調水工程智能水位計創新應用

李 琨，張澤玉，韓 鵬

（山東省調水工程運行維護中心，山東 濟南 250100）

0 引言

隨著云計算、物聯網、大數據、移動互聯網、人工智能、數字孿生等新一代信息技術與調水工程不斷深度融合、迭代積累，逐步實現實用性突破，帶來了水利管理又一次質的飛躍。

水利泛感知網是構建智慧水利數據底座的基本要素，負責獲取涉水對象及其環境數據。水利泛感知網利用各種感知儀器儀表、設備裝置、技術措施和方案方法，實時采集并動態監視水利水域、設施和業務行為三大類感知對象的特征數據和事件信息。這些數據和信息經過逐層加工處理后，再分級分類通過通信傳輸網絡匯集轉出進入智慧水利業務應用平臺，為水利業務提供內容全面、準確可靠的感知大數據[1，2]。

水位信息作為水利泛感知的關鍵采集信息，是水利工程管理最關注的水對象動態數據，實現水位采集的低成本精準采集對于水利數字孿生和智能化建設至關重要。

1 膠東調水工程及其信息化建設

膠東調水工程由引黃濟青工程和膠東調水工程兩部分組成，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業用水、生態補水而投資興建的山東省大型跨流域、遠距離調水工程，全長290 km。2003年山東省開辟向膠東地區引黃調水工程，新辟輸水線路310 km，與引黃濟青工程聯通，輸水線總長600 km，形成了引黃、引江與調引當地水的聯合調配工程體系。山東省調水工程運行維護中心做為膠東調水工程的業務管理單位，2019年由原山東省膠東調水局更名成立。

2018年5月，膠東調水工程啟動自動化調度系統建設，通過項目建設，實現了膠東調水工程調水輸水過程自動化和運行管理信息化。系統上線運行至今，各系統功能以及系統間跨系統運行情況穩定，滿足了工程的正常運行要求，提高了工作效率和管理水平，節約了運行管理的人力成本。

膠東調水工程在完成自動化調度系統建設和高效運維以后，正式進入數字孿生調水工程建設階段。數字孿生膠東調水先行先試項目已列入水利部數字孿生先行先試試點，2023年4月完成招投標進入建設階段，該項目基于膠東調水工程沿線長、設施種類多等工程特點，以及工程自動化程度高、業務體系完善等優勢，以運用數字孿生手段持續提升工程全業務管理能效為總目標，搭建可兼容、可成長的技術架構，推動膠東調水工程向智能化方向發展。

膠東調水工程數字孿生建設的核心目標是實現工程調度運行模式的智能化變革，而實現調度運行智能化的關鍵技術包括：便捷精準的水位測量、泵閘閥站遠程控制調節和全線一體的科學調度決策。因此研究調水工程渠道、水池和水庫等的水位檢測濾波、精準測量和遠程校核邊沿計算技術的低成本易維護簡化部署的水位監測應用，對膠東調水工程數字孿生和智能化建設具有非常現實的意義。

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、水位計一般需要設置在河道渠道順直、斷面比較規則、水流穩定、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。水尺是傳統有效的直接觀測設備。實測時，水尺上的讀數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，經過灰度化、中值濾波、邊緣檢測、二值化、形態學處理以及圖像細化，最終由算法計算出水位數據。

基于圖像識別的水位采集方式具有精度高，應用場景搭配靈活等優點，但也存在系統復雜、成本較高、受氣候環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，從而實現了浮力平衡。

浮子式水位計具有結構簡單、測量比較可靠等優點，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，從而實現了電容變化。

電容式水位計具有結構簡單、成本低和易維護等優點，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，從而實現了壓力傳感。

壓力式水位計具有結構簡單、安裝便捷和成本較低等優點，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超聲波傳感器發出超聲波時，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中的傳播速度不同，從而實現了超聲波反射。

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，電磁脈沖以光速沿鋼纜或探棒傳播，當遇到被測介質表面時，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射裝置，發射裝置與被測介質表面的距離同脈沖在其間的傳播時間成正比，經計算得出液位高度。

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

3 膠東調水工程水位應用現狀

膠東調水工程全線安裝了數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。經過多年的應用維護經驗，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，膠東調水工程現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度系統應用所需，但對于數字孿生和智能化調水來說，現有的水位自動量測點部署的數量和位置都遠遠不足以滿足需要。

（2）水位自動量測建設成本偏高

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成本都偏高，調水工程數字孿生和智能化建設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用方案。

（3）水位計容易失真失準

膠東調水工程現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。

（4）維護工作量大

根據膠東調水工程自動化調度系統近兩年的運維工作統計數據，在輸水運行期，對水尺和水位計的故障處理工時量統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備。

（5）冰凍季運行功能失效

膠東調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 智能水位計創新應用實踐

根據膠東調水工程水位自動量測存在的不足，試點應用了兩套創新智能水位計，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確測量，通過算法實現雙靜壓傳感器測量下具有檢測濾波、精準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確測量水位的技術，實現水尺的自動讀數，替代目前的基于圖像識別的水尺水位采集方式。智能水位計創新應用設計方案如圖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、水位采集裝置、水尺和集成Lora無線自組網通信功能的測控終端組成。智能水位計創新應用實施效果圖如圖2所示。

智能水位計和電子水尺實現的創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，實現精準測量和自動校核功能；

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

（3）優化結構設計，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度的影響；

（5）智能水位計雙套護管設計，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，實現防冰蓋沖擊設計效果；

（9）在內層較小的空間，用電加熱帶對傳感器進行溫控加熱，實現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通信，安裝部署選點不再受限于供電和傳輸鏈路，實現靈活便捷部署。

5 結語

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