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水利自动化（系统）第第5章章 水利自动化（系统）水利自动化（系统） 5.1 5.1 概概 述述 5.2 5.2 水利通讯（系统）水利通讯（系统） 5.3 5.3 大坝自动监测（系统）大坝自动监测（系统） 5.4 5.4 渠道运行控制渠道运行控制 5.1 概概 述述5.1.1 5.1.1 定义：定义： 水利自动化系统（水利自动化系统（automatic system for water resourcesautomatic system for water resources） 应用应用计算机、自动控制、通信、遥感和遥测技术计算机、自动控制、通信、遥感和遥测技术，使水利工程，使水利工程运行管理中相关的一系列技术措施和手段实现自动化管理。它与多种运行管理中相关的一系列技术措施和手段实现自动化管理。它与多种专业、学科紧密相关，包括水利工程学、管理学、系统工程学以及通专业、学科紧密相关，包括水利工程学、管理学、系统工程学以及通信技术、遥测遥控技术、计算机应用技术、传感器技术等。信技术、遥测遥控技术、计算机应用技术、传感器技术等。 水资源相对贫乏，人均水资源占有量约水资源相对贫乏，人均水资源占有量约2200立方米立方米(1997)，相当于世界，相当于世界人均水资源量的四分之一，居世界第人均水资源量的四分之一，居世界第121位。位。(到2030年我国人均水资源占有量将从现在的2200立方米降至1700至1800立方米)。 客观上要求合理高效地利用有限的水资源：要管好、用好有限的水资源，客观上要求合理高效地利用有限的水资源：要管好、用好有限的水资源，就要重视水利工程管理，并引进现代化管理科学理论和一切先进技术就要重视水利工程管理，并引进现代化管理科学理论和一切先进技术手段，实现水利工程管理综合自动化。手段，实现水利工程管理综合自动化。 *西藏巴昔卡年降雨量4495毫米，为中国之最，号称“中国雨都”。5.1.2 5.1.2 水利工程自动化的特点及研究对象水利工程自动化的特点及研究对象 水利工程管理自动化和其他许多行业和部门的自动化系水利工程管理自动化和其他许多行业和部门的自动化系统有很多相同之处，但也有其独特的地方，例如，自动统有很多相同之处，但也有其独特的地方，例如，自动化装置工作环境恶劣、分布时空广、可变、不可预测因化装置工作环境恶劣、分布时空广、可变、不可预测因素多，尤其是水流很难驾驭。素多，尤其是水流很难驾驭。 实现水利工程管理自动化就是要把其他行业或部门一些实现水利工程管理自动化就是要把其他行业或部门一些成熟的自动化装置、技术引进到水利工程管理中来，并成熟的自动化装置、技术引进到水利工程管理中来，并结合水利系统中的一些特点，研制出适应水利行业条件结合水利系统中的一些特点，研制出适应水利行业条件的自动化装置、设备或系统。的自动化装置、设备或系统。 5.1.3 5.1.3 实施水利自动化的内容实施水利自动化的内容 按照监控装置或系统来分，大体上包括：按照监控装置或系统来分，大体上包括：l 水情自动测报系统（区域降水、江河库水位，流量和流速水情自动测报系统（区域降水、江河库水位，流量和流速等）；等）；l 气象自动监测系统（风向、风速、蒸发量、湿度、温度等）；气象自动监测系统（风向、风速、蒸发量、湿度、温度等）；l 水库调度系统（水位、流量、闸位等）；水库调度系统（水位、流量、闸位等）；l 大坝等工程安全自动监测系统（水位、渗流、变形等）；大坝等工程安全自动监测系统（水位、渗流、变形等）；l 渠系自动化监控系统（水位、流量、流速、闸位等）；渠系自动化监控系统（水位、流量、流速、闸位等）；l 水机电自动控制系统（水位、流量、流速、机电运转速度、水机电自动控制系统（水位、流量、流速、机电运转速度、电流、电压）；电流、电压）；l 河口、海岸监测系统；河口、海岸监测系统；l 次生地质灾害监测系统；次生地质灾害监测系统；l 水环境监测系统等。水环境监测系统等。 5.1.4 5.1.4 现状与发展现状与发展 中国发展水利通信和自动化系统已有中国发展水利通信和自动化系统已有40多年历史，建成了一多年历史，建成了一大批水利专用通信系统和各种形式的水利自动化系统，基本大批水利专用通信系统和各种形式的水利自动化系统，基本上满足了工程管理部门和重点工程的需求。中国水利行业正上满足了工程管理部门和重点工程的需求。中国水利行业正在建设在建设国家防汛指挥系统国家防汛指挥系统，其中包括，其中包括4个子系统：个子系统：通信系统、通信系统、数据采集系统、计算机网络系统和决策支持系统数据采集系统、计算机网络系统和决策支持系统。系统建设。系统建设的总目标是用的总目标是用5年的时间，建成一个以信息采集系统为基础，年的时间，建成一个以信息采集系统为基础，通信、计算机网络为手段，以决策支持系统为核心的国家防通信、计算机网络为手段，以决策支持系统为核心的国家防汛抗旱指挥系统。汛抗旱指挥系统。 随着科学技术日益突飞猛进地发展，许多最先进的技术也正随着科学技术日益突飞猛进地发展，许多最先进的技术也正逐步应用到水利工程管理自动化中来。例如，数据移动通信逐步应用到水利工程管理自动化中来。例如，数据移动通信技术、遥感技术、技术、遥感技术、3S技术等，正开始应用于防汛抗旱、洪技术等，正开始应用于防汛抗旱、洪水预警、工程安全监测等方面，相信不久的将来，将逐步赶水预警、工程安全监测等方面，相信不久的将来，将逐步赶上其他行业，使水利事业更好地上其他行业，使水利事业更好地 5.2 水利通信（系统）水利通信（系统） 水利通信（水利通信（the communication for water resourcesthe communication for water resources） 传输语音、数据、图像等各种信息的水利专用通信系统，传输语音、数据、图像等各种信息的水利专用通信系统，用于水利管理、防汛抗旱、水利量测、水资源调度等。用于水利管理、防汛抗旱、水利量测、水资源调度等。 由于水利工程多处于偏僻地区，交通不便，供电困难、由于水利工程多处于偏僻地区，交通不便，供电困难、地形复杂，而且通信业务量集中在雨季，水利通信系统地形复杂，而且通信业务量集中在雨季，水利通信系统以无线通信为主。建设水利专用无线通信系统必须先进以无线通信为主。建设水利专用无线通信系统必须先进行无线电通信线路设计，合理地选定通信站点位置，确行无线电通信线路设计，合理地选定通信站点位置，确定设备的技术指标，包括天线增益及其架设高度和方位、定设备的技术指标，包括天线增益及其架设高度和方位、通信机技术指标、供电及防雷要求等，使所建设的通信通信机技术指标、供电及防雷要求等，使所建设的通信系统具有最佳的性能价格比。系统具有最佳的性能价格比。 中国水利通信的现状与发展中国水利通信的现状与发展 1975年年8月（月（6、7、8日）淮河上游大水（板桥、石漫滩日）淮河上游大水（板桥、石漫滩水库失事）给国民经济建设和人民生命财产造成了重大水库失事）给国民经济建设和人民生命财产造成了重大损失，其原因之一是通信中断，信息不明，失去指挥。损失，其原因之一是通信中断，信息不明，失去指挥。 为了吸取这一严重教训，从为了吸取这一严重教训，从1976年开始，中国水利通信年开始，中国水利通信进入了迅速发展时期，经过进入了迅速发展时期，经过30多年的努力，已经建成了多年的努力，已经建成了一大批分布在全国大江大河的重点河段、重要大中型水一大批分布在全国大江大河的重点河段、重要大中型水利工程和重点防洪地区的短波、超短波、微波和卫星通利工程和重点防洪地区的短波、超短波、微波和卫星通信系统。信系统。 根据全国水利通信建设根据全国水利通信建设“十五十五”计划的要求，从中央到计划的要求，从中央到地方，都投入了大量的人力和财力，在充分利用公共电地方，都投入了大量的人力和财力，在充分利用公共电信网的基础上，加快建设、改造和完善水利专用通信网。信网的基础上，加快建设、改造和完善水利专用通信网。 例如：国家防汛指挥系统通信分系统例如：国家防汛指挥系统通信分系统 包括卫星通信网、微波通信网、集群移动通信网、蓄滞包括卫星通信网、微波通信网、集群移动通信网、蓄滞洪区预警反馈通信网四部分。洪区预警反馈通信网四部分。 它的任务是为计算机网络和其他各种通信业务它的任务是为计算机网络和其他各种通信业务(语音、图语音、图像、数据像、数据)提供透明通道提供透明通道,完成水情信息的上传及分发、工完成水情信息的上传及分发、工情信息的上传、灾情信息的上传、国家防办与流域及各情信息的上传、灾情信息的上传、国家防办与流域及各省市的异地防汛会商、防汛调度指挥和水利防洪工程单省市的异地防汛会商、防汛调度指挥和水利防洪工程单位之间的联络、蓄滞洪区警报信息的传递及反馈等七个位之间的联络、蓄滞洪区警报信息的传递及反馈等七个方面的任务。方面的任务。 移动通讯技术的发展：移动通讯技术的发展：1995年，年，1G，语音通话；，语音通话；19961997年，年，2G（GSM、CDMA），数字式手机增加了），数字式手机增加了接收数据功能；接收数据功能；2000年，年，2.5G，GPRS和和EDGE技术，高速无线技术，高速无线IP；20002010，3G（WCDMA三代技术），三代技术），2Mbit/s传输速率，传输速率，实现个人多媒体业务；实现个人多媒体业务；2010年，年，4G推出，下载速率推出，下载速率100Mbit/s，网速快，灵活，网速快，灵活方便方便是移动是移动4G网络的最大优势，区别于普通宽带上网的空间网络的最大优势，区别于普通宽带上网的空间局限和无线上网网速的限制局限和无线上网网速的限制 。5.2.1 5.2.1 水利通信系统分类与构成水利通信系统分类与构成1. 通信系统的分类：通信系统的分类： 2. 通信系统的组成：通信系统的组成： 5.2.2 5.2.2 有线通信系统有线通信系统1.通信线路通信线路 架空明线；通信电缆；电力传输线（载波）架空明线；通信电缆；电力传输线（载波） ；光缆；光缆 。 2. 有线通信系统的类型及结构有线通信系统的类型及结构 （1）实线通信系统）实线通信系统 ； （2）明线和电缆线载波系统；）明线和电缆线载波系统； （3）电力线载波系统。）电力线载波系统。 5.2.25.2.2 无线通信系统无线通信系统 无线通信系统根据所采用的波长或频率的不同，又可分为短波（含超无线通信系统根据所采用的波长或频率的不同，又可分为短波（含超短波）、微波、散射、卫星和激光通信等。短波）、微波、散射、卫星和激光通信等。 在水利工程管理中，如防洪、抢险、救灾、遥测、遥控、遥调等多使在水利工程管理中，如防洪、抢险、救灾、遥测、遥控、遥调等多使用短波通信系统。用短波通信系统。（1）短波通信）短波通信 频率在频率在3MHZ30MHZ，依靠无线电波从电离层反射传播实现通信。，依靠无线电波从电离层反射传播实现通信。超短波通信超短波通信 习惯上把习惯上把30MHZ1000MHZ频段称为超短波频段。频段称为超短波频段。短波通信系统的组成：短波通信系统的组成： 超短波通信的电波传播机理主要有：视线传播；绕射传播。超短波通信的电波传播机理主要有：视线传播；绕射传播。 （2）微波通信）微波通信 微波通常指高于微波通常指高于 1000MHz、低于红外线频率的范围，完全靠视线传播。有：、低于红外线频率的范围，完全靠视线传播。有： 1）地面）地面微波通信；微波通信；2）卫星通信）卫星通信 。微波中继通信可以解决区域之间大容量信息的传输，主要用于长途电话、电视节目、微波中继通信可以解决区域之间大容量信息的传输，主要用于长途电话、电视节目、计算机网络数据通信等的传输，亦可用来传输遥控、遥测及遥感信号。计算机网络数据通信等的传输，亦可用来传输遥控、遥测及遥感信号。微波通信的特点微波通信的特点微波频段占有频带很宽，波长从分米波到毫米波多种频段，频率从微波频段占有频带很宽，波长从分米波到毫米波多种频段，频率从300MHz到到300 000MH