調(diào)水工程智能水位計創(chuàng)新應(yīng)用

李 琨，張澤玉，韓 鵬

（山東省調(diào)水工程運行維護中心，山東 濟南 250100）

0 引言

隨著云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、數(shù)字孿生等新一代信息技術(shù)與調(diào)水工程不斷深度融合、迭代積累，逐步實現(xiàn)實用性突破，帶來了水利管理又一次質(zhì)的飛躍。

水利泛感知網(wǎng)是構(gòu)建智慧水利數(shù)據(jù)底座的基本要素，負(fù)責(zé)獲取涉水對象及其環(huán)境數(shù)據(jù)。水利泛感知網(wǎng)利用各種感知儀器儀表、設(shè)備裝置、技術(shù)措施和方案方法，實時采集并動態(tài)監(jiān)視水利水域、設(shè)施和業(yè)務(wù)行為三大類感知對象的特征數(shù)據(jù)和事件信息。這些數(shù)據(jù)和信息經(jīng)過逐層加工處理后，再分級分類通過通信傳輸網(wǎng)絡(luò)匯集轉(zhuǎn)出進入智慧水利業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺，為水利業(yè)務(wù)提供內(nèi)容全面、準(zhǔn)確可靠的感知大數(shù)據(jù)[1，2]。

水位信息作為水利泛感知的關(guān)鍵采集信息，是水利工程管理最關(guān)注的水對象動態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)水位采集的低成本精準(zhǔn)采集對于水利數(shù)字孿生和智能化建設(shè)至關(guān)重要。

1 膠東調(diào)水工程及其信息化建設(shè)

膠東調(diào)水工程由引黃濟青工程和膠東調(diào)水工程兩部分組成，引黃濟青工程主要為解決青島市及工程沿線城市用水并兼顧農(nóng)業(yè)用水、生態(tài)補水而投資興建的山東省大型跨流域、遠距離調(diào)水工程，全長290 km。2003年山東省開辟向膠東地區(qū)引黃調(diào)水工程，新辟輸水線路310 km，與引黃濟青工程聯(lián)通，輸水線總長600 km，形成了引黃、引江與調(diào)引當(dāng)?shù)厮穆?lián)合調(diào)配工程體系。山東省調(diào)水工程運行維護中心做為膠東調(diào)水工程的業(yè)務(wù)管理單位，2019年由原山東省膠東調(diào)水局更名成立。

2018年5月，膠東調(diào)水工程啟動自動化調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)，通過項目建設(shè)，實現(xiàn)了膠東調(diào)水工程調(diào)水輸水過程自動化和運行管理信息化。系統(tǒng)上線運行至今，各系統(tǒng)功能以及系統(tǒng)間跨系統(tǒng)運行情況穩(wěn)定，滿足了工程的正常運行要求，提高了工作效率和管理水平，節(jié)約了運行管理的人力成本。

膠東調(diào)水工程在完成自動化調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)和高效運維以后，正式進入數(shù)字孿生調(diào)水工程建設(shè)階段。數(shù)字孿生膠東調(diào)水先行先試項目已列入水利部數(shù)字孿生先行先試試點，2023年4月完成招投標(biāo)進入建設(shè)階段，該項目基于膠東調(diào)水工程沿線長、設(shè)施種類多等工程特點，以及工程自動化程度高、業(yè)務(wù)體系完善等優(yōu)勢，以運用數(shù)字孿生手段持續(xù)提升工程全業(yè)務(wù)管理能效為總目標(biāo)，搭建可兼容、可成長的技術(shù)架構(gòu)，推動膠東調(diào)水工程向智能化方向發(fā)展。

膠東調(diào)水工程數(shù)字孿生建設(shè)的核心目標(biāo)是實現(xiàn)工程調(diào)度運行模式的智能化變革，而實現(xiàn)調(diào)度運行智能化的關(guān)鍵技術(shù)包括：便捷精準(zhǔn)的水位測量、泵閘閥站遠程控制調(diào)節(jié)和全線一體的科學(xué)調(diào)度決策。因此研究調(diào)水工程渠道、水池和水庫等的水位檢測濾波、精準(zhǔn)測量和遠程校核邊沿計算技術(shù)的低成本易維護簡化部署的水位監(jiān)測應(yīng)用，對膠東調(diào)水工程數(shù)字孿生和智能化建設(shè)具有非?，F(xiàn)實的意義。

2 常見水位測量及采集方式

2.1 水位測量方式

常用的水位測量方式有水尺和水位計，水尺、水位計一般需要設(shè)置在河道渠道順直、斷面比較規(guī)則、水流穩(wěn)定、無分流斜流和無亂石阻礙的地點，水尺用于人工觀測，水位計用于自動觀測。水尺是傳統(tǒng)有效的直接觀測設(shè)備。實測時，水尺上的讀數(shù)加水尺零點高程即得水位。水位計是利用浮子、壓力和聲波等能提供水面漲落變化信息的原理制成的儀器。水位計能直接繪出水位變化過程線，水位計記錄的水位過程線要利用同時觀測的其他項目的記錄加以檢核。

2.2 水位采集方式

調(diào)水工程常見的水位采集方式有：基于圖像識別的水位采集、浮子式水位計、電容式水位計、壓力式水位計、超聲波水位計和雷達水位計。

2.2.1 基于圖像識別的水位采集

基于圖像識別的水位采集一般需由水尺和水尺攝像機搭配進行測量，在服務(wù)器端通過一系列圖像識別算法，對從視頻流中截取的水尺圖像進行處理，經(jīng)過灰度化、中值濾波、邊緣檢測、二值化、形態(tài)學(xué)處理以及圖像細化，最終由算法計算出水位數(shù)據(jù)。

基于圖像識別的水位采集方式具有精度高，應(yīng)用場景搭配靈活等優(yōu)點，但也存在系統(tǒng)復(fù)雜、成本較高、受氣候環(huán)境因素影響大等不足。

2.2.2 浮子式水位計

浮子式水位計的原理是當(dāng)水位上升時，浮子也會隨之上升，浮子桿會帶動傳感器位移，傳感器會將位移轉(zhuǎn)化為電信號，通過指示器顯示出水位高度。浮子式水位計由浮子、浮子桿（線）、傳感器、指示器等組成，因為浮子在液體中受到的浮力與其重力相等，從而實現(xiàn)了浮力平衡。

浮子式水位計具有結(jié)構(gòu)簡單、測量比較可靠等優(yōu)點，但也存在測量精度不夠、維護工作量大以及需要配套水位井等不足。

2.2.3 電容式水位計

電容式水位計的原理是當(dāng)水位上升時，電容傳感器的電容值也會隨之變化，電路板會將電容值轉(zhuǎn)化為電信號，通過指示器顯示出水位高度。電容式水位計由電容傳感器、電路板、指示器等組成，因為電容值與電容板之間的距離成反比，從而實現(xiàn)了電容變化。

電容式水位計具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低和易維護等優(yōu)點，但也存在容易受干擾和測量精度不夠高等不足。

2.2.4 壓力式水位計

壓力式水位計的原理是當(dāng)水位上升時，水壓力也會隨之增大，壓力傳感器會將水壓力轉(zhuǎn)化為電信號，通過水位計算器計算出水位高度。壓力式水位計由壓力傳感器、導(dǎo)管、水位計算器等組成，因為液體的壓力與液體的深度成正比，從而實現(xiàn)了壓力傳感。

壓力式水位計具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝便捷和成本較低等優(yōu)點，但也存在測量精度受水成分影響、易堵塞、因水流沖擊和波動造成測量誤差等不足。

2.2.5 超聲波水位計

超聲波水位計的原理是當(dāng)超聲波傳感器發(fā)出超聲波時，超聲波會從水面上反射回來，傳感器會將反射回來的超聲波轉(zhuǎn)化為電信號，通過電路板計算出水位高度，再通過指示器顯示出來。超聲波水位計由超聲波傳感器、電路板、指示器等組成，因為超聲波在不同介質(zhì)中的傳播速度不同，從而實現(xiàn)了超聲波反射。

超聲波水位計具有非接觸測量和可不用配套水位井等優(yōu)點，但也存在聲波在空氣中的傳播速度受溫度、濕度和氣壓等因素的影響造成測量偏差，以及功耗高，傳感器價格相對較高等不足。

2.2.6 雷達水位計

雷達水位計的原理是以時域反射原理為基礎(chǔ)，電磁脈沖以光速沿鋼纜或探棒傳播，當(dāng)遇到被測介質(zhì)表面時，雷達液位計的部分脈沖被反射形成回波并沿相同路徑返回到脈沖發(fā)射裝置，發(fā)射裝置與被測介質(zhì)表面的距離同脈沖在其間的傳播時間成正比，經(jīng)計算得出液位高度。

雷達水位計具有非接觸測量、測量精準(zhǔn)度高和可不用配套水位井等優(yōu)點，但也存在功耗高和價格高等不足。

3 膠東調(diào)水工程水位應(yīng)用現(xiàn)狀

膠東調(diào)水工程全線安裝了數(shù)十個水尺和一百多個水位計，水尺做為就近水位計的校核，采取的采集方式包括基于圖像識別的水位采集、浮子式水位計和壓力式水位計。經(jīng)過多年的應(yīng)用維護經(jīng)驗，存在的問題和不足主要有：

（1）水位測點部署不靈活

水位自動量測除了需要滿足水位測量設(shè)備的安裝部署條件外，還需要具備供電和采集傳輸鏈路，膠東調(diào)水工程現(xiàn)安裝的水尺和水位計，因受限于供電和通信鏈路約束，大部分都安裝部署在泵閘閥站附近位置。已建的水尺和水位計基本能夠滿足自動化調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)用所需，但對于數(shù)字孿生和智能化調(diào)水來說，現(xiàn)有的水位自動量測點部署的數(shù)量和位置都遠遠不足以滿足需要。

（2）水位自動量測建設(shè)成本偏高

基于圖像識別的水尺水位采集除了安裝水尺外，還需要在對面安裝水尺相機，以及解決水尺相機的供電和引入光纖傳輸鏈路。大部分浮子式水位計和壓力式水位計為了解決水流沖擊和水面波動，都配套了水位井。以上水位自動量測方式建設(shè)成本都偏高，調(diào)水工程數(shù)字孿生和智能化建設(shè)需要增加大量的水位自動量測點，迫切需要一種低成本易維護簡化部署的水位量測應(yīng)用方案。

（3）水位計容易失真失準(zhǔn)

膠東調(diào)水工程現(xiàn)安裝的浮子式水位計和壓力式水位計因為各類雜物漂流物纏繞堵塞、水中所含泥沙沉積和地面沉降等原因，造成每過一段時間，水位計的測量誤差就失真失準(zhǔn)影響正常使用，需要運維人員進行清理維護等，而清理維護后水位計的安裝復(fù)原難以保證，造成水位計的測量基點偏移。

水尺因為地面沉降、堤坡變形、外力擠壓等原因，也會造成測量基點高程變化和測量精度失準(zhǔn)。

（4）維護工作量大

根據(jù)膠東調(diào)水工程自動化調(diào)度系統(tǒng)近兩年的運維工作統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在輸水運行期，對水尺和水位計的故障處理工時量統(tǒng)計僅排在攝像機故障維修維護之后，屬于維護維修頻次最高的設(shè)備。

（5）冰凍季運行功能失效

膠東調(diào)水工程沿線大部分地處膠東半島，冬季大約有一個月左右的冰凍季，冰凍季幾乎所有的水尺和水位計都功能失效。

4 智能水位計創(chuàng)新應(yīng)用實踐

根據(jù)膠東調(diào)水工程水位自動量測存在的不足，試點應(yīng)用了兩套創(chuàng)新智能水位計，一套壓力式智能水位計和一套電容式電子水尺。壓力式智能水位計主要試點高流速高流量及水面波動的情況下水位的準(zhǔn)確測量，通過算法實現(xiàn)雙靜壓傳感器測量下具有檢測濾波、精準(zhǔn)測量和遠程校核邊沿計算的水位測量方式。電子水尺主要試點采用電容刻度傳感器準(zhǔn)確測量水位的技術(shù)，實現(xiàn)水尺的自動讀數(shù)，替代目前的基于圖像識別的水尺水位采集方式。智能水位計創(chuàng)新應(yīng)用設(shè)計方案如圖1所示。

智能水位計和電子水尺采用太陽能供電方式，主要由太陽能供電系統(tǒng)、水位采集裝置、水尺和集成Lora無線自組網(wǎng)通信功能的測控終端組成。智能水位計創(chuàng)新應(yīng)用實施效果圖如圖2所示。

智能水位計和電子水尺實現(xiàn)的創(chuàng)新和功能改進主要包括：

（1）安裝在固定高程差的雙傳感器互校核消除任一傳感器故障、纏繞堵塞、零點漂移和水密度計算偏差等影響，實現(xiàn)精準(zhǔn)測量和自動校核功能；

（2）雙傳感器實現(xiàn)抗干擾濾波互修正，使水面波動對水位測量影響的濾波效果更好；

（3）優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，組合套護管替代水位井，運用效果更佳，同時大幅降低建設(shè)投資；

（4）智能水位計和電子水尺套護管偏底下部開窗，解決絕大部分水流波動對傳感器測量精準(zhǔn)度的影響；

（5）智能水位計雙套護管設(shè)計，消除絕大部分水流沖擊壓力造成的傳感器測量誤差；

（6）套管底口，用細鐵絲網(wǎng)兜口，既避免了雜物及水草進入造成堵塞，又避免了泥沙淤積；

（7）傳感器可輕易抽出，又能確保原樣裝回，方便維護；

（8）智能水位計和電子水尺裝置多點固定安裝，牢固強度足夠，實現(xiàn)防冰蓋沖擊設(shè)計效果；

（9）在內(nèi)層較小的空間，用電加熱帶對傳感器進行溫控加熱，實現(xiàn)冰凍季正常的水位測量；

（10）智能水位計和電子水尺采取自供能和無線自組網(wǎng)通信，安裝部署選點不再受限于供電和傳輸鏈路，實現(xiàn)靈活便捷部署。

5 結(jié)語

膠東調(diào)水工程通過自動化調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)和高效運維已實現(xiàn)調(diào)水輸水過程自動化和運行管理信息化，正進入數(shù)字孿生建設(shè)階段。根據(jù)膠東調(diào)水工程已建水位自動量測設(shè)備使用過程中存在的不足，試點應(yīng)用創(chuàng)新的壓力式智能水位計和電子水尺，實現(xiàn)具備水位檢測濾波、精準(zhǔn)測量和遠程校核邊沿計算技術(shù)的低成本易維護簡化部署的水位量測改進。