УДК 504.064.36:556.53
Автоматизированная система оперативного гидромониторинга водных объектов Украины
В. И. Сантоний,* И. А. Иванченко*, Л. М. Будиянская*, В. А. Смынтына*, Я. И. Лепих*
Представлены результаты разработки разветвленной системы гидромониторинга для водных объектов, основанной на использовании оптико-электронного фазового уровнемера в качестве измерителя уровня воды и сети сотовой связи для передачи цифрового информационного сигнала в центр сбора и обработки данных. Для связи фазового уровнемера с центром сбора и обработки данных с помощью системы GSM создано телекоммуникационное устройство "Уровень", преобразующее информацию с использованием SMS-технологии. Разработаны структура и алгоритм работы системы гидромониторинга. Изготовлен опытный образец уровнемерного оборудования для гидрометрического поста. Система гидромониторинга предназначена для опережающего противопаводкового оповещения населения и обеспечения экологической безопасности.
Современное состояние гидросферы поверхности суши характеризуется увеличением числа катастрофических явлений, масштабов которых достигают сезонные паводки, наводнения, ливни и т. п. [3, 8]. Изменение режима водного объекта в период стихии характеризуется высокой динамикой, в условиях которой традиционное гидрометрическое оборудование на водомерных постах Украины (например, стационарные устройства типа ГР-38, "Валдай", полуавтоматические уровнемеры-самописцы КСМ-4, ГР-116, УСР и др. [5, 16]) не может обеспечить оперативное изменение режима измерений, сокращение периода сбора и обработки информации о состоянии водного объекта. Для предупреждения последствий опасных явлений необходим постоянный оперативный мониторинг уровня воды, который позволяет прогнозировать возможность возникновения затоплений.
Таким образом, существующие общеклиматические тенденции увеличения числа экстремальных состояний водных объектов поставили в разряд актуальных проблему модернизации метрологического обеспечения гидрометрических измерений в Украине.
Данная проблема имеет комплексный характер и требует решения ряда взаимосвязанных задач. Диапазон изменений гидрологических характеристик и масштабы площадей водных объектов, подверженных стихийным процессам, определяют необходимость создания системы постоянного мониторинга состояния с большой областью покрытия. Система постоянного мониторинга требует использования автоматических гидрометрических
* Одесский национальный университет им. И. И. Мечникова, Украина; e-mail: deep_night@ mail.od.ua.
датчиков, способных формировать измерительный сигнал, пригодный для передачи на значительные расстояния и обработки современными информационными методами. Необходима организация максимально оперативной и надежной связи между гидрометрическими постами и центром сбора и обработки измерительной информации, а также разработка методик испытаний мониторинговых систем, позволяющих проводить сравнительный анализ существующих и разрабатываемых измерительных комплексов.
В данной статье описана автоматизированная система мониторинга водных объектов, предназначенная для оперативного определения уровня воды и опережающего противопаводкового оповещения населения, позволяющая прогнозировать стратегию предотвращения возникновения экологически и техногенно опасных ситуаций и обеспечивать экологическую бе зо пас ность.
Основой такой системы является гидрометрическое оборудование, адаптированное к измерениям в условиях высокой динамики водного объекта. Ключевым элементом предлагаемой системы гидромониторинга является уровнемер воды, определяющий точность и быстродействие измерений, от которых зависят текущая оценка состояния водных объектов, контроль соответствия уровня воды допустимым нормам и прогноз воз-мож ных изме не ний.
В настоящее время уровнемеры, работающие на гидрометрических постах Украины, недостаточно точны, не имеют возможности передачи информации средствами связи и не связаны между собой. Поэтому необходимо было разработать измерители уровня воды с высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками для водных объектов, которые работают в автоматическом режиме в условиях высокой динамики водного объекта и могут передать результаты измерений с помощью надежных и недорогих средств телекоммуникации.
Предварительные сведения для периода сезонного паводка или нештатного изменения гидрологической ситуации определяют необходимость в частых измерениях (через 2—4 ч), получении ежечасной или непрерывной информации об уровне воды. В условиях быстрого изменения уровня воды также возникают дифференцированные требования к оптимальной точности его измерения. Допустимая погрешность измерения уровней в условиях стихийных событий не должна превышать 2—3 мм [5].
В качестве уровнемера, входящего в состав системы мониторинга, способного с необходимой точностью измерять текущий уровень воды, используется разработанный оптико-локационный фазовый уровнемер (ФУ) [9], состоящий из блока измерения разности фаз (блок I) и блока вычисления дальности (блок II) (рис. 1). Блок I содержит основной генератор 1, усилитель мощности 2, излучатель 3, фотоприемник 5, резонансный усилитель 6, гетеродин 7, перемножители 8 и 9, фильтры низкой частоты 10 и 11, усилители-ограничители 12 и 13. Блок II состоит из формирователя временных интервалов 14, счетчика 15, масштабирующего генератора 16 и микроконтроллера 17.
Измерение уровня воды при помощи ФУ производится путем измерения сдвига фазы между излученным в направлении водной поверхности
Рис. 1. Блок-схема фазового уровнемера.
Пояснения приведены в тексте.
сигналом и отраженным сигналом, принятым фоточувствительным устройством [13].
Текущее значение измеряемого уровня воды Б вычисляется в микроконтроллере 17 в соответствии с основной формулой фазового метода измерения дальности [6]
Б = (Дф/2я)(с/2/)), (1)
где Дф — фазовый сдвиг; / — частота модуляции сигнала; с — скорость света в воздухе.
Фазовый сдвиг Дф, соответствующий определенному уровню Б, предварительно рассчитывается в микроконтроллере 17 по двум временным интер валам в со отве тствии с вы ра же ни ем
Дф = (1 - г/Т)2п, (2)
где t — длительность измерительного импульса; Т — длительность периода следования измерительного сигнала.
Задача повышения точности измерения разности фаз решена путем введения контура автоматического регулирования усиления в излучательном канале, что позволяет (например, [9]) при измерении уровня в диапазоне 0,3—10,0 м сузить динамический диапазон входного сигнала фотоприемника со 120 до 60 дБ и уменьшить систематическую ошибку втрое.
Безусловным метрологическим преимуществом ФУ является линейность вы ход ной ха ракте рис ти ки, по сколь ку, со глас но урав не нию (1), значение выходного параметра (в данном случае сдвига фазы) пропорционально значению уровня воды.
Известно [4], что коэффициент отражения оптического излучения водной поверхностью изменяется от 2—8% при нормальном падении излучения до 25—30% при углах скольжения зондирующего излучения, этого диапазона недостаточно для оптико-локационных измерений. Для увеличения отражательной способности водной поверхности применяется поплавок с катафотным покрытием, обеспечивающим при углах падения 0—20° коэффициент отражения 80—60% соответственно.
В ФУ используется оптическое излучение с длиной волны 0,63 мкм мощностью 1 мВт, модулированное с частотой 10 мГц.
Раз ра бот ка ко нструк ции ФУ про веде на на осно ве твердотель ной модели, созданной в программной среде системы трехмерного конструирова-
иия Autodesk Invertor 10. Созданный уровнемер имеет следующие основные метрологические характеристики: диапазон измеряемых уровней — 0,5—15 м; погрешность измерения уровня — ±3 мм; время измерения с точностью ±3 мм — 1,5 с.
Для автоматизированной системы мониторинга уровня воды необходима оперативная и надежная связь между ФУ на гидрометрических постах и центром сбора и обработки информации. Проводные системы связи имеют известные недостатки: ограниченные технические возможности в получении информации, большая стоимость ее доставки и технического обслуживания и т. д.
От указанных недостатков свободна существующая сотовая радиосеть стандарта GSM, широко используемая в последнее время в системах удаленного контроля, управления и сигнализации [1, 4]. Кроме того, сеть GSM в качестве подсистемы связи в структуре системы сбора и обработки данных отличается невысокой стоимостью оборудования и поддержки сети. Показатели надежности доставки единичного информационного сообщения, гарантируемые оператором мобильной связи, достаточно высоки - не ниже 98% вероятности успешной доставки. В структуре сети GSM имеются средства подтверждения доставки блока измерительной информации, а также отложенной доставки в случае временного отсутствия связи. Это делает сотовую связь предпочтительной по сравнению с другими видами.
Для осу ществле ния функ ции те леком му ни ка ции меж ду об орудо ва ни ем поста гидрометрического контроля и центром сбора и обработки информации с помощью сотовой связи GSM разработан блок "Р1вень" ("Уровень"), который передает информационный сигнал ФУ [12]. Основными элементами блока "Р1вень" являются микроконтроллер ATMEGA-64 и GSM-модем SIM-300 (рис. 2). Для взаимообмена данными и служебной информацией выбрана наиболее надежная и наглядная SMS-технология.
Управление алгоритмом работы ФУ с дальнейшей передачей данных измерений осуществляется через сеть GSM при помощи SMS-сообщений заданного формата [7, 11]. Разработан формат управляющих SMS-сообще-ний, которые программируют "Р1вень", для организации алгоритма измерения текущего значения уровня воды на гидрометрическом посту. Формат SMS-сообщения является одновременно паролем, что исключает нештатную работу оборудования при поступлении случайных SMS-сообщений. Тексты SMS-сообщений сортируются и обрабатываются в программной среде компьютера центра сбора и обработки информации о водном объекте.
Обратные информационные SMS-сообщения об изменениях состояния уровня воды могут поступать не только в центр сбора и обработки информации, но и
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.