五凌電力大規模跨流域梯級水電站群已經形成，大規模跨流域梯級水電站水調自動化實現了集中監視、集中控制、集中管理的模式。但水電站多位于偏遠山區，地形復雜，水情自動測報系統[1]傳統的無線組網方式均存在一定局限性：VHF通信方式受視距影響，傳播距離受限;GSM/GPRS通信方式受基站信號覆蓋影響較大，偏遠地方存在組網難度。同時，目前水文預報[2]主要依靠通過流域雨量測站降雨量、徑流模型、控制斷面水位流量等信息，對土壤含水量、面降雨量的把握以及未來降雨量的預測還存在較大的盲區，預報精度的提升遇到瓶頸。隨著“北斗+”技術的逐漸發展，北斗短報文通信[3,4,5,6]、三維定位技術[7]逐漸成熟穩定。鑒此，采用北斗短報文通信技術，充分利用北斗衛星覆蓋面廣的特點，組建水情自動測報系統北斗通信網絡，有效提高系統通信的可靠性。研究北斗三維高精度定位技術在水位實時測量、大氣可降水量預測、土壤濕度反演等方面的應用，提高來水預報精度，實現“北斗+”技術在水情自動測報系統上的應用示范。

　　1 、總體思路

　　利用北斗技術實現在水情測報系統中的全面推廣應用，開發應用北斗短報文通信技術，研制具有短報文通信及北斗星歷數據的通信終端，有效提高水情測報系統北斗衛星通信保障;利用北斗三維定位技術研發基于北斗的水位實時測量裝置，實現水位測量方式的變革。利用北斗星歷數據研究土壤含水量反演算法模型并實現軟件開發。

　　1.1 、基于北斗水情自動測報系統服務平臺軟件

　　設計開發北斗水情自動測報服務平臺，可接入滿足最新RTCM標準的所有北斗/GNSS用戶機數據，實現平臺、用戶機、手機APP之間的數據交互;具備實時水情數據及遙測站工況信息的采集、處理、存儲和轉發功能;具備服務平臺及全網遙測站的北斗授時和時間同步管理功能;具備遙測站運行監管預警功能。

　　1.2、 基于北斗定位技術的水位測量裝置

　　設計研制基于北斗定位技術的實時水位測量裝置，并集北斗定位及數據采集、北斗短報文通信于一體的水情遙測裝置，具備GPRS、北斗雙信道主備切換的水位采集功能。

　　1.3 、北斗短報文通信備用信道擴充

　　設計研制具有北斗短報文通信及星歷數據收集的通信終端，并實現跟現有數據采集終端的無縫對接。

　　1.4 、基于北斗星歷數據的土壤濕度演算模型研究

　　研究基于北斗星歷數據的土壤濕度演算模型，并開發相應的演算軟件。通過北斗星歷數據提取北斗GEO衛星的高度角、反射信號功率、直射信號功率等數據，結合電磁波波數以及地表高度標準差，建立演算模型，反演土壤的體積濕度。

　　2 、基于北斗水情自動測報系統服務平臺軟件

　　2.1 、采集服務端

　　2.1.1、 協議采集模塊

　　所有的傳輸報文均由ASCII碼字符組成，傳輸數據覆蓋中心現有水文、氣象、環境觀測要素，并且可擴展延伸。協議采集模塊對數據段格式、校驗編碼以及包頭包尾定義等進行統一接收、過濾、解析。

　　1)通信接口模塊。通信接口模塊的核心是需要根據不同的通信方式(GPRS、CDMA、TCP/IP、PSTN、北斗衛星等)，選擇合適的通信模式準確、可靠及時的接收和發送報文數據，作為數據采集平臺與終端設備之間的交互窗口，負責將指令提交給指令發送模塊進行處理，并接收來自報文接收模塊終端報文數據，提交后續處理。

　　2)報文接收模塊。通信模塊偵聽到終端設備發來的報文后，及時啟用報文接收模塊進行報文處理，包括報文接收、有效性檢查、報文解譯、數據記錄合成和數據有效性檢查，并最終提交應用接口進行后續處理。

　　3)指令發送模塊。指令發送負責指令處理、主動請求數據重發及歷史數據恢復、設計查詢終端內存自報數據、設計查詢固態存儲數據、信道延遲處理、解析服務模塊等功能。

　　4)數據過濾模塊。設備數據通過系統接收后，按照相關的標準進行篩查，進行異常數據、不符合傳輸規則的數據剔除等工作。

　　5)解析服務模塊。數采集服務端與數據庫、管理客戶端的交互窗口，負責將采集的數據存入數據庫及與管理客戶端通信。

　　2.1.2 文件同步采集模塊

　　1)文件數據的發現。各設備廠商數據將實時數據保存為文件形式存儲的，將開發文件到庫同步程序，需要實現文件數據的發現、解析和處理，按照設定的目標表重新整理數據，實現數據的及時入庫。文件數據的同步將開發同步計劃方式實現，為每種數據編寫單獨的轉換程序，通過同步計劃程序進行調度。

　　2)文件數據的處理。按照相關的標準進行篩查，進行異常數據、不符合傳輸規則的數據剔除等工作。

　　3)文件數據的解析。輸入獲取的各廠商監測數據包，調取各類數據解析規則，實現各類數據的標準化解析，實現數據文件整合，按數據庫字段屬性匹配數據，導入監測文件數據庫。

　　4)文件數據同步的任務計劃。依據采集業務流程，實現文件采集任務的時點、內容記錄，保存于文件同步采集任務計劃表中。

　　2.1.3 庫同步采集模塊

　　1)庫數據的發現。獲取各廠商數據庫路徑，通過接口的開發，獲取各廠商接收數據庫中的各類數據，最終將轉存至平臺數據庫中。

　　2)庫數據的處理。與文件同步采集模塊相同，獲取到廠商接收庫中的數據后，需對數據進行標準化處理，確保數據可用。參考數據過濾模塊功能，按照相關的標準進行篩查，進行異常數據、不符合傳輸規則的數據剔除等工作。

　　3)庫數據的解析。獲取各廠商處理后數據庫表，實現數據的解析整合，根據已設計的數據庫表字段屬性，提取所需的數據內容，實現各廠商數據入庫。

　　4)庫數據同步的任務計劃。依據采集業務流程，實現庫同步采集任務的時點、內容記錄，保存于庫同步采集任務計劃表中。

　　2.2 、管理客戶端

　　管理客戶端負責與采集服務端進行網絡通信，接收采集服務端發出的海洋觀測數據接收報文和解碼內容，并向采集服務端發送各類設置和控制命令。

　　2.2.1 、觀測站數據監視模塊

　　1)觀測站實時數據查詢。開發觀測站實時數據查詢功能，按照用戶所需觀測站數據類型、數據采集時間、數據來源、報警類型等從庫中提取用戶需要的實時觀測數據。

　　2)觀測站歷史數據查詢。開發觀測站歷史數據查詢功能，按照用戶所需觀測站數據類型、數據采集時間、數據來源、報警類型等從庫中提取用戶需要的數據。

　　3)分類、搜索查詢。基于采集服務端所獲取的數據，開發分類、搜索查詢接口，通過接口的調用獲取用戶所需數據。

　　4)圖形、報表顯示。通過實時/歷史數據查詢，獲取所需數據，利用數據統計及可視化展示，制作數據表，繪制所需點圖、曲線圖、專題圖等，實現數據的圖形、報表顯示，通過導出/下載功能保存至本地或用戶自定義地址。

　　2.2.2、 觀測站遠程控制模塊

　　1)觀測數據即時招測。通過觀測站遠程控制模塊向觀測站終端發送數據采集信令，終端獲取信令后發送報文數據包至系統采集服務端，通過數據校驗、處理及解析后進入數據庫，最終通過系統數據接口展示到表格中。

　　2)觀測數據補傳。由系統遠程控制端設置數據類型、補傳時間，向終端發送信令，觀測終端獲取信令后按照數據類型要求、時間要求，從終端固態存儲的數據中獲取相應數據，以報文原始數據包的形式重新遞交采集服務端，再通過采集服務端的數據處理流程實現數據解析入庫，繼而遠程控制端可調取使用。

　　3)觀測站參數遠程設置。利用觀測站配置屬性以及信令接受發送功能，可實現觀測站參數的實時展示，遠程控制終端修改觀測站參數的同時將發送更改信令至觀測站終端，實現終端狀態的實時更改。

　　4)觀測設備遠程對時。獲取終端時間數據及遠程控制端時間數據，確認時間統一，若終端時間錯誤，則利用遠程對時功能，修改終端時間。

　　5)觀測設備復位。發送復位信令，監測終端通過信令解析調取設備初始參數，重新設置各項設備參數，完成觀測設備復位。

　　6)觀測設備固件程序更新。利用遠程控制端發送信令及參數，或由設備主管部門進行設備的固件程序更新。

　　2.2.3、 數據狀態報警模塊

　　1)數據狀態報警。客戶端通過判斷觀測站數據格式，是否損壞、越限等，記錄最大無數據時間，利用錯誤類型及數據缺失時間制作報警信息。

　　2)報警恢復。實時監測數據狀態，若數據恢復正常時，恢復無報警狀態。

　　3)配置報警信息。建立數據狀態報警人員信息庫，維護人員通過信息輸入可實現數據庫的信息填充，作為報警信息產生后的發送對象。

　　4)報警推送。實現通信接收狀態異常信號的接收與發送，若通信接收異常則上報報警信息，利用配置好的報警信息，發送至數據管理人員。

　　5)報警查看。在報警信息數據庫中，將不同預警類型分為不同等級，并以不同顏色表征不同異常數據類型及報文和運行數據。

　　3、基于北斗定位技術的水位測量裝置

　　3.1 、工作原理

　　北斗水位測報系統業務應用見圖1所示，整個系統主要分為兩個部分：北斗高精度定位終端和北斗數據采集服務平臺。北斗高精度定位終端分為3臺，分別部署在岸上已知高程點處、需測量河道水面處和中心站機房內。固定點北斗終端和水面北斗終端通過北斗信道方式將原始觀測高程數據上傳到水位采集服務平臺，平臺通過高精度單頻非差分算法進行位置解算，實時監測水位變化。

　　3.2 、系統結構

　　1)北斗高精度定位終端。北斗高精度定位終端通過對硬件、軟件以及結構的優化，在終端設計上實現終端低成本、低功耗以及高可靠性的研制需求，滿足水位測報特殊使用環境需求。

　　2)硬件部分。北斗高精度定位終端硬件部分主要由定位模塊、處理模塊、通信模塊、存儲模塊、電源管理模塊等組成。其中定位天線負責衛星信號接收，定位模塊負責北斗信號處理解算獲取原始觀測信息;處理模塊為數據處理單元，解析定位模塊的原始觀測信息、位置速度信息，并控制通信模塊進行位置上報，同時控制存儲模塊對位置信息進行存儲;存儲模塊為Flash(閃存);太陽能電池模塊負責對電池進行充電，整個電源管理模塊為終端各部分供電。

　　3)軟件部分。在中心站部署水情測報服務平臺，接收測站終端原始觀測高程數據，同時利用采集平臺中搭載的算法進行解算使用，從而獲得實時水位高程。

　　3.3 、部署方案

　　計劃對沅水、湘江、資水流域各水電站壩上水位站和重要控制斷面部署北斗高精度定位裝置，用作實時水位監測。

　　4 、北斗短報文通信備用信道擴充

　　4.1 、系統工作流程

　　系統中遙測站水文要素一旦發生變化，遙測設備即刻進行數據采集、資料經通信設備傳輸至中心站完成資料預處理后進入數據庫，然后通過計算機網絡向有關部門分發、通報。系統數據采集、傳輸和預處理全過程流程見圖2。

　　4.2 、通信組網

　　通信方式采用無線通信方式即VHF/GPRS/GSM/北斗組網的方式。若主信道發送失敗，自動啟用備用北斗信道發送。

　　4.3 、遙測系統改造

　　根據總體方案設計，需要在遙測站增加北斗通信終端及其配套設備，同時對RTU設置進行修改，滿足北斗備用信道通信功能。

　　5 、對于北斗星歷數據的土壤濕度演算模型研究

　　北斗系統是我國自行研制的全球導航衛星系統(GNSS)，目前已能夠提供區域服務，其空間星座由地球靜止軌道(GEO)、中圓地球軌道(MEO)和傾斜地球同步軌道(IGSO)3種不同軌道的衛星組成。由于GEO衛星相對地球表面靜止，在地基接收條件下可實現對固定區域土壤濕度的長期實時連續監測，極具發展前景和應用潛力。

　　5.1、 反射率信號

　　理想情況下，北斗GEO衛星的右旋入射左旋出射時的反射率為：

　　式中：θ—GEO衛星的高度角;ε—土壤相對介電常數。

　　但是，一般土壤表面均不光滑，必須考慮地表粗糙度影響，此時反射率R可表示為

　　式中：k=2πf/c—波數;f—載波頻率;c—光速;σh—地表高度標準差。

　　5.2、 土壤介電常數

　　由于在采用地基非移動接收平臺接收北斗GEO衛星反射信號的條件下，θ為常數，反射率R只表示為ε的單調遞增函數，那么在土壤的介電常數范圍內R存在反函數。

　　式中：R0—對應于土壤介電常數ε的反射率;Pr—反射信號功率;Pd—衛星直射信號功率。

　　5.3、 土壤濕度

　　土壤介電常數與土壤濕度關系由土壤介電常數模型給出。在實際工程應用中多采用簡化的經驗模型或半經驗模型(Dobson經驗模型、Hallikainen經驗模型、Topp經驗模型等)。

　　6 、結語

　　通過北斗+技術的在五凌電力大規模跨流域梯級水電站水情測報系統中的推廣應用，面向水利水電領域，水文監測、遙測通信組網等方面，通過加強北斗備用信道的擴充、土壤濕度的反演，有效提高水情測報系統的可靠性，洪水預報精度補償，有效減少地質災害等對流域的影響,其示范成果將具有較強的代表性。

　　參考文獻

　　[1]李偉佩，李全勝,賀順德,等水情自動測報系統設計建設運行維護[M] .鄭州:黃河水利出版社, 2012.

　　[2] SL247-2012水文資料整編規范[S].

　　[3]許博浩,郝永生,蘇偉朋基于北斗通信的RTU遠程監控系統[J].計算機系統應用, 2015,(5):84-87.

　　《北斗+技術在水情測報系統中的應用》來源：《云南水力發電》，作者：李德清