水位观测仪探析与改进

丁妙增 陈爱莲

(浙江省大气探测技术保障中心,浙江 杭州 310000)

0 引 言

随着我国经济社会的快速发展,城市圈不断扩大,城市建设也在高速发展,城市交通立体化发展,形成不少立交桥下层、下穿隧道、涵洞等地势低洼地,极易引起暴雨积涝；而城市化又产生大面积不透水地面,对城市内涝的发生和致灾强度起到了促进作用[1]。此外，由于气候变暖、城市热岛效应、台风等影响,使得暴雨增多。因此,近年来,暴雨引起的城市内涝时有发生,影响了人们的生活和出行,甚至导致财产损失、人员伤亡。

城市内涝气象预警,可以有效疏导和减少城市内涝灾害损失。城市水位观测资料是气象预警服务的基础。近年来，浙江省气象部门已着手采购和布设城市内涝水位观测仪,逐步完善观测网。在进行设备选型和技术保障过程中,笔者发现市场上的水位观测设备尽管种类繁多,但真正适合气象预警服务的设备较少。

本文的研究结合城市内涝水位观测特点,试图通过比较分析常规水位观测仪,发现存在的问题,提出适应气象预警服务需求的水位设备改进方案,提供应用实例,供生产企业和用户参考。

1 水位观测仪的需求与不足

城市内涝基本发生在城市地势低洼处,而原有的水位观测点一般分布在江河湖泊水库等较大型水体处,没有覆盖到城市内涝易发地。因此,很有必要在内涝易发地增加水位观测,组建以重点河道及城市地势低洼地为主要测点的内涝水位监测网,浙江省部分市(县、区)已开始部署。

经过考察,国内外现有的水位观测设备尚不能完全满足气象预警服务要求,主要存在以下几个方面的问题:一是观测要素比较单一,一般只观测水位和雨量,无其他气象要素；二是可扩展性较弱,不能根据用户需求灵活添加观测要素；三是现场视频观测没有得到重视,极少带有视频探头,不能直观地看到即时水位状态。针对存在的以上问题,可以通过改进现有水位观测设备,预留接口,增加观测要素等方式予以解决。

2 水位观测仪的改进方案

2.1 改进原则

标准化。实现网络系统上的图像、水位、气象要素等数据的传输、共享,选用的产品必须遵循网络协议，满足传输标准的要求。

可扩展性。为适应多样化需求,设备须具有可扩展性,只要增加前端采集传感器,不用添加其他附加设备,便可实现增加观测要素的目的。

可用性、可靠性和稳定性。简化系统,减少故障发生率。系统主板内嵌看门狗,降低死机概率,能来电自启动,确保系统永远在线,基本实现系统的免维护。

可视化。实景观测升级为标配,实现水位观测可视化。

2.2 改进方案

以《水位观测标准GBJ 138-90》和《新型自动气象(气候)站功能需求书(修订版)》为参考,引进先进技术与消化吸收创新相结合,水位观测系统设计为前端采集系统和中心主站两个组成部分。前端采集系统配置水位、雨量和实景图像监测传感器,并可根据需要添加其他气象观测要素。中心主站软件系统由数据接收模块、分析处理模块和显示模块组成,负责水位、气象观测数据和实景监测图片资料的接收、存储和处理,用户采用B/S(Web浏览)方式,按分配的权限随时查询使用水位、气象观测数据和现场图片资料。

主要创新点:增加了实景监测,提高了设备的可扩展性,前端采集系统采用ARM处理器架构,整机结构紧凑、功能升级。

2.3 水位传感器的比较和选择

水位观测仪通过水位传感器感应水位变化。水位传感器是核心部件,采用哪种水位传感器,关系到水位观测数据的可靠与否。目前,水位传感器技术比较成熟,浮子式、压力式、超声波、雷达式和激光式等水位传感器均已被广泛使用。此外,电子水尺、地埋式监测等设备也开始进入视野,但不同的水位传感器,其工作原理、适用条件不尽相同[2]。

浮子式水位传感器使用最广泛,通过浮子在垂直方向上随水位变化来测量水位。结构简单,造价低廉,但对使用的基础条件要求较高,易发生机械故障,且数字化程度不高[2]。

超声波水位传感器是利用超声波(机械波)测距原理测量水位,价格低,使用方便,但测量精度和可靠性较差,易受温度、湿度、泥沙含量等影响[2]。

激光水位传感器采用激光测距原理测量水位,具有测量量程大、周期短、精度高、无发散角、体积小等优点,但激光穿透性强,使用时水面需要安装反射板,增加了施工难度和经费[2-4]。

雷达水位传感器采用电磁波测量水位,具有抗干扰能力强、测量精度高、可靠性好、安装简单方便等特点[2-6]。与同是非接触式测量的超声波和激光水位传感器相比,不存在激光式易穿透水面、超声波式温漂大等问题。

电子水尺利用水的微弱导电性原理,测量电极的水位获取数据。电子水尺具有误差小、安装方便、稳定性好等优点。一般用于工程和市政积水情况监测[2,4,7]。可依附墙体安装,与城市环境能较好地融合。

此外,新推出的地埋式内涝积水监测仪,具有体积小巧、简单打孔即可安装、无线数据传输、内置锂电池超长待机等优势,逐渐进入城市内涝监测领域。

根据以上分析,推荐使用雷达水位传感器和电子水尺。雷达水位传感器比较适用于空间通透的城市周边及市内河道的水位观测。电子水尺,适用于立交桥下、涵洞、下穿隧道等地势低洼地的水位监测。地埋式积水监测仪,也可纳入考虑,用于不适用电子水尺、安装条件更为苛刻的场所。

3 水位观测仪的改进与应用

3.1 工程化解决方案

3.1.1 硬件设计方面

硬件主要由3部分组成:传感器、数据采集传输系统和中心站服务器。通过传感器感知气象、水位及现场情况,经采集控制系统加工、压缩后发送至中心站。

所有硬件功能单元模块化设计。电路设计采取多种抗干扰技术,对相关数据通信端口、电源端口进行EMC防护处理,关键电缆采用双层屏蔽,同时加入硬件断电自复位电路,提高设备的可靠性。电源为具有防雷功能的独立模块,外设电源具备电源开关功能。服务器架构采用冗余技术、双备份技术,提高数据采集的可靠性。

立杆采用耐腐蚀不锈钢材质,并加粗加强,避免由于立杆抖动引起的数据测量偏差。

3.1.2 软件设计方面

软件结构模块化,相互间独立性强、耦合度低、可移植性强,应用层和硬件驱动层完全分离,方便后期维护升级。

设备内部嵌入式软件具备远程在线升级、硬件驱动自动识别等功能,提高整个软件的兼容性。

中心站软件采用B/S结构,后台管理与前台展示均具有操作简便、逻辑合理等特点。

3.2 设备配置

3.2.1 硬件配置

前端采集单元:负责采集、处理、存储观测数据,控制通信模块的工作状态。主控制器MCU采用基于ARM Cortex-M3的STM32系列,该技术方案在测试和实例应用中表现出较高的性能。

GPRS/CMDA/3G/4G无线网络传输模块及100M网络接口:主要用于数据网络传输。

调试接口:工程人员用有线或无线调试工具可以对各个监测模块装置的各项采集与控制功能进行测试、参数配置、故障分析等。

关键传感器:

(1)雷达式水位计。VEGAPULS雷达式水位计是德国VEGA公司生产的一款高精度液位测量传感器。一体化设计,无可动部件,不存在机械磨损,使用寿命长；具有不受温度、湿度和风等环境影响的特点。最大量程为0～35 m。雷达水位传感器如图1。

图1 雷达水位传感器

(2)电子水尺。针对地势低洼地,采用TC401感应式电子水尺(图2)。TC401由感应式数字水位传感器、信号转换输出变送器两部分组成,利用机械方法定位,感应装置感应水位变化,经数字编码处理,实现数字化分度、数字化采样、数字化传输,是新型的全数字化电子水尺。有6种不同长度规格可选。

图2 TC401感应式电子水尺

(3)图像采集传感器。采用海康威视DS-2CD高清枪机(图3),通过后台指令调整高清枪机的拍照时间间隔、图片分辨率,以便判断现场情况。

图3 海康威视DS-2CD高清枪机

(4)雨量及其他气象要素传感器。可以根据实际需要灵活添加删减。

3.2.2 软件系统

按模块化的方式进行设计,并且系统在结构上支持IOC方式,以方便支持系统的扩展,后台主站系统的软件结构如图4。

图4 主站系统软件结构

水位观测仪通过内置的GPRS模块将水位、雨量、视频图片等发送到主站。后台主站系统将来自水位观测仪的数据进行规约解析,然后根据不同的要素入库,按照预先设置的各种算法和阈值，产生报警判断和故障提醒。入库的要素可以查询、显示和下载。

3.3 应 用

3.3.1 安装实景

电子水尺型水位观测设备,适合安装在市区容易形成暴雨积涝的地势低洼地(图5)。雷达型水位观测设备,适合安装在市内河道沿岸(图6和图7)。水位和图像观测数据通过4G信号传输到后台。后台数据部署到云后台或内部服务器上。

图5 电子水尺站安装实景

图6 雷达水尺站安装实景1

图7 雷达水尺站安装实景2

以上设备已陆续在瑞安、嵊州、椒江、临海、舟山普陀等地被采用。其中，普陀根据历史上台风影响及暴雨过程产生的积涝情况,选择在4个铁路涵洞、8个城区主干道和14个老旧小区等26个易涝点布设电子水尺型水位站,初步实现了全区城市洪涝易灾区全覆盖。目前设备性能稳定,运行良好,正在为气象预警服务提供数据支持。

3.3.2 应用软件

中心站软件是实现水位、气象监测采集系统自动组网和监控管理的应用程序,在气象局现有的监测、监控系统基础上进行功能开发。安装在各站点的水位设备均可通过GPRS/3G/4G无线通信方式与中心站建立双向联系,实现水位观测设备的组网和监控管理。中心站软件的主要功能如下。

(1)基于GIS地理信息系统。

(2)对气象水位数据库中的数据可进行有效管理、查询、显示、图表处理、越界报警等。

(3)设置或查询各个监测点的站名、区站号、经纬度、海拔高度、DTU等通信号码、在线登录状态、数据传输状态、当前或历史资料等。

(4)设置数据上传时间间隔:可向一个或多个监测站下达指令,将其设置成按照特定时间间隔(1～60 min可调),自动上传最新的监测数据。

(5)遗漏资料补传:遇通信信号中断时,在恢复后可补传设备上存储的历史监测数据。

(6)日期和时钟校准:所有设备支持网络时钟同步协议,可由中心站下达指令,校对观测设备的日期和时间。

(7)报警功能:对接收到的异常数据提供报警功能,例如:缺测、数据异常等。

(8)多种监控界面功能:提供多种类型的监控界面,以不同的界面形式反映监测点网的运行情况。

(9)具有生成存储数据文件、上传数据文件的功能。

4 结 语

现有水位观测网络存在盲点,水位观测要素比较单一,不能完全满足城市内涝气象预警服务的需要。通过对水位观测设备的改进和应用,对气象部门如何选择和使用水位设备提出几点建议如下。

(1)应根据城市内涝气象预警服务的实际需要,制定和优化水位观测布点方案。

(2)为便于使用和维护,所选传感器的种类不宜过多。经过综合分析比较,建议优先考虑雷达式和电子水尺这两类水位传感器；雷达水位传感器适合用于重点河道监测,电子水尺适合用于城市地势低洼地的水位监测；地埋式积水监测设备,作为电子水尺的备选。

(3)应标配实景监测摄像头,以便提供即时水位状态,提高水位观测的直观性。

(4)加固安装立柱,减少因立柱晃动对雨量及其他气象要素的影响。