雨量自動測報系統(tǒng)可靠性及誤差分析

呂樹龍

（遼寧省水文局，遼寧沈陽 115003）

1 簡述

隨著時代的進(jìn)步和科技的發(fā)展，雨量報汛手段不斷增強(qiáng)。由原始的人工觀測再拍發(fā)電報發(fā)展到自記雨量計及語音電話發(fā)報，進(jìn)而演變到雨量自動化終端測量雨量通過GPRS傳輸。科技的進(jìn)步不斷改變著水文觀測的現(xiàn)實，利用電腦、網(wǎng)絡(luò)等自動化手段傳輸水情情報，不僅解放了勞動力，也提高了工作效率。

雨量自動報汛系統(tǒng)由采集終端和分中心系統(tǒng)組成，采集終端通過自動感應(yīng)降雨，計數(shù)并通過觸發(fā)器出發(fā)傳輸設(shè)備，通過GPRS信道傳輸?shù)椒种行?，分中心系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)處理并寫入數(shù)據(jù)庫，再通過查詢系統(tǒng)進(jìn)行顯示、查詢，通過信息交換系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)到省中心。

營口地區(qū)雨量自動報汛系統(tǒng)始建于2006年，初期遙測站只建設(shè)了基本水文站及大中型水庫。經(jīng)過不斷地發(fā)展建設(shè)，逐步覆蓋小一型水庫站、中小河流雨量站，站點遍布本地區(qū)各流域水系的山區(qū)、平原區(qū)。

營口地區(qū)雨量自動報汛系統(tǒng)遙測站采用YAC9900多路徑遙測終端設(shè)備構(gòu)建，設(shè)備自動監(jiān)測雨量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過GPRS/GSM通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)剿榉种行摹＿b測站具有數(shù)據(jù)采集、存儲、觸發(fā)傳輸?shù)墓δ埽捎炅總鞲衅?、控制器（RTU）、通信模塊、蓄電池、太陽能板及充電控制器及信號避雷設(shè)備構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。分中心由信號接收通信模塊，計算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫組成。

雨量自動報汛系統(tǒng)的建設(shè)與使用，極大的提高了水情報汛的時效性，實現(xiàn)和雨量數(shù)據(jù)的實時測報，使防汛工作能夠更加快速、詳細(xì)的了解雨情情報。然而系統(tǒng)的可靠性和誤差情況，也一直存在很大的爭議，對水文資料的準(zhǔn)確性有很大的影響。通過對自動化報汛系統(tǒng)可靠性以及雨量數(shù)據(jù)與人工數(shù)據(jù)的分析，不斷提高系統(tǒng)的可靠性及精度，才能保證水文資料的可靠性與連續(xù)性。

2 系統(tǒng)運行可靠性

雨量自動報汛系統(tǒng)的可靠性是水情信息及時采集與傳輸?shù)年P(guān)鍵，可靠性好壞主要反應(yīng)在終端故障率、傳輸網(wǎng)絡(luò)暢通性上。通過分析系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸，定時暢通率可以放映出雨量自動報汛系統(tǒng)的穩(wěn)定程度。

圖1 遙測站設(shè)備組成結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)可靠性，用系統(tǒng)在規(guī)定條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成數(shù)據(jù)收集的月平均暢通率和完成數(shù)據(jù)處理作業(yè)的完成率來衡量。

系統(tǒng)的月平均暢通率應(yīng)達(dá)到，平均每個數(shù)據(jù)收集周期有95%以上的遙測站（重要控制站必須包括在內(nèi)）能把數(shù)據(jù)準(zhǔn)確送到分中心。

系統(tǒng)暢通率（P）按下式計算：

式中：N——為系統(tǒng)設(shè)定的定時報汛次數(shù)；m——為系統(tǒng)接收到的定時數(shù)據(jù)次數(shù)。

為了能夠反映出系統(tǒng)在各種降雨條件下的可靠性，選取有大雨發(fā)生的年份資料。因系統(tǒng)主要應(yīng)用于汛期，非汛期的使用有限，維護(hù)、檢修也都不能及時到位，故選擇有大洪水發(fā)生的2012年6—8月份的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。遙測終端雨量傳感器為0.5 mm計數(shù)，達(dá)到設(shè)定值進(jìn)行傳輸，定時數(shù)據(jù)為每日24次，即每小時發(fā)送一次定時數(shù)據(jù)。通過對6—8月份系統(tǒng)接收到的定時數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，實際收到的數(shù)據(jù)條數(shù)與應(yīng)該收到的數(shù)據(jù)條數(shù)相比，得出定時數(shù)據(jù)傳輸暢通率?？梢钥闯龈髡揪３衷?8%以上，其中通過GPRS信道傳輸數(shù)據(jù)占90%以上。GSM信道傳輸主要是由于當(dāng)?shù)匦盘栞^弱，GPRS不穩(wěn)定導(dǎo)致系統(tǒng)自動切換到備用信道。

3 降水量誤差分析

3.1 誤差分析方法及標(biāo)準(zhǔn)

自動報汛系統(tǒng)的雨量數(shù)據(jù)其準(zhǔn)確性是否滿足服務(wù)防汛工作及水文資料整編的要求，需通過與人工觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。為了控制人工觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，選用的基本水文站和基本雨量站的報汛數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

營口地區(qū)所使用的遙測終端雨量傳感器分辨率為0.5 mm，按照相關(guān)規(guī)范規(guī)定，降雨量量測的相對誤差與絕對誤差應(yīng)滿足：

1）當(dāng)降水量小于等于12.5 mm時，允許的絕對誤差不超過±0.5 mm。

式中：δ——絕對誤差；P遙——遙測雨量數(shù)值；P人——人工觀測雨量數(shù)值。

2）當(dāng)降水量大于12.5 mm時，允許的相對誤差為±4%。

式中：δ——絕對誤差；P遙——遙測雨量數(shù)值；P人——人工觀測雨量數(shù)值。

6—8月份降雨數(shù)據(jù)按日、旬、月和場次分四種情況，分別分析遙測數(shù)據(jù)與人工數(shù)據(jù)的誤差情況，并做統(tǒng)計匯總并對最大場地降水及總降水量進(jìn)行分析對比。

3.2 誤差分析結(jié)果

對營口地區(qū)報汛的基本水文站、基本雨量站5—8月份的遙測數(shù)據(jù)與人工數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。以營口站為例的降水量對比分析數(shù)據(jù)見表1及圖2。

表1 營口站 7月日雨量對比分析表

圖2 營口站6-8月雨量數(shù)據(jù)對比柱狀圖

日降水量對比分析：5站3個月共計降水199 d次，在誤差允許范圍內(nèi)的天數(shù)為172 d，合格率為86.4%。其中：降水量小于等于12.5 mm的天數(shù)為140 d，絕對誤差超標(biāo)14 d，合格天數(shù)為126 d，合格率為90%，最大絕對誤差為1.5 mm；降水量大于12.5 mm的天數(shù)為59 d，相對誤差超標(biāo)13 d，合格天數(shù)為46 d，合格率為77.9%，最大相對誤差為8.91%。

旬降水量對比分析：5站3個月共統(tǒng)計旬降水量45個，超標(biāo)8個，在誤差允許范圍內(nèi)37個，合格率為82.2%。其中：降水量小于等于12.5 mm的旬?dāng)?shù)為11個，絕對誤差超標(biāo)1個，合格旬?dāng)?shù)為10個，合格率為90.9%，最大絕對誤差為0.7 mm；降水量大于12.5 mm的旬?dāng)?shù)為34個，相對誤差超標(biāo)9個，合格旬?dāng)?shù)為25個，合格率為73.5%，最大相對誤差為7.5%。

月降水量對比分析：5站3個月共統(tǒng)計月降水量15個，超標(biāo)3個，在誤差允許范圍內(nèi)12個，合格率為80%。

以營口站為例的旬月降水量對比分析見表2。

表2 營口站 旬月雨量對比分析表

場次降雨量對比分析：每站選取5場降雨進(jìn)行對比分析，共計25場，超標(biāo)7場，在誤差允許范圍內(nèi)18個，合格率為72%。以營口站為例的場次降水量對比分析，見表3。

表3 營口站 場次雨量對比分析表

年度最大場次降雨分析：營口站7月28日至8月4日遙測降水量267 mm，人工降水量262 mm，其絕對誤差為5 mm，相對誤差為1.91%。

總降水量對比分析：6—8月5站總降水量遙測數(shù)據(jù)為2 200 mm，人工數(shù)據(jù)為2 192.1 mm，其絕對誤差為7.9 mm，相對誤差為99.6%。

4 誤差原因分析

根據(jù)以上統(tǒng)計分析可以看出，遙測降水量與人工觀測數(shù)據(jù)的絕對誤差并不是很大，合格率能達(dá)到90%以上，而相對誤差得合格率也在70%以上。由于各站所處的地理位置、周圍環(huán)境、儀器狀況、系統(tǒng)維護(hù)等原因都會對分析結(jié)果產(chǎn)生影響。

1）儀器精度誤差。由于雨量傳感器的分辨率為0.5 mm，在降雨停止時，未達(dá)到0.5 mm的雨量不會計數(shù)，或被蒸發(fā)或累加到下一次降水中。造成雨量偏差。

2）系統(tǒng)時鐘誤差。由于各終端設(shè)備的時鐘經(jīng)常會不一致，隨著時間的延長，時鐘偏差越大。這就造成了整點雨量計數(shù)的偏離。管理人員應(yīng)定期進(jìn)行全部設(shè)備的時鐘校準(zhǔn)。

3）設(shè)備維護(hù)不及時。電子設(shè)備收到環(huán)境影響常會出現(xiàn)故障，有時會出現(xiàn)數(shù)據(jù)跳變、死機(jī)等故障，維護(hù)不及時必然會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失。

4）設(shè)備調(diào)校不準(zhǔn)。雨量傳感器依靠電磁元件感應(yīng)翻斗并計數(shù)，如磁頭調(diào)校不準(zhǔn)會造成感應(yīng)數(shù)據(jù)不靈敏。

5）雨量翻斗不靈活。設(shè)備長期暴露在外，雨量翻斗會積塵、淤泥，造成翻斗量測不平衡，翻轉(zhuǎn)不暢，也會造成雨量足就翻轉(zhuǎn)。

5 結(jié)語

通過對比分析，可以看出自動報汛系統(tǒng)的可靠性很高，相較人工數(shù)據(jù)仍有一定誤差存在，但雨量總值基本相當(dāng)。誤差主要由設(shè)備故障、系統(tǒng)調(diào)試維護(hù)等方面造成。相比人工報汛在時效性、便利性上有很大優(yōu)勢。

遙測雨量計的應(yīng)用大大提高了雨量報汛的工作效率，推進(jìn)了自動化報汛系統(tǒng)的建設(shè)，促進(jìn)了水情報汛工作的快速發(fā)展，為防汛決策更及時的提供參考。隨著對文現(xiàn)代化的不斷發(fā)展，自動化報汛必將全面滲透到水文工作的各個部位，為了更好將現(xiàn)代化工具的應(yīng)用與生產(chǎn)實踐，提高工作效能，促進(jìn)質(zhì)量提升，必須敢于應(yīng)用，勤于總結(jié)，精于分析。為了充分發(fā)揮現(xiàn)代化設(shè)備的作用，更要加大力度維護(hù)保養(yǎng)，減少系統(tǒng)故障。同時也要大力提高人員素質(zhì)，工作技能，規(guī)范操作流程，實行標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)與管理。