2.2 系统设备硬件选型及通信方式的确定

一个最基本的水情自动测报系统，至少应由若干个遥测站和一个中心站组成。系统运行的基本流程如图2-1所示。水情自动测报系统可实现下列功能：

（1）遥测站自动实时采集、暂存和发送水情数据。

（2）中心站实时接收遥测数据，并进行存储、打印及数据处理。

（3）中心站能及时对洪水过程进行预报，做出防洪调度方案。

（4）系统可与用户其他监控、管理计算机管理系统交换信息。因此系统的设备硬件选型及通信方式的确定是水情自动测报系统能否安全运行的重要的组成部分。

2.2.1 水情自动测报系统通信方式选择

一个水情自动测报系统成败和效益的高低，除了水文站网的合理规划外，就决定于通信方式的设计了。由于水文遥测站大多处于山区，地形起伏，必须保证遥测信号能够全部、正确地传输到中心站。并且通信网络最简单，投资少，维护容易。盘石头流域水情测报系统采用自报式的工作体制。

前面已经介绍过，作为最理想的偏远地区及大范围多路数据通信方式当属卫星通信。Inmarsat国际卫星移动通信系统和VSAT卫星网系统更适于水情数据的传送。

2.2.1.1 卫星通信

目前国际上中、小型卫星通信系统种类较多，而适合于国内水文自动测报通信的卫星系统有两种：亚洲2号VSAT通信卫星系统和Inmarsat-C海事卫星系统。

1.亚洲2号VSAT通信卫星系统

VSAT通信卫星定位于东经105°的赤道上空，在中国境内的各站天线仰角比较高，不易受站点的地平线仰角的限制。目前我国气象、水利、电力、农业等部门都分别购买了其中的转发器，它通过一个中心主站和很多远端遥测小站组成星型结构网络。这样的网络主要以数据通信为主，也可以在主站和小站之间或小站间提供话音、图像及其他综合信息业务。

VSAT通信卫星水情自动测报系统由卫星主站和野外卫星地面遥测站组成。

根据以上原则和淇河流域的地理特点，该流域卫星通信系统不适合建设独立的卫星主站，宜租用水利部卫星主站实现卫星通信。

2.Inmarsat-C海事卫星系统

Inmarsat国际移动卫星组织（原名国际海事卫星组织）是一个提供全球移动卫星通信业务的国际合作组织，创建于1979年，总部设在英国伦敦，目前拥有87个成员国。Inmarsat初创时旨在为海上用户提供移动通信业务服务，随着其业务的发展，目前它已经成为世界上唯一为陆海空用户提供全球卫星移动通信、公众通信和遇险安全通信的业务提供者。

Inmarsat通信系统由3部分组成：空间段、地面站和移动终端。空间段包括卫星系统、地面测控站和网络协调站。目前使用的是第三代卫星系统，工作在全球波束和点波束，通信覆盖除极区以外的整个地球。主用卫星4颗，分别覆盖大西洋东区、太平洋、印度洋和大西洋西区四个洋区，另有7颗备用卫星。地面站提供卫星和陆地通信网连接的接口，目前全球共有30多个地面站。移动终端按其功能分为：Inmarsat-A、B/M、C、Mini-M、Inmarsat-Aero和D等类型，按其应用可分为海用、陆用和航空终端。

我国水利水电管理部门在20世纪90年代初就开始考虑采用卫星通信来解决超短波通信的难题。Inmarsat-C系统应用在无人值守的水情遥测站上具有与其他通信系统较为优越的特点，简述如下。

（1）可靠性高：Inmarsat-C系统用户终端采用L频段，该频段对雨衰非常小，约为0.2dB，恶劣天气（尤其是雨季）不会影响通信。Inmarsat-C通信系统有4颗主用卫星，另有7颗备用卫星，整个通信系统非常可靠（原为全球海上遇险安全通信和航空通信设计）。

（2）数据传送时间比较短：数据报告方式传送数据，从发送端到接收端为40s左右，非常适合于要求传输数据快、传送信息量小的稀路由用户，如无人监控、数据采集的应用，非常适用于水情测报、输油输气管道监控、地震、森林及海洋等领域数据监控。

（3）设备轻巧：Inmarsat-C终端天线很小（重0.75kg，尺寸124mm×150mm），雨季不致遭到雷击，终端设备轻（重约1.3kg，尺寸50mm×180mm×165mm），易于运输、安装和维护，适用于水情遥测站。

（4）无人值守：Inmarsat-C终端省电，睡眠状态下耗电仅为30mW，可用太阳能供电。中心站可遥控野外无人值守站。

（5）投资少、运行费低：利用Inmarsat-C建立通信系统，用户只需购买终端自行组网。设备价格比其他系统卫星通信设备廉价。

（6）建设速度快：所有市场销售的Inmarsat-C终端都已经过Inmarsat的批准，用户只需购买终端办理入网即可使用，故系统的建设速度快。

（7）Inmarsat-C通信费率及收费情况：在水情测报方面Inmarsat-C工作方式大多为终端到终端数据报告方式，这种方式的通信费用为：1包（8Byte）0.12SDR；2包（20Byte）0.15SDR；3包（32Byte）0.18SDR，其中SDR为一种货币结算单位，为Special Drawing Right的英文缩写。1SDR相当于11元人民币，目前水情测报上，1包数据就可满足要求，包括雨量信息、水位信息等，1包数据通信费用约1.3元人民币，即一次测报数据为1.3元人民币，除此之外没有任何费用，包括信道占用费、月租费和年费。

Inmarsat-C水情自动测报系统由中心控制站和野外无人值守站组成。

（1）中心控制站。

1）组成：Inmarsat-C终端、RTU（远程测控终端单元）、工业PC机、UPS（不间断电源）、操作软件等。

2）功能：随时接收Inmarsat卫星转发的各无人值守站上报的水情数据，对数据进行检查、存储、显示、打印等处理；向所有或某个无人值守站发送控制命令，包括控制每天发送次数、校时等；按设定的时段间隔，计算出各雨量站的时段雨量值；统计上报数据的次数及工作状态，检索数据；用户要求的其他功能。

（2）野外无人值守站。

1）组成：野外无人值守站由传感器（雨量、水位等）、Inmarsat-C终端、数据采集控制器、RTU、人机接口装置、太阳能电池板蓄电池组等。

2）功能：野外无人值守站的主要任务是自动实时采集、存储雨量及水位数据，按照设定的时间和时间间隔，通过卫星向中心控制站传送数据。

Immarsat系统通信网点的设备可以小型化到便携式程度，其通信范围可覆盖全球，大到可将陆地、海上、空中三部分结合一起形成全球性的通信网，实现多点通信，适合远海、航空、高原山区和荒原僻地使用。

Inmarsat与VSAT通信方案的比较见表2-1。

通过上述比较，可以看出，VSAT卫星通信用于水情自动测报系统遥测站有一定的缺陷，因为VSAT卫星通信有严重的雨衰现象，经映秀湾VSAT卫星水情自动测报系统工程实际比测，当降雨量不小于25mm/h时，VSAT卫星通信中断。VSAT终端设备和天线体积大，易遭雷击，设备功耗高，需大容量蓄电池和太阳能光板，因此每个遥测站必须建房，必须修建牢固的混凝土天线基座，必须建立避雷针及敷设接地网。土建工程量大并且费用高。但VSAT卫星通信系统优点是传输数据量大，速度快。这些优点用于计算机网络联网是适宜的，但对于水情测报遥测站数据量较小的数据传输，无法发挥其作用。Inmarsat卫星通信的优点在于无雨衰、功耗低，终端设备体积小；遥测站仪器设备一体化，防雷击性能强，无需土建，无需敷设接地网，便于安装、维修。结合流域的地理位置，水情自动测报系统采用Inmarsat卫星方案的组网如图2-2所示。

2.2.1.2 水情自动测报系统设备硬件选型

结合监测指标和设备的生产情况，一般通过技术和经济的比较确定系统设备硬件设备。一般遥测站的设备选型综述如下。

1.遥测站的RTU基本结构及组成

卫星遥测站的RTU由硬件结构及软件结构两部分组成，现场安装如图2-3所示。

RTU是用来发送遥测数据，遥测站数传终端机具有模块化结构的完善软件，以实现数传终端的各种基本功能和灵活的多功能扩展配置能力，并完成终端设备的自保护、自检测、故障自排和自恢复正常运行。

2.雨量传感器

雨量传感器以我国南京水利自动化研究所生产为主。降雨经过进水漏斗流入翻斗，当水量达到定值后引起盛水一端翻斗翻转，并由磁钢磁吸合（或释放）舌簧管产生一个通断电信号，此电信号作为计数脉冲。接着由翻斗另一边盛水作下一次计量翻转。JDZ05-1型翻斗式雨量传感器如图2-4所示。

3.感应式水位传感器

感应式水位传感器是近几年国内出现的高科技产品，如图2-5所示传感器的特性如下：

（1）测量数据准确可靠、抗干扰能力强。该技术采用了数字式直接取样检测的方式，与传统的模拟量检测方式比较，驱除了模糊量，回避了信号漂移，使系统更加稳定可靠。

（2）可实现远传。传感器的信号传送线不需屏蔽，用普通电线即可远距离输送，一般信号线可达5km，远传型可大于20km。

（3）适应性强。不受强水流的泥沙污物的影响，可检测泥浆或其他液态物料位。

（4）可实现传感器断线和故障报警。分辨率信号有0.5cm、1.0cm、2.0cm等多种规格。为了区分零水位和信号线中断，在传感器设计中安排了零水位信号。

（5）防漏、防腐。传感器电器部分全部由防水绝缘材料灌铸，整个传感器为表面光滑的圆棒形固体传感器，耐氧化抗腐蚀，经久耐用，基本上无需维护、维修。

（6）标准工业通信接口。输出为RS-232/485通信口（单独使用传感器必须配备变送器，变送器电压220V/50Hz）。

（7）安装简便。传感器可悬空、直立垂直吊装，也可按不同场合进行贴壁安装。

（8）适应温度∶-30～50℃。

（9）组态方式先进。可以根据实地使用对传感器进行设置，并可嵌入各种渠道类型的流量计算参数。

（10）数据转存方便。USB接口，数据能够按文本文件方式用U盘转存，便于后期的数据分析处理。

（11）具有高可靠性，密封不锈钢壳体，强度高，三防处理，抗腐蚀，内部安装牢固，无外部引线，适合野外无人环境应用。

（12）特低功耗，无需外部供电，采样时间短，非采样时功耗极低。内置电池可连续工作6个月。

（13）配套手操器可提供全中文提示，为用户提供了良好的人机界面，通过手动置数，可对各种参数进行设置、查询、修改等。

（14）内置实时时钟，精度可调整，可以准确记录采样时刻的时间。

（15）仪表内配有大容量的数据存储器，对所有设置的参数和测量数据会长久保存，即使去掉电池，数据亦可保存期10年以上。

（16）仪表内置科学的数字滤波方式及防波浪功能，能够有效地解决波浪对水位测量的影响，使测量值稳定、真实、可靠。

2.2.2 遥测站简介

完整的遥测站由数传仪（RTU）、雨量传感器、感应式数字水位传感器（TC-401）、蓄电池组、太阳能电池板、Inmarsat卫星终端及其天馈线等，如图2-6至图2-8所示。雨量遥测站和雨量水位遥测站的拓扑图如图2-9和图2-10所示。

2.2.3 中心站设备组成

中心站计算机网络采用局域网系统，该水情测报系统采用自报式体制，中心站包括前置机、工作站和服务器。前置机主要是接收和处理数据，并把数据以共享的方式提供给工作站进行洪水预报，服务器主要是存储和管理数据。工作站安装有洪水预报软件，通过读取前置机的实时数据进行实时洪水预报。中心站设备组成如图2-11所示。