摘 要： 由于山洪災(zāi)害突發(fā)性強(qiáng)、危害性大、極難防御等問題，因此高可靠的山洪預(yù)警系統(tǒng)極為重要。目前國內(nèi)普遍采用RTU對(duì)山洪進(jìn)行預(yù)警。通過建立Markov模型分析單機(jī)系統(tǒng)和雙機(jī)熱備系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程，并且通過Matlab進(jìn)行仿真分析，得出雙機(jī)熱備系統(tǒng)較單機(jī)可測系統(tǒng)可以明顯提高RTU的可靠性。
關(guān)鍵詞： 山洪預(yù)警系統(tǒng)；RTU；雙機(jī)熱備系統(tǒng)；可靠性
我國是一個(gè)山洪災(zāi)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(huì)帶來嚴(yán)重的影響。目前人工觀測的方式耗費(fèi)大量的人力資源，且可靠性和實(shí)時(shí)性不高，所以需要建立高可靠性的山洪預(yù)警系統(tǒng)。而遠(yuǎn)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(duì)信號(hào)、工業(yè)設(shè)備的監(jiān)測和控制[1]，其可靠性是研究的要點(diǎn)。
對(duì)于山洪預(yù)警系統(tǒng)，需要設(shè)計(jì)一個(gè)可以測量雨量和水位的RTU。由于山洪預(yù)警系統(tǒng)對(duì)RTU可靠性的要求較高，所以對(duì)RTU采用雙機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。建立Markov模型對(duì)單機(jī)系統(tǒng)和雙機(jī)熱備系統(tǒng)的可靠性和安全性進(jìn)行評(píng)估。
1 RTU的基本功能和要求
RTU的主要功能[2]是對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和數(shù)據(jù)通信，并且RTU具有存儲(chǔ)、顯示、設(shè)置、報(bào)警的功能。本文設(shè)計(jì)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(fù)責(zé)采集由雨量傳感器和水位傳感器傳送來的模擬信號(hào)；
(2)數(shù)據(jù)處理功能：對(duì)采集到的模擬信號(hào)按照計(jì)算公式轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)；
(3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能：RTU配備了大容量的存儲(chǔ)器以供存儲(chǔ)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(shè)置功能：如對(duì)水位測量時(shí)， RTU可以設(shè)定周期（如1 h）采集傳感器數(shù)據(jù)；
(6)報(bào)警功能：當(dāng)測量的水位和雨量超過設(shè)定值時(shí)，蜂鳴器產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)；
(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(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心；
(8)診斷和恢復(fù)功能：本文設(shè)計(jì)的雙機(jī)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(huì)有很大的變化，而且時(shí)常會(huì)發(fā)生雷擊，所以對(duì)RTU的設(shè)計(jì)需要達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)。RTU的溫度指標(biāo)應(yīng)該在
-20 ℃～+70 ℃，濕度應(yīng)該為90% RH，平均無故障時(shí)間(MTBF)至少達(dá)到30 000 h，此外還應(yīng)具有抗雷擊、抗電磁干擾的能力。
2 RTU的系統(tǒng)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)模塊包括以下幾個(gè)部分[1，3]：
(1)主控制器模塊：通過兩片MC9S08QE64單片機(jī)構(gòu)成雙機(jī)熱備系統(tǒng)，通過增加心跳總線和控制總線對(duì)兩個(gè)模塊進(jìn)行故障檢測和控制。
(2)電源模塊：通過2個(gè)繼電器，為外部設(shè)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(jī)供電。
(3)通信模塊：用一個(gè)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(gè)串口提供2個(gè)RS232接口和1個(gè)RS485接口；1個(gè)SPI接口，供外部擴(kuò)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(chǔ)模塊：1個(gè)4 MB大容量的存儲(chǔ)芯片MR25H40用來臨時(shí)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(biāo)和需求，各模塊與單片機(jī)之間要加上隔離保護(hù)器件，如12 V變5 V的非隔離DC/DC、防雷保護(hù)電路等。RTU的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
3 RTU雙機(jī)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(jī)系統(tǒng)[4]的容錯(cuò)能力較差、可靠性不高，同時(shí)三模冗余系統(tǒng)[5]和雙模冗余-比較系統(tǒng)[6]的復(fù)雜度大、成本較高，所以經(jīng)過比較采用雙機(jī)熱備系統(tǒng)。如今國內(nèi)對(duì)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(jī)熱備的各個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換是一個(gè)隨機(jī)的動(dòng)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(duì)單機(jī)系統(tǒng)和雙機(jī)系統(tǒng)的可靠性和安全性進(jìn)行了比較。
由表1可以看出單機(jī)可測系統(tǒng)的可靠度和安全度隨著時(shí)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(jī)熱備系統(tǒng)的可靠度和安全度會(huì)隨時(shí)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(jī)熱備系統(tǒng)的可靠度明顯高于單機(jī)系統(tǒng)的可靠度，且單機(jī)系統(tǒng)在5 000 h時(shí)其可靠度躍為0.6，而雙機(jī)熱備系統(tǒng)的可靠度還高達(dá)0.94。雙機(jī)熱備系統(tǒng)的安全度和單機(jī)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(jī)熱備系統(tǒng)比單機(jī)系統(tǒng)好，更加適合設(shè)計(jì)高可靠的RTU。
通過對(duì)雙機(jī)熱備系統(tǒng)和單機(jī)系統(tǒng)的比較，得出雙機(jī)熱備技術(shù)既可以保持較高的安全度，同時(shí)也明顯提高了系統(tǒng)的可靠性，對(duì)于比較惡劣的環(huán)境采用雙機(jī)熱備技術(shù)提高RTU的可靠性是很好的選擇。
參考文獻(xiàn)
[1] 陳梓馥，孫萬蓉，董明明，等.基于ARM9的RTU設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2012，2(3)：54-58.
[2] 宋濤.水文自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)RTU的設(shè)計(jì)[D].太原：太原理工大學(xué)，2010.
[3] 呂宗平.RTU在水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控中的應(yīng)用[D].武漢：華中科技大學(xué)，2005.
[4] 姜堅(jiān)華.雙機(jī)熱備系統(tǒng)的技術(shù)研究和具體實(shí)現(xiàn)[J].微型電腦應(yīng)用，2004，20(3)：7-8.
[5] 王麗華，徐志根，王長林.可維修三模冗余結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠度與安全度分析[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，37(1)：104-107.
[6] 張本宏，陸陽，魏臻，等.雙模冗余一比較系統(tǒng)的可靠性和安全性分析[J].系統(tǒng)工程學(xué)報(bào)，2009，24(2)：231-237.
[7] 覃慶努，魏學(xué)業(yè)，于蓉蓉，等.基于雙機(jī)聯(lián)合故障檢測的雙機(jī)熱備系統(tǒng)可靠性和安全性研究[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2011，33(12)：210-215.