关键词：液位在线监测；系统；设计；
本系统设计建立一个由数据采集、数据传输、监测中心等组成的主干管在线监测系统，实现对主干管液位的在线监测，及时发现主干管内出现的异常情况，为最短时间内处理报警提供信息支持，以满足管网的科学高效管理需求。
一、总体结构
液位在线监测系统主要由数据采集、数据传输和监测中心三部分组成。1）数据采集。采用超声波传感器采集检查井下的液位信息。2）数据传输。采用无线传输方式，把采集到的数据传输到远程监控中心。3）监测中心。主要是把监测服务器接收到的数据在软件页面上显示出来，并进行相关的数据分析汇总管理。本系统的难点主要是在供电方式上，可采用两种方式，一种方式是采用外部供电，可以采用市电、蓄电池，或者风、光互补供电等方式；另一种方式是采用内部供电，利用高性能的锂电池进行内部供电。一般采用超声波液位计，为数据采集提供相对可靠的模拟信号，采集模块把采集到的模拟信号转换为数字信号，通过无线（GPRS/GSM）网络传输到远程监测中心，从而实现实时检测、远程监测的在线监测目标。
二、系统功能
1.数据采集的功能。监测点需要完成的任务主要是现场数据采集，完成数据采集的主要设备如下。1）仪表。一体化超声波液位计用来检测井下的液位。2）采集模块。采集模块的功能主要是采集仪表的读数，同时把采集到的模拟信号转换为数字信号输出，为下一步通信做好准备工作。采集模块除了采集功能以外，还具有现场存储数据的功能，存储时间可以根据用户实际需求进行设置。
2.通信模块的功能。通信模块就是无线的数字调制解调器，负责把采集到的数据通过无线网络传输到远程监控服务器。1）无线数字调制解调器。一方面通过RS232口与采集模块实现通信，一方面通过拨号方式连接无线网络GPRS/GSM，把采集到的数据通过网络传输到远程的监测中心。2）手机SIM卡。具有GPRS/GSM通信功能的手机卡，把卡插入调制解调器内，即可实现无线GPRS/GSM通信方式。
3.监测中心的功能。监控中心的功能主要是把现场监测点传输的数据进行归档和整理，并形成报表和数据库，具有归档、查询、报警、趋势曲线以及数据发布等功能。1）第一步是简单的处理，各主干管数据经现场采集后，在监测平台的软件页面上显示。2）第二步由监测中心对数据进行统计与分析，通过分类和提取加工，对超出限制范围的数据报警。3）第三步是建立专门的数据库，通过Web方式发布数据。数据库主要功能是将原始数据和经过处理后的形成报表的数据统一归档并存储，方便查询和调用，帮助用能管理单位分析管网液位等状况。同时，系统将会比较变化趋势，生成各种趋势图。监控中心可以定期生成报表，呈交给相关领导和上级部门。获得访问授权的终端，通过互联网登录即可看到监测中心的Web页面，单击相应的图标即可查看相应的数据或者趋势图。本在线监测系统是作为GIS系统的一个数据源，为GIS系统提供相关主干管的液位数据支持，并可把GIS界面作为背景画面显示在监控软件上。
三、设计说明
1.采样频率。尽管目前许多自动监测仪器或探头是可以连续监测的，可以实时从数据采集部分中调取数据。但考虑到系统运行成本以及本系统的实际需求，设定液位的采样频率。
（1）整点采集，实时传输设定采样频率为1 h，每整点采集的数据通过无线网络实时传输到远程监测服务器，以满足远程监测的管理需求。
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（2）分时采集，打包传输设定采样频率为10 min，数据先存储在现场采集模块内，每天上午9时30分把前一天的所有采样数据打包一起发送到远程监测服务器，为数据分析保存丰富的监测点资料。采样频率的选择可根据实际生产管理需要，由系统管理员通过监测平台组态软件设置或者调整。
2.通信方式。本设计的通信方式比较复杂，下面分别介绍。
（1）现场通信方式。现场监测点采用无线通信方式，由于监测点位于不同主干管的检查井下，在现场铺设有线网络存在很大困难，故采用无线传输方式。目前无线传输有两种方式，一种是GPRS，一种是GSM，它们各有优缺点。GPRS的技术优势主要有以下4点。1）资源利用率高。计费以通信的数据量为主要依据，只需支付相对低廉的连接费用。2）传输速率高。GPRS可提供高达115 Kbit/s的传输速率。3）接入时间短。分组交换接入时间缩短为少于1 s。GSM的技术优势主要包括：防盗能力佳，网络容量大，网络覆盖面广，号码资源丰富，通话清晰，稳定性强不易受干扰，通话死角少，耗电量少，不容易出现丢包现象。
（2）远程通信方式。监测中心和查询终端采用已有的通信方式，可以采用有线的传输方式（ADSL或光纤），也可采用无线的传输方式（移动、电信及联通等运营商的3G网络），只要可以登录互联网即可完成各自功能。
3. 供电方式
（1）外部供电。1）市电。首选市电供电方式，这种供电方式稳定可靠，但建设成本非常高；因为一般道路施工铺设电缆时没有考虑污水主干管的在线监测系统，需要重新铺线或者就近借电，存在费用高，施工困难的缺点。2）风、光互补供电系统。是一种新兴的环保供电方式，维护成本低，但建设成本高，且需要在达到风力2.0 m/s的环境下才能发挥正常的工作效率。
（2）内部供电方式。仅需固定超声波液位计和数据记录仪，不需要开挖路面或立杆。采用内部供电方式，现场的SIM卡安装在数据记录仪内，数据记录仪与带磁性的天线连接，直接吸附在井盖上，将井盖作为外置天线放大器，保证数据通信的畅通，不会被井盖屏蔽网络信号。
四、系统软件说明
本系统的软件部分主要由以下几项组成。
1.监测点软件功能说明。监测点的软件功能模块具体说明如下。1）数据采集子模块。负责在线监测数据的采集工作，把采集到的模拟信号转换为数字信号。2）数据存储子模块。负责监测点的数据存储，每次采集到的数据均在存储器中保存。3）定时自报子模块。负责定时向监测中心报送数据，整点报送。4）仪表误差修正模块。由于监测仪表（传感器）存在离散性的非线性误差，采用分段线性插值法对采样值的曲线进行误差修正，按量程分为工作区段，每段曲线用一段对应的折线代替，对每段折线可求出误差修正系数，其方式与系统的线性误差修正相同。
2.监测中心软件功能说明。监测中心软件功能模块具体说明如下。1）数据接收子模块。负责通过网络实时接收各个监测点报送的数据，并根据需要删除异常数据。2）数据存储子模块。根据监测点的号码和监测时间保存所有数据信息。3）显示打印子模块。可显示打印各个监测点的数据信息。4）分析预测子模块。根据监测点的当前数据和历史数据，综合分析数据的变化，为管网的管理工作提供科学依据。5）数据趋势子模块。由于液位的数据具有历史性规律，可结合历史数据，判断一段时间内液位的变化趋势，为决策提供参考。6）越线报警子模块。根据当前采集到数据和设定值进行对比，当超过设定值时，起动声光报警系统。7）数据发布子模块。监测服务器的网络结构采用B/S模式，获得授权的客户端可以在Web页面上浏览相关数据。
在线监测系统建成后，可实时查看液位的数据信息，为整个管网的正常运行提供数据支持。
参考文献：
[1]吴邦灿.现代、监测技术[M].中国环境科学出版社，2015.
[2]但德忠.我国、监测技术的现状与发展[J].中国测试技术， 2016，31.
[3]李国刚，万本太.中国环境监测科技发展需求分析[J].中国环境监测，2016.20（6）：5-8.
论文作者:刘佳星
论文发表刊物:《科技中国》2018年4期
论文发表时间:2018/8/10
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