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雷達液位計在塔里木河流域水情自動測報系統中數據跳變分析及解決辦法

作者: 來源: 發布時間:2018-11-13 11:05:25

     摘要: 雷達液位計在實際觀測中因受風浪、漂浮物及冬季結冰等外部環境干擾,會出現監測數據跳變現象,影響數據采集精度。文章結合雷達液位計在塔里木河流域水情自動測報系統中的應用實際,針對雷達液位計數據跳變產生的原因進行了系統分析,并提出了相應的解決方案,研究結果為雷達液位計在塔里木河流域的推廣應用提供了重要參考。

 
    2012 年開始,塔里木河流域管理局先后實施了塔里木河流域水量遠程監控系統項目及信息化整合項目,在塔里木河流域“四源一干”安裝使用了316 個雷達液位計用于水閘及灌區渠道測水斷面的水位觀測。但在使用過程中發現水位計普遍存在大量數據跳變的現象,即雷達液位計采的數據出現超出設計水位量程范圍、水位數值明顯不合理或相鄰兩次采集的水位之差大于正常范圍等現象,導致測量的水位數據無法使用。
    針對雷達液位計在灌區渠道測水中存在的問題,塔管局信息中心組織設計、施工及設備生產商共同對數據跳變產生的原因進行分析,認為通過對雷達液位計和RTU 的供電模式進行優化、提高雷達液位計發射功率、完善系統數據計算方式等幾方面進行改進,可以解決上述問題。經過多次現場試驗,改造后雷達液位計的測流運行穩定、數據可靠,證明改造方案合理可行,改造后的系統在實際應用中效果顯著。
    雷達液位計現場觀測數據跳變問題的解決,不僅提高了塔管局水情自動化監測數據質量及其適用性,也對其它流域灌區量測水相關問題的解決提供參考借鑒,對提升流域水資源管理的信息化建設與管理水平具有重要意義。
    雷達液位計測量水位結構原理如圖1所示。
 
雷達液位計測量水位結構圖
圖1 雷達液位計測量水位結構圖
 
1 數據跳變及原因分析
    1. 1 數據跳變情況介紹
    通過對塔里木河流域水量遠程監控系統項目建設的135 個雷達液位計的水位觀測數據進行分析,每個雷達液位計zui大采樣間隔為1h /次,采樣時間zui早為2014 年4 月1 日,采樣時間zui晚為2016 年2 月18 日,總分析數量為2355518 條,采用sqlite數據庫存儲數據,Jquery EasyUI + Hicharts 作為前端,php 作為后臺提供數據進行數據分析。
    按1h 內兩次采集的水位差大于0. 5m 為跳變進行分析,135 個水位計,無跳變數據的僅有6 個,發生跳變的水位計占總數的95. 6%,數據跳變情況詳如圖2—圖4 所示。
    由于雷達液位計水位觀測數據頻繁出現跳變,導致水位觀測數據缺失或數據不可信,水位計觀測可用性大大降低,嚴重影響塔里木河流域水資源監控系統的業務功能應用。
 
局部放大圖1
圖2   局部放大圖1
 局部放大圖2
圖3    局部放大圖2
局部放大圖3
圖4    局部放大圖3
 
    1. 2 數據跳變原因分析
    針對雷達液位計大量數據跳變的實際情況,塔里木河流域管理局信息中心多次組織項目承建單位和設備廠家進行座談,逐一分析數據跳變的原因,同時選取部分水位監測點在不同時段進行現場測試,經過大量的現場測試,初步確定了數據跳變的原因。
    1. 2. 1 儀器本身原因
    雷達液位計測量水位的原理是發射單元發出以光速運行的脈沖雷達波,當脈沖遇到液位表面時反射回來被儀表內的接收器單元接收,通過將距離信號轉化為液位信號,即雷達液位計發射雷達波———水面反射雷達波———雷達液位計接收雷達波,從而計算出液位高度。在實際測流過程中,雷達液位計測流指標與發射、接收過程的信號質量有直接關系,特別是測流面對雷達波的反射信號強度有重要影響。在測流過程中由于水面波浪及樹木雜草等漂浮物會影響水位計反射波信號,造成雷達液位計接收不到信號或者接收到的反射波信號太弱,致使水位計測流數據跳變或數據失效。
    1. 2. 2 RTU 設置原因
    目前水利行業使用雷達液位計大部分都安裝在野外,主要采用太陽能板供電。由于供電設備
容量限制,常規方式是通過RTU 對雷達液位計實行定時供電。規范要求水位數據采集頻次設置一
般為6 ~ 10min /次,因此在設備采集數據發射的間隔期,系統設置RTU 對雷達液位計停止供電,同時RTU 自身也會進入休眠狀態以降低功耗,在下一個數據采集時間RTU 自動蘇醒并給雷達液位計供電。
    實際測量中,雷達液位計在測流前需經過20s左右的加電預熱,但外界氣溫的高低對設備預熱的時長影響較大,夏季高溫( 45℃ 以上) 時設備預熱需28s 左右,冬季低溫( - 10℃ 以下) 時會增長到45s 左右,由于RTU 設置預熱時間一般在20s,如在設置時間內雷達液位計沒有適時返回數據,則RTU 顯示值為預置數據9999. 99,表明該數據無效,這也是觀測跳變數據產生的原因之一。
 
2 解決方案
    2. 1 增加雷達液位計發射功率,增強雷達波信號反射強度
    分析得出測流面各種干擾物對雷達波的反射信號強度有重要影響,而水位計雷達波信號反射強度決定了水位測量的成功與否[5-6]。為詳細準確地分析測流面不同干擾對水位計觀測數據的影響,信息中心與承建單位安排技術人員,選擇不同條件的監測點,對渠道流態平穩的水面和急流下的大波浪水面、洪水期出現雜草等漂浮物水面、停水或低水位期出現干灘等各種不同情況,首先對現有的雷達液位計( 30m 量程) 統一在10m 高度進行測試。經過近3 個多月試驗,結果表明: 在平穩的水面環境下水位計基本能夠正常反射信號; 在急流段或大風時節大波浪水面時水位計觀測數據發生波動,在有大量漂浮堆積物的水面及干灘情況下也出現數據跳變。隨后我們將雷達液位計發射功率增加到70m量程,統一在10m 高度進行測試,以保證測試條件一致。經過長時間測試,雷達液位計基本沒有出現數據跳變的現象,試驗證明保證水位計適當強度的發射功率可有效解決測流數據跳變問題。
 
    2. 2 改變RTU 和雷達液位計供電模式,保證工作狀態穩定
    目前RTU 和雷達液位計使用的元器件均采用低功耗設備,安裝配置的太陽能板和蓄電池的容量完全滿足RTU 和雷達液位計長時間工作需要。但廠家在RTU 設備出廠時進行的初始設置是對雷達液位計進行供電控制,該設置方式在應用過程中出現雷達液位計工作不穩定等問題[7]。為增強水位計的工作穩定性,設備安裝過程中將RTU 設置變更為采用常供電的模式,即RTU 設置為雷達液位計持續供電,保證水位計一直處于有電的工作狀態。供電方式改變后,通過對測流數據整理后發現低溫時常供電工作方式對雷達液位計數據測量效果突出,數據跳變的幾率大幅降低( 平均在60% 以上) ,設備工作的穩定性得到了較大提高。
 
     2. 3 對測流數據進行過濾、多次均值計算
    目前使用的雷達液位計軟件對采集數據處理的程序一般將接收到的數據適時回送給RTU,RTU無法判別接收數據是否正確,因此易將跳變數據作為正常數據來處理[8-9]。為了能夠更好地解決跳變數據的過濾問題,我們對塔里木河流域管理局水資源監控系統全部316 個雷達液位計內置程序進行改造優化。改造后雷達液位計每6s 鐘采集一次數據并將數據進行存儲,連續采集20 組數據后,去掉其中4 組zui大值和4 組zui小值后,取平均值作為可用數據測量值返回給RTU,以此方式有效過濾跳變數據的出現。
 
    2. 4 接收數據判別過濾
    由于雷達液位計均安裝在按水工標準建設的標準斷面上,除了由于上游提閘或下游落閘導致短時間的水位出現劇烈變化外,正常情況下渠道水位不會在短時間內出現大幅度變化[10]。因此,在數據接收端數據入庫前,與上一條數據進行對比,若接收間隔時間小于6min,水位變幅大于30cm,則予以告警; 若水位變幅大于50cm,報警的同時將該條數據舍棄,接收端發起主動召測,召測的數據對比后若處于正常范圍則入庫,否則停止召測并告警。
 
    2.5 加密采集頻率,提高測量數據精度
    在塔里木河遠程監控系統的水情監測系統中,RTU 設置里采樣時間多為30min 或60min /次,整合項目實施后統一將兩個項目的RTU 的采樣頻率改為6min /次,通過加密采集頻率提高數據質量。
    通過這些調整和優化并經過不同條件下的長期觀測,改造后的雷達液位計測流數據跳變現象基本解決。塔里木河流域管理局信息中心對改造后的316 個雷達液位計進行數據分析,每個雷達液位計采樣間隔為6min /次,采樣時間zui早為2016 年8 月1 日,采樣時間zui晚為2016 年12 月1 日,總分析數量為5874729 條,按前后兩次采集的水位值差大于0. 5m 為跳變進行分析,316 個水位計無一例發生跳變,如圖5 與圖6 所示。
    由圖5 與圖6 可知,經過改造后的雷達液位計水位過程線非常平滑,基本沒有水位跳變情況發生,測流數據可以正式用于塔里木河流域管理局水資源管理系統數據采集平臺。
 
某雷達液位計2016年11月1日—2016年11月20日水位過程線
圖5 某雷達液位計2016年11月1日—2016年11月20日水位過程線
 
局部放大圖4
圖6  局部放大圖4
 
3 結語
    隨著科學技術的不斷進步,雷達液位計因具有成本低、靈活性和可靠性高、功耗低等特點,在水情自動測報系統中應用日趨廣泛。然而,如何排除日常工作中出現的故障即采集數據發生跳變問題,成為基層水管工作的一個難題。本文結合雷達液位計在塔里木河流域水情自動測報系統中的應用實踐,針對灌區不同渠道及不同運行工況,提出通過提高雷達液位計發射功率、優化供電方式及對數據篩選計算等方式可有效降低各種干擾因素對雷達液位計觀測數據的影響,保證其穩定可靠運行及采集數據的有效性。
 

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