1 前言
水是人类基础性的自然资源和日益稀缺的经济资源，是维持良好生态环境的必要条件，也是经济可持续发展的重要物质基础。优化水流量监测系统的功能，尤其是通过利用新型自动化仪表、移动（无线）通信技术和电子计算机技术使监测系统的精度、寿命和可靠性，自动化和信息数字化程度不断提高，有利于对城市（建筑）和工农业生产供（用）水，以及生产和生活污（废）水排放（处理）的监控，从而提高水资源科学管理的效率，使水资源配置不断趋于合理优化，实现水资源保护和节约水平的不断提高。
因此，建立技术先进的水流量在线监测系统，对于城市供排水、建筑给排水（含民用生活、采暖空调和消防等系统）、工业生产供排水和农业生产灌溉供水等各类水系统的节能减排，提高经济和社会效益将起到十分重要的作用。
2 水流量在线监测系统的组成
水流量在线监测系统是通过在各类输水管道监测点安装的流量计、在各水流量监测站点设置的数据采集器和数据通信传输网络、以及建立的数据接收汇集处理中心，连结成具有水流量信息的自动计量采集、传输、处理（储存、查询）功能的在线监测系统。它通常由水流量计量子系统、数据采集和通信传输子系统和中心站数据处理（接收、查询）子系统组成。
3 水流量计量子系统
水流量计量子系统主要由流量计及其附属的信号传输线路组成，是整个系统最前沿的部分，也是系统所有数据的来源，其计量精度、寿命和可靠性、安装维护难易程度是整个在线监测系统设计可行性和运行可靠性的基础，因此仪表设备即流量计的选择成为该子系统设计方案选择的关键。
3.1 各种常用流量计的工作原理
（1）机械式流量计：流体流经流量计，驱动叶轮旋转，并带动减速齿轮计数机构记录流体流经流量计的累积流量。
（2）电磁式流量计：流体在其内部的磁场中运动会有感应电动势产生，根据磁感应强度大小恒定的情况下电动势大小与流体运动速度成正比的规律，从而测算出流体的流速和流经流量计的累积流量。
（3）超声波时差式流量计：利用在管段上下游装置2个相向交替（或同）时收发超声波的换能器，通过测量超声波在流体中顺流和逆流传播时产生的时间差，从而测算出流体的流速和流经流量计的累积流量。
3.2 各种常用流量计的比较与选用原则
各种流量计的主要优缺点及比较见表1，并归纳其选用原则。
表1 流量计选用表
（1）机械式流量计精度低、易损坏、安装维护不便，但优点是价格低；由于运行维护周期较短，故维护费用较高。因此若经济条件许可，不建议在新建或改造的系统中选用。
（2）超声波和电磁式流量计精度均较高，对用于150mm以下管径的，其价格相当；但电磁流量计的精度更高，若现场允许停水截管安装维护则可选用；对于较大管径（>150mm），则超声波流量计的性价比较高，对于不允许停水截管安装维护的输水系统亦应选用超声波流量计。
4 数据采集和通信传输子系统
数据采集和通信传输子系统主要作用将水流量计量子系统获取的数据进行采集和发送传输，是连结水流量计量子系统和中心站数据处理子系统的纽带。该子系统的数据采集发送方式和数据通信传输组网选择直接关系到数据发送传输的时效性、稳定性和经济性，是水流量能否实现可靠在线监测的关键环节。
4.1 数据采集器发送方式选择
计量子系统测出水流量数据并发出电参量信号后，由数据采集通信传输子系统将其采集和发送。由于水流量数据是一个随时间变化的累积值，为减少子的发送传输数据量及由此而产生的能耗和费用，数据采集器（RTU）采用间歇方式进行数据采集，采集时间间隔视系统对采集频率要求而定，对一般系统可选用5min采集一次的频率，采集读数后将数据发送传输到中心站，常用方式有以下3种（如图1）：
图2 水流量随时间变化曲线及数据发送方式示意图
（1）定时发送：RTU每隔一定时间采集1次水流量数据，然后把数据储存在芯片内，待到达系统设定的时间时将储存在芯片中未发送的采集数据发到中心站，定时发送间隔（一般为1h以上）可根据具体需要设置。其优点是数据记录齐全，便于了解水流量的整个变化过程；缺点是时效性较差，即未到设定时间不发送数据；若在发送时间间隔内发生水流量突变则中心站无法及时发现，造成监测滞后。
（2）比对超差发送：RTU每间隔一定时间采集1次水量数据，并将新采集的水流量值与设定时间（如上次或前某次）的水量值进行对比，若比对差值△Q≤QP（设定值）则不发送数据；若△Q>QP则经发送模块发送至中心站。其优点是能根据设定比较值及时间发送数据，特别适用于需作定水量监控管理的场合，且发送数据量及其能耗和费用是几种方式中最少的；缺点是不能连续记录完整水流量变化。
（3）定时发送与比对超差发送兼容式：兼容以上两种发送方式的优点，是较全面的发送方式；但数据发送量及其能耗和费用也是几种方式中最大的，若数据通信采用非自建网络（如GPRS、卫星），则会因数据量较大，运行的传输费用会较高。
4.2 通信传输组网方案选择
选用何种通信传输组网方式，让系统数据能及时可靠地传送到中心站，也是水流量在线监测系统要解决的一个关键问题。通信传输组网方案是多种多样的，可用有线或无线传输。常见的远程通信传输方式有有线电话、超短波、GPRS、卫星等，它们都能以各自单独方式组网或多种方式混合组网，常见的4种通信组网方式的比较见表2。
表2 主要通信方式的比较
超短波通信属于自建网络，独立性好且无数据传输费用，但要新建发射塔、中继站等设备，建设成本很高；有线电话组网是利用公用电话线路，抗干扰能力强，但易受自然或人为损坏，当线路较长时维护困难；卫星通信抗干扰能力最强，但安装费用较高，且传输租金是几种方式中最高的；GPRS方式为租用网络服务，站点只需安装类似手机的发射模块，建设费用较低，但缺点是受当前网络信号覆盖条件的限制，偏远的站点可能无法传输。
不同的通信组网方式各有优缺点，应根据具体情况因地制宜地选择，根据比较结果可从技术可靠性、运行费用、建设成本等方面综合考虑。值得注意的是目前国内GPRS网络的覆盖率已超过90％的地域，故推荐优先选用，对于信号未能覆盖或信号不稳定的通信站点，只能选用其它通信方式或2种通信方式混合组网来加以适应，或在一个站点中采用2种不同的通信方式互为备用。
5 中心站数据处理子系统
中心站数据处理子系统主要功能是对数据采集和通信传输子系统发来的数据进行接收、储存、发布和查询。各水流量监测点的数据在中心站汇集并存入数据库，用户可通过访问中心站服务器作数据查询和分析；该子系统是水流量在线监测系统的大脑中枢和对外窗口，也是监测系统的终端。正确选择该子系统网络结构模式，尤其是查询客户端与中心站服务器的网络结构模式，关系到其功能的优化与数据安全，因此是该子系统设计中至关重要的一环。
5.1 子系统构成
该子系统主要由信息接收、信息查询等子模块组成，利用开放、标准的应用程序接口有机联系起来。
5.2 主要网络结构模式选择
（1）浏览器服务器（B/S）：该结构具有良好的扩充性，对客户端没有任何特殊要求，对用户数也没有限制，只需网络支持并具有浏览器功能即可。B/S模式只在服务器端安装应用程序，客户端不须安装，直接使用IE或其他浏览器即可访问查询；修改应用程序只与服务器有关，客户端不作任何改动；操作简单，维护方便。但缺点是系统安全性较差，容易受外部黑客攻击，且由于客户端没有任何专用软件，故难以实现较复杂的功能。
（2）客户服务器（C/S）：该结构的数据具有较强安全性和互动性，特别有利于系统的数据修改和复杂功能的实现，可对信息进行各种操作，在高速网络环境下可满足不同用户的需要。但缺点是只有安装了客户端软件的用户才能访问服务器查询数据，不利于数据的大范围发布。一旦服务器程序变化，则所有客户端软件也必须修改，软件升级和维护较麻烦。由于上述2种网络结构模式各具优缺点和各子模块的需求，故可采用两者兼容的方案，系统信息的查询与发布等子模块采用BS模式，以方便信息查询与发布；信息汇集和数据库子模块则采用CS模式，易于实现较复杂的数据库查询修改功能，同时也能保证信息汇集和数据库子模块有较高的安全性。
6 结语
本文仅就水流量在线监测系统设计选型方案作粗浅探讨，若在系统中增加若干控制子系统（如控制信号传输给电动阀门或变流量泵），则可控制（调节）输水系统的流量；扩展成监控兼备、功能齐备、自动化程度较高的在线测控系统。随着自动化仪表、数据传输与处理和计算机自动控制等各项技术的进步，水流量在线自动测控系统将鲫鱼广阔的应用发展前景。
