摘 要： 由于山洪災害突發(fā)性強、危害性大、極難防御等問題，因此高可靠的山洪預警系統(tǒng)極為重要。目前國內(nèi)普遍采用RTU對山洪進行預警。通過建立Markov模型分析單機系統(tǒng)和雙機熱備系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程，并且通過Matlab進行仿真分析，得出雙機熱備系統(tǒng)較單機可測系統(tǒng)可以明顯提高RTU的可靠性。
關鍵詞： 山洪預警系統(tǒng)；RTU；雙機熱備系統(tǒng)；可靠性
我國是一個山洪災害頻繁發(fā)生的國家，山洪發(fā)生大部分是以泥石流、山體滑坡的形式出現(xiàn)，一旦發(fā)生就會帶來嚴重的影響。目前人工觀測的方式耗費大量的人力資源，且可靠性和實時性不高，所以需要建立高可靠性的山洪預警系統(tǒng)。而遠程終端控制系統(tǒng)RTU（Remote Tenninal Unit）是其核心組成部分。RTU主要用于對信號、工業(yè)設備的監(jiān)測和控制[1]，其可靠性是研究的要點。
對于山洪預警系統(tǒng)，需要設計一個可以測量雨量和水位的RTU。由于山洪預警系統(tǒng)對RTU可靠性的要求較高，所以對RTU采用雙機系統(tǒng)結(jié)構。建立Markov模型對單機系統(tǒng)和雙機熱備系統(tǒng)的可靠性和安全性進行評估。
1 RTU的基本功能和要求
RTU的主要功能[2]是對現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)采集、處理和數(shù)據(jù)通信，并且RTU具有存儲、顯示、設置、報警的功能。本文設計的RTU主要具有檢測雨量和水庫水位的功能。具體功能如下：
(1)數(shù)據(jù)采集功能：主要負責采集由雨量傳感器和水位傳感器傳送來的模擬信號；
(2)數(shù)據(jù)處理功能：對采集到的模擬信號按照計算公式轉(zhuǎn)化為相應的數(shù)字信號；
(3)數(shù)據(jù)存儲功能：RTU配備了大容量的存儲器以供存儲現(xiàn)場處理數(shù)據(jù)；
(4)顯示功能：RTU可以顯示現(xiàn)場的水位、雨量以及終端的收發(fā)狀態(tài)；
(5)設置功能：如對水位測量時， RTU可以設定周期（如1 h）采集傳感器數(shù)據(jù)；
(6)報警功能：當測量的水位和雨量超過設定值時，蜂鳴器產(chǎn)生報警信號；
(7)數(shù)據(jù)通信功能：提供若干種通信規(guī)約，支持無線通信的功能，例如將采集到的數(shù)據(jù)通過RS232串口傳送到GPRS模塊，再通過GPRS網(wǎng)絡發(fā)送到數(shù)據(jù)中心；
(8)診斷和恢復功能：本文設計的雙機系統(tǒng)的檢測包括自檢和它檢功能。
由于RTU工作的環(huán)境比較惡劣，現(xiàn)場的溫度和濕度都會有很大的變化，而且時常會發(fā)生雷擊，所以對RTU的設計需要達到一定的標準。RTU的溫度指標應該在
-20 ℃～+70 ℃，濕度應該為90% RH，平均無故障時間(MTBF)至少達到30 000 h，此外還應具有抗雷擊、抗電磁干擾的能力。
2 RTU的系統(tǒng)設計
系統(tǒng)模塊包括以下幾個部分[1，3]：
(1)主控制器模塊：通過兩片MC9S08QE64單片機構成雙機熱備系統(tǒng)，通過增加心跳總線和控制總線對兩個模塊進行故障檢測和控制。
(2)電源模塊：通過2個繼電器，為外部設備提供2路經(jīng)過DC/DC隔離的直流電，電流200 mA即可供電或斷電。將蓄電池的電壓由12 V變成5 V，給單片機供電。
(3)通信模塊：用一個串口提供2路RS232接口(1路接衛(wèi)星，1路接GPRS，不隔離)；用一個串口提供2個RS232接口和1個RS485接口；1個SPI接口，供外部擴展IO口用。
(4)輸入輸出模塊：包括數(shù)字量的輸入輸出模塊、模擬量的輸入模塊等。
(5)存儲模塊：1個4 MB大容量的存儲芯片MR25H40用來臨時存放采集到的各種數(shù)據(jù)。
由于RTU的工作環(huán)境比較惡劣，為滿足工業(yè)控制的指標和需求，各模塊與單片機之間要加上隔離保護器件，如12 V變5 V的非隔離DC/DC、防雷保護電路等。RTU的系統(tǒng)結(jié)構框圖如圖1所示。
3 RTU雙機熱備系統(tǒng)可靠性分析
3.1 系統(tǒng)分析方法的選擇
RTU工作現(xiàn)場的環(huán)境惡劣，這要求其具有很高的可靠性。由于單機系統(tǒng)[4]的容錯能力較差、可靠性不高，同時三模冗余系統(tǒng)[5]和雙模冗余-比較系統(tǒng)[6]的復雜度大、成本較高，所以經(jīng)過比較采用雙機熱備系統(tǒng)。如今國內(nèi)對系統(tǒng)可靠性的研究方法比較多，例如基于故障樹的分析方法、基于petri網(wǎng)的分析方法、故障模式及危害性分析、基于Markov模型的分析方法。由于雙機熱備的各個狀態(tài)轉(zhuǎn)換是一個隨機的動態(tài)過程，而Markov是研究狀態(tài)轉(zhuǎn)換的最佳方法，所以選用基于Markov模型的分析方法。最后對單機系統(tǒng)和雙機系統(tǒng)的可靠性和安全性進行了比較。
由表1可以看出單機可測系統(tǒng)的可靠度和安全度隨著時間的增加而減小，且可靠度減小的幅度明顯比安全度要大。
由表2同樣也可以得出雙機熱備系統(tǒng)的可靠度和安全度會隨時間的增加而減小，但是下降幅度不明顯，且二者數(shù)值比較接近。
由圖4可以看出雙機熱備系統(tǒng)的可靠度明顯高于單機系統(tǒng)的可靠度，且單機系統(tǒng)在5 000 h時其可靠度躍為0.6，而雙機熱備系統(tǒng)的可靠度還高達0.94。雙機熱備系統(tǒng)的安全度和單機系統(tǒng)的安全度相差不大，都處于較高的水平。比較得出雙機熱備系統(tǒng)比單機系統(tǒng)好，更加適合設計高可靠的RTU。
通過對雙機熱備系統(tǒng)和單機系統(tǒng)的比較，得出雙機熱備技術既可以保持較高的安全度，同時也明顯提高了系統(tǒng)的可靠性，對于比較惡劣的環(huán)境采用雙機熱備技術提高RTU的可靠性是很好的選擇。
參考文獻
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