水位觀測儀探析與改進

丁妙增 陳愛蓮

(浙江省大氣探測技術保障中心,浙江 杭州 310000)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展,城市圈不斷擴大,城市建設也在高速發(fā)展,城市交通立體化發(fā)展,形成不少立交橋下層、下穿隧道、涵洞等地勢低洼地,極易引起暴雨積澇；而城市化又產(chǎn)生大面積不透水地面,對城市內(nèi)澇的發(fā)生和致災強度起到了促進作用[1]。此外，由于氣候變暖、城市熱島效應、臺風等影響,使得暴雨增多。因此,近年來,暴雨引起的城市內(nèi)澇時有發(fā)生,影響了人們的生活和出行,甚至導致財產(chǎn)損失、人員傷亡。

城市內(nèi)澇氣象預警,可以有效疏導和減少城市內(nèi)澇災害損失。城市水位觀測資料是氣象預警服務的基礎。近年來，浙江省氣象部門已著手采購和布設城市內(nèi)澇水位觀測儀,逐步完善觀測網(wǎng)。在進行設備選型和技術保障過程中,筆者發(fā)現(xiàn)市場上的水位觀測設備盡管種類繁多,但真正適合氣象預警服務的設備較少。

本文的研究結(jié)合城市內(nèi)澇水位觀測特點,試圖通過比較分析常規(guī)水位觀測儀,發(fā)現(xiàn)存在的問題,提出適應氣象預警服務需求的水位設備改進方案,提供應用實例,供生產(chǎn)企業(yè)和用戶參考。

1 水位觀測儀的需求與不足

城市內(nèi)澇基本發(fā)生在城市地勢低洼處,而原有的水位觀測點一般分布在江河湖泊水庫等較大型水體處,沒有覆蓋到城市內(nèi)澇易發(fā)地。因此,很有必要在內(nèi)澇易發(fā)地增加水位觀測,組建以重點河道及城市地勢低洼地為主要測點的內(nèi)澇水位監(jiān)測網(wǎng),浙江省部分市(縣、區(qū))已開始部署。

經(jīng)過考察,國內(nèi)外現(xiàn)有的水位觀測設備尚不能完全滿足氣象預警服務要求,主要存在以下幾個方面的問題:一是觀測要素比較單一,一般只觀測水位和雨量,無其他氣象要素；二是可擴展性較弱,不能根據(jù)用戶需求靈活添加觀測要素；三是現(xiàn)場視頻觀測沒有得到重視,極少帶有視頻探頭,不能直觀地看到即時水位狀態(tài)。針對存在的以上問題,可以通過改進現(xiàn)有水位觀測設備,預留接口,增加觀測要素等方式予以解決。

2 水位觀測儀的改進方案

2.1 改進原則

標準化。實現(xiàn)網(wǎng)絡系統(tǒng)上的圖像、水位、氣象要素等數(shù)據(jù)的傳輸、共享,選用的產(chǎn)品必須遵循網(wǎng)絡協(xié)議，滿足傳輸標準的要求。

可擴展性。為適應多樣化需求,設備須具有可擴展性,只要增加前端采集傳感器,不用添加其他附加設備,便可實現(xiàn)增加觀測要素的目的。

可用性、可靠性和穩(wěn)定性。簡化系統(tǒng),減少故障發(fā)生率。系統(tǒng)主板內(nèi)嵌看門狗,降低死機概率,能來電自啟動,確保系統(tǒng)永遠在線,基本實現(xiàn)系統(tǒng)的免維護。

可視化。實景觀測升級為標配,實現(xiàn)水位觀測可視化。

2.2 改進方案

以《水位觀測標準GBJ 138-90》和《新型自動氣象(氣候)站功能需求書(修訂版)》為參考,引進先進技術與消化吸收創(chuàng)新相結(jié)合,水位觀測系統(tǒng)設計為前端采集系統(tǒng)和中心主站兩個組成部分。前端采集系統(tǒng)配置水位、雨量和實景圖像監(jiān)測傳感器,并可根據(jù)需要添加其他氣象觀測要素。中心主站軟件系統(tǒng)由數(shù)據(jù)接收模塊、分析處理模塊和顯示模塊組成,負責水位、氣象觀測數(shù)據(jù)和實景監(jiān)測圖片資料的接收、存儲和處理,用戶采用B/S(Web瀏覽)方式,按分配的權(quán)限隨時查詢使用水位、氣象觀測數(shù)據(jù)和現(xiàn)場圖片資料。

主要創(chuàng)新點:增加了實景監(jiān)測,提高了設備的可擴展性,前端采集系統(tǒng)采用ARM處理器架構(gòu),整機結(jié)構(gòu)緊湊、功能升級。

2.3 水位傳感器的比較和選擇

水位觀測儀通過水位傳感器感應水位變化。水位傳感器是核心部件,采用哪種水位傳感器,關系到水位觀測數(shù)據(jù)的可靠與否。目前,水位傳感器技術比較成熟,浮子式、壓力式、超聲波、雷達式和激光式等水位傳感器均已被廣泛使用。此外,電子水尺、地埋式監(jiān)測等設備也開始進入視野,但不同的水位傳感器,其工作原理、適用條件不盡相同[2]。

浮子式水位傳感器使用最廣泛,通過浮子在垂直方向上隨水位變化來測量水位。結(jié)構(gòu)簡單,造價低廉,但對使用的基礎條件要求較高,易發(fā)生機械故障,且數(shù)字化程度不高[2]。

超聲波水位傳感器是利用超聲波(機械波)測距原理測量水位,價格低,使用方便,但測量精度和可靠性較差,易受溫度、濕度、泥沙含量等影響[2]。

激光水位傳感器采用激光測距原理測量水位,具有測量量程大、周期短、精度高、無發(fā)散角、體積小等優(yōu)點,但激光穿透性強,使用時水面需要安裝反射板,增加了施工難度和經(jīng)費[2-4]。

雷達水位傳感器采用電磁波測量水位,具有抗干擾能力強、測量精度高、可靠性好、安裝簡單方便等特點[2-6]。與同是非接觸式測量的超聲波和激光水位傳感器相比,不存在激光式易穿透水面、超聲波式溫漂大等問題。

電子水尺利用水的微弱導電性原理,測量電極的水位獲取數(shù)據(jù)。電子水尺具有誤差小、安裝方便、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。一般用于工程和市政積水情況監(jiān)測[2,4,7]。可依附墻體安裝,與城市環(huán)境能較好地融合。

此外,新推出的地埋式內(nèi)澇積水監(jiān)測儀,具有體積小巧、簡單打孔即可安裝、無線數(shù)據(jù)傳輸、內(nèi)置鋰電池超長待機等優(yōu)勢,逐漸進入城市內(nèi)澇監(jiān)測領域。

根據(jù)以上分析,推薦使用雷達水位傳感器和電子水尺。雷達水位傳感器比較適用于空間通透的城市周邊及市內(nèi)河道的水位觀測。電子水尺,適用于立交橋下、涵洞、下穿隧道等地勢低洼地的水位監(jiān)測。地埋式積水監(jiān)測儀,也可納入考慮,用于不適用電子水尺、安裝條件更為苛刻的場所。

3 水位觀測儀的改進與應用

3.1 工程化解決方案

3.1.1 硬件設計方面

硬件主要由3部分組成:傳感器、數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)和中心站服務器。通過傳感器感知氣象、水位及現(xiàn)場情況,經(jīng)采集控制系統(tǒng)加工、壓縮后發(fā)送至中心站。

所有硬件功能單元模塊化設計。電路設計采取多種抗干擾技術,對相關數(shù)據(jù)通信端口、電源端口進行EMC防護處理,關鍵電纜采用雙層屏蔽,同時加入硬件斷電自復位電路,提高設備的可靠性。電源為具有防雷功能的獨立模塊,外設電源具備電源開關功能。服務器架構(gòu)采用冗余技術、雙備份技術,提高數(shù)據(jù)采集的可靠性。

立桿采用耐腐蝕不銹鋼材質(zhì),并加粗加強,避免由于立桿抖動引起的數(shù)據(jù)測量偏差。

3.1.2 軟件設計方面

軟件結(jié)構(gòu)模塊化,相互間獨立性強、耦合度低、可移植性強,應用層和硬件驅(qū)動層完全分離,方便后期維護升級。

設備內(nèi)部嵌入式軟件具備遠程在線升級、硬件驅(qū)動自動識別等功能,提高整個軟件的兼容性。

中心站軟件采用B/S結(jié)構(gòu),后臺管理與前臺展示均具有操作簡便、邏輯合理等特點。

3.2 設備配置

3.2.1 硬件配置

前端采集單元:負責采集、處理、存儲觀測數(shù)據(jù),控制通信模塊的工作狀態(tài)。主控制器MCU采用基于ARM Cortex-M3的STM32系列,該技術方案在測試和實例應用中表現(xiàn)出較高的性能。

GPRS/CMDA/3G/4G無線網(wǎng)絡傳輸模塊及100M網(wǎng)絡接口:主要用于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳輸。

調(diào)試接口:工程人員用有線或無線調(diào)試工具可以對各個監(jiān)測模塊裝置的各項采集與控制功能進行測試、參數(shù)配置、故障分析等。

關鍵傳感器:

(1)雷達式水位計。VEGAPULS雷達式水位計是德國VEGA公司生產(chǎn)的一款高精度液位測量傳感器。一體化設計,無可動部件,不存在機械磨損,使用壽命長；具有不受溫度、濕度和風等環(huán)境影響的特點。最大量程為0～35 m。雷達水位傳感器如圖1。

圖1 雷達水位傳感器

(2)電子水尺。針對地勢低洼地,采用TC401感應式電子水尺(圖2)。TC401由感應式數(shù)字水位傳感器、信號轉(zhuǎn)換輸出變送器兩部分組成,利用機械方法定位,感應裝置感應水位變化,經(jīng)數(shù)字編碼處理,實現(xiàn)數(shù)字化分度、數(shù)字化采樣、數(shù)字化傳輸,是新型的全數(shù)字化電子水尺。有6種不同長度規(guī)格可選。

圖2 TC401感應式電子水尺

(3)圖像采集傳感器。采用海康威視DS-2CD高清槍機(圖3),通過后臺指令調(diào)整高清槍機的拍照時間間隔、圖片分辨率,以便判斷現(xiàn)場情況。

圖3 海康威視DS-2CD高清槍機

(4)雨量及其他氣象要素傳感器。可以根據(jù)實際需要靈活添加刪減。

3.2.2 軟件系統(tǒng)

按模塊化的方式進行設計,并且系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上支持IOC方式,以方便支持系統(tǒng)的擴展,后臺主站系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 主站系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

水位觀測儀通過內(nèi)置的GPRS模塊將水位、雨量、視頻圖片等發(fā)送到主站。后臺主站系統(tǒng)將來自水位觀測儀的數(shù)據(jù)進行規(guī)約解析,然后根據(jù)不同的要素入庫,按照預先設置的各種算法和閾值，產(chǎn)生報警判斷和故障提醒。入庫的要素可以查詢、顯示和下載。

3.3 應 用

3.3.1 安裝實景

電子水尺型水位觀測設備,適合安裝在市區(qū)容易形成暴雨積澇的地勢低洼地(圖5)。雷達型水位觀測設備,適合安裝在市內(nèi)河道沿岸(圖6和圖7)。水位和圖像觀測數(shù)據(jù)通過4G信號傳輸?shù)胶笈_。后臺數(shù)據(jù)部署到云后臺或內(nèi)部服務器上。

圖5 電子水尺站安裝實景

圖6 雷達水尺站安裝實景1

圖7 雷達水尺站安裝實景2

以上設備已陸續(xù)在瑞安、嵊州、椒江、臨海、舟山普陀等地被采用。其中，普陀根據(jù)歷史上臺風影響及暴雨過程產(chǎn)生的積澇情況,選擇在4個鐵路涵洞、8個城區(qū)主干道和14個老舊小區(qū)等26個易澇點布設電子水尺型水位站,初步實現(xiàn)了全區(qū)城市洪澇易災區(qū)全覆蓋。目前設備性能穩(wěn)定,運行良好,正在為氣象預警服務提供數(shù)據(jù)支持。

3.3.2 應用軟件

中心站軟件是實現(xiàn)水位、氣象監(jiān)測采集系統(tǒng)自動組網(wǎng)和監(jiān)控管理的應用程序,在氣象局現(xiàn)有的監(jiān)測、監(jiān)控系統(tǒng)基礎上進行功能開發(fā)。安裝在各站點的水位設備均可通過GPRS/3G/4G無線通信方式與中心站建立雙向聯(lián)系,實現(xiàn)水位觀測設備的組網(wǎng)和監(jiān)控管理。中心站軟件的主要功能如下。

(1)基于GIS地理信息系統(tǒng)。

(2)對氣象水位數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)可進行有效管理、查詢、顯示、圖表處理、越界報警等。

(3)設置或查詢各個監(jiān)測點的站名、區(qū)站號、經(jīng)緯度、海拔高度、DTU等通信號碼、在線登錄狀態(tài)、數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)、當前或歷史資料等。

(4)設置數(shù)據(jù)上傳時間間隔:可向一個或多個監(jiān)測站下達指令,將其設置成按照特定時間間隔(1～60 min可調(diào)),自動上傳最新的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

(5)遺漏資料補傳:遇通信信號中斷時,在恢復后可補傳設備上存儲的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)。

(6)日期和時鐘校準:所有設備支持網(wǎng)絡時鐘同步協(xié)議,可由中心站下達指令,校對觀測設備的日期和時間。

(7)報警功能:對接收到的異常數(shù)據(jù)提供報警功能,例如:缺測、數(shù)據(jù)異常等。

(8)多種監(jiān)控界面功能:提供多種類型的監(jiān)控界面,以不同的界面形式反映監(jiān)測點網(wǎng)的運行情況。

(9)具有生成存儲數(shù)據(jù)文件、上傳數(shù)據(jù)文件的功能。

4 結(jié) 語

現(xiàn)有水位觀測網(wǎng)絡存在盲點,水位觀測要素比較單一,不能完全滿足城市內(nèi)澇氣象預警服務的需要。通過對水位觀測設備的改進和應用,對氣象部門如何選擇和使用水位設備提出幾點建議如下。

(1)應根據(jù)城市內(nèi)澇氣象預警服務的實際需要,制定和優(yōu)化水位觀測布點方案。

(2)為便于使用和維護,所選傳感器的種類不宜過多。經(jīng)過綜合分析比較,建議優(yōu)先考慮雷達式和電子水尺這兩類水位傳感器；雷達水位傳感器適合用于重點河道監(jiān)測,電子水尺適合用于城市地勢低洼地的水位監(jiān)測；地埋式積水監(jiān)測設備,作為電子水尺的備選。

(3)應標配實景監(jiān)測攝像頭,以便提供即時水位狀態(tài),提高水位觀測的直觀性。

(4)加固安裝立柱,減少因立柱晃動對雨量及其他氣象要素的影響。