基于視頻識(shí)別的一體式水雨情遙測(cè)站的設(shè)計(jì)

劉林海，言 薇，李紅石，殷德才，徐 鋒

（1.浙江省水文管理中心，浙江 杭州 310009；2.杭州?？低晹?shù)字技術(shù)股份有限公司，浙江 杭州 310051）

1 問(wèn)題的提出

水情、雨情信息在防洪、防澇、水利工程安全等方面具有重要意義。傳統(tǒng)的水雨情遙測(cè)系統(tǒng)由水位傳感器、雨量計(jì)、遙測(cè)終端、供電設(shè)備和通信設(shè)備等組成，普遍存在施工成本較高、數(shù)據(jù)類型單一、易受干擾等缺點(diǎn)，而且只能傳輸水雨情數(shù)據(jù)，不能傳輸現(xiàn)場(chǎng)視頻圖像。如果出現(xiàn)預(yù)警，難以確認(rèn)是系統(tǒng)故障還是現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)險(xiǎn)情。

基于視頻識(shí)別的水位監(jiān)測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)新一代一體式水雨情遙測(cè)站，能夠獲取現(xiàn)場(chǎng)的水位、雨量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及視頻圖像。采用低功耗設(shè)計(jì)，利用太陽(yáng)能供電系統(tǒng)和4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)在無(wú)市電、無(wú)有線網(wǎng)的野外環(huán)境遙測(cè)；充分考慮臺(tái)風(fēng)暴雨天氣影響，具有良好的抵抗惡劣環(huán)境的能力。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于視頻識(shí)別的一體式水雨情遙測(cè)站的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 基于視頻識(shí)別的一體式水雨情遙測(cè)站結(jié)構(gòu)圖

采用200萬(wàn)像素水尺讀取智能視頻水位計(jì)，內(nèi)置水尺讀取智能算法并支持深度學(xué)習(xí)，將讀取到的標(biāo)準(zhǔn)水尺圖像直接轉(zhuǎn)化為水位數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)水尺的采樣尺寸為1 000 mm×80 mm，水位讀數(shù)精度為1 cm，不銹鋼材質(zhì)，表面有乳白色油漆，標(biāo)志和數(shù)字為黑色，刻度在可見(jiàn)光波段清晰可辨，在夜間近紅外波段也具有較高的對(duì)比度，便于視頻對(duì)水尺及水位線進(jìn)行識(shí)別。視頻水位計(jì)可接入翻斗式雨量計(jì)的開(kāi)關(guān)量信號(hào)，實(shí)現(xiàn)雨量監(jiān)測(cè)。

水位、雨量數(shù)據(jù)上傳至浙江省水文通信平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)省市縣三級(jí)共享；視頻和圖像則上傳至浙江省水文管理中心的視頻管理平臺(tái)。當(dāng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)波動(dòng)較大等異常情況時(shí)，利用視頻圖像分析原因并與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。

通信采用中國(guó)移動(dòng)TD-LTE制式的4G網(wǎng)絡(luò)通信模塊，下上行鏈路速度分別為100，30 Mbit/s，可滿足視頻水位計(jì)實(shí)時(shí)傳輸水位、雨量數(shù)據(jù)及視頻圖像的要求。

供電設(shè)備由太陽(yáng)能電池板、鋰電池、充放電控制器等組成，滿足監(jiān)測(cè)頻率1次/h，連續(xù)監(jiān)測(cè)15個(gè)陰雨天的要求。

立桿用于安裝視頻水位計(jì)、雨量計(jì)、4G通信設(shè)備、供電設(shè)備等。

3 視頻水位計(jì)選型

基于視頻識(shí)別原理的視頻水位計(jì)已經(jīng)逐漸成熟，通過(guò)將深度學(xué)習(xí)算法、多幀識(shí)別、曝光參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以及攝像機(jī)硬件及光學(xué)定制等多種手段相結(jié)合，解決各種場(chǎng)景因素的干擾，能夠滿足GB/T 50138—2010《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》[2]中自記式水位計(jì)的要求。

本設(shè)計(jì)選擇?？低曇曨l水位計(jì)，水位監(jiān)測(cè)相關(guān)參數(shù)為：測(cè)量范圍0～20 m，分辨力1.0 cm，準(zhǔn)確度±2.0 cm，測(cè)量距離5～50 m。

視頻監(jiān)控相關(guān)參數(shù)為：攝像機(jī)內(nèi)置水尺讀取算法；支持1 920×1 080，30 fps高清畫面輸出；具有2個(gè)圖像傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)雙路視頻圖像融合；最低照度可達(dá)彩色0.000 2 Lux，黑白0.000 1 Lux；25倍光學(xué)變焦，能對(duì)距離50 m的水尺清晰成像；具有夜間紅外補(bǔ)光、自動(dòng)校時(shí)、水位基值設(shè)定、定時(shí)抓圖與事件抓圖的功能；支持SDK、ONVIF、ISAPI、GB28181接入；具有3種濾光片，可在白天、夜晚及有霧的條件下自動(dòng)切換成像；滿足IP67防護(hù)等級(jí)，符合GB/T 17626系列標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；可接入翻斗式雨量計(jì)。

4 立桿設(shè)計(jì)

4.1 立桿桿體設(shè)計(jì)

基于視頻識(shí)別的一體式水雨情遙測(cè)站中，立桿的晃動(dòng)幅度會(huì)影響視頻水位計(jì)對(duì)水尺和水位線的識(shí)別。浙江省緯度偏北，由于受大氣環(huán)流影響，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)在浙江省登錄次數(shù)較多，因此立桿設(shè)計(jì)要充分考慮抗風(fēng)強(qiáng)度和晃動(dòng)幅度，要求13級(jí)臺(tái)風(fēng)(最大風(fēng)速41.4 m/s)不損壞，至少8級(jí)風(fēng)（最大風(fēng)速20.7 m/s）時(shí)可進(jìn)行正常的水位識(shí)別。采用上細(xì)下粗的結(jié)構(gòu)，最大應(yīng)力處在下桿的根部[3]。一體式立桿設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。

圖2 立桿設(shè)計(jì)圖

立桿頂部設(shè)計(jì)雨量傳感器的安裝平臺(tái)，并利用2根U型結(jié)構(gòu)的支架與立桿主體連接，視頻水位計(jì)固定于U型支架。鋰電池安裝在立桿下半部，防盜的同時(shí)降低立桿的重心，從而提升立桿的穩(wěn)定性。在立桿上端設(shè)計(jì)通風(fēng)百葉板，保證高溫條件下鋰電池正常散熱。

在ANSYS軟件中建立立桿模型，立桿的安全系數(shù)設(shè)為2.0，進(jìn)行風(fēng)壓模擬計(jì)算可得出：該立桿在工作狀態(tài)能承受 41.4 m/s的風(fēng)速；在20.7 m/s風(fēng)速下，攝像機(jī)的晃動(dòng)幅度不超過(guò)±1.5 cm，能正常識(shí)別出水尺和水位線。

4.2 電池設(shè)計(jì)

由于偏遠(yuǎn)地區(qū)存在市電供應(yīng)困難問(wèn)題，取用市電的施工成本較高，所以采用太陽(yáng)能電池供電，能夠滿足使用要求。

首先基于1次/h的監(jiān)測(cè)頻率，計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)的平均功耗。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，在定時(shí)1 h休眠和監(jiān)測(cè)的情況下，系統(tǒng)的平均功耗為3.8 W。按照一體式水雨情遙測(cè)站連續(xù)工作15個(gè)陰雨天并無(wú)額外電量充入的情況下，需要消耗的電量為：3.8 W×24 h×15 d÷12 V=114 AH。磷酸鐵鋰放電系數(shù)約為0.90，在0 ℃的極限條件下放電系數(shù)為0.72，因此實(shí)際需要的電池容量為：114 AH÷0.9÷0.72=175.9 AH。對(duì)電池容量取整數(shù)，設(shè)計(jì)定為180 AH。

鋰電池相比于鉛酸電池，循環(huán)壽命達(dá)千次以上，而鉛酸電池平均300～500次。同等容量下，鋰電池的體積和質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鉛酸電池，運(yùn)輸安裝成本大大降低。安全性方面，鋰電池經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的安全測(cè)試，即使劇烈碰撞也不會(huì)發(fā)生爆炸。充電速度方面，若使用同等規(guī)格太陽(yáng)能電板，鋰電池充電速度更快。綜合以上因素，最終選擇鋰電池進(jìn)行電量供應(yīng)。

4.3 太陽(yáng)能電板設(shè)計(jì)

單晶硅太陽(yáng)能電池板與多晶硅相比，光電轉(zhuǎn)換效率高、穩(wěn)定性好。單晶硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為15%左右，最高達(dá)到24%，這是目前所有種類的太陽(yáng)能電池中光電轉(zhuǎn)換效率最高的。此外，單晶硅太陽(yáng)能電池的使用壽命也要比多晶硅太陽(yáng)能電池長(zhǎng)。通過(guò)計(jì)算浙江地區(qū)的光照強(qiáng)度、電流電壓曲線、功率電壓曲線，最終采用160 W單晶光伏電池板。

5 試驗(yàn)應(yīng)用

5.1 試驗(yàn)站介紹

本次開(kāi)展應(yīng)用試驗(yàn)的站點(diǎn)是紹興市柯橋區(qū)平水江水庫(kù)——紹興平原南部山區(qū)調(diào)洪、蓄洪工程中僅有的1座中型水庫(kù)，總庫(kù)容5 457萬(wàn)m3，以防洪、灌溉為主，兼有供水和發(fā)電功能。

5.2 遙測(cè)站安裝

遙測(cè)站的安裝要求為：能設(shè)立直立式水尺，相鄰兩根水尺的觀測(cè)范圍不小于0.20 m的重合，水尺寬度不低于0.08 m；避開(kāi)漂浮物聚集區(qū)，視頻水位計(jì)與水尺之間無(wú)遮擋，視頻水位計(jì)到水尺水位線的距離為5～50 m；視頻水位計(jì)安裝時(shí)應(yīng)盡量避免逆光觀測(cè)；安裝站址應(yīng)配置有線網(wǎng)絡(luò)或4G以上無(wú)線信號(hào)覆蓋；水面不結(jié)冰。紹興市柯橋區(qū)平水江水庫(kù)遙測(cè)站的安裝見(jiàn)圖 3。

圖3 基于視頻識(shí)別的一體式水雨情遙測(cè)站的安裝圖

5.3 試驗(yàn)結(jié)果

5.3.1 比測(cè)資料收集

2020年8月12日在平水江水庫(kù)完成遙測(cè)站的安裝、水尺更換、系統(tǒng)調(diào)試。視頻識(shí)別的水位數(shù)據(jù)通過(guò)RTU終端自動(dòng)上傳到浙江省水利防汛通信平臺(tái)，8月23日起正式開(kāi)始比測(cè)。

截至8月25日，共摘錄3 d整點(diǎn)水位數(shù)據(jù)，與此同時(shí)采用人工觀測(cè)整點(diǎn)水位作為真值，共收集72組數(shù)據(jù)。

5.3.2 允許誤差規(guī)定

系統(tǒng)誤差、隨機(jī)不確定度、綜合不確定度分別按照GB/T 50138—2010《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》[2]附錄E中E.0.6的公式進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)比測(cè)資料進(jìn)行計(jì)算，得到系統(tǒng)誤差、置信水平為95%的綜合不確定度分別為-0.68，2.27 cm，分別滿足GB/T 50138—2010《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》中要求的±1，3 cm。

5.3.3 系統(tǒng)運(yùn)行情況

截至11月21日，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行90 d，供電正常，未出現(xiàn)陰雨天斷電的情況。系統(tǒng)剩余電量可在視頻畫面顯示，方便實(shí)時(shí)查看。

測(cè)試數(shù)據(jù)穩(wěn)定，未出現(xiàn)由于攝像機(jī)晃動(dòng)導(dǎo)致無(wú)法識(shí)別水尺或水位線的情況。當(dāng)然，測(cè)試期間未出現(xiàn)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)烈影響的情況，還需要持續(xù)測(cè)試。

6 結(jié)語(yǔ)

與傳統(tǒng)的水位測(cè)量方法相比，基于視頻識(shí)別的一體式水雨情遙測(cè)站具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：

（1）建設(shè)成本較低。安裝建設(shè)方便，可免去市電、網(wǎng)絡(luò)專線建設(shè)，同時(shí)避免傳統(tǒng)水位測(cè)量的基礎(chǔ)土建工作。

（2）智能化程度高。將人工智能的深度學(xué)習(xí)功能和優(yōu)化算法都集成到前端視頻水位計(jì)上，實(shí)現(xiàn)水位與圖像視頻的雙重監(jiān)測(cè)功能，為汛期采用視頻查看及復(fù)核數(shù)據(jù)提供可視化幫助。

（3）精度較高。比測(cè)結(jié)果表明，人工智能水位圖像識(shí)別完全滿足GB/T 50138—2010《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

在基于視頻識(shí)別的一體式水雨情遙測(cè)站安裝、調(diào)試、使用過(guò)程中，為保證水位數(shù)據(jù)識(shí)別更加精準(zhǔn)，還需注意以下幾點(diǎn)：

（1）為保證水位測(cè)量精度，建議采用與視頻水位計(jì)配套的水尺，夜間紅外補(bǔ)光條件下也應(yīng)有良好的對(duì)比度。

（2）視頻水位計(jì)與水尺正面的左右?jiàn)A角不超過(guò)15°，讀取水尺時(shí)俯視角不超過(guò)20°，與水尺的最大距離不超過(guò)50 m。

（3）水尺的長(zhǎng)度應(yīng)保證比最高水位高20 cm以上。水尺被淹沒(méi)或者露出水面尺寸小于 20 cm時(shí)，攝像機(jī)將無(wú)法讀數(shù)從而出現(xiàn)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。

（4）水尺安裝應(yīng)避開(kāi)漂浮物易聚集的區(qū)域。