Фгбу «гги» 2014 г. Введение

(Одобрен Методической Комиссией ФГБУ «ГГИ»

19.12.2013 г., протокол №2)

ФГБУ «ГГИ»

2014 г.

Введение

В настоящем документе представлены основные направления модернизации системы гидрологических наблюдений и типовые комплектации оборудования гидрологических постов основной гидрологической сети и региональных центров сбора и обработки данных гидрологических наблюдений, предназначенные для унификации запросов УГМС и НИУ Росгидромета по закупке средств измерений гидрологического назначения, а также компьютерной техники и программного обеспечения. При подготовке документа был учтен опыт реализации гидрологического компонента проекта «Модернизация-1» в части оснащения пунктов наблюдений гидрологической сети автоматизированными средствами измерений, а также материалы одобренного Росгидрометом Эскизного (системного) проекта «Проектирование комплексной системы гидрологических наблюдений в бассейне реки Волга (КСГН-ВОЛГА)», разработанного в рамках гидрологического блока проекта «Модернизация -2».

Комплексная система гидрологических наблюдений (КСГН) (в дальнейшем- Система) создается путем модернизации и технического перевооружения системы гидрологических наблюдений на основе современных дистанционно-автоматизированных методов и средств измерения, оснащения гидрологических постов современными автоматизированными средствами наблюдений, приборами, аналитическим и вспомогательным оборудованием, системами связи.

Система обеспечивает выполнение следующих общесистемных функций:

1. 
   непрерывность производства наблюдений;
   
2. 
   единство и сопоставимость программ и методов наблюдений, сбора, обработки,
   
3. 
   хранение и распространение полученной в результате наблюдений информации;
   
4. 
   достоверность получаемой и распространяемой информации;
   
5. 
   соблюдение регламентов наблюдений, сбора, хранения информации и обмена информацией с региональными и федеральными структурами Росгидромета.
   

1. 
   Организационная структура Системы
   

В то же время организационная структура гидрологической наблюдательной сети претерпевает изменения, связанные как с оптимизацией состава сети, так и пересмотром видов и потоков информации, способов доставки данных наблюдений в центры сбора и интеграцией потока гидрологической информации с другими информационными потоками. Эти изменения включают:

• 
  Создание новых наблюдательных подразделений и пунктов наблюдений основной и специализированной сетей в результате проведенной оптимизации состава, пространственного размещения и программ работы наблюдательных пунктов с учетом необходимости увеличения численности гидрологической сети в районах с низкой ее плотностью, а также в зонах формирования опасных гидрологических явлений для более качественного и полного решения задачи мониторинга поверхностных вод.
  
• 
  Создание принципиально новой бассейновой автоматизированной гидрологической системы наблюдений с высокой надежностью эксплуатации за счет внедрения автоматизированных и автоматических средств измерений, мобильных разъездных гидрологических лабораторий, что позволяет получать информацию в реальном времени.
  
• 
  Модернизацию подсистемы сбора данных за счет внедрения нового программного и аппаратного обеспечения как в пунктах наблюдений разных видов, так и в подразделениях, ответственных за сбор данных (ЦГМС, УГМС, гидрологические и озерные станции, воднобалансовые и болотные станции).
  
• 
  Создание Центров сбора данных наблюдений (ЦСДН) в ЦГМС, обеспечивающих сбор гидрологических данных со всех наблюдательных станций в автоматизированном режиме на подведомственной территории.
  
• 
  Внедрение сотовой и радиосвязи для передачи информации как в интерактивном так и пакетном режимах, включая регламентное обеспечение доставки оперативных данных и экстренных сообщений.
  
• 
  Интеграция гидрологической системы наблюдений в создаваемую Интегрированную информационно-телекоммуникационную систему (ИИТС) Росгидромета с организацией ЦСДН, предназначенных для сбора и обработки различных видов информации.
  

Пункты наблюдений основной сети действуют в составе гидрологических станций (ГС), озерных станций (ОС) или гидрометеорологических обсерваторий (ГМО). Пункты наблюдений за испарением с водной поверхности действуют в составе метеостанций (МС), воднобалансовых станций (ВБС) и болотных станций (БС). Пункты наблюдений за испарением с суши и пункты наблюдений за испарением со снега действуют в составе метеостанций, агрометеорологических станций (АМС) и воднобалансовых станций.

Таким образом, второй уровень системы составляют структурные подразделения, в ведении которых находятся пункты наблюдений, т. е. ГС, ОС, ГМО, МС, АМС, ВБС, БС. В условиях внедрения автоматизированных средств измерений некоторые виды информации с первого уровня (минуя второй уровень) сразу будут поступать на третий уровень, в ЦСДН, расположенные в Центрах по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (ЦГМС), являющихся филиалами УГМС. В частности, напрямую с первого на третий уровень по каналам связи будут поступать в автоматическом режиме оперативные данные об уровне воды и данные наблюдений за испарением, полученные на МС и АМС. ЦГМС являются главными региональными производственными подразделениями, в которых производится обработка всех массивов гидрологической и сопутствующей информации, поступающей с первого и второго уровней и подготовка информационной продукции, как по регламентному протоколу, так и для обслуживания потребителей.

Как уже отмечалось, ЦГМС являются филиалами Управлений по гидрометеорологии и мониторингу окружающей природной среды (УГМС). УГМС составляют четвертый уровень системы.

Организационная структура системы представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Организационная структура системы (на примере бассейна р.Волга)

2. 
   Функциональная структура Системы
   

• 
  подсистема получения данных;
  
• 
  подсистема сбора данных;
  
• 
  подсистема обработки данных;
  

1. 
   Подсистема получения данных
   

Подсистема получения данных состоит из пунктов гидрологических наблюдений (ПГН) основной и специализированной гидрологической сетей и наблюдательных подразделений (НП), которые действуют в составе УГМС и обеспечивают получение данных на подведомственной территории. К основной сети относятся пункты гидрологических наблюдений на реках и каналах (ГП), озерах и водохранилищах (ОГП). К специализированной сети относятся пункты наблюдений на воднобалансовых станциях (ПН ВБС), пункты наблюдений на болотных станциях (ПН БС), пункты наблюдений за испарением (ПНИ) с водной поверхности, почвы и снежного покрова, а также маршруты снегосъемок (МСС). Подсистема получения данных обеспечивает получение как оперативных данных средствами автоматизированных гидрологических комплексов (на ААГП, АГП, ПНИ), так и оперативных и режимных данных, которые получаются вручную с помощью неавтоматизированных средств измерений оператором МГЛ, или непосредственно наблюдателем ПГН с использованием комплектов гидрологического оборудования (КГО).

2. 
   Подсистема сбора данных
   

Подсистема сбора гидрологических данных обеспечивает передачу информацииот наблюдательных подразделений в центры сбора данных как в автоматизированном, так и неавтоматизированном режимах. В первом случае информация передается в цифровом формате по каналам связи, во втором случае - по традиционным каналам: радиосвязь, мобильная связь, электронная почта, телеграфная и телексная связь, почтовая связь или нарочные. Вся оперативная, а также режимная гидрологическая информация, поступающая в цифровом виде, сосредотачивается в центрах сбора данных наблюдений (ЦСДН), функционирующих в ЦГМС. ВЦСДН после получения данных обеспечивается их первичный контроль, проверка полноты и своевременности поступления, и формируется единая база оперативных гидрологических данных.

Оперативная информация, получаемая неавтоматизированными средствами измерений, кодируется наблюдателем гидрологического поста и передается с мобильного телефона с помощью SMS в ЦСДН, где она дешифруется и заносится в базу данных, интегрированную с базой данных АРМ Гидролог-прогнозист. Эта база данных находится в прогностических подразделениях УГМС (ЦГМС), где и производится ее обработка (ЦОД#1).

Режимная информация, получаемая неавтоматизированными средствами измерений, передается по традиционным каналам связи в центры обработки данных режимных наблюдений (ЦОД#2), находящиеся в режимных подразделениях УГМС (ЦГМС).

3. 
   Подсистема обработки данных
   

Обработка гидрологических данных, поступивших через подсистему сбора данных, производится в центрах обработки данных.

Региональные центры обработки данных оперативных наблюдений (ЦОД#1), создаются в отделах и группах гидрологических прогнозов ЦГМС, ГМЦ, ГМО и других прогностических подразделениях УГМС. Там же обрабатывается оперативная информация, поступившая из ЦСДН. Центры обработки данных режимных наблюдений на реках и озерах (ЦОД#2) создаются в отделах гидрологии ЦГМС/УГМС в ОГМС, ГМО, на ГС, озерных станциях, МС, ВБС.

В региональных центрах обработки данных осуществляется подготовка регламентированной и нерегламентированной информации по зонам ответственности соответствующих центров обработки, которая используется как на региональном уровне, так и для подготовки массивов данных, предназначенных для передачи на федеральный уровень для дальнейшей обработки.

На федеральном уровне, поступившие с регионального уровня данные, обрабатываются в центрах обработки данных (ЦОД#3) функционирующих в НИУ Росгидромета, осуществляющих методическое руководство работами сетевых организаций по сбору и обработке соответствующих потоков данных. Центры обработки данных (ЦОД#3) действуют в ФГБУ «ГГИ» (подсистема озера и водохранилища), ФГБУ «Гидрометцентр России» (гидрологические прогнозы), ФГБУ «ГОИН» (подсистемы морские устья рек), ФГБУ «ВНИИГМИ-МЦД» (подсистема реки и каналы). Кроме того, в ФГБУ «ГГИ» действует Международный центр данных ВМО по гидрологии озер и водохранилищ, в котором осуществляется обработка данных по озерам и водохранилищам для международного обмена.

Функциональная структура системы представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Функциональная структура системы

3. 
   Подсистема получения данных
   
   1. 
      Архитектура подсистемы получения данных
      

Рис. 3 Структура подсистемы получения данных

Сеть пунктов гидрологических наблюдений по видам наблюдений подразделяется на основную и специализированную. К основной сети относятся пункты гидрологических наблюдений на реках и каналах (ГП), озерах и водохранилищах (ОГП). К специализированной сети относятся пункты наблюдений на воднобалансовых станциях (ПН ВБС), пункты наблюдений на болотных станциях (ПН БС) и пункты наблюдений за испарением (ПНИ) с водной поверхности, почвы и снежного покрова.

Задачей пунктов гидрологических наблюдений является:

1. 
   выполнение измерений гидрологических характеристик по утвержденной программе наблюдений;
   
2. 
   временное хранение данных измерений в пункте наблюдений до их передачи в центры сбора данных наблюдений (для ААГП и АГП);
   
3. 
   обеспечение передачи информации в центры сбора данных наблюдений (ЦСДН) по запросу или по расписанию.
   

1. 
   Пункты наблюдений основной гидрологической сети
   

Пункты наблюдений основной гидрологической сети модернизируются в зависимости от возможной степени автоматизации наблюдений и подразделяются на:

1. 
   автономные автоматические гидрологические посты (ААГП), работающие без наблюдателя. Ежедневные измерения выполняются полностью автоматически, эпизодические измерения выполняются специалистами НП с использованием оборудования мобильных гидрологических лабораторий (МГЛ);
   
2. 
   автоматизированные гидрологические посты (АГП); работающие с наблюдателем. Это информационные и режимные ГП, где ежедневные измерения выполняются полностью автоматически с использованием АГК и информация передается автоматически по расписанию в центры сбора данных наблюдений (ЦСДН). Эпизодические измерения выполняются наблюдателем ГП.
   
3. 
   .
   
4. 
   гидрологические посты с наблюдателем (ГПН). Ежедневные и эпизодические измерения выполняются полностью наблюдателем ПГН.
   

1. 
   Автономные автоматические гидрологические посты (ААГП)
   

Ежедневные измерения уровня воды, температуры воды, осадков и температуры воздуха (в зависимости от программы наблюдений) выполняются с использованием автоматических средств измерений.

Визуальные наблюдения за состоянием водного объекта на ААГП также выполняются в автоматическом режиме с использованием фотографий, получаемых с фоторегистратора. Фотографии получает оператор центра обработки данных (ЦОД) наблюдательного подразделения (ГС, ГМО, ЦГМС) и по фотографиям поверхности потока и ледовых явлений определяет и кодирует состояние водного объекта (СВО).

Эпизодические измерения расходов воды, толщины льда и снега на льду, высоты и плотности снежного покрова (снегомерные маршрутные съемки), наносов и гидрохимические наблюдения, если они входят в программу наблюдений, выполняются специалистами наблюдательных подразделений (ГС, ГМО, ЦГМС) с использованием оборудования мобильных гидрологических лабораторий (МГЛ). Для выполнения этих измерений при наблюдательных подразделениях организуются гидрометрические бригады, которые используют оборудование МГЛ.

Все ААГП являются информационными постами и измерения в центры сбора передаются в автоматическом режиме по заданному расписанию.

Все информационные гидрологические посты модернизируются по типу ААГП в тех случаях, когда есть возможность их обслуживания и проведения эпизодических измерений с использованием МГЛ из наблюдательного подразделения. Это, как правило, те ГП, расстояние до которых от наблюдательного подразделения не превышает 150-200 км. Расстояние, на котором возможно обслуживание ААГП из НП, зависит от транспортной доступности ГП и возможности работы гидрометрической бригады в экспедиционном режиме. Список информационных ГП, модернизируемых по типу ААГП, составляется специалистами УГМС (ЦГМС).

Гидрологические посты, на которых не ведутся эпизодические наблюдения (например, ГП-2), также модернизируются по типу ААГП, даже если они расположены далеко от наблюдательного подразделения. В этом случае посещение их гидрометрическими бригадами с МГЛ осуществляется лишь для выполнения профилактических работ 1-2 раза в год и проведения нивелировок постовых устройств.

Гидрологические посты модернизируются по типу ААГП также тогда, когда нет возможности обеспечить пункт наблюдений наблюдателем или данные измерений существующего наблюдателя ГП не надежны и выполняются с пропусками. В этих случаях оборудование ГП по типу ААГП позволяет повысить надежность и объективность получаемых данных.

Также ААГП необходимо организовывать на тех ГП, где расходы воды в настоящее время измеряются специалистами гидрологических станций или других наблюдательных подразделений без участия наблюдателя гидрологического поста.

Все средства измерений ААГП должны размещаться непосредственно на гидрологическом посту. Средства измерений осадков и температуры воздуха (если они необходимы по программе работы поста) включены в состав комплекса и размещаются на мачте.

Технические средства, размещаемые на ААГП для выполнения измерений, составляют следующие комплексы:

• 
  оборудование и средства инженерного обеспечения (ОСИО);
  
• 
  автоматизированный гидрологический комплекс (АГК) (датчик осадков, температуры воды и воздуха при необходимости в зависимости от программы наблюдений);
  
• 
  фоторегистратор;
  
• 
  гидрометрическая установка (при необходимости);
  
• 
  комплект энергообеспечения (КЭ);
  
• 
  комплект связи (КС).
  

В качестве оборудования и средств инженерного обеспечения (ОСИО) для решения задач защиты ААГП от вандализма применяются постовые сооружения в виде мачты. Только применение мачт в качестве ОСИО для ААГП решает следующие задачи:

• 
  защита датчиков АГК (в первую очередь солнечных панелей, осадкомера, фоторегистратора, датчика температуры воздуха, аккумуляторов, GSM антенны) от вандализма путем размещения их на высоте, недоступной для несанкционированного вмешательства;
  
• 
  размещение фоторегистратора высоко над землей для обеспечения необходимого угла видимости гидрометрического створа с целью определения состояния водного объекта;
  
• 
  обеспечение высокого положения (до 5 м над землей) антенны GSM-модема для увеличения зоны приема сигналов сетей сотовых операторов в областях с негарантированным покрытием.
  

На ААГП в обязательном порядке применяется фоторегистратор для выполнения наблюдений за состоянием водного объекта, т.к. наблюдатель на этом типе ГП отсутствует.

Комплект энергообеспечения ААГП выполняется по типу КЭ #2 (приложение 1) с использованием в качестве источника энергии аккумулятора, заряжаемого от солнечной панели. Использование фоторегистратора как необходимого элемента комплектации ААГП требует большого количества энергии и предопределяет необходимость подзарядки аккумуляторов от солнечных панелей. Также может использоваться комплект энергообеспечения по типу КЭ #1, если в непосредственной близости от расположения мачты ААГП есть возможность подключения к электропитанию 220В.

Эпизодические измерения на ААГП выполняются гидрометрическими бригадами НП с применением МГЛ и с использованием комплектов измерения расходов воды (КИРВ) и комплектов гидрологического оборудования (КГО) различного назначения.

2. 
   Автоматизированные гидрологические посты (АГП)
   

Ежедневные измерения уровня воды, температуры воды, осадков и температуры воздуха (в зависимости от программы наблюдений) выполняются с использованием автоматических средств измерений.

Визуальные наблюдения за состоянием водного объекта в зимний период, эпизодические измерения расходов воды, толщины льда и снега на льду, высоты и плотности снежного покрова (снегомерные маршрутные съемки), наносов и гидрохимические наблюдения, если они входят в программу наблюдений, выполняются наблюдателем ГП с использованием комплектов гидрологического оборудования (КГО) соответствующего назначения.

Все АГП являются информационными постами и измерения в центры сбора передаются в автоматическом режиме по заданному расписанию.

Информационные гидрологические посты модернизируются по типу АГП в тех случаях, когда отсутствует возможность их обслуживания и проведения эпизодических измерений с использованием МГЛ из наблюдательного подразделения. Это посты, расположенные далеко от НП (более 150-200 км), которые экономически и организационно не эффективно обслуживать с использованием МГЛ. В этом случае на гидрологическом посту остается наблюдатель, в обязанности которого входит проведение контрольных измерений уровня воды на ГП с интервалом 10-15 дней и проведение эпизодических наблюдений. Работа наблюдателя на АГП может быть организована на неполный рабочий день или сезонно.

Все АГП являются информационными постами и измерения, выполненные АГК, передаются в центры сбора в автоматическом режиме по заданному расписанию.

Технические средства, размещаемые на АГП для выполнения ежедневных измерений, составляют следующие комплексы:

• 
  оборудование и средства инженерного обеспечения (ОСИО);
  
• 
  автоматизированный гидрологический комплекс (АГК) (датчик осадков, температуры воды и воздуха при необходимости в зависимости от программы наблюдений);
  
• 
  гидрометрическая установка (при необходимости);
  
• 
  комплект энергообеспечения (КЭ);
  
• 
  комплект связи (КС).
  

В качестве оборудования и средств инженерного обеспечения (ОСИО) для решения задач защиты АГП от вандализма применяются следующие постовые сооружения:

1. 
   Мачта для размещения оборудования и защиты от вандализма. Мачта применяется в случаях, если:
   
   • 
     ГП находится в зоне неуверенного приема радиосигнала сотовых операторов (в случае применения GSM-модемов). Расположение антенны GSM-модема высоко над землей позволяет улучшить качества сигнала;
     
   • 
     В качестве комплекта энергообеспечения используется солнечная панель. В этом случае надежная защита от вандализма возможна лишь в случае расположения солнечной панели высоко над землей на мачте;
     
   • 
     В программе наблюдений АГП имеются наблюдения за осадками и температурой воздуха, требующие размещения оборудования на недоступной для вандализма высоте
     
2. 
   Обсадная труба для защиты от вандализма. Применяется, если на ГП проводятся наблюдения только за уровнем и температурой воды и ГП находится в зоне уверенного приема сотовых операторов. В этом случае возможно размещение контроллера АГК и модема в обсадной трубе, имеющей размеры постового репера и выполняющей функции защиты от несанкционированного доступа.
   
3. 
   Контейнер применяется в качестве защиты от вандализма в случае, если:
   
   • 
     не измеряется температура воды. В этом случае могут применяться радарный и барботажный датчики уровня воды.
     
   • 
     для энергообеспечения поста доступно подключение к сети 220В. Если для энергообеспечения поста необходимо применение солнечных панелей, должна применяться защита по типу мачты.
     

Комплект энергообеспечения АГП выполняется по типу КЭ #3 с использованием только аккумуляторного питания, если на ГП измеряется температура воды и используется гидростатический датчик уровня воды. В этом случае возможно использование комплекса АГК с GSM-модемом со сроком автономной работы до 1 года.

Комплект энергообеспечения АГП выполняется по типу КЭ #2 (приложение 1 Типовые комплектации) с использованием в качестве источника энергии аккумулятора, заряжаемого от солнечной панели, если используются датчики уровня воды радарного или барботажного типа или датчик температуры воздуха.

Также может использоваться комплект энергообеспечения по типу КЭ #1, если в непосредственной близости от расположения АГП есть возможность подключения к электропитанию 220В.