雷达水位计数据跳变分析及解决办法

张 勇

(新疆塔里木河流域管理局信息中心，新疆 库尔勒 841000)

2012年开始，塔里木河流域管理局先后实施了塔里木河流域水量远程监控系统项目及信息化整合项目，在塔里木河流域“四源一干”安装使用了316个雷达水位计用于水闸及灌区渠道测水断面的水位观测。但在使用过程中发现水位计普遍存在大量数据跳变的现象，即雷达水位计采集的数据出现超出设计水位量程范围、水位数值明显不合理或相邻两次采集的水位之差大于正常范围等现象，导致测量的水位数据无法使用。

针对雷达水位计在灌区渠道测水中存在的问题，塔管局信息中心组织设计、施工及设备生产商共同对数据跳变产生的原因进行分析，认为通过对雷达水位计和RTU的供电模式进行优化、提高雷达水位计发射功率、完善系统数据计算方式等几方面进行改进，可以解决上述问题。经过多次现场试验，改造后雷达水位计的测流运行稳定、数据可靠，证明改造方案合理可行，改造后的系统在实际应用中效果显著。

雷达水位计现场观测数据跳变问题的解决，不仅提高了塔管局水情自动化监测数据质量及其适用性，也对其它流域灌区量测水相关问题的解决提供参考借鉴，对提升流域水资源管理的信息化建设与管理水平具有重要意义。

雷达水位计测量水位结构原理如图1[1- 2]所示。

图1 雷达水位计测量水位结构图

1 数据跳变及原因分析

1.1 数据跳变情况介绍

通过对塔里木河流域水量远程监控系统项目建设的135个雷达水位计的水位观测数据进行分析，每个雷达水位计最大采样间隔为1h/次，采样时间最早为2014年4月1日，采样时间最晚为2016年2月18日，总分析数量为2355518条，采用sqlite数据库存储数据，Jquery EasyUI+Hicharts作为前端，php作为后台提供数据进行数据分析。

按1h内两次采集的水位差大于0.5m为跳变进行分析，135个水位计，无跳变数据的仅有6个，发生跳变的水位计占总数的95.6%，数据跳变情况详如图2—图4所示。

由于雷达水位计水位观测数据频繁出现跳变，导致水位观测数据缺失或数据不可信，水位计观测可用性大大降低，严重影响塔里木河流域水资源监控系统的业务功能应用。

图2 数据跳变

图4 局部放大图3

图3 局部放大图2

1.2 数据跳变原因分析

针对雷达水位计大量数据跳变的实际情况，塔里木河流域管理局信息中心多次组织项目承建单位和设备厂家进行座谈，逐一分析数据跳变的原因，同时选取部分水位监测点在不同时段进行现场测试，经过大量的现场测试，初步确定了数据跳变的原因。

1.2.1 仪器本身原因

雷达水位计测量水位的原理是发射单元发出以光速运行的脉冲雷达波，当脉冲遇到液位表面时反射回来被仪表内的接收器单元接收，通过将距离信号转化为液位信号，即雷达水位计发射雷达波——水面反射雷达波——雷达水位计接收雷达波，从而计算出液位高度[3]。在实际测流过程中，雷达水位计测流指标与发射、接收过程的信号质量有直接关系，特别是测流面对雷达波的反射信号强度有重要影响。在测流过程中由于水面波浪及树木杂草等漂浮物会影响水位计反射波信号，造成雷达水位计接收不到信号或者接收到的反射波信号太弱，致使水位计测流数据跳变或数据失效[4]。

1.2.2 RTU设置原因

目前水利行业使用雷达水位计大部分都安装在野外，主要采用太阳能板供电。由于供电设备容量限制，常规方式是通过RTU对雷达水位计实行定时供电。规范要求水位数据采集频次设置一般为6～10min/次，因此在设备采集数据发射的间隔期，系统设置RTU对雷达水位计停止供电，同时RTU自身也会进入休眠状态以降低功耗，在下一个数据采集时间RTU自动苏醒并给雷达水位计供电。

实际测量中，雷达水位计在测流前需经过20s左右的加电预热，但外界气温的高低对设备预热的时长影响较大，夏季高温(45℃以上)时设备预热需28s左右，冬季低温(-10℃以下)时会增长到45s左右，由于RTU设置预热时间一般在20s，如在设置时间内雷达水位计没有适时返回数据，则RTU显示值为预置数据9999.99，表明该数据无效，这也是观测跳变数据产生的原因之一。

2 解决方案

2.1 增加雷达水位计发射功率，增强雷达波信号反射强度

分析得出测流面各种干扰物对雷达波的反射信号强度有重要影响，而水位计雷达波信号反射强度决定了水位测量的成功与否[5- 6]。为详细准确地分析测流面不同干扰对水位计观测数据的影响，信息中心与承建单位安排技术人员，选择不同条件的监测点，对渠道流态平稳的水面和急流下的大波浪水面、洪水期出现杂草等漂浮物水面、停水或低水位期出现干滩等各种不同情况，首先对现有的雷达水位计(30m量程)统一在10m高度进行测试。经过近3个多月试验，结果表明：在平稳的水面环境下水位计基本能够正常反射信号；在急流段或大风时节大波浪水面时水位计观测数据发生波动，在有大量漂浮堆积物的水面及干滩情况下也出现数据跳变。随后我们将雷达水位计发射功率增加到70m量程，统一在10m高度进行测试，以保证测试条件一致。经过长时间测试，雷达水位计基本没有出现数据跳变的现象，试验证明保证水位计适当强度的发射功率可有效解决测流数据跳变问题。

2.2 改变RTU和雷达水位计供电模式，保证工作状态稳定

目前RTU和雷达水位计使用的元器件均采用低功耗设备，安装配置的太阳能板和蓄电池的容量完全满足RTU和雷达水位计长时间工作需要。但厂家在RTU设备出厂时进行的初始设置是对雷达水位计进行供电控制，该设置方式在应用过程中出现雷达水位计工作不稳定等问题[7]。为增强水位计的工作稳定性，设备安装过程中将RTU设置变更为采用常供电的模式，即RTU设置为雷达水位计持续供电，保证水位计一直处于有电的工作状态。供电方式改变后，通过对测流数据整理后发现低温时常供电工作方式对雷达水位计数据测量效果突出，数据跳变的几率大幅降低(平均在60%以上)，设备工作的稳定性得到了较大提高。

2.3 对测流数据进行过滤、多次均值计算

目前使用的雷达水位计软件对采集数据处理的程序一般将接收到的数据适时回送给RTU，RTU无法判别接收数据是否正确，因此易将跳变数据作为正常数据来处理[8- 9]。为了能够更好地解决跳变数据的过滤问题，我们对塔里木河流域管理局水资源监控系统全部316个雷达水位计内置程序进行改造优化。改造后雷达水位计每6s钟采集一次数据并将数据进行存储，连续采集20组数据后，去掉其中4组最大值和4组最小值后，取平均值作为可用数据测量值返回给RTU，以此方式有效过滤跳变数据的出现。

2.4 接收数据判别过滤

由于雷达水位计均安装在按水工标准建设的标准断面上，除了由于上游提闸或下游落闸导致短时间的水位出现剧烈变化外，正常情况下渠道水位不会在短时间内出现大幅度变化[10]。因此，在数据接收端数据入库前，与上一条数据进行对比，若接收间隔时间小于6min，水位变幅大于30cm，则予以告警；若水位变幅大于50cm，报警的同时将该条数据舍弃，接收端发起主动召测，召测的数据对比后若处于正常范围则入库，否则停止召测并告警[11]。

2.5 加密采集频率，提高测量数据精度

在塔里木河远程监控系统的水情监测系统中，RTU设置里采样时间多为30min或60min/次，整合项目实施后统一将两个项目的RTU的采样频率改为6min/次，通过加密采集频率提高数据质量。

通过这些调整和优化并经过不同条件下的长期观测，改造后的雷达水位计测流数据跳变现象基本解决。塔里木河流域管理局信息中心对改造后的316个雷达水位计进行数据分析，每个雷达水位计采样间隔为6min/次，采样时间最早为2016年8月1日，采样时间最晚为2016年12月1日，总分析数量为5874729条，按前后两次采集的水位值差大于0.5m为跳变进行分析，316个水位计无一例发生跳变，如图5与图6所示。

由图5与图6可知，经过改造后的雷达水位计水位过程线非常平滑，基本没有水位跳变情况发生，测流数据可以正式用于塔里木河流域管理局水资源管理系统数据采集平台。

3 结语

随着科学技术的不断进步，雷达水位计因具有成本低、灵活性和可靠性高、功耗低等特点，在水情自动测报系统中应用日趋广泛。然而，如何排除日常工作中出现的故障即采集数据发生跳变问题，成为基层水管工作的一个难题。

图5 某雷达水位计2016年11月1日—2016年11月20日水位过程线

图6 局部放大图5

本文结合雷达水位计在塔里木河流域水情自动测报系统中的应用实践，针对灌区不同渠道及不同运行工况，提出通过提高雷达水位计发射功率、优化供电方式及对数据筛选计算等方式可有效降低各种干扰因素对雷达水位计观测数据的影响，保证其稳定可靠运行及采集数据的有效性。