高寒地區(qū)庫區(qū)實時水位監(jiān)測技術改進

［摘 要］實時水位監(jiān)測在防洪抗?jié)?、水資源管理中發(fā)揮著重要的作用，也是水庫安全管理的關鍵環(huán)節(jié)，但在高寒地區(qū)，傳統(tǒng)的監(jiān)測技術常因環(huán)境惡劣而難以發(fā)揮效能。文章針對這一問題，提出了一系列技術改進方案，旨在提高高寒地區(qū)庫區(qū)的實時水位監(jiān)測能力。

［關鍵詞］高寒地區(qū)；庫區(qū)；實時水位；監(jiān)測技術；改進方案

［中圖分類號］TP271 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）04–0132–03

1 實時水位監(jiān)測技術的現(xiàn)狀與存在的問題

1.1 實時水位監(jiān)測技術介紹及現(xiàn)有技術存在的問題

自動水位計、雷達水位計、超聲波水位計等設備廣泛應用于水文監(jiān)測領域。這些設備通過精確測量水位，結合地理信息系統(tǒng)（GIS），能夠實時反饋水位的動態(tài)變化，為防洪決策提供寶貴的數(shù)據(jù)支持。這些設備的工作原理各有不同，但都致力于提供精確的水位數(shù)據(jù)。自動水位計通常通過浮子或壓力傳感器來測量水位；雷達水位計則是利用雷達波進行非接觸式測量；而超聲波水位計則是通過超聲波在介質中的傳播時間來計算水位。這些設備在實際應用中，常面臨著以下問題。

（1）當前的水位監(jiān)測系統(tǒng)主要依賴于傳統(tǒng)的傳感器技術，這些傳感器易受環(huán)境影響，導致數(shù)據(jù)精度下降。此外，由于傳感器的物理性質，其壽命有限，需要定期更換，增加了維護成本。

（2）現(xiàn)有的水位監(jiān)測系統(tǒng)智能化處理能力不足，對于大量的實時數(shù)據(jù)，無法進行有效的自動分析，這限制了數(shù)據(jù)的實際應用價值。同時，由于數(shù)據(jù)分析的滯后性，通常無法及時反饋異常情況，影響應急響應。

（3）數(shù)據(jù)的共享和整合問題。不同的監(jiān)測系統(tǒng)之間及監(jiān)測系統(tǒng)與決策支持系統(tǒng)之間，存在數(shù)據(jù)交互的壁壘，導致信息孤島現(xiàn)象嚴重。這不僅降低了數(shù)據(jù)的利用率，也影響了決策的準確性和及時性。

（4）地域性限制問題。部分地區(qū)由于地理環(huán)境和氣候環(huán)境復雜、基礎設施落后，難以實施有效的實時水位監(jiān)測。受環(huán)境氣候因素影響，還會使設備出現(xiàn)故障或測量誤差，影響數(shù)據(jù)的可靠性[1]。

1.2 高寒地區(qū)特殊環(huán)境對技術的要求與挑戰(zhàn)

（1）低溫環(huán)境下的穩(wěn)定運行。高寒地區(qū)的環(huán)境溫度遠低于常規(guī)工作范圍，這對監(jiān)測設備的耐寒能力提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。設備在低溫環(huán)境下可能無法正常啟動，甚至出現(xiàn)故障。因此，設備制造商需特別關注其耐寒設計，選擇能在低溫和正常溫度下均可穩(wěn)定運行的元器件，如特殊的傳感器和微處理器。此外，設備的熱管理也是關鍵，通過有效的熱設計，可以確保設備在低溫環(huán)境下仍能持續(xù)、穩(wěn)定的運行。

（2）防凍設計與維護。在高寒地區(qū)由于氣溫低，水體極易結冰。冰層的形成會對水位的監(jiān)測產生干擾，甚至對設備造成損壞，因此，要注重設備的防凍設計。這包括對設備的密封性設計、排水功能及抗冰負載能力進行優(yōu)化。同時，定期的維護和檢查也是必要的，特別是在冬季，可及時發(fā)現(xiàn)并解決潛在的冰凍問題。

（3）通信條件的挑戰(zhàn)。高寒地區(qū)的另一個特點是其通信條件可能較差，這可能會影響到數(shù)據(jù)的實時傳輸和處理。為了解決這一問題，可考慮使用具有更強抗干擾能力和自主通信能力的設備[2]。例如，使用衛(wèi)星通信技術，或者增強設備的自組網(wǎng)能力，使其在通信條件不佳的情況下仍能有效地傳輸數(shù)據(jù)。

2 技術改進方案

2.1 技術改進目標

由于高寒地區(qū)環(huán)境惡劣，傳統(tǒng)的水位監(jiān)測技術常受到諸多限制，難以滿足實時、準確監(jiān)測的需求。因此，需要對高寒庫區(qū)的實時水位監(jiān)測技術進行改進，以提高監(jiān)測的準確性和實時性。高寒地區(qū)庫區(qū)實時水位監(jiān)測技術改進目標是提高高寒庫區(qū)實時水位監(jiān)測的精確度和和穩(wěn)定性，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠及時、準確地反映水位變化情況，并可將實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?，無需現(xiàn)場抄表，提高工作效率的同時為水庫的安全運行提供有力保障。

根據(jù)以上目標，可使用智能河壩液位計監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由液位檢測系統(tǒng)、溫度檢測系統(tǒng)、動態(tài)加熱系統(tǒng)、太陽能供電系統(tǒng)和無線傳輸系統(tǒng)組成，可有效解決高寒地區(qū)庫區(qū)液位監(jiān)測中因結冰導致的檢測誤差。

2.2 無線傳輸技術改進

2.2.1 無線傳輸技術的選擇和特點

由于高寒庫區(qū)環(huán)境的特殊性，傳統(tǒng)的無線傳輸方式受到諸多因素的干擾，如地形、氣候等，導致信號傳輸不穩(wěn)定，影響監(jiān)測的準確性和實時性。因此，針對這些問題，需要對無線傳輸技術進行針對性的改進。具體而言：①選擇合適的抗干擾通信技術。擴頻通信和跳頻通信等技術在面對各種干擾因素時，能夠有效地提高信號的抗干擾能力，保證信號的穩(wěn)定傳輸。這些技術的應用，大幅降低了因信號波動導致的監(jiān)測誤差，提高了監(jiān)測的準確性。②采用低功耗通信技術。由于高寒地區(qū)的環(huán)境條件惡劣，供電設施難以完備，因此設備的功耗問題變得尤為突出。低功耗藍牙、ZigBee 等技術在此背景下具有明顯的優(yōu)勢，其低功耗特性不僅可延長設備的使用壽命，還能在保證監(jiān)測準確性和實時性的同時，減少能源消耗，降低運營成本。③優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。針對高寒庫區(qū)的特殊環(huán)境，對現(xiàn)有的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進行優(yōu)化和調整是必要的。例如，根據(jù)實際情況選擇使用TCP/IP 協(xié)議或UDP 協(xié)議，并根據(jù)實際傳輸需要進行相應的調整和優(yōu)化，以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎头€(wěn)定性[3]。

2.2.2 無線傳輸技術改進的具體措施

（1）提升信號強度。由于高寒地區(qū)環(huán)境惡劣，信號傳輸質量較差，因此，需提升信號強度?？赏ㄟ^增加發(fā)射功率、采用定向天線、多路徑傳輸?shù)确绞?，提高信號在復雜環(huán)境中的穿透力和穩(wěn)定性。

（2）增強數(shù)據(jù)加密。在無線傳輸中數(shù)據(jù)安全至關重要，應采用更高級的數(shù)據(jù)加密技術，如AES 對稱加密算法，確保水位監(jiān)測數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全。

（3）引入糾錯編碼。糾錯編碼可有效降低數(shù)據(jù)傳輸錯誤率。通過在數(shù)據(jù)中加入冗余信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤檢測和糾正，保證數(shù)據(jù)的準確性。

（4）優(yōu)化硬件設計。硬件設備的性能直接影響無線傳輸效果。優(yōu)化硬件設計，如采用低功耗芯片、高效能電源管理模塊等，可提高設備在寒冷環(huán)境下的穩(wěn)定性和耐用性。

2.3 傳感器技術改進

（1）傳感器的選擇和特點。傳感器即液位系統(tǒng)，由感壓式傳感器和電容傳感器組成雙驗證液位系統(tǒng)。電容式液位計的原理基于電容與液體高度之間的關系，通過測量電容的變化來確定液體的高度。具體來說，電容式液位計通常由兩個電極組成，即浸入液體中的探測電極和與液體接觸的參考電極。當液體的高度發(fā)生變化時，電容式液位計會通過測量電容的變化來確定液體的高度。而壓力式液位計的原理是基于靜壓測量原理。當液位變送器投入到被測液體中某一深度時，傳感器迎液面受到的壓力通過導氣不銹鋼將液體的壓力引入到傳感器的正壓腔，再將液面上的大氣壓Po 與傳感器的負壓腔相連，使傳感器測得壓力為ρgH，通過測取壓力P，可得到液位深度。其公式為：P=ρgH+Po，式中，P 為變送器迎液面所受壓力，ρ為被測液體密度，g 為當?shù)刂亓铀俣?，H 為變送器投入液體的深度，Po 為液面上大氣壓。雙驗證液位系統(tǒng)可解決在結冰狀態(tài)下的雙重驗證，此系統(tǒng)由單片機開發(fā)而成，功耗低穩(wěn)定性好。

（2）穩(wěn)定性與可靠性設計。①加熱系統(tǒng)采用陶瓷加熱片組成的加熱帶，加熱帶采用磁性控制，溫度浮子傳感器可控制加熱片的數(shù)量和長度。②溫度浮子傳感器可實時檢測液面溫度，當液面溫度低于設定溫度時開始加熱，加熱點較小，可保證單點融冰，單點融冰即可保證整體系統(tǒng)精度。進液口采用過濾結構，可防止雜質進入測量筒內。彈性安裝底座，可解決強沖擊下的儀表震動問題?；瑒影惭b底座配合彈性安裝底座，可提高沖擊情況下的液位測量精度和液位計的穩(wěn)定性。③顯示系統(tǒng)由防雨箱、太陽能板、膠體電池等主要元件組成，可實現(xiàn)液位的顯示和數(shù)據(jù)的遠傳，內置4G 模塊，可實時上云，可遠程查看數(shù)據(jù)和儀表工作狀態(tài)，可遠程設置加熱閾值。后期可集成到物聯(lián)網(wǎng)管理平臺，進行數(shù)據(jù)的查看和匯總。內置充電保護器和市電降壓模塊，可雙供電，當市電斷電后，自動切換到太陽能供電狀態(tài)，電池采用膠體防雨盒，地埋式安裝，不占用高度空間。這些設計的改進都有效地保證了檢測的精確度和穩(wěn)定性。

2.4 數(shù)據(jù)處理和分析技術改進

（1）優(yōu)化實時數(shù)據(jù)處理算法。高寒地區(qū)的環(huán)境特點主要表現(xiàn)為低溫、低濕度，這些因素對數(shù)據(jù)處理和傳輸帶來了較大挑戰(zhàn)。如低溫可能導致電子設備運行緩慢，增加數(shù)據(jù)處理時間；低濕度可能影響數(shù)據(jù)存儲的穩(wěn)定性，增加數(shù)據(jù)丟失的風險。為了確保此類環(huán)境下數(shù)據(jù)的準確性和穩(wěn)定性，需優(yōu)化實時數(shù)據(jù)處理算法。具體而言：①引入云計算技術。云計算技術可突破硬件設備的限制，實現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)處理和傳輸。在高寒地區(qū)，通過云計算技術，可將數(shù)據(jù)處理任務分配給多臺服務器共同完成，提高處理效率。②進行算法優(yōu)化。針對高寒地區(qū)的環(huán)境特點，對實時數(shù)據(jù)處理算法進行優(yōu)化。例如，引入并行處理技術，提高數(shù)據(jù)處理的并發(fā)性；優(yōu)化數(shù)據(jù)壓縮算法，降低數(shù)據(jù)傳輸時間。③確保數(shù)據(jù)存儲與傳輸?shù)姆€(wěn)定性。在高寒地區(qū)，數(shù)據(jù)的存儲與傳輸穩(wěn)定性至關重要，因此，應選擇耐低溫、濕度影響小的存儲介質，同時加強數(shù)據(jù)的校驗與備份機制，防止數(shù)據(jù)丟失。

（2）改進異常檢測與預警算法。傳統(tǒng)的水位異常檢測方法通?；陂撝翟O定，這種方法對于靜態(tài)、線性的水位變化有一定效果，但對于非線性、動態(tài)的水位變化，以及由多種因素引起的復雜水位異常，其識別效果不盡人意。此外，傳統(tǒng)方法缺乏自適應性，無法根據(jù)歷史數(shù)據(jù)自動調整閾值，大幅降低了預警的準確率。為了解決這些問題，提出了一種基于機器學習的異常檢測與預警算法。該算法利用深度學習技術，自動學習和識別水位變化的模式。通過訓練神經(jīng)網(wǎng)絡，可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)預測未來的水位變化，并在出現(xiàn)異常時及時發(fā)出預警。這種方法具有自適應性，能夠根據(jù)實際情況動態(tài)調整閾值，大幅提高了預警的準確率。試驗結果表明，改進后的算法在識別復雜水位異常方面具有顯著優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的閾值方法相比，新算法的預警準確率提高了30% 以上。

（3）完善數(shù)據(jù)存儲與備份機制。在大數(shù)據(jù)時代，數(shù)據(jù)存儲的可靠性和可擴展性對于企業(yè)的持續(xù)發(fā)展至關重要。傳統(tǒng)的集中式存儲架構已無法滿足企業(yè)的需求，而分布式存儲技術憑借其高可靠性和可擴展性成為主流選擇。分布式存儲技術采用數(shù)據(jù)分散存儲的方式，將數(shù)據(jù)分散存儲在多個節(jié)點上，從而提高了數(shù)據(jù)的冗余性和容錯性。即使部分節(jié)點發(fā)生故障，數(shù)據(jù)也不會丟失，確保了數(shù)據(jù)的安全性。同時，分布式存儲技術可以根據(jù)業(yè)務需求靈活擴展存儲容量和性能，滿足企業(yè)不斷增長的數(shù)據(jù)存儲需求。除了分布式存儲技術外，定期備份數(shù)據(jù)也是確保數(shù)據(jù)安全性和完整性的重要手段。企業(yè)應制訂合理的備份策略，定期對數(shù)據(jù)進行備份，并保證備份數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)保持一致。同時，備份數(shù)據(jù)應存儲在可靠的存儲介質上，并定期進行驗證，確保備份數(shù)據(jù)的可用性和完整性。

2.5 系統(tǒng)集成和測試

（1）系統(tǒng)集成的原則和方法。系統(tǒng)集成首要的原則是確保整體性，各個組成部分應有機整合，形成完整的監(jiān)測體系。在方法上，應采用模塊化設計，便于系統(tǒng)的擴展與維護。同時，要充分考慮高寒地區(qū)的環(huán)境特點，如寒冷氣候、大風等，確保設備能在極端條件下正常工作。

（2）系統(tǒng)測試的內容和方法。系統(tǒng)測試內容應包括設備性能、數(shù)據(jù)傳輸、系統(tǒng)響應時間等。在方法上，應采用仿真測試與實地測試相結合的方式。通過模擬實際環(huán)境，測試系統(tǒng)的各項指標是否達到預期要求。

（3）系統(tǒng)集成與遠程控制技術。系統(tǒng)集成方案的設計要充分考慮硬件設備的兼容性、軟件平臺的可擴展性及數(shù)據(jù)接口的標準化。實施過程中，要嚴格按照設計方案進行，確保每一個環(huán)節(jié)都得到有效執(zhí)行。遠程控制技術是實現(xiàn)水庫智能管理的重要手段，要研發(fā)適用于高寒地區(qū)的遠程控制技術，確保即使在惡劣氣候條件下，技術人員也能對水庫進行遠程操控。在高寒地區(qū)系統(tǒng)安全防護尤為重要，要采取多重安全防護措施，防止數(shù)據(jù)被篡改或竊取[4]。同時，要定期對系統(tǒng)進行安全漏洞掃描，及時發(fā)現(xiàn)并修復潛在的安全隱患。

3 結束語

綜上所述，高寒地區(qū)庫區(qū)的實時水位監(jiān)測由于冰凍和水位波動大，對監(jiān)測設備的穩(wěn)定性和準確性提出了更高的要求。技術改進后，不僅可以提高水位監(jiān)測的準確性和實時性，而且能夠減少人工巡檢的頻率，提高監(jiān)測效率。此外，通過數(shù)據(jù)分析，可以更好地了解庫區(qū)的運行狀況，為庫區(qū)的安全管理和環(huán)境保護提供有力支持。隨著技術的進一步發(fā)展，有望實現(xiàn)更高精度的實時監(jiān)測和更加智能化的數(shù)據(jù)分析，為高寒地區(qū)庫區(qū)的可持續(xù)發(fā)展作出貢獻。

參考文獻

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