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地下管网水位监控系统
1 系统概述
1.1 项目背景
城镇排水系统是城镇建设、环境保护、防洪排涝的重要基础设施，关系到社会经济稳定发展和人民生活的安定，在保障城镇发展和安全运行中发挥着重要的作用。随着城镇的迅速发展，城镇排水管网系统越来越复杂、越来越庞大，对排水管网的运行管理、养护管理、应急防汛和科学决策等提出了越来越高的要求。但由于在管网的运行管理上缺乏掌握排水管网真实运行状况的技术手段，在养护管理上难以评估排水管网的日常养护效果，在排水管网的水力分析和管理决策上缺少必要的数据支持，遇到紧急情况无法依据实时变化信息以制定相应的应急措施，依靠传统的管理手段已越来越不能满足排水管网的现代化管理需要。
随着城镇的迅速发展，某些区域雨水管网的规划设计与建设由于历史的原因存在先天不足，根据水文水资源管理的资料统计，在近3年时间里，暴雨实际强度远远超过设计暴雨强度标准，雨水管网在暴雨灾害时运行负荷过重，导致城镇内涝。但是，雨水管网设计的某些先天不足有时很难通过管网改造弥补，中心城区许多道路下面的各种管网错综复杂，地下也已经很难提供管网的扩容空间，故而只有通过强化管理手段来提高区域排水能力，改善困难的局面。
1.2面临的问题
1）
应急排涝决策指挥缺乏有效的管网运行数据支
由于当前排水系统现状，造成排水管网应对突发事件的能力严重不足，一个突出的例子是特大暴雨夜袭周浦事件。据报道，2009年8月4
日的暴雨，3小时降雨量达223毫米，周浦镇13条主干道排水不畅，镇区居民受灾户数6339户，占21％；受灾面积达到87万平方米，进水1500户，停电1050户，停水3000余户。受灾企业共290户，48．9％。
因此，在城镇暴雨内涝应急指挥工作中存在以下问题： 难以及时准确地获得暴雨内涝时管网运行预警信息； 难以制定出不同等级雨情下科学的应急预案；
无法依据区域全局的管网运行情况合理指挥局部内涝漫水区域
的排水应急抢险工作。
2）
排水管网养护管理缺乏有效的监测技术手段
许多地区排水是合流制与分流制并存，部分排水系统存在雨污水混接现象，目前的排水管理还缺乏监测雨污混接状况的科学手段。由于晴天污水流速较低，导致混接的雨水管网淤积严重，有的管道甚至堵塞大半过水断面；城镇建设节奏的加快，有的建筑工地建设垃圾排放也会阻塞排水管网，然而由于地下管网的隐蔽性，日常养护人员缺少有力的工具方便的发现问题管段和乱排垃圾的用户。
日常养护作业人员缺乏现代化的监测技术手段来提升工作效率，目前，排水管网的养护管理存在以下问题：
难以有效评估管网的日常养护效果； 难以制定具有针对性的管网养护计划；
建筑工地乱排建筑垃圾难以监控，易导致管网堵塞问题； 由于养护清淤不到位而易导致河道环境污染问题。
3）
排水管网运行调度管理相对薄弱
一个完整的排水系统由排水泵站、窨井和管道组成。目前，不少地区已经建设排水泵站自动监控系统，泵站管理已经实现自动化和信息化，但是调度人员缺乏技术手段来掌握管网的实际运行状况，这是目前排水系统管理的薄弱环节。
目前，排水管网调度运行管理存在以下问题： 无法获得排水管网的真实运行数据； 缺乏对重要排水户的监控技术手段；
缺乏排水管网运行历史和实时数据的分析技术手段； 难以高效协调排水运行单位和排水养护单位协同工作。
1.3 项目目标
针对上述问题，通过为隐蔽性很强的地下排水管网系统装上“电子眼”，建设城镇排水管网水位监测信息系统，为城镇排水管理者提供观察、浏览排水管网动态运行状况的全新视角，减少由于排水管网隐蔽性导致的管理决策盲目性。
建设城镇排水管网水位监测信息系统，供运行管理、养护、监督、应急指挥等部门同时使用，通过本系统对排水管网水位的实时监测、分析、预警，能较早地发现问题和解决问题，变被动应对为主动预控，变局部关注为系统监控，大幅度提高区域防汛指挥能力。同时，为更好的研究排水系统之间的互通与利用，为管网改造工程提供了比较科学的参考依据。
2 系统架构
2.1 组网结构
本系统主要包括排水管网水位监测中心主站、通信网络、现场监测设备三部分组成，利用前端监控、数据采集设备的数据远传通讯功能和系统软件功能实现。采集数据，使监测中心通过简单而又经济的计量手段，实现对整个地区排水管网水位信息的实时监测，进而实现良好的社会效益和经济效益。
系统拓扑图： 管理单位局域网
GPRS通讯设备 服务器 管理人员 管理中心 监测人员 GPRS 通信网络 液位计 水位远程监测箱
N号监测站
液位计
液位计
水位远程监测箱
一号监测站
水位远程监测箱
二号监测站
2.2 架构组成说明
1）
监测中心主站
监控中心设在某管理部门，管理中心负责整个排水管网水位的监测。主要配置由数据库服务器、GPRS 前置机、监控软件、WEB数据发布等系统组成。 2）
通讯网络
GPRS网络是通讯运营商提供的数据无线传输网络，只要有GPRS信号的地方就能够支持数据无线传输，具有实时在线、覆盖面广、使用方便、按流量收费等优点。
本系统采用GPRS通信方式，系统主站的GPRS数据传输模块和每个监测终端内置的GPRS数据通讯模块都能通过网络通信，实现监控中心与现场测控终端的数据双向通信。 3）
现场主要监测设备：
GPRS 数据传输设备、液位采集器、液位计等。 液位计
测量地下液位数据。 液位采集器
液位采集器具有采集4-20mA数据、串口通讯等功能。需配合GPRS通讯设备才能完成液位数据实时上传的功能。 GPRS 数据传输设备
主要是实现前端设备与主站之间的数据传输功能，液位计数据经过GPRS通讯平台，发送并存储到系统主站服务器。
提供的液位计实时监测系统在保证计量准确度的基础上，以一体化液位监测终端和科学、有效的后台软件为平台，加上强大的数据分析理论和实践经验，对城镇排水管网水位进行管理监测。
2.3排水管网水位监测系统主要技术特点
1）
组网运营成本低
利用现有的网络资源作为通讯载体；利用公网或专网作为计算机中心与终端的数据传输载体，施工简单，运营维护成本低。采用模块化设计，便于后期维护。 2）
适用单位广
系统根据具体需求设计，软件功能可根据用户定制，满足数据监测、数据查询、数据统计的具体需求。系统适用于大型企业民用能源管理、水利局、供水公司、小区物业管理公司和数据采集计量有关的单位。 3）
技术先进
该系统设计简单明了，集数据采集、设备控制、无线通讯、软件、数据安全、数据库等多种技术于一体，国内处于领先水平。 4）
高准确性和实用性
抄收率、准确率高于国标；系统对采集的数据严格校验；从采集、传输至存储全过程采取多种技术措施保证数据的高准确性和实用性。 5）
系统高可靠性
系统软、硬件设备具有超强抗冲击能力，出现意外情况，均不引起系统功能丧失或影响系统正常运行；对意外情况引起的故障，系统具备自恢复能
力。保证了系统高可靠性。 6）
系统组网灵活多样
系统有多种联网接口， GPRS/CDMA和以太网，用户可以根据自己的实际情况，选择最实用和经济的方式，既可以选择一种方式也可以多种方式并存。 7）
开放的数据库设计
支持用户自定义的监测站点扩充，监测传感器扩充。适应排水管网不断发展的需要。 8）
动态系统设置
用户自定义的监测界面设置，支持虚拟站点、虚拟传感器设置。支持实时监测数据归并、计算，为用户快速获取管网运行信息提供服务。 9）
调度信息实时发布
采用先进的计算机信息、通信技术，将监测信息和调度职能部门的业务信息及时发布到企业网或因特网，实现公共信息资源共享。 10） 实时、历史曲线等
能够结合地形图和监测点分布图，利用监测点的实时数据或历史数据，为管理人员实时提供水位数据，为管理人员管理和改造排水管网系统提供了准确的数据支持。
2.4系统设计原则
系统本着可靠稳定的宗旨进行整个系统的设计构建，主要遵循以下设计原则： 扩展性原则：
系统具有高可扩展性，既能适应通信网络结构、通信协议的扩展变更，也能适应不断变化的应用需求； 模块化设计：
系统采用模块化设计，并构建业务生成平台； 可移植性原则：
系统采用Java开发体系，与系统平台无关，确保应用系统的可移植性。 先进性原则：
系统采用业内先进设计标准，在设计思想、系统架构、采用技术、选用平台上均需要具有一定的先进性、前瞻性，考虑一定时期内业务的增长。 易用性原则：
提供友好的用户操作界面，具备直观易用的人机界面。对于复杂操作步骤。
稳定性原则：
具备高可靠性和高稳定性，能够适应海量数据处理。在系统设计、开发和应用时，从系统结构、技术措施、软硬件平台、技术服务和维护响应能力等方面综合考虑，确保系统较高的性能和较少的故障率。
3系统软件功能
3.1 软件平台
系统采用Windows Server 2003作为核心服务器的操作系统，采用Oracle
作为数据库服务器的数据库系统软件。数据展现和分析软件采用基于地理信息系
统的数据集成和智能分析（GDI）平台。GDI是一套以地理信息系统为基础，通过标准化接口整合各类与地理空间有关的业务数据，并采用标准化方式进行业务数据展示和分析的通用平台。
3.2 基本功能
1）
实时数据监控
系统接收远程数据采集点的液位计运行数据，将监测数据发送到中心，从而实现对排水管网水位的实时监测。 2）
实时数据显示
主站服务器接收液位计发送的实时数据，以数据、表格、图形等形式显示监测点的数据。能够根据用户自定义的数据报警限值设定进行报警。 3）
监测数据分析
实施监测数据分析，历史监测数据分析。辅助调度工作人员制作流量等日常工作报表以及历史分析报表。 4）
报表打印
支持用户自定义的模版，进行打印输出； 5）
调度WEB
采用B/S模式，在通用web浏览器页面上显示实时监测数据、历史统计数据，同时可在部门内部网上发布排水管网水位的最新数据、历史数据。 6）
高级查询
提供强大的管网查询功能，对管网组件、空间信息、管理资料等进行图选查询、条件查询、分级查询、量距查询。
7） 信息统计
对管网属性、空间位置的全部信息或满足某种特定条件的信息进行统计、分类。
8） 系统管理
各类系统参数设定、用户权限管理，外部数据接口管理。
3.3 分析功能
1）
多视角实时数据动态展示方式
以表格方式展现各测点实时水位数据；以平面地图或管网拓扑图为背景，展现实时数据的分布，并以不同颜色表示管段的不同充满状况；以相关窖井的纵断图为底图，展现同一系统内各窖井的水位和相互间的水位差。 2）
多形式历史数据追忆
水位趋势选择日期范围进行多点水位曲线展现，测点的选择可根据显示方案或使用者自由结合；同比分析同一测点在不同时期的水位变化图表；以平面底图或管网拓扑图为背景的数据现场，选择日期范围和动画的步长，动态再现实时数据和管段充满状态的变化；以相关窖井的纵断图为底图的数据现场，选择日期范围和动画的步长，动态再现同一系统内各窖井水位相互间的变化。 3）
多内容报警管理
建立基于数据库的排水窖井水位监测管理进程，对每个排水窖井水位、同一排水系统各窖井间的水位设有一定的正常范围，若超出设定的正常范围，则认定发生了排水报警事件。此外，报警管理还包括：通信超时报警；测
量出错报警；测量装置故障报警；电池低电压报警。 4）
层次数据查询
选择任意时间段，对单一测点或排水系统的数据查询和事件查询；选择任意时间段，对排水系统的数据查询和事件查询；选择任意时间段并任意关联多个测点，对关联测点的数据查询。
3.4 软件截图
1） 实时监测
2） 电子地图实时监控
3）排水管网水位变化曲线
4 相关设备选型
4.1 GPRS无线通讯设备
GPRS无线数据传输模块依托无线网络运营商的GPRS网络平台实现无线数据信。
GPRS传输模块可以设置成主站和子站，主站用在数据中心，与服务器连接；子站用在现场，与被测控的仪器仪表设备连接。一个主站可以与多个子站通信，一个子站可以与多个主站通信。也可以用两个子站实现两点之间的数据透明传输。
可广泛应用于电力、水利、抄表、环保、仓管、控制、报警、GPS定位信息回传、GIS 等领域的监控、采集数据的实时传送，满足客户对于数据实时性、准确性的要求。
1) 模块特点
支持中心专线方式、GPRS专网方式（SIM卡绑定固定IP）、SMS短
信等多种组网方式。
模块可设置成主站端(与数据中心PC机连接)和子站端(与现场设备连
接)。
模块支持GPRS网络和短消息两个数据通道，可以同时使用。 子站端与现场设备连线即可使用，上位机进行协议处理，使用方便。 工业级设计、适用各种恶劣环境。
内置自动检测系统，不死机，掉线、断电自动恢复。
提供设置、演示软件，支持各种组态软件和集成商使用其它工具开发的
系统软件。
具有远程参数设置和远程维护功能、降低客户现场维护成本。 抽屉式SIM卡坐，安装SIM卡时无需打开模块，使用方便。 导轨式安装，方便与其它模块配套使用。 可以根据信号强度指示来选择安装的位置 2) 技术指标 结构：导轨式
接口：1路RS232/485串口 串口速率：300～9600bps
工作环境：工作温度：-25--+55℃ 存储温度：-40--+80℃ 环境湿度：
≤90%无凝露 无腐蚀性气体和导电尘埃，无爆炸危险的场合 电源：8-30V DC；待机时电流：50mA，发射时峰值电流：300 mA
4.2水位采集器
4.2.1功能与应用
水位采集器集监测水位、监测流量、等多种功能于一身。具有抗干扰能力强、稳定性高、 兼容性好，用户使用方便等特点。该控制器有助于排水管理部门对排水管网有效地控制。 功能特点：
水资源控制器的功能： 1）
采集功能：
采集各种仪表输出的4-20mA信号 2）
告警功能：
费用不足告警，现场设备LED灯亮+蜂鸣音，报警数据上报。
水位超过上限告警，现场设备LED灯亮+蜂鸣音，报警数据上报。 信号线中断告警，现场设备LED灯亮+蜂鸣音，报警数据上报。 自身故障告警，现场设备LED灯亮+蜂鸣音，报警数据上报。 非法打开设备告警，现场设备LED灯亮+蜂鸣音，报警数据上报。 3）
显示功能：
该设备可以数字循环显示编号、水位、日期、时间等数据。 该设备可以LED灯显示故障、错误、水位等现场信息。 4）
查询功能：
可以在现场使用设备上的按键查询流量、水位及相关的参数及故障信
息。
5）
设置功能：
专业维护人员使用采集器上的键盘设置设备的部分参数。
具备GPRS数据远传条件时，被授权的操作人员可以在管理中心远程
修正和设置设备的一些参数。
6）
存储功能：
该设备具备铁电存储功能，数据掉电不丢失。 7）
通信功能：
该设备可以通过GPRS网络与多个管理中心通信，可以将现场数据同
时发送到排水管网管理中心。
该设备可以设置成主动向管理中心上报数据模式，也可以设置成被管
理中心问询模式。主动上报模式分两种情况：一是现场状态发生变化时上报，二是定时上报。问询模式是只有管理中心发出问询命令，该
设备才上报数据。
以GPRS网络为主要通信通道，以SMS短消息通道作为备用通道，
两个通道同时存在，可以切换使用。
8）
电源功能：
该设备可以安装到具备220VAC供电的现场，也可以安装到具备
380VAC供电的现场。
该设备配备备用电源，外部供电系统发生故障时，系统可以继续正常
运行不低于2天。
水位采集器的特点： 1）
维护方便：
该设备内部为模块化结构，主要有控制模块、GPRS通信模块、电源
模块、供电线路控制模块（接触器）、计量模块（可以安装在箱外），一个模块如果发生故障，容易拆卸更换。
作为核心的水位采集器具备远程维护和软件升级的功能。当自备井前
端现场需要更换增加计量、测量设备，或扩展设备功能时，维护人员可以远程更改设置该模块的参数，必要时可以远程升级程序；提高了维护效率，降低了维护成本。
2）
可靠性高：
该设备为工业级设计，采用工业级的8051芯片及西门子MC39I核
心通信模块，采用隔离和电力行业抗干扰设计技术，可以安装使用在现场环境比较复杂的地方。
水位采集器的使用环境：
环境温度：-40—+85℃ 相对湿度：≤90%无凝露
安装环境：无强烈腐蚀性气体和导电尘埃，无爆炸危险物品。 工作电源：电源电压AC220V或AC380V，50Hz 水位采集器的技术指标 配置
2路RS232/485串口（标准的MODBUS协议） 8路模拟量输入（4-20mA） 5路开关量输出 8位数码显示 1个操作键盘 供电
DC：10-30V 外型尺寸
120mm×120mm×95mm 开孔尺寸
111.5 mm×111.5 mm×95mm 安装方式
面板嵌入式安装
4.3水位计
投入式液位变送器，将扩散硅充油芯体封装在不锈钢壳体内，前端防护帽起保护传感器膜片的作用，也能使液体流畅的接触到膜片，防水导线与外壳密封相连接，通气管在电缆内与外界相连，内部结构防结露设计。静压式液位计内置微型信号处理电路，可以进行远程传输，具有良好的稳定性和可靠性。投入式液位变送器广泛应用与水利，环保，工业过程控制，石油，化工，医药等领域的液位测量控制。 水位计特点： 坚固密封； 高可靠，高精度； 多种封装类型可选择； 防结露设计；
抗干扰强，长期稳定性好； 性能参数：
电源电压：典型24VDC 外壳材料：全不锈钢
测量范围：0--0.1m….200m水柱 综合精度：±0.3℅FS（典型） 输出信号：二线制4—20mA 1—5V, 介质温度：-20-150℃ 环境温度：-40-85℃ 存储温度：-55-125℃ 零点温度漂移：±0.03℅FS/℃ 灵敏度：2.0mV/V 过载压力：150℅FS 长期稳定性：＜0.2℅FS/年
4.4室外专用监测箱
型号：MGTX-1
规格尺寸：480×360×200 户外双开门 板厚：箱体1.0 门子、底板1.2 防护等级：IP55
4.5开关电源
型号：MGTD-1 输入：交流220V 输出：直流24v/2.5A
