摘  要： 由于山洪災害突發性強、危害性大、極難防御等問題，因此高可靠的山洪預警系統極為重要。目前國內普遍采用RTU對山洪進行預警。通過建立Markov模型分析單機系統和雙機熱備系統的狀態轉換過程，并且通過Matlab進行仿真分析，得出雙機熱備系統較單機可測系統可以明顯提高RTU的可靠性。
關鍵詞： 山洪預警系統；RTU；雙機熱備系統；可靠性

     我國是一個山洪災害頻繁發生的國家，山洪發生大部分是以泥石流、山體滑坡的形式出現，一旦發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。而遠程終端控制系統RTU（Remote Tenninal Unit）是其核心組成部分。RTU主要用于對信號、工業設備的監測和控制[1]，其可靠性是研究的要點。
    對于山洪預警系統，需要設計一個可以測量雨量和水位的RTU。由于山洪預警系統對RTU可靠性的要求較高，所以對RTU采用雙機系統結構。建立Markov模型對單機系統和雙機熱備系統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]是對現場進行數據采集、處理和數據通信，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)數據采集功能：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)數據處理功能：對采集到的模擬信號按照計算公式轉化為相應的數字信號；
    (3)數據存儲功能：RTU配備了大容量的存儲器以供存儲現場處理數據；
    (4)顯示功能：RTU可以顯示現場的水位、雨量以及終端的收發狀態；
    (5)設置功能：如對水位測量時， RTU可以設定周期（如1 h）采集傳感器數據；
    (6)報警功能：當測量的水位和雨量超過設定值時，蜂鳴器產生報警信號；
    (7)數據通信功能：提供若干種通信規約，支持無線通信的功能，例如將采集到的數據通過RS232串口傳送到GPRS模塊，再通過GPRS網絡發送到數據中心；
    (8)診斷和恢復功能：本文設計的雙機系統的檢測包括自檢和它檢功能。
    由于RTU工作的環境比較惡劣，現場的溫度和濕度都會有很大的變化，而且時常會發生雷擊，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的系統設計
    系統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，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據。
    由于RTU的工作環境比較惡劣，為滿足工業控制的指標和需求，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的系統結構框圖如圖1所示。

3 RTU雙機熱備系統可靠性分析
3.1 系統分析方法的選擇
    RTU工作現場的環境惡劣，這要求其具有很高的可靠性。由于單機系統[4]的容錯能力較差、可靠性不高，同時三模冗余系統[5]和雙模冗余-比較系統[6]的復雜度大、成本較高，所以經過比較采用雙機熱備系統。如今國內對系統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轉換是一個隨機的動態過程，而Markov是研究狀態轉換的最佳方法，所以選用基于Markov模型的分析方法。最后對單機系統和雙機系統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，且二者數值比較接近。
    由圖4可以看出雙機熱備系統的可靠度明顯高于單機系統的可靠度，且單機系統在5 000 h時其可靠度躍為0.6，而雙機熱備系統的可靠度還高達0.94。雙機熱備系統的安全度和單機系統的安全度相差不大，都處于較高的水平。比較得出雙機熱備系統比單機系統好，更加適合設計高可靠的RTU。

    通過對雙機熱備系統和單機系統的比較，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的可靠性，對于比較惡劣的環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
[1] 陳梓馥，孫萬蓉，董明明，等.基于ARM9的RTU設計[J].物聯網技術，2012，2(3)：54-58.
[2] 宋濤.水文自動測報系統RTU的設計[D].太原：太原理工大學，2010.
[3] 呂宗平.RTU在水電站計算機監控中的應用[D].武漢：華中科技大學，2005.
[4] 姜堅華.雙機熱備系統的技術研究和具體實現[J].微型電腦應用，2004，20(3)：7-8.
[5] 王麗華，徐志根，王長林.可維修三模冗余結構系統的可靠度與安全度分析[J].西南交通大學學報，2002，37(1)：104-107.
[6] 張本宏，陸陽，魏臻，等.雙模冗余一比較系統的可靠性和安全性分析[J].系統工程學報，2009，24(2)：231-237.
[7] 覃慶努，魏學業，于蓉蓉，等.基于雙機聯合故障檢測的雙機熱備系統可靠性和安全性研究[J].系統工程與電子技術，2011，33(12)：210-215.