水位遙測儀在新疆喀什水文測驗中的應用初探

侯 劍

（喀什水文勘測局，新疆 喀什 844000）

0 引言

水位遙測儀是當前水文部門水文自動觀測的先進設備，在許多區(qū)域水文測驗工作中得到應用[1～5]。水位遙測儀較好地解決了傳統(tǒng)人工觀測工作量大、時效性不高的局限，實現(xiàn)了水位自動觀測和數(shù)據(jù)采集。水文測驗對觀測數(shù)據(jù)的精度要求較高，在使用水位遙測儀器的同時，需要對其適用性和水位觀測精度進行分析，對水位遙測儀的對比觀測在許多區(qū)域得到研究[6～10]，這其中與人工觀測水位進行對比觀測分析的方法較多，多個研究表明在中、低水位時，水位遙測儀總體誤差較小，而在高水位由于外界影響因素較多，總體誤差較大，但總體均可滿足水位觀測的精度要求。近些年來，水位遙測儀在喀什水文測驗工作中也得到了應用，也進行了對比觀測分析，但并未對其對比觀測精度進行總體分析，此外在實際應用工程中，一些較為實用的的設備故障處理方式也未進行系統(tǒng)歸納和總結，為使水位遙測儀在喀什水文測驗工作中發(fā)揮更大的效益，本文結合對比觀測結果，對其適用性進行分析，并針對其常見設備問題進行探討。

1 水位遙測儀主要工作原理

水位遙測儀的主要工作原理為當被測水位發(fā)生變化時，帶動浮子上下運動，浮子拉動鋼絲繩使導輪轉動，同軸上的編碼盤將轉角轉換為電信號，信號由移動公網(wǎng)GPRS 傳輸給計算機，工作原理結構見圖1。儀器可以完成水位數(shù)據(jù)的自動收集，完成水位的實時測報任務，實現(xiàn)信息共享。支持定時自報、變幅自報、招測工作制式，支持多種通訊方式并用?？蛇B接的數(shù)字通信設備包括：便攜式計算機、調(diào)制解調(diào)器（Modem）、超短波數(shù)字通信設備、GSM/GPRS 數(shù)字通信設備、衛(wèi)星數(shù)字通信設備。其中，以GSM的數(shù)字通道（WAP）、GPRS 無線數(shù)字通訊公網(wǎng)為通訊平臺?？砂丛O定的水位(警戒水位、變幅自報)越線報警值，當其中任何一個超出設定值時，發(fā)出警告信號和統(tǒng)計信息。當監(jiān)測儀存儲空間不足時，發(fā)出告警信息、提示下載數(shù)據(jù)。當監(jiān)測站向中心自動報汛通訊連接不成功時，發(fā)出數(shù)據(jù)通訊失敗告警信息。當傳感器與監(jiān)測儀連接異常時，發(fā)出設備連接故障告警信息。可遠程設置和修改監(jiān)測站的工作參數(shù)、控制參數(shù)、報汛策略。

圖1 水位遙測儀主要工作原理結構

2 水位遙測儀的比測分析

2.1 比測誤差分析方法

首先是分析遙測水位和人工記錄水位之間的比測偏差，其計算方程為：

式中：di表示為比測偏差；xci表示為遙測水位記錄數(shù)值，m；xsi表示為人工觀測水位數(shù)值，m。

比測偏差的標準差計算方程為：

式中：s（di）y 表示為比測偏差的標準差；m 表示為對比觀測的次數(shù)；表示為比測偏差的平均值。

按照《水位觀測標準》（GB/T 50138-2010）中的相關規(guī)定，進行水位比測時應對觀測的系統(tǒng)不確定度進行分析，分析方程為：

式中：xy"表示為系統(tǒng)不確定度；Pyi表示為雷達水位計的水位，m；Pi表示人工觀測的水位，m；N 表示為對比觀測的次數(shù)。

隨機不確定度的計算方程為：

式中：xy'表示為隨機不確定度。

在隨機不確定和系統(tǒng)不確定的基礎上，計算其綜合不確定度，計算方程為：

式中：Xz表示為綜合不確定度。

2.2 比測偏差分析結果

和人工水位進行對比觀測，在喀什某水文測站對比觀測270 次，各觀測次數(shù)下的水位對比觀測偏差結果見表1。

表1 不同觀測次數(shù)的比測偏差分析結果

國家制定的《水位觀測標準》（GB/T 50138-2010）對水位比測誤差進行了明確的界定，對同比觀測的隨機偏差要求在1%以內(nèi)即可滿足測驗精度要求，從對比觀測次數(shù)可看出，研究站點各觀測次數(shù)下的隨機相對偏差和偏差標準差均在1%以內(nèi)，表明遙測水位儀觀測的水位和人工觀測水位之間的偏差可滿足水位觀測標準的精度要求。

2.3 比測綜合不確定度分析結果

在對比觀測偏差分析的基礎上，對不同觀測次數(shù)下的隨機綜合不確定度進行分析，各觀測次數(shù)下的隨機綜合不確定度分析結果見表2。

表2 不同觀測次數(shù)的比測綜合不確定度分析結果

《水位觀測標準》（GB/T 50138-2010）對水位比測的綜合不確定度也做了明確的劃分，標準要求自動觀測水位計的綜合不確定度應應控制在3%以內(nèi)，隨機不確定度主要表征了儀器設備的觀測誤差，綜合不確定度主要表征水位遙測儀的綜合誤差，從表中可看出，各觀測次數(shù)的隨機不確定度和綜合不確定度均在3%以內(nèi)，可滿足國家標準規(guī)定的自動觀測水位計的綜合不確定度要求。表中5～50 觀測次數(shù)下為低水位，50～170 觀測次數(shù)下為中水位，而170～270 觀測次數(shù)下為高水位，從中、低水位對比的隨機不確定度和綜合不確定度可看出，高水位下的不確定均有所增加，這主要是因為高水位條件下水位遙測儀受外界干擾因素增多，降低了其觀測精度。

3 常見故障問題探討

3.1 常見故障分類

通過近些年水位遙測儀的實用，其主要的故障類型可以歸為以下四類：（1）數(shù)據(jù)亂碼故障：遙測儀器主板出現(xiàn)問題，使得其收集到的水位數(shù)據(jù)出現(xiàn)亂碼或者數(shù)據(jù)無法接收到。（2）數(shù)據(jù)失真故障：水位采集裝置接觸絲不靈敏、水位編碼器出現(xiàn)故障使得遙測采集數(shù)據(jù)無法正常接收，造成數(shù)據(jù)失真率較高；（3）數(shù)據(jù)實時傳輸故障：通訊信號中斷或者信號不佳的情況下，使得水位遙測儀數(shù)據(jù)實時傳輸出現(xiàn)不同程度的故障；（4）供電設備出現(xiàn)故障：由于蓄電池電壓較低或者電源裝置接觸不良使得遙測儀出現(xiàn)斷電，數(shù)據(jù)不能正常采集和傳輸。

3.2 常見故障原因分析

對出現(xiàn)主要的故障進行原因分析，可以分為以下兩種情形：（1）水位數(shù)據(jù)丟失。首先對遙測電路板進行檢測，若無相關問題，則可檢查遙測水位計和采集設備的連線是否正常；（2）水位數(shù)據(jù)異常?？梢詫?shù)據(jù)采集裝置的傳輸線進行檢查，此外還需要對電路板進行檢查，判定是否出現(xiàn)故障，若水位采集的數(shù)據(jù)一直為固定值，則可能是實際的水位未能在監(jiān)測的最低范圍之內(nèi)。

3.3 實用維護方法

針對水位遙測儀出現(xiàn)的故障分類和原因分別進行維護。（1）供電設備維護方法：在水位遙測儀維護中，需要對其供電線路進行檢查，對線路接口查看是否有連接松動或者連線誤接的情況。其次對設備的太陽能電池和充電裝置進行檢查，對各電器的運行狀態(tài)進行關注，對運行異常情況進行追蹤。充電保護裝置出現(xiàn)問題，則會影響蓄電池的安全使用，對于水位遙測儀而言一般情況下當充電電壓小于9 V 時就會使得供電裝置出現(xiàn)故障。當電路實際電壓為0 時，則可以認定儀器電路板出現(xiàn)故障，需要對電路板進行及時檢修。當其他設備的實際電壓小于9 V 時，則需對太陽能電池板進行測試，分析其是否出現(xiàn)異常。（2）設備終端的維護方法：如果數(shù)據(jù)采集的終端出現(xiàn)死機的故障，則需要對其顯示屏進行查看，看其是否黑屏或者出于停止運行的狀態(tài)，并且按重啟鍵也無效的情況下，則可判定設備終端出現(xiàn)故障，需要聯(lián)系儀器廠家進行設備終端的檢修；（3）接線故障維護方法：對設備連接線逐個排查，接線故障主要為斷線、脫落以及松動的現(xiàn)象。（4）電路和模塊維護方法：如果電路出現(xiàn)故障，需要對電路板進行檢測，一般較為常用的檢測方法是對電路板發(fā)送測試數(shù)據(jù)，如果電路板紅燈閃亮，則表明電路板出現(xiàn)故障。對電路板模塊也需要檢測，同樣對電路板模塊進行測試數(shù)據(jù)的發(fā)送，對模塊串形口的常亮燈進行觀察，看是否閃爍，若閃爍則模塊出現(xiàn)故障。

4 結語

（1）水位遙測儀在喀什地區(qū)中、低水位觀測具有較好的精度，在高水監(jiān)測中由于外界干擾因素增加，水位監(jiān)測精度有所降低，但總體均可滿足水位觀測的規(guī)范要求，水位遙測儀對傳統(tǒng)水文觀測是一種改進，提高水位觀測的自動化水平。

（2）對喀什地區(qū)水位遙測儀常見的故障進行分析，并歸納和總結其對應的實用維護方法，可幫助水文測驗人員對水位遙測儀常見問題進行快速排查和維護，提高遙測儀的運行效率。