（水文学及水资源专业论文）取用水户水量实时监测与管理决策系统.pdf

摘要 论文题目：取用水户水量实时监测与管理决策系统 学科专业：水文学及水资源 研究生：万军峰签名： 指导教师：解建仓教授签名： 汪妮副教授签名： 摘要 日益严重的水资源短缺问题己成为制约我国经济发展和围扰人民日常生活的大问题。 由于缺乏严格、准确、实时的用水计量手段，致使水资源的浪费现象普遍存在。为解决水 量计费问题，促进水资源的合理利用，建立一个取用水户水量实时监测与管理决策支持系 统，首先，要考虑到监测站点地理分布广泛、分散因素，要进行集中管理，满足管理现代 化的要求，还应考虑用合理的通讯方式和网络结构将各个测站联成网络，建立供水计量监 控网络系统。其次，必须要在充分利用现有的水工建筑物进行用水量计量的前体下，选择 适合在线测量、经济、简便的测流方案。通过对不同测流方案的流量计算的比较，选择合 理、经济、实用的方案达到控制水量的目的。最后，根据实际水利业务应用的调查归纳进 行了应用软件的架构与设计，将其划分为几个子系统( 取用水户水量实时动态监视系统、 水资源分析评价系统、管理决策支持系统) ， 论文主要研究内容及成果概述如下： ( 1 ) 在分析现有远端监控单元的优缺点的基础上，提出利用目前发展迅猛的s o p c ( 片 上可编程) 技术实现数传设备的方案，为水量实时监测管理系统的建设打好硬件基础。 ( 2 ) 水量监测方式与方案分析比较，根据构建省、市、县三级用水户水量实时监测管 理系统的需要，结合考察实际现有工程情况，以期选择出最佳解决方案。 ( 3 ) 应用w i n d o w ss e r v e r2 0 0 0 、o r a c l e 数据库、v i s u a lc 十+ n e t 等多种技术根据 实际应用情况，在调查归纳的基础上进行了应用软件的整体架构与设计，并根据业务内容 集中处理的思想划分各个子系统，并分别对各个子系统进行功能模块的详细分析与设计。 关键词：水量、实时监测、管理系统、s o p c 、g p r s 、数据库、子系统、模块 西安a 匣_ t - 大学硕士学位论文 f l u xr e a l - t i m es u p e r v i s i o na n dd e c i s i o ns u p p o r tm a n a g e m e n ts y s t e m m a j o r ：w a t e rr e s o u r c e sa n dh y d r o l o g y n a m e ：w a n j u n f e n gs i g n a t u r e ： s u p e r v i s o r ：p r o f j i a n c a n gx i e 。s i g n a t u r e ： a s s o c i a t ep r o f n iw a n g s i g n a t u r e ： a b s t r a c t w a t e rs h o r t a g ep r o b l e mt h a tr e s t r i c tt h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n dd i s t u r bp e o p l e sl i f e h a sb e e nm o r ea n dm o r es e r i o u s l y t h ew a s t e f u lo fw a t e rr e s o l l r o ci sc o i m b o ne x i s t e db e c a u s e 1 e s so fam e a s u r e m e n tm e t h o dw h i c hi ss t r i c t ，a c c u r a t ea n dr e a l - t i m e i no r d e rt os o l v et h e m e a s u r e m e n tp r o b l e mo fw a t e rq u a n t i t y , p r o m o t et h ee f f e c t i v ed i s p a t c h i n go fw a t e rr e s o u r c e ， s e tu par e a l t i m es u p e r v i s i o na n dd e c i s i o ns u p p o r tm a n a g e m e n ts y s t e mo fw a t e rq u a n t i t y , t h e f i r s tc o n s i d e rt l l i n gi st h el o c a t i o nw h i c hi sw i d es p r e a d f o rt h ep u r p o s eo fc e n t r a l i z e d - c o n t r o l a n dt h ed e m a n do fm o d e mm a n a g e m e n t , t h es i t es h o u mb ec o n s i d e r e dt oc o n n e c tb yu s i n g r e a s o n a b l ec o m m u n i c a t i o np a t t e ma n ds u i t a b l en e t w o r kf l a m e ，t h ew a t e rs u p p l ys u p e r v i s i o n a n dm e a s u r e m e n tn e t w o r ks y s t e ms h o u l db ec o n s t r u c t e d s e c o n d l y , t h ee x i s t i n gh y d r a u l i c e n g i n e e r i n gb u i l d i n g ss h o u l db eu s e dt om e a s u r et h ew a t e rq u a n t i t yo nt h ep r e m i s e ，t h ep r o p e r o n l i n ef l o wm e a s u g e m e mp r o j e c tw h i c hi se c o n o m ys i m p l ea n dc o n v e n i e n ts h o u l db es e l e c t e d b yc o m p a r i i l gt h e f l u xc o m p u t eo fd i f f e r e n tm e a s u r e m e n tp r o j c c t ，c h o s et h er e a s o n a b l e ， e c o n o m y , p r a c t i c a lo n e t og e tt h ea i mo f w a t e rq u a n t i t yc o n t r 0 1 f i n a l l y , t h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r e s h o u l d b ec o n s t r u c t e da n dd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ha n dc o n c l u d ef r o mh y d r a u l i c o p e r a t i o n ，d i v i d e di ti n t os e v e r a ls u b - s y s t e m ( w a t e rq u a n t i t yr e a l 。t i m ed y n a m i cs u p e r v i s i o n s y s t e m ，w a t e rr e s o u r e ea n a l y z ea n de s t i m a t es y s t e m ，d c e i s i o ns u p p o r tm a n a g e m e n ts y s t e m ) t h em a l nr e s e a r c hc o n t e n ta n dr e s u l t sa g ea sf o l l o w ： ( 1 ) b a s e do nt h em e r i t sa n dd e m e r i na n a l y z eo fp r e s e n tr e m o t es u p e r v i s i o nu n i t ，p u t 目录 f o r w a r dau n i td e s i g np r o j e c tt h a tu s et h ea d v a n c e ds o p c t e c h n o l o g yt os e tab a s i sf o rd e c i s i o n s u p p o r tm a n a g e m e n ts y s t e m ( 2 ) a n a l y z ea n dc o m p a r et h ed i f f e r e n tp r o j e c ta n dm o d eo ff l u xm e a s u r e m e n t ，a c c o r d i n g t ot h et h r e el a y e r sc o n s t r u c tw h i c hi sr e q u i r e df o rp r o v i n c e ，c i t ya n dc o u n t y , r e f e r r i n gt ot h e p r e s e n te n g i n e e r i n gs i t u a t i o n a n dt h e nt h eb e s ts o l u t i o nc 跖b es e a r c h e d ( 3 ) w i t hs u c ht e c h n i q u e sa sw i n d o w ss e r v e r2 0 0 0 、o r a c l e 、v i s u a lc + + n e t , t h e o v e r a l la p p l i c a t i o nf r a m e w o r ki se s t a b l i s h e d t h eo p e r a t i o nc o n t e n ts h o u l db ed i v i d e di n t o s u b s y s t e ma c c o r d i n gt ot h ec e n t r a ld i s p o s a lm o d e ，a n dt h ed e t a i ld e s i g na n da n a l y z et oe a c ho f f u n c t i o nm o d e ls h o u l db ep r e s e n t e d k e yw o r d s ：w a t e rq u a t i t y ；r e a l - t i m es u p e r v i s i o n ；m a n a g e m e n ts y s t e m ；s o p c ；g p r s ；d a t a b a s e ； s u b s y s t e m ；m o d u l i 绪论 1 绪论 1 1 研究的背景与意义 1 1 1 研究背景 水利事业是国民经济发展的基础。2 1 世纪的中国，随着经济和社会的发展，洪涝灾 害、干旱缺水、水污染严重等水资源三大问题日益突出，已经严重制约着国民经济和社会 发展。缺水已成为城市经济发展和人民生活改善的制约因素。这个问题在西北地区尤为严 重。西北地区干旱少雨，年均水资源总量为2 3 4 4 亿立方米，仅占全国总量的8 ，可利 用量不足1 2 0 0 亿立方米“。特殊的地理和气候条件，加上社会经济的迅速发展，人口的 急剧增加，致使西北地区水资源紧缺的矛盾日益突出，生态环境严重恶化。西部地区特定 的自然地理条件决定了水资源在西部经济和社会发展进程中的极端重要性。由于自然、历 史等多方面的原因，西部水利发展严重滞后，主要存在着水资源配置不合理、开发利用效 率低、水土流失和水污染严重、抗御洪涝灾害的能力差等问题。水的问题已成为西部地区 社会经济发展、生态环境改善的重要制约因素。加快西部水利事业的发展在实旌西部大开 发中具有举足轻重的战略地位。 水资源总量不是无限的，根据2 0 0 4 年全国调查的结果，全国水资源总量2 8 4 0 5 亿m 3 。 主要集中在长江、珠江和西南诸河三片，占总水资源量的7 4 ，黄、淮、海、辽四片水资 源量仅占9 ，我国北方地区缺水的形势很严峻，部分地区和流域的水资源开发利用程度 已接近或超过水资源和水环境承载能力“1 。在缺水的同时，我国用水浪费严重，单方水 g d p 产值和工业万元产值用水量远低于发达国家”1 。全国城市自来水管网的漏失率大多在 2 0 3 0 之间“1 。从水环境状况来看，全国水环境的总体状况没有根本好转，水资源短缺 和水环境恶化问题产生的原因，除了我国江河自然状况十分复杂，水土资源分布极不平衡 外，深层次的原因是水资源管理失衡。 为了解决好新世纪水的问题，全国水利发展“十五”计划和到2 0 1 0 年规划中确定 了调整治水思路、转变治水方针的原则，要实现从工程水利向资源水利的转变，从传统水 利向现代化水利、可持续发展水利转变。在这个历史性转变过程中，水利信息化作为水利 现代化的重要内容，是实现水资源科学管理、高效利用和有效保护的基础和前提“”1 。 水利信息化，指的是充分利用现代信息技术，深入开发和广泛利用水利信息资源，包 括水利信息的采集、传输、存储和处理，全面提升水利事业活动的效率和效能。为实现建 设节水型农业、节水型工业和节水型社会的目标，改善人民生活、生产条件，保护和改善 生态环境，提高水的利用效率和水资源合理开发与优化配置，只有用现代水利的思路，全 西安理工大学硕士学位论文 面规划，统筹兼顾，因地制宜，突出重点，加强水利基础设施建设，促进水资源综合开发 与合理利用，才能保障水资源的可持续利用，保障经济和社会的可持续发展”1 。 本研究就是在这样一个大的时代背景下，为解决取用水户水量实时监测与管理等问题 进行的研究。本研究的主要目标是构建一个高效的、灵活的取用水户水量实时监测与管理 决策支持系统，以期望在解决水资源有限供给和水资源总量不足的矛盾，解决各行各业之 间用水合理分配的问题上有所贡献。 1 1 2 研究意义 我国是一个水资源严重短缺的国家，西北地区水资源短缺问题更是突出，随着经济与 社会的发展解决水资源短缺问题已经是迫在眉睫，但是水资源开发利用潜力有限，所以要 在实旆工程的同时，利用现代科学技术，强化水行政主管部门对水资源开发、利用、节约、 保护、治污和中水回用等环节的全过程管理。充分发挥市场调节机制在配置水资源中的基 础性作用，调整供水结构，优化水资源配置，统筹工程联合运用，千方百计提高水资源承 载能力和利用效率，以水资源的可持续利用全面推进经济社会持续稳定的发展。因此，从 取用水户的监测管理入手，利用现代科学技术手段，实现水资源优化配置，提高水资源管 理利用效率和水资源管理水平，是解决水资源问题的重要途径，也是水利现代化建设的必 然选择。 取用水户水量实时监测与管理决策支持系统必然会加速水资源管理的深度与广度。随 着人类对生态环境保护、经济社会发展、文明进步、文化传承与水的关系的认识的深化， 水资源管理涉及的领域进一步拓展、深度进一步加深。传统的管理方式与手段已无法适应 现代社会发展的需要，必须采用现代科学技术，改造传统管理模式，提高水资源管理水平。 取用水户水量实时监测与管理决策支持系统的建设必然会提高水资源管理的能力。传 统的管理方式统计汇总时间长、错误率高、效率低下，不能对巨量数据进行有效的分析与 处理，无论管理精度还是效率都无法满足社会的要求。提高管理的技术含量是解决管理力 量不足的最有效方法和途径。当前，由于受制于管理力量的不足和人工监督的局限性，取 用水户计量装置不完善、计量设施损坏问题得不到及时发现与纠正，水资源的定额管理也 就成为一纸空文，更谈不上水资源的优化配置，因此，实施取用水户水量网络实时监控是 唯一有效的手段。 取用水户水量实时监测与管理决策支持系统的建设必然会有利于水资源管理的规范 化和加强信息共享。由于水资源管理涉及到的数据量程几何级增长，采用传统的人工处理 方式，不仅无法满足水资源管理数据的实时更新、快速准确的浏览查询、决策统计分析的 需要，而且，由于水资源管理信息的大量产生，如果水资源管理信息标准化、规范化工作 不到位，将会导致数据标准不一、数据存储混乱等问题，严重影响取用水户水量实时监测 管理等单一系统信息的有效支撑，更为严重的是从单一应用系统向水资源综合管理应用系 i 绪论 统发展中，产生新的信息瓶颈和障碍，影响信息资源共享，制约水资源管理水平的提高。 采用现代信息管理技术，建立水资源信息共享平台，是解决水资源管理信息标准化、实现 信息资源共享、避免重复建设的重要手段。 取用水户水量实时监测与管理决策支持系统的建设必然会促进城乡供水应急联动机 制建设的步伐。根据中央关于建设社会主义新农村、加快城镇化建设步伐的决定，在保证 工农业生产以及生态环境用水的同时，提高城乡居民的生活用水保证率已成为水资源管理 的重要任务之一。建设取用水户水量实时监测与优化配置管理决策支持系统，能准确把握 各类用水对象的用水特征和需水量，在水资源严重短缺的情况下，可以充分发挥水行政主 管部门的优势和作用，实时启动供水应急联动机制，统筹兼顾，合理调度本区域以及跨区 域的地表水、地下永等多种水资源工程，实现水资源的优化配置，最大限度地满足各类用 水对象的用水需求，在保障城乡居民生活用水的前提下，最大可能地提供工农业生产及生 态环境用水的保证率，缓解水资源供需矛盾。 取用水户水量实时监测与管理决策支持系统的建设必然会有利于实现水资源的一体 化管理。水资源管理不仅涉及到地表水、地下水、矿泉水的一体化管理，也涉及到工业用 水、水产养殖、人畜饮水等各个方面。目前，经济的建设步伐正在加快，因而对水资源的 合理开发、综合利用、节约保护提出了新的要求。为此，部分市县已经成立了水务一体化 管理机构，理顺了管理机制，但由于缺乏现代化的管理手段，水资源管理仍处于传统的分 散管理状态，水资源浪费现象依然十分严峻，水环境污染仍在不断加剧，取用水户水量实 时监测管理系统的建设，几乎涵盖了用水管理的主要方面，是实现水资源一体化管理的重 要支撑条件。 取用水户水量实时监测与管理决策支持系统的建设必然会加快水资源管理现代化的 建设。水资源管理是水利行业最为重要的组成部分，为了实现从工程水利、传统水利向资 源水利、现代水利、可持续发展水利的转变，以水资源的可持续利用来支撑国民经济的稳 定发展；把重点从对水资源的开发、利用和治理，转变为在水资源的开发、利用和治理的 同时，更为注重对水资源的配置、节约和保护；从过去对水量、水质、水能的分别管理转 变为对水资源的统一配置、统一调度、统一管理，在这个转变过程中，水资源管理信息化 是实现上述转变的重要技术基础和前提条件。建设取用水户实时监测管理系统、水资源综 合数据库，通过与已建成的防汛抗旱指挥系统水、雨、工、旱、灾情数据库的整合，可以 全面满足水资源监控管理与决策支持系统建设的需要，实时跟踪水资源时空变化，分析水 资源供需状况，协调城镇供水、工业用水、农田灌溉、环境用水等各类用水需求，为跨流 域水资源调配、水源调度、地下水开发利用等提供决策依据。及时进行水资源预警预报， 应对各种突发性水质事件和特大干旱条件下的水资源供需矛盾，全面实行水资源的现代化 管理。 西安理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 目前水量监测技术发展迅猛，但水量监测管理系统发展迟缓。取用水户水量实时监测 与管理决策支持系统的建设经查阅大量文献，还未建有相同的范例，相关领域有些相似的 一些小型的应用系统的建设，大多是些水务系统，供水调度系统等，这些系统国内外都有 不少。 a 国内 国内供水调度系统的应用始于8 0 年代初期，采用数字式分散型远动设备，功能单一。 8 0 年代中期以后，随着计算机和通信技术的高速发展，出现了微机测控系统，对供水调 度产生了实效。国内的系统大多数是国产设备，只有少数选用部分进口设备。国产设备经 过十多年的研究与开发，系统性能和可靠性有了较大提高，特别是计算机技术应用方面有 了长足的进步，而且开发了新一代分布式的s c a d a 系统，但在实际推广应用中还存在一些 问题。进入二十一世纪以来，发展快速 2 0 0 2 年东北大学马洪宾等利用g p s 技术对超大城市的供水管网进行了监测1 9 1 。 2 0 0 4 年上海大学卢胜利等人进行了引黄灌渠水流量的自动测量技术的研究，构建了 基于g s m 短消息的引黄灌渠水流量自动监测系统。该研究主要针对的是对渠系引水流量的 监测“”。太原理工大学的曾彦超等人研究了基于s m s 的地下水远程自动测报系统“。武 汉理工大曹文对多种多样的测量传感器进行了研究分析比对，基于分析结果实现了北京市 水资源监测系统“”。 2 0 0 5 年河海大学的沈鸿金等人采用水平式多普勒流速剖面仪为测速主机，实现了潮 流量自动监测系统。该系统主要用于对平原水网河口区感潮河段进行潮流量测验1 3 。 2 0 0 5 年4 月，中国矿业大学开发了一套先进完备的矿井用水量自动监测系统，实现 对各个实时监控终端机的数据收集和处理，从而完成对整个矿井涌水量的连续监测“。 2 0 0 5 年武汉市水务实时监测系统一期通过验收。该实时监测系统设立l o 余个实时水 位监测点，各大水厂、武钢、晨呜集团、百威啤酒等用水大户也设立了用水量实时监测点。 能全天2 4 小时自动监测城市的排水、供水、取水、水资源状况等一系列重要管理数据， 为决策者提供翔实的实时数据t l s j 。 2 0 0 6 年3 月，水利部水文局水资源处在江苏省盐城市组织编制了水资源水量监测 技术导则n “。 目前，在我国，同一区域内的不同用水户之间，一般按“以需定供”的原则来配置使 用权。即水用户根据需要向水行政主管部门提出取水申请，水行政主管部门根据流域天然 水资源状况进行平衡后，核定是否批准水用户的要求。当水资源紧张时，大致根据以下原 则配置：基本生活用水优先，保证粮食和食品安全的用水优先；根据自然地理条件，尊重 水源地和历史形成的用水习惯；在节约用水的基础上，上游优先于下游，主水优先于客水； 在水资源丌发建设中，投资多的优先于投资少的，等等“”。 4 1 绪论 b 国外 自上个世纪6 0 年代起一些发达国家就开始了以计算机作为供水系统辅助调度管理的 探索，如日本的东京、神户，美国的费城、华盛顿、丹佛及加拿大的多伦多等城市，就是 采用遥测设备将管网中控制点的压力、水厂出厂压力、出厂流量、水位、功率及温度等实 际运行参数自动适时地传送到中心调度室，并对超常现象作出自动报警，依此作为调度工 程师实际操作的依据。另外国外学者如：美国的k e l a n s e y 、r o b e r to e m o y e rj r 、 l e o r m s b e e ，英国的r s p o w e l l 、b c o u l b e c k 、p j o w i t t ，日本的k a z u m a s am u g u r u m a 、 m t u s k i y a m a 以及以色列的u s h a m i r 。c d d h o w a r d 等人也在调度管理的建模理论上进行 了许多有益的探讨。目前在美国、英国、日本、法国等地的一些城市已基本上实现了供水 系统的计算机优化调度管理，并编制了一些较为通用的调度管理软件，如英国的g i n a s 及美国的o p w a d 等。 城市供水计量或调度系统在国外应用计算机技术较早，发展速度较快，水平也较高， 现己普遍采用s c a d a 系统。系统以d c s ( 分布式控制系统) 为基础，采用网络结构、有线通 信媒体、高档微机或小型机、工作站、p l c ( 可编程控制器) 等硬件配置，软件采用模块化 及软件包化，系统功能强大，软硬件的智能化、标准化程度高，设备稳定可靠，基本取代 人工调度方式。 美国早在1 9 5 9 年就开始在俄亥俄河没立自动监测站，后来发展到对其他水体和湖泊 的监测。监测参数也因不同的需要由几个发展到十几个。目前，全美监测网共分1 2 个， 每个监测网由若干个自动站组成，约1 3 0 0 个全自动监测站随时监视着全美的水环境状况 1 1 盯 a 美国在中亚利桑那调水工程中大量运用自动化控制系统对渠道用水，管道输水进行 了严密的监控，它的有关的模块划分的思想值得借鉴 1 9 1 0 美国r d i 公司的c m l 2 0 0 型、c u 3 0 0 型超声波多普勒流量计，实现了系统对流量自动监 测，相关数据通过不同通信方式送到系统中心站，实时监测输水量啷1 。 德国q u a n t u m 用时差法原理进行流量监测，开发出时差法流量监测仪器，精度高，并 可基于仪器搭建实时监测系统“。 英国l o g i c a 公司组织人员和下格鲁水务公司合作构建了区域远程测量系统和分区计 量系统2 1 。 美国劳伦斯利博介绍了伯明翰市实现水管理自动化的有关情况。1 。 国外在水量分配上各个国家一般用水优先权来决策，一般规定家庭用水优先于农业和 其他用水，但在时间上则根据申请时间的先后被授予相应的优先权。当水资源不能满足所 有需求时，水权等级低的用户必须服从于水权等级高的用户的用水需要。其中，西班牙水 法规定，首先应根据用水权优先等级进行供水：在用水权优先等级相同的情形下，依照用 水的重要性或有利性的顺序进行供水：当重要性或有利性相同时，先申请者享有优先权。 日本河川法则规定：对于2 个以上相互抵触的用水申请，审批效益大者，不再考虑“先 5 西安理工大学硕士学位论文 提出者优先”的传统做法“。 水权作为私有财产，在美国可以转让，美国西部出现了水银行的水权交易体系，将每 年来水量按照水权分成若干份，以股份制形式对水权进行管理，方便了水权交易程序，使 得水资源的经济价值得以充分体现 2 5 1 。 1 3 研究内容与技术路线 1 3 1 研究内容 本课题研究的主要任务是建立一个取用水户水量实时监测与管理决策支持系统，并且 这个系统要有一定的可扩展性，能够根据决策者的需要综合分析评价地区水资源，以最直 观的形式把结果表现出来。本课题的研究内容主要包括以下几个方面： 1 、水量实时监测站的设计 水量实时监测管理系统的原始数据采集，依靠的是现场测量仪器和数传设备、通信设 备等基础设旄：其中数传设备是监测站的核心，对整个监铡系统的稳定性、可靠性、准确 性起决定性作用，本研究在分析现有各种远端监控单元的优缺点的基础上，提出利用目前 发展迅猛的s o p c ( 片上可编程) 技术实现数传设备的方案，为水量实时监测管理系统的 建设打好硬件基础。 2 、水量监测方式与方案分析比较 根据构建省、市、县三级用水户水量实时监测管理系统的需要，结合考察实际现有工 程情况，目前流量监测方式分为两大类：管道流量监测和明渠流量监测。对各种测流方法 与方案进行比较，以期选择出最佳解决方案。 3 、取用水户水量实时监测与管理决策支持系统的架构 根据实际应用情况，在调查归纳的基础上进行了应用软件的整体架构与设计，并根据 业务内容集中处理的思想划分各个子系统，并分别对各个子系统进行功能模块的详细分析 与设计。 1 3 2 技术路线 本文的职究对象是一个涉及到移动通信技术和水利信息化的复杂应用系统，技术上主 要涉及的有：自动化监测、通信网络、信息处理、地理信息、数据仓库、数据挖掘、中间 件等，目的是建设以数据平台、网络平台和应用平台为基本架构，实现以信息采集存储自 动化、数据传输处理网络化、调度决策支持数字化、信息技术应用普及化为标志的取用水 户水量实时监测与管理决策支持系统。以期解决水资源的合理调度、优化配置问题，提高 水资源管理利用效率、承载能力和水资源管理水平。实现对水资源的统一配置、统一调度、 1 绪论 统一管理。本文的研究思路如下： 首先，进行取用水户水量实时监测与管理决策支持系统的需求分析和可行性分析，提 出实现系统的总体设计方案，建立系统及各子系统框架。 其次，进行监测站设计。对监测站进行分类，对监测站功能进行界定，然后设计出对 应监测站的结构，对信息传输的设备进行选择，最终制定出合理的组网方式与通讯协议。 结合考察实际现有工程情况，对各种测流方法与方案进行比较，以期选择出最佳解决方案。 最后，在取用水户水量实时监测与管理决策支持系统的大框架下构造各子系统，使子 系统既有各自的功能特点，又能很好的服务于取用水户水量实时监测系统这个大平台。根 据实际水利业务应用的调查归纳进行应用软件的架构与设计，将其划分为几个子系统( 取 用水户水量实时动态监视系统、水资源分析评价系统、管理决策支持系统) 并分别对其进 行功能模块的详细分析与设计。 1 4 论文结构 本文的目标是设计一个取用水户水量实时监测与管理决策支持系统，使得该系统能为 实现水资源的实时监测、优化调度、信息集成、科学管理与决策提供一个现代化的信息平 台。论文各章节安排如下： 第一章，概述。本章主要介绍了论文的研究背景、目的意义及国内外研究现状 第二章，系统总体设计。本章从生产实际出发，设计了系统功能结构，从宏观上对信 息流程，监测站结构，网络拓扑形式，系统总体结构进行设计；对应用软件的各个子系统 进行架构设计。 第三章，监测站设计及测流方案比较。流量监测站是实现整个系统的硬件基础平台， 本章研究监测设备，数传设备，然后基于二者构建监测站结构，并对流量监测方式、方案 进行了分析研究。 第四章，取用水户水量实时监测与管理决策支持系统。本章描述了构建取用水户水量 实时监测与管理决策支持系统支撑平台所需的操作系统平台，数据库平台，程序开发平台 以及平台的安全策略。根据应用的需求对各个子系统进行架构，从结构，功能等方面进行 设计。 第五章，总结与展望。本部分对论文进行了总结。指出了取用水户水量实时监测与管 理决策支持系统还需要进一步改进和提高的方面 西安理工大学硕士学位论文 2 系统总体设计 2 1 系统整体框架与结构设计 2 1 1 水量监测工作体制 水利行业水利信息化自动化监测站通常采用自报式、应答式、自报，应答兼容式三种 工作体制，这三种工作体制各有特点“。 自报式工作体制是在监测站雨量、水位、水量等参数发生一个计量单位的变化时， 实时将实测的水情信息传送到中心站。这种工作方式功耗低，结构简单，可靠性 高，实时性强，能很好的反映雨量、水位、水量变化的全过程。 在应答工作方式下，遥测站自身能对水文参数的变化自动采集和存储，但不主 动传送给中心站。只有当中心站发出查询指令时，才将数据送出。其特点是控 制性好，分中心随时可向测站索取数据。这种工作方式，因监测站的设备长期 处于守候状态，因而功耗大。 自报应答兼容式，具有上述两种方式的特点，即能实时反应参数变化全过程， 又能响应中心站的查询，以及中心站对远程监测站的维护管理，其控制性能良 好，但其功耗较大。 综合三种工作体制的特点，本文水量实时监测管理系统拟在g p r s 双向通信模式的 支持下，采用自报应答兼容式工作体制。 2 1 2 信息流程 根据省、市、县对取用水户管理的权限，所有水量、水位监测信息均按照分级管理的 要求，自动接收辖区内的监测信息，定时汇总并向上级管理部门传报信息，其信息流程如 图2 1 b 2 系统总体设计 监 监测站 图2 - l 取用水户水量监测信息流程 f i g 2 - 1s u p e r v i s i o ni n f o r m a t i o ni m p l e m e n t a t i o np r o c e d u r eo f w a t e rq u a n t i t y 2 1 3 水量监测站结构 水量实时监测站由速度差超声波流量计或发讯式水表、浮子式，压力式，超声波式等水 位传感器、数据采集处理器r t u 、g p r s 通信机、人工置数装置、不间断电源u p s 等组 成，其系统结构如图2 2 所示，在实际建设过程中，根据特定监测站的情况，合理选择传 感器的形式及种类，即可构成水量实时监测站 9 西安理工大学硕士学位论文 多普勒超声波 2 1 4 网络拓扑 图2 - 2 水量实时监测站系统结构 f i g 2 - 2 f r a m e w o r k o f w a t e r q u a n t i t yr e a l - t i m e s u p e r v i s i o ns i t e 根据取用水户水位、水量实时监测管理的需求，结合防汛水利信息化建设的现有基础， 构建的取用水户水量监测管理中心网络拓扑结构如图2 - 3 所示， 1 0 图2 - 3 省取用水户水量监测管理中心网络拓扑 f i g 2 - 3n e t w o r kt o p o l o g yo fp r o v i n c e w a t e rq u a n t i t ys u p e r v i s i o na n dm a n a g e m e n tc e n t r e 2 系统总体设计 省内各市之间可利用已租用的防汛水利专用通信光缆，实现各市取用水户水量实时监 测信息的数据通信，并与省网络中心之间实现数据共享。对于未建立光纤专用通信专网的 县，可通过g p r s 、a d s l 、p s t n 等公共通信网络或租用光纤链路的方式，实现市与县 之间的资源共享。市级取用水户水量监测管理分中心网络拓扑结构如图2 4 所示， 图2 4 市取用水户水量监测管理分中心网络拓扑 f i g 2 - 4n e t w o r kt o p o l o g yo f c i t yw a t e rq u a n t i t ys u p e r v i s i o na n dm a n a g e m e n t s u b c e n t r e 县之间也可利用已租用的防汛水利专用通信光缆，实现县管取用水户水量实时监测信 息的上传：未建立光缆通信链路的情况下，可考虑采用g p r s 通信方式，实现监测信息的 传输。县取用水户水量监测管理工作站网络结构如图2 5 所示， 西安理工大学硕士学位论文 水 图2 - 5 县取用水户水量监测管理工作站网络拓扑 f i g 2 - 5n e t w o r kl o p o l o g yo fc o u n t yw a t e rq u a n t i t ys u p e r v i s i o na n dm a n a g e m e n ts i t e 2 1 5 系统总体结构 取用水户水量实时监测与管理决策支持系统由取用水户水量、地下水位自动监测站， 县级工作站、市级管理分中心网络平台、省管理中心网络平台，以及数据通信网络系统构 成，系统总体结构如图2 - 6 所示。 2 ，系统总体设计 2 1 6 系统总体框架 图2 - 6 系统总体结构 f i g2 - 6s y s t e mo v e r a l ls t r u c t u r e 取用水户水量实时监测与管理决策支持系统以满足水资源管理需求为主线，以构造水 资源管理信息化综合体系为且标，以全面提高水资源管理业务的效率和效能为宗旨，在各 类水利数据基础支持下，围绕水利技术，遥测技术，宽带网络技术建立的。系统框架如图 2 7 所示， 西安理工大学硕士学位论文 图2 - 7 水瓷源综合管理决燕支持系统桎架 f i g2 - 7i n t e g r a t em a n a g e m e n t a n dd e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m 打a m e w o r ko f w a t c rr e s o u r c e 由图2 7 可知，由数据集成平台、应用支撑平台和应用服务平台构成本系统的基础，它是 一个承上启下的业务，也承担着与行业外进行信息交换的任务，它是系统工程建设的核心。 数据集成平台的建设是系统开发的基础平台。应用服务平台，它包括了资源管理、信息交 换与共享、软件构件、模型和数据存取等部分，能为水资源综合管理决策业务的处理提供 信息及软件资源支撑服务，是重要组成部分a 】4 一! ：墨丝：垒堡堡兰 2 2 应用软件系统框架设计 2 2 1 监测管理数据库 取用水户水量、地下水位实时监测管理数据库的功能，主要是以计划用水与节约用水、 适时征收管理水资源费、分析水功能区水资源供需矛盾、合理调配水资源为目的，其结构 如图2 - 8 所示。 图2 - 8 取用水户水量监测管理数据库结构 f i g2 8s u p e r v i s i o na n dm a n a g e m e n td a t a b a s es t r o c t o l o f w a t e rq u a n t i t y 西安理工大学硕士学位论文 2 2 2 取用水户水量实时监测与管理决策系统结构 1 6 扫!l霉j叮1磐一事芎i，皇80is蕾苗巷磬曩昌口。趸8口口盆aol嚣艺ad嚣。昙辱蛊小z崔匠 霉姆螺瞩联卷群瓤埽藤翻鲁袜哪*皿长旺昏a曲匝 3 监测站设计及测流方案比较 监测站设计及测流方案比较 3 1 监测站分类与技术标准 a 监测站分类原则 根据取用水户的特点，结合取用水户水量实时监测的技术条件，取用水户水量实时监 测站按以下原则进行分类： 1 按照取水水源分类：由于取水水源的不同，其监测站的结构有所区别，因此可 分为地表取水、地下取水、混合取水三种方式； 2 按照取水用途分类：根据耗水型企业与非耗水型企业的差别，可分为水力发电 用户与一般用户； 3 按照取水量值分类：根据取用水量的大小，初步拟定为大型、中型、小型和普 通型用户四种。 b 监测站技术标准”1 取用水户水量实时监测站的设计必须要能满足以下技术标准； 1 可靠性：平均无故障时间m t b f 3 0 0 0 0 小时( 包括各类传感器，智能化仪表、 数据采集处理器、通信设备等所有设施在内的监测站) ； 2 流量监测精度；1 o ；分辨率：0 0 5 立米缈；瞬时流量计量：立米小时；累 积水量计量：立米； 3 水位监测精度：o 5 ；分辨率：0 0 0 1 米；水位计量：米； 4 数据传输误码：监测站数据发送误码率i 1 0 1 ； 5 测站数据存储： 3 0 天： 6 防雷接地要求：防雷接地电阻4q ； 7 测站环境温度：一2 5 8 5 ； 8 测站适应湿度：9 5 4 0 3 2 数传设备 3 2 1 以m c u 为核心的数传设备 目前，主要厂家的水量监测数传终端( r e x j ) ，是以8 9 c 5 1 为代表的高速单片微处理器 ( m c u ) 为核心，以大容量固态存储器、实时时钟、多种保护电路、接口电路为支撑，前端 与水量、水位、水质传感器相联接，后端续接数据通信模块，实现对监测量的采集、转换、 存储、编码与发送。 1 7 西安理工大学硕士学位论文 水量监测数传终端( r t u ) 大都采用模块化设计，结构简单，综合采用了防潮湿、防盐 雾、防震动、防雷电、抗电磁干扰等措施，具有良好的可扩展性、可维护性、可操作性和 高可靠性，能够在无人值守的情况下长期、连续地正常工作。它们的共同特点是可适应各 类流量计、雨量计、水位、水质、温度等传感器数字量、模拟量、开关量的接入，可与多 种通信方式相衔接，适应自报与应答混合式工作体制，是实现取用水户水量水质远程监测 管理的重要设备。以m c u 为核心的构成的系统如图3 - 1 所示 2 8 3 0 图3 - 1 以m c u 为核心的数传设备系统结构 f i g3 - 1m c u c o r gd a t at r a n s m i s s i o ne q u i p m e n ts l r u c u r e 但是m c u 构成的数传设备也存在很多问题，通常出现的问题可分为两类，一类是纯 技术问题，如软件设计，接口器件的选择或抗干扰措施应用等问题，这些问题通常属于可 解决之列。另一类则直接与m c u 本身相关，即与m c u 生之俱来的一些不可克服的缺点 和弱点相关，它们包括以下几个方面： ( 1 ) 低速。由于m c u 的工作方式是通过内部的c p u 逐条执行软件指令来完成各种运 算和逻辑功能的，无论多么高的工作时钟频率和多么好的指令时序方式，在排队式串行指 令执行方式( d s p 处理器也不能逃脱这种工作方式) 面前，其工作速度和效率也将大打折 扣。因此，m c u 在实时仿真，高速工控或高速数据采集等领域便显得力不从心。 ( 2 ) 复位工作方式。m c u 的另一致命弱点是：任何m c u 在工作初始都必须经历一个 复位过程，否则将无法进行正常工作。m c u 的复位必须满足一定的电平条件和时间条件 ( 长达毫秒级) 。在工作电平有某种干扰性突变时，m c u 不可或缺的复位设置将成为系统 不可靠工作的重要因素。而且这种产生于复位的不完全性构成的系统不可靠工作的隐患， 其出现方式极为随机和动态，一般方法难于检测。一些系统在工作中出现的“假复位”和 不可靠复位带来的后果是十分严重的。尽管人们不断提出了种种改善复位的方法及可靠复 位的电路，市场上也有层出不穷的m c u 复位监控专用器件，但到目前为止，复位的可靠 性问题仍然未能得到根本性的解决。这应当是m c u 的一种先天不足。 ( 3 ) p c 的跑飞。在强干扰或某种偶然因素下，任何m c u 的p c 都极可能越出正常的 程序流程而跑飞已是不争的事实。事实证明，无论多么优秀的m c u ，无论具有多么良好 3 监测站设计及测流方案比较 的抗干扰措施，包括设置任何方式的内、外硬件看门狗，在强