雷達水位計數(shù)據(jù)跳變分析及解決辦法

張 勇

(新疆塔里木河流域管理局信息中心，新疆 庫爾勒 841000)

2012年開始，塔里木河流域管理局先后實施了塔里木河流域水量遠程監(jiān)控系統(tǒng)項目及信息化整合項目，在塔里木河流域“四源一干”安裝使用了316個雷達水位計用于水閘及灌區(qū)渠道測水斷面的水位觀測。但在使用過程中發(fā)現(xiàn)水位計普遍存在大量數(shù)據(jù)跳變的現(xiàn)象，即雷達水位計采集的數(shù)據(jù)出現(xiàn)超出設(shè)計水位量程范圍、水位數(shù)值明顯不合理或相鄰兩次采集的水位之差大于正常范圍等現(xiàn)象，導致測量的水位數(shù)據(jù)無法使用。

針對雷達水位計在灌區(qū)渠道測水中存在的問題，塔管局信息中心組織設(shè)計、施工及設(shè)備生產(chǎn)商共同對數(shù)據(jù)跳變產(chǎn)生的原因進行分析，認為通過對雷達水位計和RTU的供電模式進行優(yōu)化、提高雷達水位計發(fā)射功率、完善系統(tǒng)數(shù)據(jù)計算方式等幾方面進行改進，可以解決上述問題。經(jīng)過多次現(xiàn)場試驗，改造后雷達水位計的測流運行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)可靠，證明改造方案合理可行，改造后的系統(tǒng)在實際應(yīng)用中效果顯著。

雷達水位計現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)跳變問題的解決，不僅提高了塔管局水情自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量及其適用性，也對其它流域灌區(qū)量測水相關(guān)問題的解決提供參考借鑒，對提升流域水資源管理的信息化建設(shè)與管理水平具有重要意義。

雷達水位計測量水位結(jié)構(gòu)原理如圖1[1- 2]所示。

圖1 雷達水位計測量水位結(jié)構(gòu)圖

1 數(shù)據(jù)跳變及原因分析

1.1 數(shù)據(jù)跳變情況介紹

通過對塔里木河流域水量遠程監(jiān)控系統(tǒng)項目建設(shè)的135個雷達水位計的水位觀測數(shù)據(jù)進行分析，每個雷達水位計最大采樣間隔為1h/次，采樣時間最早為2014年4月1日，采樣時間最晚為2016年2月18日，總分析數(shù)量為2355518條，采用sqlite數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，Jquery EasyUI+Hicharts作為前端，php作為后臺提供數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析。

按1h內(nèi)兩次采集的水位差大于0.5m為跳變進行分析，135個水位計，無跳變數(shù)據(jù)的僅有6個，發(fā)生跳變的水位計占總數(shù)的95.6%，數(shù)據(jù)跳變情況詳如圖2—圖4所示。

由于雷達水位計水位觀測數(shù)據(jù)頻繁出現(xiàn)跳變，導致水位觀測數(shù)據(jù)缺失或數(shù)據(jù)不可信，水位計觀測可用性大大降低，嚴重影響塔里木河流域水資源監(jiān)控系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能應(yīng)用。

圖2 數(shù)據(jù)跳變

圖4 局部放大圖3

圖3 局部放大圖2

1.2 數(shù)據(jù)跳變原因分析

針對雷達水位計大量數(shù)據(jù)跳變的實際情況，塔里木河流域管理局信息中心多次組織項目承建單位和設(shè)備廠家進行座談，逐一分析數(shù)據(jù)跳變的原因，同時選取部分水位監(jiān)測點在不同時段進行現(xiàn)場測試，經(jīng)過大量的現(xiàn)場測試，初步確定了數(shù)據(jù)跳變的原因。

1.2.1 儀器本身原因

雷達水位計測量水位的原理是發(fā)射單元發(fā)出以光速運行的脈沖雷達波，當脈沖遇到液位表面時反射回來被儀表內(nèi)的接收器單元接收，通過將距離信號轉(zhuǎn)化為液位信號，即雷達水位計發(fā)射雷達波——水面反射雷達波——雷達水位計接收雷達波，從而計算出液位高度[3]。在實際測流過程中，雷達水位計測流指標與發(fā)射、接收過程的信號質(zhì)量有直接關(guān)系，特別是測流面對雷達波的反射信號強度有重要影響。在測流過程中由于水面波浪及樹木雜草等漂浮物會影響水位計反射波信號，造成雷達水位計接收不到信號或者接收到的反射波信號太弱，致使水位計測流數(shù)據(jù)跳變或數(shù)據(jù)失效[4]。

1.2.2 RTU設(shè)置原因

目前水利行業(yè)使用雷達水位計大部分都安裝在野外，主要采用太陽能板供電。由于供電設(shè)備容量限制，常規(guī)方式是通過RTU對雷達水位計實行定時供電。規(guī)范要求水位數(shù)據(jù)采集頻次設(shè)置一般為6～10min/次，因此在設(shè)備采集數(shù)據(jù)發(fā)射的間隔期，系統(tǒng)設(shè)置RTU對雷達水位計停止供電，同時RTU自身也會進入休眠狀態(tài)以降低功耗，在下一個數(shù)據(jù)采集時間RTU自動蘇醒并給雷達水位計供電。

實際測量中，雷達水位計在測流前需經(jīng)過20s左右的加電預熱，但外界氣溫的高低對設(shè)備預熱的時長影響較大，夏季高溫(45℃以上)時設(shè)備預熱需28s左右，冬季低溫(-10℃以下)時會增長到45s左右，由于RTU設(shè)置預熱時間一般在20s，如在設(shè)置時間內(nèi)雷達水位計沒有適時返回數(shù)據(jù)，則RTU顯示值為預置數(shù)據(jù)9999.99，表明該數(shù)據(jù)無效，這也是觀測跳變數(shù)據(jù)產(chǎn)生的原因之一。

2 解決方案

2.1 增加雷達水位計發(fā)射功率，增強雷達波信號反射強度

分析得出測流面各種干擾物對雷達波的反射信號強度有重要影響，而水位計雷達波信號反射強度決定了水位測量的成功與否[5- 6]。為詳細準確地分析測流面不同干擾對水位計觀測數(shù)據(jù)的影響，信息中心與承建單位安排技術(shù)人員，選擇不同條件的監(jiān)測點，對渠道流態(tài)平穩(wěn)的水面和急流下的大波浪水面、洪水期出現(xiàn)雜草等漂浮物水面、停水或低水位期出現(xiàn)干灘等各種不同情況，首先對現(xiàn)有的雷達水位計(30m量程)統(tǒng)一在10m高度進行測試。經(jīng)過近3個多月試驗，結(jié)果表明：在平穩(wěn)的水面環(huán)境下水位計基本能夠正常反射信號；在急流段或大風時節(jié)大波浪水面時水位計觀測數(shù)據(jù)發(fā)生波動，在有大量漂浮堆積物的水面及干灘情況下也出現(xiàn)數(shù)據(jù)跳變。隨后我們將雷達水位計發(fā)射功率增加到70m量程，統(tǒng)一在10m高度進行測試，以保證測試條件一致。經(jīng)過長時間測試，雷達水位計基本沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)跳變的現(xiàn)象，試驗證明保證水位計適當強度的發(fā)射功率可有效解決測流數(shù)據(jù)跳變問題。

2.2 改變RTU和雷達水位計供電模式，保證工作狀態(tài)穩(wěn)定

目前RTU和雷達水位計使用的元器件均采用低功耗設(shè)備，安裝配置的太陽能板和蓄電池的容量完全滿足RTU和雷達水位計長時間工作需要。但廠家在RTU設(shè)備出廠時進行的初始設(shè)置是對雷達水位計進行供電控制，該設(shè)置方式在應(yīng)用過程中出現(xiàn)雷達水位計工作不穩(wěn)定等問題[7]。為增強水位計的工作穩(wěn)定性，設(shè)備安裝過程中將RTU設(shè)置變更為采用常供電的模式，即RTU設(shè)置為雷達水位計持續(xù)供電，保證水位計一直處于有電的工作狀態(tài)。供電方式改變后，通過對測流數(shù)據(jù)整理后發(fā)現(xiàn)低溫時常供電工作方式對雷達水位計數(shù)據(jù)測量效果突出，數(shù)據(jù)跳變的幾率大幅降低(平均在60%以上)，設(shè)備工作的穩(wěn)定性得到了較大提高。

2.3 對測流數(shù)據(jù)進行過濾、多次均值計算

目前使用的雷達水位計軟件對采集數(shù)據(jù)處理的程序一般將接收到的數(shù)據(jù)適時回送給RTU，RTU無法判別接收數(shù)據(jù)是否正確，因此易將跳變數(shù)據(jù)作為正常數(shù)據(jù)來處理[8- 9]。為了能夠更好地解決跳變數(shù)據(jù)的過濾問題，我們對塔里木河流域管理局水資源監(jiān)控系統(tǒng)全部316個雷達水位計內(nèi)置程序進行改造優(yōu)化。改造后雷達水位計每6s鐘采集一次數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)進行存儲，連續(xù)采集20組數(shù)據(jù)后，去掉其中4組最大值和4組最小值后，取平均值作為可用數(shù)據(jù)測量值返回給RTU，以此方式有效過濾跳變數(shù)據(jù)的出現(xiàn)。

2.4 接收數(shù)據(jù)判別過濾

由于雷達水位計均安裝在按水工標準建設(shè)的標準斷面上，除了由于上游提閘或下游落閘導致短時間的水位出現(xiàn)劇烈變化外，正常情況下渠道水位不會在短時間內(nèi)出現(xiàn)大幅度變化[10]。因此，在數(shù)據(jù)接收端數(shù)據(jù)入庫前，與上一條數(shù)據(jù)進行對比，若接收間隔時間小于6min，水位變幅大于30cm，則予以告警；若水位變幅大于50cm，報警的同時將該條數(shù)據(jù)舍棄，接收端發(fā)起主動召測，召測的數(shù)據(jù)對比后若處于正常范圍則入庫，否則停止召測并告警[11]。

2.5 加密采集頻率，提高測量數(shù)據(jù)精度

在塔里木河遠程監(jiān)控系統(tǒng)的水情監(jiān)測系統(tǒng)中，RTU設(shè)置里采樣時間多為30min或60min/次，整合項目實施后統(tǒng)一將兩個項目的RTU的采樣頻率改為6min/次，通過加密采集頻率提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。

通過這些調(diào)整和優(yōu)化并經(jīng)過不同條件下的長期觀測，改造后的雷達水位計測流數(shù)據(jù)跳變現(xiàn)象基本解決。塔里木河流域管理局信息中心對改造后的316個雷達水位計進行數(shù)據(jù)分析，每個雷達水位計采樣間隔為6min/次，采樣時間最早為2016年8月1日，采樣時間最晚為2016年12月1日，總分析數(shù)量為5874729條，按前后兩次采集的水位值差大于0.5m為跳變進行分析，316個水位計無一例發(fā)生跳變，如圖5與圖6所示。

由圖5與圖6可知，經(jīng)過改造后的雷達水位計水位過程線非常平滑，基本沒有水位跳變情況發(fā)生，測流數(shù)據(jù)可以正式用于塔里木河流域管理局水資源管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集平臺。

3 結(jié)語

隨著科學技術(shù)的不斷進步，雷達水位計因具有成本低、靈活性和可靠性高、功耗低等特點，在水情自動測報系統(tǒng)中應(yīng)用日趨廣泛。然而，如何排除日常工作中出現(xiàn)的故障即采集數(shù)據(jù)發(fā)生跳變問題，成為基層水管工作的一個難題。

圖5 某雷達水位計2016年11月1日—2016年11月20日水位過程線

圖6 局部放大圖5

本文結(jié)合雷達水位計在塔里木河流域水情自動測報系統(tǒng)中的應(yīng)用實踐，針對灌區(qū)不同渠道及不同運行工況，提出通過提高雷達水位計發(fā)射功率、優(yōu)化供電方式及對數(shù)據(jù)篩選計算等方式可有效降低各種干擾因素對雷達水位計觀測數(shù)據(jù)的影響，保證其穩(wěn)定可靠運行及采集數(shù)據(jù)的有效性。