Nghiên cứu và xây dựng mạng đo và truyền số liệu mưa thời gian thực tại lưu vực sông Ngàn Phố Ngàn Sâu

Bộ tài nguyên và môi trờng Viện khí tợng thuỷ văn [\ Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học Tên đề tài: Nghiên cứu và xây dựng mạng đo và truyền số liệu ma thời gian thực tại lu vực sông ngàn phố ngàn sâu Chủ nhiệm đề tài: Ks. đào hồng châu 6492 27/8/2007 Hà nội 2006 Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học Tên đề tài: Nghiên cứu và xây dựng mạng đo và truyền số liệu ma thời gian thực tại lu vực sông ngàn phố ngàn sâu Chỉ số phân loại: Chỉ số đăng ký: Chỉ số lu trữ: Chủ nhiệm đề tài : ks. Đào hồng châu Cộng tác viên chính: TS. Nguyễn Viết Hân, KS. Hoàng Phi Thành KS. Đặng Tùng Mẫn Ngày tháng năm 200 Chủ nhiệm đề tài Ngày tháng năm 200 Thủ trởng cơ quan chủ trì Ngày tháng năm 200 Chủ tịch Hội đồng đánh giá chính thức Ngày tháng năm 200 Thủ trởng cơ quan chủ quản Hà nội - 2006 mục lục Mục Nội dung Trang Lời nói đầu. 1 Chơng 1 Tổng quan đề tài 1.1 Sự cần thiết của đề tài 2 1.2 Tình hình nghiên cứu áp dụng hệ thống trong và ngoài nớc 3 1.3 Mục tiêu của đề tài 4 1.4 Tóm tắt nội dung đề tài. 5 1.5 Các sản phẩm dự kiến của đề tài 5 Chơng 2 Cấu trúc mạng và các thành phần của hệ thống 2.1 Cấu trúc hệ thống 6 2.2 Trạm đo ma tự động đa năng 7 2.2.1 Mô tả công nghệ chế tạo thiết bị 7 2.2.2 Tính năng kỹ thuật của thiết bị. 16 2.3 Trung tâm quản lý mạng đo 17 2.3.1 Cấu trúc trạm trung tâm 17 2.3.2 Mô tả kỹ thuật thiết bị điều khiển trung tâm. 18 2.4 Phần mềm điều khiển mạng (KTM_NET5) 22 2.4.1 Chế độ làm việc. 23 2.4.2 Tham số làm việc của mạng 25 2.4.3 Quản lý danh sách trạm đo. 25 Chơng 3 Mạng đo và truyền số liệu ma thời gian thực lắp đặt tại lu vực Ngàn Phố Ngàn Sâu . 3.1 Khảo sát thực địa, lắp đặt thiết bị và vận hành mạng 29 3.2 Số liệu quan trắc m a của mạng đo đợc lắp đặt 31 Chơng 4 Kết luận và kiến nghị của đề tài. Tài liệu tham khảo. 36 Danh mục các phụ lục 37 1 lời nói đầu Nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, hàng năm lũ và lũ quét gây ra những thiệt hại nặng nề về vật chất và con ngời đối với chúng ta. Với địa hình hẹp và độ dốc lớn, lũ ở các lu vực sông nớc ta thờng có diễn biến rất nhanh vì vậy việc dự báo và cảnh báo lũ, lũ quét kịp thời để thực hiện những biện pháp phòng tránh sẽ làm giảm đáng kể thiệt hại do chúng gây ra. Hiện nay trên thế giới, các hệ thống quan trắc và truyền số liệu ma thời gian thực phục vụ cho dự báo và cảnh báo lũ đợc sử dụng rộng rãi và rất hiệu quả. Tại các nớc có nền kinh tế phát triển, các khu vực có nguy cơ lũ và lũ quét đều đợc đa vào sử dụng hệ thống này. ở nớc ta, tại một vài lu vực sông đã lắp đặt những hệ thống tơng tự, tuy nhiên do các nguyên nhân khác nhau chúng không phát huy đợc hiệu quả, thậm chí có hệ thống lắp đặt xong không thể vận hành đợc.Với mục tiêu xây dựng một hệ thống quan trắc và truyền số liệu ma thời gian thực phục vụ cho công tác dự báo và cảnh báo lũ và lũ quét, Bộ Tài Nguyên Môi Trờng đã giao cho Viện KTTV chủ trì thực hiện đề tài Nghiên cứu và xây dựng mạng đo và truyền số liệu đo ma thời gian thực cho lu vực Ngàn Phố Ngàn Sâu. Đây là đề tài có tính thực tiễn cao, nếu thành công sẽ cho phép nhân rộng trên quy mô lớn các hệ thống tơng tự trên cơ sở công nghệ do chúng ta hoàn toàn làm chủ và giá thành hạ hơn rất nhiều so với các hệ thống cùng loại do nớc ngoài sản xuất. Trong quá trình thực hiện, nhóm thực hiện đề tài đã nhận đợc sự quan tâm và mọi điều kiện thuận lợi cho việc thực hiện đề tài của lãnh đạo viện KTTV và sự giúp đỡ to lớn của lãnh đạo cùng tập thể cán bộ của đài KTTV Bắc Trung Bộ và Trung Tâm dự báo KTTV Hà Tĩnh. Thay mặt nhóm thực hiện đề tài xin đợc bày tỏ sự cảm ơn vì những giúp đỡ quý báu trên. Chủ nhiệm đề tài 2 chơng 1 tổng quan đề tài 1.1. Sự cần thiết của đề tài Hàng năm các loại hình thiên tai nh: bão, lũ, động đất, lở đất gây ra những tổn thất nặng nề về ngời và của cải vật chất của nhiều quốc gia. Trong các loại hình thiên tai nêu trên, lũ, lụt thờng có tần suất lặp lại cao nhất và gây tổn thất nặng nề về ngời và tài sản. Lũ, lụt và lũ quét ở các nớc có khí hậu gió mùa và xoáy thuận nhiệt đới ở Châu á ngày càng diễn biến phức tạp, nhiều trung tâm dân c, kinh tế bị đe dọa ngày một nguy cấp hơn. Những thay đổi chủ yếu trong việc sử dụng nguồn nớc và nguồn đất đã tác động rõ rệt đến môi trờng, trớc hết là tới chế độ thủy văn ở các lu vực sông, xu hớng này làm gia tăng phát sinh lũ và lũ quét. ở Việt Nam cứ vào mùa ma, lũ, lụt và lũ quét là hiện tợng khí tợng thủy văn thờng xẩy ra và gây thiệt hại rất lớn về ngời và tài sản. Tại các lu vc sông suối miền núi trên toàn lãnh thổ từ Bắc Bộ, Trung Bộ và Tây Nguyên đều có nguy cơ xảy ra lũ quét khi có ma lớn hoặc ma cực lớn. Tuy nhiên công tác dự báo và cảnh báo lũ, lũ quét cha thu đợc những kết quả cần thiết vì công tác này đòi hỏi phải có những hệ thống quan trắc và cảnh báo ở những lu vực có nguy cơ cao. Một trong những cơ sở quan trọng trong việc dự báo, cảnh báo lũ và lũ quét trên quy mô rộng là việc sử dụng hệ thống radar thời tiết, hệ thống này có u thế trong việc cung cấp dự báo định lợng ma trong các khu vực địa hình khác nhau, tuy nhiên trong điều kiện hiện nay việc đa vào hệ thống radar phục vụ cho công tác dự báo lũ, lũ quét ch a hiệu quả. Các hệ thống đo ma thời gian thực là những công cụ phục vụ cho việc dự báo và cảnh báo lũ, lũ quét đang đợc áp dụng rộng rãi ở nhiều nớc mà trong điều kiện kinh tế và xã hội của nớc ta hiện nay việc đa vào sử dụng những hệ thống tơng tự là giải pháp kinh tế và hiệu quả nhất. 3 Theo thống kê trong các tài liệu chuyên ngành KTTV, tại các lu vực sông suối nớc ta, lũ và lũ quét thờng xẩy ra rất nhanh và cờng độ mạnh do lu vực nhỏ và địa hình có độ dốc lớn nên sức tàn phá của nó rất lớn nh các trận lũ năm 1989 và 2002 trên lu vực sông Ngàn Phố, việc dự báo và cảnh báo kịp thời sẽ giảm thiểu đợc thiệt hại đến mức thấp nhất. Vì vậy việc đa vào áp dụng tại các lu vực sông, suối các hệ thống quan trắc thời gian thực phục vụ dự báo và cảnh báo lũ, lũ quét là một đòi hỏi cấp bách. Trong khuôn khổ đề tài này, chúng tôi mong muốn xây dựng hệ thống quan trắc và truyền số liệu đo ma thời gian thực tại lu vực sông Ngàn Phố Ngàn Sâu, số liệu quan trắc qua đờng đờng điện thoại cố định đợc truyền về trung tâm dự báo KTTV tỉnh phục vụ cho công tác dự báo. Việc lựa chọn lu vực Ngàn Phố Ngàn Sâu cho phép chúng ta thử nghiệm hệ thống trong các điều kiện khắc nghiệt nhất về ma, lũ do địa hình có độ dốc lớn, lợng ma trung bình hàng năm cao, thờng xẩy ra ma to và diễn biến lũ thờng xẩy ra rất nhanh. Đây là một địa chỉ rất cần đa vào áp dụng hệ thống cung cấp số liệu quan trắc thời gian thực phục vụ dự báo lũ và lũ quét, và lu vực cũng không lớn phù hợp với quy mô đặt ra cho đề tài. 1.2 . Tình hình nghiên cứu và áp dụng hệ thống trong và ngoài nớc Hiện nay ở nhiều nớc trên thế giới các hệ thống quan trắc thời gian thực đợc sử dụng rất rộng rãi, chúng đợc khai thác rất hiệu quả phục vụ cho công tác dự báo thiên tai. Cấu hình hệ thống, phơng thức truyền số liệu đợc quyết định dựa trên các đặc thù về khí hậu, địa hình, cơ sở hạ tầng của nơi lắp đặt hệ thống. Hiện nay trên thị tr ờng các hệ thống quan trắc thời gian thực do nớc ngoài sản xuất rất đa dạng với cấu hình khác nhau đáp ứng đầy đủ các đòi hỏi của ngời sử dụng, tuy nhiên giá cả của chúng cũng rất cao cha kể đến những yếu tố không thuận lợi trong quá trình bảo hành kỹ thuật và duy trì chúng. Hiện nay, trên mạng lới của ngành KTTV của nớc ta, hầu nh cả các thiết bị quan trắc tự động đều do nớc ngoài sản xuất, một số hệ thống quan 4 trắc thời gian thực phục vụ công tác dự báo và cảnh báo lũ và lũ quét đều do nớc ngoài sản xuất với công nghệ cũng nh cấu hình khác nhau. Cho đến nay hầu nh tất cả các hệ thống đã không còn hoạt động. Vừa qua, chúng tôi đã tiến hành đợt khảo sát tình trạng kỹ thuật và nguyên nhân gây hỏng các thiết bị đo đạc tự động trên mạng lới và đã có những kết luận sau: - Sét là nguyên nhân chủ yếu gây hỏng thiết bị. - khí hậu nhiệt đới khắc nghiệt, nhiệt độ và độ ẩm quá cao là tác nhân xấu đối với thiết bị. - Lới điện không ổn định cũng là nguyên nhân gây tổn hại tới thiết bị. - Công tác bảo dỡng kỹ thuật không đợc tiến hành theo quy định, việc sửa chữa hỏng hóc không kịp thời làm hỏng hóc nhỏ trở nên trầm trọng hơn do thiết bị phải để trong các điều kiện môi trờng khắc nghiệt, các loại côn trùng vào làm tổ gây chập, cháy thiết bị. Những kết luận trên rất hữu ích đối với đội ngũ kỹ thuật trong quá trình chế tạo và bảo trì các thiết bị đo tự động. Trong những năm vừa qua, nhiều cơ sở nghiên cứu khoa học và công nghệ của nớc ta đã có những kết quả ban đầu trong việc chế tạo các thiết bị đo đạc tự động, tuy nhiên vẫn cha có thiét bị nào đợc cho phép lu hành rộng rãi trên mạng lới. Viện KTTV là một đơn vị tiên phong trong lĩnh vực này và bớc đầu đã có những thành công trong việc tự động hoá các thiết bị quan trắc đơn lẻ trên cơ sở sử dụng các đầu đo của nớc ngoài sản xuất. Với việc áp dụng những thành tựu mới nhất của công nghệ điện tử và tin học cùng với những kinh nghiệm tích luỹ đợc, nhóm thực hiện đề tài hy vọng sẽ xây dựng một hệ thống quan trắc thời gian thực với kỹ thuật đảm bảo và vận hành ổn định, lâu dài tại nơi lắp đặt. 1.3 . Mục tiêu của đề tài - Nghiên cứu chế chế tạo thiết bị đo ma tự động trên cơ sở áp dụng công nghệ vi xử lý và sensor ma do nớc ngoài sản xuất. 5 - Xây dựng hệ thống quan trắc ma thời gian thực tại lu vực sông Ngàn Phố Ngàn Sâu với phơng thức truyền số liệu qua đờng điện thoại cố định. - Đánh giá hiệu quả của mạng lới quan trắc do đề tài thực hiện, kiểm định xác định độ tin cậy và tính ổn định của thiết bị. - Nâng cao trình độ trong lĩnh vực tự động hoá cho đội ngũ cán bộ. 1.4. Tóm tắt nội dung đề tài: - Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo ma tự động và thiết bị điều khiển trung tâm của mạng đo sử dụng công nghệ vi xử lý. - Khảo sát lu vực Ngàn Phố Ngàn Sâu phục vụ cho lắp đặt và thử nghiệm hệ thống trong thời gian 6 tháng. - Nghiên cứu soạn thảo chơng trình vận hành, điều khiển mạng lới các thiết bị đo ma tự động, bảo đảm cung cấp số liệu thời gian thực cho ngời sử dụng. - Kiểm định thiết bị đo ma, xác định khả năng ứng dụng hệ thống. 1.5. Các sản phẩm dự kiến của đề tài: - Công nghệ chế tạo thiết bị đo ma tự động và thiết bị điều khiển mạng. - Hệ thống quan trắc và truyền số liệu ma thời gian thực đợc lắp đặt hoàn chỉnh tại Hà Tĩnh với 7 thiết bị đo ma tự động và trung tâm điều khiển. ( 4 bộ hiển thị dự trữ ). - Các chơng trình điều khiển thiết bị và chơng trình điều khiển mạng. - Báo cáo tổng kết đề tài. 6 Chơng 2 cấu trúc hệ thống và các thành phần của mạng. 2.1 . Cấu trúc hệ thống Hệ thống đợc tổ chức theo mô hình một mạng đo, các trạm đầu cuối đợc đặt tại các vị trí khác nhau có thể gần hoặc xa trung tâm điều hành và đợc kết nối với trung tâm qua mạng điện thoại. Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý mạng đo Trạm trung tâm đợc thiết kế theo Modul, mỗi Modul đợc nối với một thuê bao điện thoại, trong quá trình lấy số liệu từ các trạm đo, các Modul làm việc đồng thời qua thuê bao điện thoại riêng, số lợng Modul của trạm trung Trạm đo Ma TĐ 1 Trạm đo Ma TĐ 2 Trạm đo Ma TĐ n Mạng điện thoại máy tính Trung tâm quản l ý MODul 1 MODul 2 Khối điều khiển 7 tâm đợc thiết kế tuỳ thuộc vào quy mô mạng và chu kỳ thời gian tối thiểu lấy số liệu từ tất cả các trạm đầu cuối của mạng. Để phục vụ cho đề tài, thiết bị điều khiển trung tâm đợc thiết kế với hai Modul nhằm bảo đảm khả năng mở rộng quy mô mạng. Trung tâm điều hành mạng gồm một máy tính đợc cài đặt phần mềm điều khiển mạng KTM_NET5 và thiết bị điều khiển trung tâm đợc nối với hai thuê bao điện thoại. Theo chu kỳ kết nối đợc đặt tại máy tính trung tâm, phần mềm sẽ điều khiển các Modul làm việc với các trạm đo có trong danh sách do phần mềm quản lý. Đến thời điểm lấy số liệu, các Modul của trạm trung tâm sẽ tự động thực hiện kết nối với các trạm đo, sau khi kết nối thành công trạm trung tâm sẽ trao đổi số liệu với các trạm đo, báo cáo kết quả về máy tính và chấm dứt kết nối. Thông thờng thời gian kết nối và trao đổi số liệu với mỗi trạm đo khoảng 1 phút. Cứ nh vậy, các Modul của trạm trung tâm sẽ luân phiên làm việc cho tới khi hoàn tất chu trình kết nối với tất cả các trạm đo trong danh sách quản lý. Số liệu thu đợc từ các trạm đo đợc chuyển về máy tính, chơng trình điều khiển cài đặt tại đây sẽ sắp xếp và lu trữ ở dạng thuận tiện cho ngời sử dụng. 2.2. Trạm đo ma tự động đa năng 2.2.1. Mô tả công nghệ Trong quá trình thiết kế các hệ thống đo đạc chuyên dụng, việc sử dụng công nghệ Onechip cho phép chúng ta xây dựng đợc các hệ thống có tính mềm dẻo cao, tốc độ xử lý nhanh, dễ dàng thay đổi các thông số làm việc và trình tự vận hành kể cả việc thay đổi chức năng của hệ thống chỉ bằng việc thay đổi phần mềm cài đặt bên trong hệ thống mà không cần thay đổi cấu trúc phần cứng của nó. Việc sử dụng công nghệ Onechip cho phép chúng ta đạt đợc những mục tiêu thiết kế tối u, sự vợt trội về độ tin cậy, đặc biệt việc tổ chức phần cứng rất thuận tiện do nhiều thành phần chức năng có sẵn trong On- [...]... số liệu lu trữ tại máy chủ điều khiển mạng Trong các file số liệu đợc trích dẫn trong phụ lục 3, chúng tôi chỉ đa ra một số file số liệu đặc trng đợc lu tại máy chủ và một phần số liệu đợc l tại 7 máy đo ma của mạng Tại các trạm đo, số liệu đợc lu trong máy đầy đủ với bớc ghi là 5 phút ( lợng ma đo đợc trong 5 phút ) tuy nhiên do yêu cầu của đề tài chỉ để kiểm chứng độ tin cậy của việc truyền số liệu. .. Mạng đo và truyền số liệu ma thời gian thực lắp đặt tại lu vực ngàn phố ngàn sâu 3.1 Khảo sát thực địa, lắp đặt thiết bị và vận hành mạng Sau khi đề tài đợc duyệt, cùng với việc thiết kế chế tạo thiết bị, nhóm thực hiện đề tài đã tiến hành khảo sát thực địa để chọn địa điểm lắp đặt thiết bị, các địa điểm lựa chọn cần đáp ứng các điều kiện kỹ thuật cần thiết phục vụ cho đề tài cụ thể là: - Vị trí đo ma... liệu, ngoài số liệu ma của chu kỳ đang đo, tổng lợng ma từ đầu nửa ngày hiện tại đến thời điểm của chu kỳ đang đo cũng đợc cập nhật về máy tính trung tâm Việc cập nhật cả hai số liệu đo ma này cho phép ngời sử dụng kiểm tra độ tin cậy của số liệu đo, ngoài ra trong trờng hợp do sự cố đờng truyền hoặc do nguyên nhân khách quan nào đó mà không nhận đợc số liệu của một vài chu kỳ đo, ngời sử dụng số liệu. .. hiệu điện 8 truyền về thiết bị đo Khối nối ghép có chức năng phối ghép tín hiệu, lọc các can nhiễu trên cáp nối và đa tới khối xử lý Khối xử lý tiếp nhận lợng ma đo đợc từ sensor, tính toán, xử lý, hiển thị số liệu đo và lu giữ số liệu đo theo thời gian nhờ đồng hồ của thiết bị (khi làm việc độc lập), hoặc theo thời gian thực của mạng (khi làm việc trong mạng) , đồng thời sẵn sàng làm việc với trung... các thời điểm 7:00 và 19:00 hàng ngày phần mềm KTM_NET5 sẽ tiến hành đồng bộ lại thời gian cho toàn mạng theo đồng hồ của máy tính trung tâm 2.4.2 Tham số làm việc của mạng Trạm điều khiển trung tâm làm việc với các tham số sau: - Cổng COM: là cổng kết nối với Modem - Chu kỳ kết nối Thời gian thực của mạng đo: là thời gian của máy tính trạm trung tâm - Chu kỳ đo và kết nối hiện hành 25 - Chu kỳ đo và. .. các số liệu thu đợc để suy ra những số liệu đo của các chu kỳ còn thiếu Trên màn hình hiển thị số liệu ma thời gian thực tại trung tâm điều hành, các tín hiệu cảnh báo khi xuất hiện ngỡng ma nguy hiểm có khả năng xẩy ra lũ quét ở bất kỳ trạm đo nào trong mạng cũng đợc đa về, đèn đỏ sẽ nháy liên tục tại cột số liệu của trạm nơi có báo động và kèm theo âm thanh phát ra từ máy tính.(xem hình 2.7) Tại. .. khiển trung tâm tại phụ lục 1 hình 1.2 2.3 Phần mềm điều khiển mạng đo ma Phần mềm KTM_NET5 đợc cài trên máy tính là trung tâm điều khiển của toàn mạng đo với các chức năng sau: - Quản lý, điều hành sự làm việc của các trạm đo trong mạng - Là nơi duy nhất để cài đặt các tham số làm việc của mạng - Thu nhận, lu trữ số liệu ma và trạng thái làm việc của các trạm đo trong mạng - Lu trữ số liệu đo ở dạng thuận... cuối của mạng đo, nhóm thực hiện đề tài mong muốn xây dựng một thiết bị đo đa năng có thể làm việc nh một thiết bị đo độc lập với đầy đủ các chức năng kỹ thuật cần thiết có thể sử dụng trên mạng lới hoặc tại các điểm đo ma nhân dân với chế độ báo động tại chỗ ma lớn và lũ quét 2.2.2.1 Tính năng kỹ thuật khi làm việc trong mạng - Thực hiện kết nối theo yêu cầu từ trung tâm điều khiển mạng - Thực hiện... trí đo ma đặc trng cho lu vực - Có đờng điện thoại riêng phục vụ thiết bị - Số liệu quan trắc có thể phục vụ cho công tác nghiên cứu và dự báo KTTV - Có điện lới quốc gia và nhân viên trực thiết bị Sơ đồ lu vực xem Phụ lục 2 Việc lựa chọn các địa điểm hội đủ các điều kiện trên theo lu vực sông Ngàn Phố- Ngàn sâu cũng rất khó khăn vì các tổng đài điện thoại ở một số nơi quá cũ và dung lợng nhỏ không còn... đợc đặt tại Trung tâm dự báo KTTV Hà Tĩnh Sau khi thống nhất với lãnh đạo đài KTTV khu vực Bắc Trung Bộ, chúng tôi bắt đầu tiến hành lắp đặt thiết bị Mạng đo đợc lắp đặt và đa vào vận hành từ tháng 5/2006 dự kiến mạng sẽ vận hành và lấy số liệu trong mùa ma 2006 các số liệu quan trắc của các trạm đo và số liệu lu trữ tại trung tâm sẽ là những kết quả để đánh giá hiệu quả của hệ thống Việc lắp đặt đợc . Viện KTTV chủ trì thực hiện đề tài Nghiên cứu và xây dựng mạng đo và truyền số liệu đo ma thời gian thực cho lu vực Ngàn Phố Ngàn Sâu. Đây là đề tài có tính thực tiễn cao, nếu thành công sẽ. Tên đề tài: Nghiên cứu và xây dựng mạng đo và truyền số liệu ma thời gian thực tại lu vực sông ngàn phố ngàn sâu Chỉ số phân loại: Chỉ số đăng ký: Chỉ số lu trữ: Chủ nhiệm đề tài. nguyên và môi trờng Viện khí tợng thuỷ văn [ Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học Tên đề tài: Nghiên cứu và xây dựng mạng đo và truyền số liệu ma thời gian thực tại lu vực