自動測報系統

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農田水利科技之發展與展望

  因應新竹地區民生及工業標的需水量與日遽增

,行政院農業委員會農田水利署新竹管理處(以下簡稱本會)致力於發展農田水利科技,利用遙測衛星通訊及地理資訊相關技術開發水資源管理系統,除提升作業效率外,也大幅提高乾旱期水資源調配之機動性。本系統發展定位於農田水利科技之整合與應用,結合自動測報系統與地理資訊系統,朝向水資源管理系統自動化發展,進一步

整合水權、用水計畫、水資源調度

等水資源管理業務,充分展現決策的特性。
農村景觀-吳雅筑攝影


自動測報系統
系統架構: 本會自動測報系統架構可概分為三個副系統:
  • 本會遙測通訊及資料處理系統。
  • 各工作站遙測通訊系統。
  • 各觀測站遙測通訊系統。

  如圖一所示。本會遙測通訊及資料處理系統架構的建置,遵循整合性資訊系統的概念,採取二層式的分散式架構,將通訊網路、應用程式獨立形成一個伺服器(Business Logic Tier),各項資料庫獨立形成一層伺服器(Data Tier),以分散式運算減輕系統的負荷,也容易達到資源共享的目的。各工作站遙測通訊系統係結合水文及地理資料庫,並以LED面板即時展示水文資訊,提供工作站人員進行存取作業。各觀測站遙測通訊系統除即時蒐集水文資訊外,並透過GSM模組傳輸至本會中心站彙整。



系統通訊傳輸機制:   本系統通訊功能的規劃係以滿足遠端氣象水文資訊自動監測傳輸、工程資料維護等為目標,除提供使用者最新之氣象水文及地理資訊外,也提供維護管理人員遠端遙控維護功能,大大提升了工作效率。   本會遙測通訊除以接收或旁收各觀測站氣象水文資訊為主,並同步更新工作站氣象水文資料庫外,兼負本會地理資訊屬性資料庫格式轉換、維護、以及同步更新工作站地理資訊檔案資料庫之目的。工作站遙測通訊以下載本會水文及地理資訊、上傳雨量及工程維護資訊為要。觀測站遙測通訊則以接收本會命令上傳觀測資料為要。   本系統主要通訊方式可分為三大類,分別為RS232/485串列通訊、Ethernet網路通訊、以及類比訊號通訊,此三類通訊涵蓋了本會、工作站及觀測站所有伺服器及設備的資料交換方式。

1.本會遙測通訊及資料處理機制

本會遙測通訊及資料處理方式採取二層式分散架構:

  • 通訊網路、資料擷取、及資料庫同步等相關應用程式獨立於個通訊伺服器(Business Logic Tier)。
  • 氣象水文、地理資訊及其他水資源管理等各項資訊獨立形成資料庫伺服器(Data Tier),以分散式運算減輕系統的負荷,由於資料庫伺服器架設於防火牆內,同時提高了資料庫的網路安全性。
  • 水位流量資料自動擷取程式


    利用數據機、無線GSM模組等設備,每天定時(可機動調整時間間距)撥接下達指令呼叫各觀測站,即時回傳水位、電壓等觀測資料至水文資料庫。
  • 本會氣象資料自動擷取程式


    新竹氣象站氣象資料設置於本會頂樓,資料蒐集器自動即時上傳雨量記錄予通訊伺服器,並更新至水文資料庫。
  • 雨量站與寶山氣象站資料庫同步程式


    以網際網路及區域網路呼叫各工作站、寶山氣象站上傳雨量、氣象資料。同時,通訊伺服器亦即時回傳水位流量至各工作站自動測報主機。
  • 本會與工作站地理資料庫同步程式


    同步即時更新本會及工作站地理資訊資料庫,供用戶端查詢及擷取應用。
  • 本會地理資訊資料交換介面


    管理人員平時只需維護自動測報與地理資訊共同存取之SQL資料庫,相關地理資訊資料由本介面自動轉換資料格式,提供前端人員存取使用。
  • 遠端遙控程式


    應用遠端遙控功能便利維護人員進行遠端維護作業。
  • 備用通訊機制


    若水文觀測站網路通訊中斷,則提供以筆記型電腦下載資料蒐集器記錄之功能,再上傳至水文資料庫;若工作站寬頻網路通訊中斷時,則以數據機撥接傳輸方式替代。
2.工作站遙測通訊機制

工作站遙測通訊系統功能包含雨量資料擷取程式、水文顯示看板程式、以及寶山氣象資料擷取程式。

  • 雨量資料擷取程式:定時呼叫雨量站上傳雨量記錄,再透過乙太網路上傳予本會通訊伺服器,並更新至水文資料庫。
  • 水文顯示看板程式:利用乙太網路TCP/IP通訊協定下載本會水文資訊,再經由RS485/432介面傳輸即時雨量水文等資訊至LED面板展示,便利工作站人員閱覽即時水情。
  • 寶山氣象資料擷取程式:寶山水庫管理小組氣象雨量、及水位流量等記錄則是由竹東工作站測報主機經區域網路下載資料,再透過乙太網路上傳至通訊伺服器,並更新水文資料庫。
3.觀測站遙測通訊機制

觀測站遙測通訊系統主要功能即擷取瞬時水位資訊、接受本會命令即時傳送水位流量及電壓等資訊。依其功能性,觀測現場控制電路分為電力、資料存取、及通訊等三大系統。

  • 電力系統


    日照充足的時候由太陽能版提供電源,經過太陽能充電控制器提供儀器電源,包括數據機,現場控制器,類比輸入輸出模組,並同時對鉛蓄電池充電。鉛蓄電池係為觀測站系統備用電力之用,以維持三個月現場系統正常運作為基礎電容量。
  • 資料擷取儲存系統


    資料存取部分包括類比式水位計、類比輸入模組或數位式水位計及現場控制器。類比輸入模組讀取現場電壓值及水位計電流值,轉換為數位訊號,傳給現場控制器,經分鐘水位移動平均演算後儲存於現場控制器中的Flash。現場控制器內記錄存有分鐘電壓及水位值,中心站得據以偵測現場電力系統營運情形,其分鐘平均水位演算採用20秒時間移動之算數平均。另外,類比式水位計係以內插換算得水位值,再經水位流量率定曲線內差換算流量觀測值。但現場環境淤積現象、及水位計長期使用之誤差現象,將影響監測水位及流量值,考量以上種種誤差現象,演算過程中增加誤差補償值以提高準確度,則 重新整理得 其中 與 值即為現場水位校正參數。
  • 通訊系統


    為無線GSM模組或有線數據機,隨時等待本會伺服器撥接擷取資料,接通後90秒內無反應時即強制中斷通訊。


系統功能: 1.自動偵錯機制

水位觀測站多位於郊區,若要至現地檢查系統是否正常運作相當費時費力,故本會資料自動擷取程式,根據與觀測站之間通訊的互動,判斷觀測站系統是否正常運作,並自動將錯誤記錄於資料庫中,供管理者查詢,自動檢測故障訊號主要分為四類:

  • 通訊失敗


    數據機撥號佔線、對方無回應,都屬於此類故障。
  • 紀錄器故障


    數據機連線成功,但紀錄器沒有回應,則屬於此類故障。
  • 水位或流量計故障


    數據機連線成功,紀錄器也有回應,但傳回水位值不合理,如負值或超過最大值,都屬於水位或流量計故障。
  • 低電位警示


    觀測站電力系統具有低電位保護,當電壓低於11.5伏特時,會自動切斷負載端電力供應,以免電池過度放電,當系統偵測電壓低於12伏特時,即會出現低電位警示。
  • 語音撥報功能偵測


    自動偵測語音撥報功能正常運作與否紀錄。
  • 資料檢核校正偵測


    記錄各筆原始資料是否經過檢核校正程序。
2.自動補遺機制

本系統定時會向各環境資料紀錄器擷取資料,但仍會遇到斷線,電腦當機,斷電等意外狀況,該段期間資料庫產生空白紀錄情形,應運而生資料補遺機制。在一般狀況下,是不需要人工操作的,本會及工作站的自動擷取程式每日在特定時間會自動檢查資料庫的完整性,決定是否重新由紀錄器下載歷史資料,稱之為自動資料補遺機制。如果管理人員懷疑自動補遺結果仍不完整,則可自行設定擷取紀錄器內特定期間的紀錄,稱之為手動資料補遺機制。

3.穩定性評估

系統穩定性指標係指在一般運作條件及時間內,系統正常完成資料擷取傳輸站次與既定完成資料擷取傳輸站次之比率,用以判斷系統運作穩定性分析。

4.使用者介面

網頁伺服軟體以ASP.Net開發,於Microsoft IIS5.1上執行,功能架構除擷取氣象水文資訊為要外,亦涵蓋水權、灌溉用水計畫查詢、以及維護管理等基本功能,以茲因應水資源資訊整合及資料庫一致性標的,並進一步整合地理資訊及工程管理等水資源相關資訊,俾利管理人員計畫調度用水。

各項功能概要說明如下:

  • 基本資料


    包含水系河川、地理資訊屬性資料庫之渠道系統、各水位流量站、雨量站、氣象站站況資料,記載各測啟用年限、設置地點等資訊。另外,水源設施部分包含地理資訊屬性資料庫之水工結構物查詢及相關統計資訊、水門看守及相關小組人員資訊。
  • 氣象水文


    除了氣象、雨量、及水文等即時與歷史資料查詢外,亦提供有效雨量演算及制式報表列印輸出功能。
  • 用水計畫


    除了灌溉系統、面積、及插秧進度等灌溉計畫查詢外,也包括各種時距用水計畫之查詢與統計、以及制式報表列印輸出。
  • 水權資訊


    使用者需求查詢水權狀資訊,諸如依河川水係、水權狀號、及申辦或展限日期等條件查詢,並提供水權狀管理者水權申辦所需制式報表列印輸出功能、以及各種條件之查詢統計。
  • 趨勢分析


    整合各資料庫資訊進行查詢分析功能,包括用水走勢、面積用水趨勢、缺水情勢等趨勢分析。
  • 地理資訊


    地理資訊高程、斷面等屬性查詢、及常用圖資查詢等功能。
  • 工程管理


    歷年工程相關資訊查詢,包括工程編號、年度工程登記、儀器、承包商資料及報表列印輸出等功能。
  • 資料維護


    提供各項水資源資料管理維護者輸入或修改資料之作業介面。
  • 系統維護


    管理者可以設定網頁使用者權限進行帳號管理,包括新增、修改、刪除,及可查詢資料的權限,另外亦可查詢自動測報站的營運是否正常運作,如系統自動偵錯記錄、故障通報記錄、穩定性分析等系統資訊。


系統展望:

  本會秉持現代化科技精神,致力農田水利科技的發展,以提高水資源管理系統操作效能為目標,應用遙測通訊技術建置自動測報系統,擷取即時氣象水文資訊,並整合水權資料、用水計畫、水資源調度等灌溉需水資料,建立一套灌溉管理即時決策支援系統,俾利現場工作人員及主管參酌應用。

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