国家防汛指挥系统工程工程图形库逻辑设计6. NFCSDSSOD06 国家防汛指挥系统工程历史大洪水数据库逻辑设计7. NFCSDSSOD08 国家防汛指挥系统工程超文本库总体设计8. NFCSCMSST02 国家防汛指挥系统工程总体设计实施纲要1.5 山洪灾害监测系统研究综述大量研究表明，要想有效防治山洪灾害，

22、首先要加强监测预报。为此，研究集中在分析山洪灾害的成因及揭示灾害形成的机理上，并把山洪预报作为研究重点。在预报模型构建上，由传统的统计回归、自回归模型，逐步向采用统计预测模型、神经网络预测、智能预测模型、数值模拟计算方向发展；由单纯预报临界降雨量或可能性预报，逐步变为能预报临界降雨、警戒避难雨量以及危害范围和危害程度等多功能模型；由过去只采用历史统计资料和实测资料，向采用高精度定点的气象预报数据相结合的方向发展。在监测预报上，由过去的人员观测和仪器监测相结合的方式，逐步发展为监测仪器和计算机相结合进行自动监测预报；监测仪器和传感器由过去通过别的仪器移用改进，逐渐向专用高精度方向发展。在研究手段

23、上，由传统的对典型沟道的实地勘察，对某一范围区预报，逐步变为采用“3S” 技术和计算机建档信息系统相结合的手段，对具体的每条沟道任何地方进行定点定时预测预报。在预警系统上，结合各国国情和山区实际资源情况，采用先进的数据传递方式和手段，形成集气象预报、雷达技术、预测模型、仪器监测、网络和卫星数据传输等高新技术为一体，向建立高效定位的预报预警系统方向发展（周金星等，2001）。1.5.1 山洪灾害监测技术监测系统运用的先进技术有：（1）可靠的传感技术。各种类型的传感技术，声学、光学、力学和化学的传感技术。系统可自动监测的参数不断丰富。（2）所有可利用的通信技术。有线和无线通信技术，自建和公共通信网

24、等。系统的实时传输越来越快捷、准确。（3）计算机及电子技术。从单片机到个人电脑、服务器，从高可靠的RTU到双机冗余，系统功能和可靠性不断提高。（4）网络技术。从局域网到广域网，从数据库到数据共享，为预报提供了更好的数据基础。系统地为地方乃至全国的防汛、水资源调度及时提供准确数据的能力越来越强。测报系统组网：超短波、短波、微波、卫星、GSM、GPRS、PSTN。计算机网络：光纤、网桥、公共通信。1.5.2 监测系统组成山洪灾害监测信息系统由采集层、控制层、传输层和处理层组成，见图1.1。雨量、水位、流量和视频等构成采集层，感知气象、水文信息的变化，并将其转化为开关量、脉冲量、数据量或模拟量等信号

25、传送给二次仪表。监测终端作为监测预警站的控制中心，控制传感器采样、采样结果处理、控制通信设备传输、智能判断通信成功与否、监控供电系统并自检工作状态，控制终端的智能化程度反映监测系统的先进水平。传输层担任监测预警站信息到中心站的通信任务，根据具体的环境和经费，可选择无线通信方式的超短波信道、GSM公网、卫星或有线通信方式的光缆、PSTN程控电话等，一般情况选择超短波作为主信道，任选另外一种作为备份信道。建议选择GSM公网比PSTN程控电话要好些，传输方式的选择对水情信息的实时性、系统的稳定性和通信误码率有影响。处理层为水文信息的第一个目的地，可能继续通过计算机网络或其它方式向上级传输。处理层负责

26、接收水文信息，并进行解码、检错、判断、分类、存储、显示、报警等操作，保证数据准确、实时接收，并以直观的图表方式表达出来。通常，需要对水文信息进行再加工，预报水文要素未来可能出现的情况。图1.1 山洪灾害多媒体监测预警预报系统组成1.6 山洪预警系统现状利用现代化的通信和自动化设备，将江河流域内各雨量、水位站点的降雨和洪水信息，实时地采集和传输到洪水控制中心，经过数据处理和分析，及时掌握流域洪水动态，并利用数学模型，做出未来沿岸洪水预报，再通过现代化通信设备向社会发出洪水警报。1.6.1 山洪灾害防治规划目前我国防御山洪灾害的能力十分薄弱，加之，由于人们缺乏对山洪灾害的防灾避灾意识，在河道边、山

27、洪出口一带建住房、搞开发，不断侵占河道，乱弃、乱倒、乱建、乱挖，使河道不断淤塞，泄洪能力严重萎缩，进一步加剧了山洪灾害的损失。虽然新中国成立以来，修建了一些防治山洪灾害的工程设施，但由于山洪灾害分布范围广，大部分山洪泛滥区依然处于无设防状态，缺乏有效的工程措施，一旦暴发山洪灾害，防不胜防。国务院2006年10月27日颁布实施全国山洪灾害防治规划。力争到2010年，在山洪灾害重点防治区初步建立以监测、通信、预报、预警等非工程措施为主并与工程措施相结合的防灾减灾体系，减少群死群伤事件和财产损失。到2020年，在山洪灾害重点防治区全面建成非工程措施与工程措施相结合的综合防灾减灾体系，在山洪灾害一般防

28、治区初步建立以非工程措施为主的防灾减灾体系，最大程度地减少人员伤亡和财产损失，山洪灾害防治能力与山丘区全面建设小康社会的发展要求相适应。国家对山洪灾害的防御提出了“以防为主，防治结合”、“以非工程措施为主，非工程措施与工程措施相结合”、“全面规划、统筹兼顾、标本兼治、综合治理”和“突出重点、兼顾一般”四大原则。怎样在防御山洪工作中贯彻这些原则，是需要深入研究的问题，要注重整合利用各部门现有资源和设施，构建信息平台，实现资源共享，最大程度地发挥已有资源的效益。1.6.2 洪水预警信息发布方式1、原始洪水预警方式山洪灾害危险区大多位于边远山村，交通不便，通信预警手段原始落后，个别地方甚至没有通讯设

29、施，缺乏基本的通信手段。同时，部分驻扎在乡村的林场、公路等垂直管理部门的山洪灾害防御无预警体系、无紧急避险应急预案等。当发生洪水时，只能依靠人员逐户传递，或敲打铜锣预警。2、现代洪水预警方式以水文监测信息为主要信息源，同时提供人工监测输入接口。决策支持系统利用历史信息和实时雨量等基础信息，结合气象、水情及地质灾害监测信息，生成自动或人工预警发布指令。山洪灾害预警发布系统将信息通过电话、手机和大功率预警广播点发布到公众网已覆盖的乡镇、村组和农户。辅以暴雨灾害自动监测预警器作为通信盲区，或群测群防的简易暴雨监测预警手段，保证系统功能完整和无缝覆盖。2 山洪灾害监测控制系统终端设备是山洪监测系统中的

30、主要设备，负责采样、数据处理、存储、控制发送等任务。根据其完成的任务，监测系统终端分为监测预警站RTU终端、中继站RPT终端和中心站CTU终端。根据数据传输方式，监测终端机分为三类：自报式、应答式和自报应答兼容式。河海大学水文自动化研究所的科研人员在分析总结国内各种型号监测设备经验与教训，消化吸收国外技术的基础上，根据用户的需求，研究开发出功能符合国内水文信息化需求、性能可以与国外设备媲美的YDZYL916型监测预警控制终端，技术上有所突破和创新。YDZYL916型监测预警控制终端于2003年通过了水利部水文仪器质量检测中心的测试。2.1 监测终端可靠性研究可靠性通常被定义为：“在规定的条件下

31、和规定时间内所允许的故障数。”数学表达式为平均故障间隔时间(MTBF)。国际上早在1995年对这传统的可靠性定义提出了质疑，在欧洲开始用无维修使用期(MFOP)取代原先的MTBF，摒弃随机失效无法避免的旧观念，对设备的可靠性提出了更高的要求。2.1.1 可靠性理论山洪灾害监测系统是由一组零件（元件）、部件、子系统或装配件（统称为单元）构成的、完成期望的功能、并具有可接受的性能和可靠性水平的一种特定设计。有人认为“系统所有单元的可靠度为90%，则系统可靠度为90%”，这是系统可靠性的认识误区，系统可靠性与系统内单元的排列组合有关。对于串联系统，系统的可靠性与组成单元可靠性的关系为：nRs= Ri

32、 （2.1）i=1式中 Ri 为系统内单元的可靠度；n 为组成系统的单元个数；Rs 为系统的可靠度。串联系统中，可靠性最差的单元对系统可靠性的影响最大。对于并联系统，系统的可靠性与组成单元可靠性的关系为103：nRs=1- (1-Ri) （2.2）i=1并联系统采用冗余设计增加系统的可靠性，导致设计难度加大，成本、重量、体积等增加。山洪灾害监测系统是个复杂的系统，采用分布式网络结构，每个监测预警站独立向中继站或中心站发送水情信息，因中继站位置较高，易受雷击，可靠度低，有时采用热备份中继来提高全系统的可靠度。在进行系统设计时，可采用下述方法来提高系统的可靠性。2.1.2 提高元件可靠性元件是构成

33、各部件的最小单位，也是可靠性设计的起点，在选择和使用元件时必须从可靠性的角度考虑，这对提高整个系统可靠性非常重要。一、元件老化处理电子元件的早期失效率很高，需要进行老化处理。建议在正式使用之前使元件在严格的条件下加电工作一段时间，这样得到的元件基本上可进入偶然失效期，由此构成的系统工作稳定，可靠性高。二、元件的选择对电阻进行选择时应充分考虑其阻值、额定功率、误差、温度特性、线性度、频率特性、噪声、稳定性等指标。由电容问题引起系统故障的概率较高，在设计系统时除了对电容认真选型外，还要尽量采用高质量的产品。在集成电路方面，使用时要按照器件说明手册提供的各种参数如工作条件、电器逻辑特性等综合考虑，正

34、确选用。三、元件的降级使用元件都有其额定工作条件，适当降级使用可使元件的失效率降低1到2个数量级。元件的额定工作条件包括多个方面，如电气条件、机械条件、环境条件等，在确定了工作条件后，宜选用额定工作条件远高于实际工作条件的器件。2.1.3 提高单元可靠性监控系统是由多个单元通过串联、并联、冗余等方式构成的，提高其可靠性必须首先提高各个部件的可靠性，在此基础上还要对系统进行优化设计。传感器、监测终端、通信等设备是监测系统中现场数据采集系统的关键硬件设备，其可靠性对整个系统的影响很大。一、系统电源电源本身的波动以及经电源进入系统的各种干扰对系统的影响特别严重，因此供电系统必须十分可靠，要保证即使系

35、统其它部分失效，电源也应正常工作。野外监测预警站电源主要采用12V蓄电池和太阳能板供电，并对太阳能充电进行控制，对蓄电池的容量进行预测，将测量结果报送到中心站，便于管理人员掌握设备运行状态。避免使用交流电，减小雷击概率，提高监测预警站的可靠性。二、隔离电磁干扰是影响可靠性最主要的外部因素，为了克服电磁干扰对监控系统的影响，必须采用隔离技术。在前端数据采集系统的设计中，不同位置的隔离应采取不同措施：在I/O部分，数字量一般采用光电隔离，模拟量输入则采用各种隔离放大器进行隔离，隔离器件需要特殊供电时，其电源通过DC/DC变换器与主机系统进行隔离。同时，在隔离系统中，还要注意电源匹配，即被隔离的两部

36、分电路必须采用各自的电源进行供电，不需要隔离的两部分电路则采用统一的电源供电，并保证一点接地以降低不等电位干扰。三、屏蔽系统中各个部分都可能存在耦合干扰，如在同一电路板内电路间的耦合、板间耦合、I/O信号线间的耦合、电源线与系统的耦合等。解决耦合有两种方法，一是抑制干扰源，二是保护易受干扰的通道，而屏蔽则是两种方法的结合。抑制干扰源最有效的方法是规避，使易受干扰的通道远离强干扰源，比如强弱信号线尽量避免平行相邻走线，尽可能使两者分层正交；电源线及驱动功率器件（如继电器）的信号线在板上及系统内应单独走线，在各种I/O模块的同一电缆排内不允许混合安排强弱两种信号线等。此外，对干扰源应进行屏蔽，合理

37、的屏蔽可以消除电场干扰，减少电磁干扰。四、接地接地是各种抗干扰的关键措施，如处理不当，不但得不到满意的效果而且还会造成系统故障，因此对接地问题必须十分慎重。采用了诸如模拟放大器、模拟开关、D/A转换器等高精度模拟器件的电路板，板上所有的模拟器件的地端必须一点并联相接，即一点接地，各地线应尽量放宽。进行模拟输入信号屏蔽的接地时，如果信号源端不接地，差分放大电路端接地，则屏蔽体应在放大器端接地，接地时应保证从放大器至大地的电阻尽量小；如果信号源端必须接地，差分放大器端不接地，则屏蔽体应在信号源端接地。如果信号源端和差分放大器端均必须接地，则对信号必须采用隔离措施（如变压器或光电隔离）。保护接地是指

38、机柜及内部器件的接地，如果内部器件与机柜的接触不好，则应以铜带将其与机柜相连，机柜也以铜带与地相连。接地电缆（铜带）宜采用焊接方式连接。五、冗余和容错设计冗余和容错设计是承认发生故障的可能。为保证即使某单元出现故障系统仍能正常工作，应采取必要的措施使系统具有容忍故障的能力。冗余和容错设计需要增加冗余单元或冗余分系统，虽然会增加系统投资，但这样提高了系统的可靠性，所以是十分必要的。冗余和容错设计要解决几个关键问题104：（1）故障检测：为了保证在系统某一部分出现故障时能够及时发现，必须有在线检测措施。（2）冗余部分的切换：准确及时地检测出故障后，还要及时安全地切换冗余部分。（3）故障部分的修复：

39、为保证容错系统的高可靠性，必须尽量减小各单元或分系统的MTTR（故障修复时间）。为此，应努力提高各单元和分系统的修复性和维护人员的技术水平。如果通信和数据传输出现问题，将严重影响监测系统的可靠性，并且在雷暴恶劣天气发生时的水文信息特别重要。监测系统的数据传输通常采用超短波信道，天线架高易遭雷击，所以在有条件情况下增设GSM备用传输通道来提高其可靠性。另外，还要充分考虑在通信过程中来自外界的各种干扰和误码的影响。2.1.4 监测终端可靠性设计监测终端是监测预警站的司令部，要求其可靠性高于其它模块的可靠性，必须从电源、电路、元气件等各个方面进行认真细致的设计。一、外设电源控制对于监测终端来说主要有

40、两种外设：传感器和通信设备，对外设电源的控制也有机械继电器、电子继电器、可关断可控硅等多种选择。机械继电器具有固有的寿命，但其抗电气冲击的能力非常大，能够承受较大的瞬时过载，在关断状态时对于来自负载的雷电反击具有很强的抵抗能力。固态继电器和可关断可控硅等电子类继电元件则具有较小的功耗和较快的开关速度以及非常长的正常使用寿命，但其抗冲击能力和抗过载能力不足是其至命的缺点。机械继电器基本不会出现突然失效，而电子类继电器就会因为某种外因导致其突然失效，在监测终端的设计中，可靠性是摆在第一位的，所以所有外设的电源控制都采用经过严格性能测试的优质机械继电器。监测预警站主板的耗电量很小，传感器的耗电量视传

41、感器的种类不同而有所差异，但最大不超过0.2A。通信系统的耗电量最大，5W电台的发射电流约2A，25W电台的发射电流约56A。用继电器控制电台加电时，继电器的触点电流要大。YDZYL916型监测预警控制终端主板上一个1A的日本进口继电器，用于控制传感器上电，电源接口板上的大继电器用来给电台加电。大继电器的触点电流为20A，富余量较大，有利于继电器的长期稳定工作。二、电台发送限时保护正常工作时，监测预警站的电台处于间歇工作，即平时处于掉电状态，需要发送信息时，监测终端控制电台上电，发送信息，完毕监测终端控制掉电。另外，超短波电台可设置长发控时，通常设置为30s，即连续发送时间超过30s时，电台会

42、自动回到接收状态。三、监测预警站防雷抗静电保护因感应雷的影响可能烧坏监测预警站的设备，规范要求监测预警站除安装避雷针外，通信馈线接口应装同轴避雷器，避雷器接地端电阻小于4。监测预警站供电电源线和信号线都采用屏蔽线，屏蔽线要求接地。设计与外部线缆连接的接口电路时，考虑了防雷措施，在所有的信号线和电源线上都设计了防雷元器件，使各信号线和电源线之间的电压配备，保证设备上没有大电流通过；另一方面，使用抗静电芯片。这样，基本保证感应雷对监测预警站设备的影响，从而提高了设备的稳定可靠性。四、抗电磁干扰由于监测、中继站都和无线电发射台放置在一起工作，故工作环境比较恶劣，要求电路要有较强的抗干扰能力。虽说电路

43、中每一个部件的工作频率都不高，布置电路板时仍按照高频电路的要求严格走线，保证每一条信号线都有自已的最短回路，从而使各信号之间不形成串扰；其次是加强了电源退耦，离每一芯片的电源引脚的最短距离处都有一个退耦电容；再次是采取了大面积的接地，这是布板最艰辛也是抗干扰最有效的手段。一方面大面积的地线层相当于一张反射网，能有效地反射来自空间的干扰，另一方面由于大面积接地使所有板上的的元件工作在几乎一个地电平上，因而所有板上信号的参考点是一致的，有更好的容噪性能。五、信道纠检错无线电波在空气中传播会受到同频干扰，环境噪音的影响等，使传播过程中的电磁波扭曲变形，中心站将解调出错误的信息。为了避免这种情况，在一

44、帧字节的最后添加一个冗余字节，这个冗余字节是根据前面的字节计算出来的。监测预警站将采集的信息及冗余字节一起发送到中心站，中心站收到信息后，按照与监测预警站相同的计算方法，计算冗余字节，如果计算的冗余字节与接收的冗余字节一样，则认为数据传输是正确可信的。监测系统中，通常采用一字节的BCH码或二字节的CRC码作为冗余字节。YDZYL916型监测预警控制终端无线通信一帧数据的字节数不多，纠检错码的计算方法采用BCH码。六、环境适应性通常，监测预警站安装在野外，环境比较恶劣。如果在监测预警站建设站房，条件相对较好；有时因资金短缺，监测设备就安装在水泥杆上，这就要求监测设备对环境的适应性。YDZYL91

45、6型监测预警控制终端在线路设计、线路板制作，元气件选择及机箱制造等方面都考虑了环境适应性问题。YDZYL916型监测预警控制终端的正常使用温度范围：-30+60，湿度范围：95%，40不凝露。七、监测终端自检在CPU本身正常的情况下，可以担负对其它芯片进行自检操作。选择几个最重要的芯片，如时钟芯片、存储器和电压温度芯片，对其存储器进行写读操作，根据错误的类型，给出相应的错误码报文。系统的自检功能是提高监测系统可靠性的一项重要措施，目前监测系统的自检功能仅局限于对系统某个局部出现问题发出单纯告警，功能单一，应该确立监测系统全面的告警点，只要监测系统在某一环节出现问题，立刻发出紧急告警，使维护人员

46、能够及时了解和解决监测系统中出现的问题，并且不论监测系统有无故障发生，都能够自动或人为地生成自检报告。2.1.5 监测终端软件可靠性设计软件设计采用了自下而上的设计原则，在各功能模块编写完毕并经过严格的测试后再有机地组合成一个完整的系统，由于程序较大，存在多个任务并发的情况，如监测中继站正在测量数据时有来报要中继，监测预警站在测量时有按键、编程器命令要执行等，在不影响稳定性的条件下参照Windows机制引入了实时多任务功能，使得软件各功能单元得以同步执行。由于监测终端引入了信道侦听，在信道忙时不发送，这就会造成数据报文的积累，特别是作为中继站使用时更为显著。为避免造成报文丢失，开辟了一个发送缓

47、冲区最少可以暂存20条报文，这样就大大减少了由于信道繁忙造成的报文丢失。软件可靠性则引入了“软件看门狗”的概念，整个软件由若干模块组成，在规定的时间内程序必定要遍历所有功能模块，否则可视为程序已受到干扰，不喂硬件看门狗以产生一个硬复位信号，系统回到最初始加电状态重新运行。2.2 信息采集控制YDZYL916型监测数传终端装置（RTU），是一种低功耗、高可靠性、优良操作性的多功能、远距离数据采集传送装置，由多种专用模块组成。通过配接相应的传感器，自动实时或定时地采集水位、雨量、流量、气压、风速、风向、温度、湿度和现场图象等要素，或者与其它具有RS485接口标准的智能传感器、终端联网，完成现场数据

48、采集。同时对数据进行处理、存储，并利用无线、有线信道，采用定时自报、实时自报或应答查询的方式，向中心站发送信息。终端控制功能分为现场自动控制和远程指令控制，当监测终端采集的时段雨量超过报警临界值或水位超过报警值，终端自动启动现场的报警设施，播放报警信息；当监测终端接收到远程中心站的报警指令，启动现场的报警设施，播放报警信息。系统的所有功能由硬件和软件共同实现，硬件是系统的物质基础，对系统的稳定可靠性硬件起到关键的作用。故从主板线路设计和芯片选型在满足系统功能要求的前提下，坚持稳定、可靠、低功耗的原则。RTU主板按功能主要分为信息采集、固态存储、通信电路、供电电路和按键显示五大部分，各部分在主控

49、电路的控制下有序地工作，硬件逻辑框图见图2.1。双向485总线中央处理器MPU高精度实时时钟大容量固态存贮器兼容CCITT V.21的调制解调器4-20mA接口脉冲量接口开关量接口频率信号接口格雷码接口RS232信号接口其他信号接口电源监视管理控制单元系统状态监视电路人机对话单元系统参数存贮和校验单元图2.1 监测终端硬件逻辑框图2.2.1 传感器的适应性一、传感器的种类水情自动测报系统中，监测的水情要素主要为雨量和水位。随着监测技术成熟，自动测报系统在气象信息监测、闸门自动控制、大坝安全监测、水质监测等领域也得到广泛应用。系统需要监测的传感器品种很多，具有各种不同的信号输出接口。如监测雨量计

50、有脉冲输出和485信号输出，监测水位计品种繁多，有标准420mA模拟量、标准485信号、格雷码、BCD码和标准232信号等，气象信息监测传感器有降雨、气压、温度和风速风向，大坝安全监测通常用振弦式渗压计。监测预警控制终端适应性表现在对传感器的种类的适应性，可以监测当前国内使用的所有传感器，而且还能监测闸门或泵站的启闭状态。非采样时间，传感器处于掉电状态；采样时刻，监测终端控制传感器上电，因不同的传感器上电初始化时间有差别，上电时间选择监测终端连接的所有传感器中要求初始化时间最长的。为了适合不同的传感器上电初始化的要求，监测预警控制终端设计了传感器初始化时间参数，到达采样时刻，YDZYL916型

51、监测终端控制传感器上电，等待初始化时间后，监测仪向传感器发送取数命令，接收传感器送回的采样值。二、传感器的数量另一方面的适应性表现在对传感器数量的适应性，每台YDZYL916型监测预警控制终端可连接一个雨量传感器和30个其它类型的传感器。数据采集时，从485总线上根据传感器的网络地址采用应答方式采样，变化了的数据则通过通信系统传送到中心站。三、传感器的采样周期翻斗式雨量传感器，采用事件触发方式采样，其采样周期是变化的。其它要素的采样方式是定时采样，不同的观测要素有不同的采样周期，可由用户设定各种不同的采样周期，最小周期为5s，最大周期为24h。对一个监测终端，所连接的多个传感器设定相同的采样周

52、期，应取所有传感器中需要的最小周期，控制信息的时段变化量来判断是否将采样信息发送出去，将有效地减少信息发送量，减小无线信号的碰撞概率，同时，也有效地减少监测预警站的功耗。监测终端按周期检测传感器值的变化情况，先给传感器上电，等待传感器初始化时间，采取所有传感器值，若有传感器值变化，则给通信设备上电，依次将变化了的传感器数值发送出去，完毕控制通信设备掉电。2.2.2 传感器的控制一、水位消浪滤波处理按照规范要求，水位观测要使用静水井，但事实上很难满足要求，如在黄河上建立水位观测井，小连通管易被堵塞；水库下游水流喘急，水位井中的水面波动。人工在老式自记水位计上摘录水位时，通过光滑去除波浪的峰谷值。

53、使用监测方法采集水位，根据水位井建设位置和波浪种类，设置传感器初始化时间，在设定的时段内连续多次采集水位，对采集的数据进行光滑滤波处理，使处理后的水位接近真实水位。二、传感器动态测试监测预警控制终端提供两种传感器动态测试方式。对于传感器本身有数值显示功能情况，用户可用编程器控制传感器上电，转动传感器，观测传感器显示的数值；对于传感器本身没有数值显示功能情况，用户可将编程器插入监测预警站机箱的编程器接口动态测试各传感器的当前值，随着传感器转动，编程器的液晶屏上显示传感器的变化值。2.3 传输通信控制YDZYL916型监测预警控制终端具有多种通信方式，当前常用的通信方式为超短波电台无线通信、短信通

54、信、卫星通信、光缆和程控电话。YDZYL916型监测预警控制终端选用了无线和有线兼容的调制解调器，具有无线通信和电话通信兼容的调制解调器接口，设计了标准232接口，可进行卫星通信和短信通信传输资料。2.3.1 通信设备适应性一、超短波电台对于常用的超短波通信，为了节约监测预警站的耗电量，通信电路和通信设备采用掉电工作方式，在需要发送信息时，监测终端控制通信电路和通信设备上电。YDZYL916型监测预警控制终端考虑了通信电台的差异，可以配接数字超短波电台、模拟超短波电台，带初始化过程的超短波电台，高电平启动PTT的超短波电台，低电平启动PTT的超短波电台。超短波电台的上电初始化时间为1-5s。自

55、报体制监测预警站由控制终端控制通信电路和通信设备上电，上电初始化时间范围在1-90s之间。初始化完毕，电台处于接收状态，监测终端控制电台PTT，使电台处于发射状态，等待n(ms)后，加载数据，发送传感器监测的信息。电台从接收状态转变为发射状态所需时间，不同型号的电台有所差异，再者，电磁波前端稳定性较差，发射一定时间的空码后再发送数据，通信较为稳定。等待的前导空码时间根据设备选型设定，变化范围在300800ms之间。二、GSM/GPRS模块YDZYL916型监测预警控制终端兼容短信通信方式，通过232串口与短信模块连接，使用标准AT指令与短信模块通信。当水文要素发生变化，自动编辑短信，控制短信模

56、块上电，短信模块上电登录网络的时间大约在3040s后，可发送数据指令，等待成功执行信息，检验指令执行情况。在10s内没有收到成功执行信息，则重发数据指令。YDZYL916型监测预警控制终端可存储4个短信目标地址，将水文要素同时发送到多个目的地。通过GPRS无线IP网络服务器可控制数据、语音和视频在GPRS无线公网上传输。三、ADSL路由器ADSL宽带业务，是通过新的技术在普通电话线路里加入了高频宽带信号，具有传输距离远、安装方便等特点，因而成为目前社会上流行的宽带接入方式。ADSL是非对称数字用户线，它是数字用户线（DSL）技术的一种，可在普通铜线电话用户线上传送电话业务的同时，向用户提供1.

57、58Mb/s速率的数字业务，在上行、下行方向的传输速率不对称。ADSL的局端设备和用户端设备之间通过普通的电话铜线连接，无须对入户线缆进行改造就可以为现有的大量电话用户提供ADSL宽带接入。根据实际测试数据和使用情况，在目前大量采用的0.4mm线径双续电话线上，速率为3.6Mbit/s下行和512kbit/s上行的ADSL传输距离可以达到23公里。YDZYL916型监测预警控制终端通过IP网络服务器可控制数据、语音和视频在ADSL宽带上传输。2.3.2 通信体制兼容性一、自报体制自报式终端设备在监测要素发生一个单位的变化即主动将监测结果发送到中心站。自报体制是山洪监测系统的常用体制，具有低功耗

58、、高可靠性的特点，YDZYL916型监测预警控制终端设计了事件驱动的雨量自报和时间驱动的实时自报、增量自报和平安自报等工作方式，实现信息采集自动化。二、应答体制应答式终端的通信设备处于值守状态，当接收到中心站的查询命令时，终端采集传感器的数值，并将结果发送到中心站。在我国，绝对多数的监测系统都是采用自报体制，没有必要采用自报应答体制，因为应答查询的结果与终端自报的结果一样。三、自报确认工作体制常用的自报工作体制分为雨量事件触发自报和水位定时采样自报。当雨量传感器的翻斗动作，唤醒监测终端CPU工作，控制电台上电，将变化的累计雨量值发送出去，控制电台掉电后，CPU进入休眠工作状态。水位传感器的采样

59、时间通常设定为5分钟，通过时钟唤醒监测终端CPU工作，对水位传感器进行采样，比较本次水位采样值与上次水位值，若没有变化，则CPU进入休眠工作状态；若发生变化，则CPU 控制电台上电，将变化的水位发送出去，控制电台掉电后，CPU进入休眠工作状态。常用的自报工作体制能够监测雨量和水位的变化过程，但不管报出去的数据是否被中心站收到，是一种只管过程，不管结果的工作体制。为了降低同频干扰造成数据丢失的概率，改进了当前的自报工作体制，称作为自报确认工作体制，其工作过程分为雨量事件触发自报和水位定时采样自报。当雨量传感器的翻斗动作，唤醒监测终端CPU工作，控制电台上电，将变化的累计雨量值发送出去，等待中继站

60、或中心站的确认信号后，再控制电台掉电，CPU进入休眠工作状态，在5秒钟内没有收到确认信号，则重新发送报文，又等待确认信号，若还没有收到确认信号则向备份中继站发送报文，等待确认信号后，再控制电台掉电，CPU进入休眠工作状态。水位信息的采样发送过程以此类似。这种自报确认工作体制，对受干扰报文采用重发机制，可以大大地降低数据丢失的概率。2.3.3 信道侦听超短波自报式监测系统体制中，有可能多个监测预警站同时向外发送信息，这样就会发生同频信号的碰撞，使信号传输误码率增加。特别是在全流域普降大雨时，各站数据发送频繁，此时的信号碰撞概率最大。信道侦听是指监测预警站在发送数据前先侦听该信道上是否有正在传输的

61、信号，如果有则等待，直到信道空闲或等待时间超过5秒才将本站信息发送出去。信道侦听功能可大大地降低信号碰撞概率，是最有效的措施，所有的监测终端在控制电台上电后发送数据前，先侦听外界是否有同频电磁波，侦听到发送的建立时间为20ms，只有在这段时间内可能发生信号碰撞，增加信道侦听功能，信号的碰撞概率明显减小。如果两个监测预警站相距较远，监测预警站之间不能互相接收到信息，即侦听不能发挥作用，此时实际的信号碰撞概率可能会大些。2.4 终端全兼容策略监测终端的功能是信息采集和信息发送；中继站主要功能是接收监测资料和转发监测资料；中心站终端功能是接收监测信号解调为数字信号向串行口输出。从三种设备全兼容的可能

62、性分析可知，是完全可行的。因为三种设备都具有调制解调功能，即都可以将数字信号调制为音频信号，也可以将音频信号解调为数字信号。这是三种设备可全兼容的基础。另外三种终端全兼容是很有必要的，提高了整个监测系统的稳定可靠性。2.4.1 监测预警站作为中继站监测系统中，中继站担负多个测站的转发工作。中继站出现故障，其下属所有监测预警站的信息都无法转发到中心站，有时通过建立热备份中继来提高系统的稳定可靠度。YDZYL916型监测预警控制终端兼容监测预警站和中继站，作为监测预警站时，中继站号为零，在资料发送完毕后，电台掉电，处于省电状态。作为中继站时，中继站号不为零，电台一直处于值守状态。因此，在系统设计时

63、，将中继站附近一个或几个监测预警站的发送完毕掉电时间设置为10s，便于在这个时间内可以接收到中心站的参数修改命令。一旦中继站故障，在很短的时间内，可在中心站计算机上发布修改终端参数的命令以使监测预警站临时担任中继站的工作，而不影响系统运行。不必立即去现场修改终端参数，缩短了除障恢复时间，提高了工作效率。2.4.2 监测站之间传递信息洪水从上游传播到下游，因此，流域上游发生暴雨时，对下游的居民是相当危险的。YDZYL916型监测预警控制终端内预制下游相关站的站号或GSM模块号码，当本地降雨超过临界值时，本地报警的同时，向下游监测站也发送报警信息，下游站收到上游站报警信息后，立即启动本地报警声音。