非接觸式智能水位監(jiān)測系統(tǒng)設計

徐海潮

（華設設計集團股份有限公司智能交通技術和設備交通運輸行業(yè)研發(fā)中心 江蘇省南京市 210014）

水位監(jiān)測在內河航運建設、運營、管理、養(yǎng)護等過程匯總具有至關重要的作用。在航道管理方面，需要結合水位情況實時調整航標或謀劃港航施工；在航道整治和航道疏浚方面，需要結合水位情況施工才能確保其經濟性；在海事管理方面，水位情況關系到船舶航行政策；在船舶航行方面，需根據(jù)水位變化情況合理安排載貨量，控制吃水深度等；在港口碼頭作業(yè)方面，需要根據(jù)水位信息調配船舶靠離泊、裝卸貨物等[1]。因此，建設具有自動采集、自動監(jiān)測、自動運維的非接觸式智能水位監(jiān)測系統(tǒng)，具有非凡的意義。

1 現(xiàn)有水位監(jiān)測技術

1.1 氣泡式水位監(jiān)測技術

氣泡水水位監(jiān)測技術是利用氣泡式傳感器實時測量水位。其原理是沉浸在河床底部的氣泡式傳感器承受壓強與該處水位的高度成正比，只需采集到氣泡式傳感器承受壓強，即可反推出該處水位高度[2]。

上式中，P 為水下深度為H 處的壓強；ρ 為河水的密度；g 為當?shù)刂亓铀俣?；P0為水面上大氣壓；H 為水的深度。

1.2 非接觸式水位監(jiān)測技術

非接觸式監(jiān)測技術是利用傳感器探頭測量探頭至水面的高度。其原理是探頭發(fā)射電磁波，當電磁波到達水面時有部分電磁波被反射回來，經探頭接收后，通過來回時間計算水位高度的[3]。

上式中，H 為水的深度；H0為傳感器探頭至河床的高度；v 為傳感器探頭在空氣中的傳播速度；t 為傳感器來回的傳播時間。

1.3 基于衛(wèi)星的水位監(jiān)測技術

衛(wèi)星測水位是利用衛(wèi)星攜帶的天然測距儀，測定衛(wèi)星到瞬時海平面的垂直距離的技術和方法。其原理是利用星載微波雷達測高發(fā)射裝置以地面為遙測靶，通過衛(wèi)星星下點的天線垂直向地面發(fā)射一定頻率的壓縮脈沖信號并記錄脈沖發(fā)射時間，脈沖信號經地面發(fā)射后，衛(wèi)星接收其返回脈沖時間，利用發(fā)射接收時間間隔和返回波形測量地面的距離，其具體計算公式如下：

上式中，H 為水的深度；A 為測高儀的橢球高；R 為測高儀的觀測距離；H0為大地基準面相對于參考橢球面高度；?H 為各項誤差修正量。

1.4 基于機器視覺的水位監(jiān)測技術

如圖1所示，基于機器視覺的水位監(jiān)測系統(tǒng)由水尺和攝像機組成，攝像機固定在水尺附近的合適位置，使水尺完全位于攝像機的視場內。攝像機對水尺刻度進行拍攝，利用水尺對攝像機標定。水位監(jiān)測時，選取當前幀圖像，與當前時空之前的幾幀圖像進行目標區(qū)域差分，提取水位變化區(qū)域，得到水位線在圖像中高度，再根據(jù)攝像機標定的數(shù)學模型計算得到實際水位高度[5]～[7]。

圖1：基于機器視覺的水位監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

圖2：水位遠程監(jiān)測系統(tǒng)結構

1.5 現(xiàn)有水位監(jiān)測技術分析

針對上述監(jiān)測技術，對各自的優(yōu)缺點進行比較，結果如表1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 系統(tǒng)架構設計

本研究主要用于內河水位監(jiān)測，而內河具有風浪較小、泥沙多（三峽泄洪影響）、雨霧和臺風多等特點，結合精準性、經濟性、便捷性等多方面考慮，選用非接觸式水位監(jiān)測技術，并設計傳感器、電源、網(wǎng)絡監(jiān)測模塊，實現(xiàn)非接觸式水位監(jiān)測系統(tǒng)的自動采集、自動運維功能。系統(tǒng)結構如圖2所示。

與一般水位自動采集監(jiān)測系統(tǒng)相比，本研究增加了GPS 模塊，即使意外斷電重啟，終端從GPS 模塊獲取系統(tǒng)時間，并自動調整監(jiān)控終端控制器時間，無需人工調整和干涉；增加了存儲模塊，如通信鏈路發(fā)生故障，監(jiān)控終端控制器自動將水位報文存儲至存儲模塊中，待通信鏈路回復后，自動傳輸存儲模塊中的水位報文，避免了因通信故障水位數(shù)據(jù)丟失情況發(fā)生；增加了設備監(jiān)測模塊，可自動采集傳感器、GPS、通信設備/DTU、電源等狀態(tài)，還具備遠程控制、遠程重啟功能，實現(xiàn)自動運維，減輕后期運維工作量和成本；此外，本系統(tǒng)的水位監(jiān)測終端對前端傳感器和設備進行管理，除采集信息外，一般讓其處于休眠狀態(tài)，有效延長了蓄電池的續(xù)航時間。

表1：水位監(jiān)測技術比較

圖3：高精度電壓電流采樣電路

圖4：傳感器狀態(tài)采集電路

2.2 狀態(tài)監(jiān)測設計

電壓與蓄電池電量存在非線性關系，可通過監(jiān)測蓄電池電壓反推出蓄電池電量；電流是反映功耗的一個重要因素，可通過功耗和蓄電池電量，反推出水位監(jiān)測終端續(xù)航能力；監(jiān)測終端控制器與傳感器、GPS、通信設備/DTU 實時通信，可判斷傳感器的健康狀態(tài)。本研究的設備監(jiān)測模塊主要通過MCP3428 和XR33032ID-F 芯片監(jiān)測蓄電池和終端設備實現(xiàn)，其具體電路圖如圖3 和圖4所示。

3 系統(tǒng)流程設計

如圖5所示，本研究的水位監(jiān)測終端采集水位數(shù)據(jù)后，立即進入休眠狀態(tài)，以達到節(jié)省能源的目的。然后經監(jiān)控終端控制器封裝成一包幀信息后，通過通信設備/DTU 傳輸至水位監(jiān)測中心。其具體流程如下：

（1）開始，系統(tǒng)初始化，通過GPS 校正監(jiān)控終端控制器時間；

（2）檢測通信設備/DTU 鏈路狀態(tài)；

（3）檢測存儲模塊是否存在幀包，如有，發(fā)送幀包；

（4）系統(tǒng)啟動計時，到達設定時間后，非接觸式傳感器采集水位數(shù)據(jù)；

（5）將時間、站號、水位封裝成幀包；

（6）檢測通信設備/DTU 鏈路狀態(tài)；

（7）通信鏈路正常，將幀包發(fā)送；通信鏈路異常，將幀包保存至存儲模塊；

（8）等待水位監(jiān)測中心應答幀包；如等待到應答幀包，等待下一次采集；如未等待到應答幀包，繼續(xù)發(fā)送本次幀包。

圖5：水位遠程監(jiān)測系統(tǒng)軟件流程

圖6：通信協(xié)議幀格式

4 系統(tǒng)通信設計

為了保證水位數(shù)據(jù)規(guī)范性傳輸，在水位監(jiān)測終端和水位監(jiān)控中心之間制訂了數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約，規(guī)定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸袷?、?shù)據(jù)編碼及傳輸柜子，可高效實現(xiàn)兩者之間的問答式通信[8]。本系統(tǒng)遵守GB/T 18657 的傳輸規(guī)約，采用多層增強型幀結構，其格式如圖6所示。

在本通信協(xié)議中，加入了幀頭、幀尾和幀長度等信息，方便水位監(jiān)控中心快速獲取每幀數(shù)據(jù)包；加入了報文類型信息，便于快速高效解析；加入了終端編號和隨機碼信息，便于水位監(jiān)測終端“知道”哪一幀發(fā)送成功；對數(shù)據(jù)域信息進行加密，進一步提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?；加入了CRC 校驗碼信息，保障了本幀數(shù)據(jù)包的準確性。

5 水位濾波設計

水位監(jiān)測終端在實際工作過程中，由于受到波浪、灰塵等因素的影響，偶爾會出現(xiàn)水位數(shù)據(jù)異常情況，故需需要對異常數(shù)據(jù)進行處理，確保水位數(shù)據(jù)精準和可靠，才能航運行業(yè)提供精細化服務。

5.1 異常數(shù)據(jù)剔除

檢查和核實每次采集的水位數(shù)據(jù)是否異常數(shù)據(jù)是本研究的關鍵，本研究中異常數(shù)據(jù)會處于波峰或波谷，故采用可消除偶然誤差的滑動平均濾波法，其濾波思路是：

（1）連續(xù)取最新的N（N ≥10）個采樣值看成一個隊列；

（2）把隊列的長度固定為N；

（3）每次采樣到一個新數(shù)據(jù)放入隊尾,并扔掉原來隊首的一次數(shù)據(jù)(先進先出原則)；

（4）把隊列中的N 個數(shù)據(jù)進行算術平均運算,并把隊尾的新數(shù)據(jù)與算術平均值比較；如果誤差超過設定閾值，剔除隊尾新數(shù)據(jù)。

5.2 異常數(shù)據(jù)插值

對于剔除后的新數(shù)據(jù)，如不補充，將會導致這一時刻缺少水位數(shù)據(jù)，既不利于查看、統(tǒng)計、分析，也不便于挖掘水位數(shù)據(jù)背后深層次規(guī)律，故需要對剔除后的新數(shù)據(jù)進行插值補充，其具體思路是：

（1）獲取離最新數(shù)據(jù)的前3 個時刻水位數(shù)據(jù)，分別記為x1，x2，x3；

（2）根據(jù)平滑算法公式，計算當前時刻水位數(shù)據(jù)（新數(shù)據(jù)）x=(x1+2x2+3x3)/6；

（3）用計算出的x 代替當前時刻水位數(shù)據(jù)（新數(shù)據(jù)）。

5.3 濾波程序設計

根據(jù)上述的思路，并開發(fā)了濾波核心代碼：

6 結束語

筆者設計了非接觸式智能水位監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了水位的遠程監(jiān)測、自動采集、智能運維等功能，為水文分析提供可靠的水位數(shù)據(jù)，對交通、水利等部門制定政策具有重要作用。在水位監(jiān)測方面，建議后續(xù)工作從以下兩方面開展：

（1）對已有的水位數(shù)據(jù)質量檢驗、校核、填充等研究；

（2）基于已有的水位監(jiān)測數(shù)據(jù)，開展水位預測預報研究。