基于多傳感器的水利引水渠道動(dòng)態(tài)水位監(jiān)測(cè)預(yù)警方法

關(guān)鍵詞：多傳感器；水利；引水渠道；動(dòng)態(tài)水位；監(jiān)測(cè)預(yù)警

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2025）13-0058-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.13.011

Multi-Sensor Based Dynamic WaterLevel Monitoring and Early Warning Method for Water Diversion Channels

GONG Yonglin1LI Yunbo2 YANGGuozhu3

（1.Jiangsu Jiangbo Construction Co.，Ltd.，Nanjing 2115oo， China; 2.Jiangsu Liheng Engineering Consulting

Co.，Ltd.，Nanjing 21Oo14，China; 3.Jiangsu Agricultural Reclamation Engineering Project Construction Management Co.， Ltd.， Nanjing 210014， China）

Abstract： [Purposes] In order to timely detect and issue early warnings about abnormal water levels and ensure the safe operation of water conservancy projects，it is necessary to conduct dynamic water level monitoring and early warning for the diversion channels.Therefore，a multi-sensor based dynamic water level monitoring and early warning method for water diversion channels is proposed.[Methods]Firstly， waterlevel data is collected inreal time by multiple sensors installed at critical locationsand automatically transmited to the data center.Low power polling acquisition technology is adopted during the collection process to ensure accurate collected data and low energy consumption in acquisition. Secondly， preprocess and fuse the collected multi-sensor data to improve its accuracy and reliability.Finally，an RTS monitoring and early warning model is built to receive and analyze water level monitoring data in real time，and automatically trigger the early warning mechanism when the water level exceeds the preset threshold.[Findings] The monitoring and early warning results of this method are consistent with reality， with an early warning accuracy of over 90% . [Conclusions] The design method can accurately accom plish for the intelligent monitoring and early warning tasks for dam water levels，ensuring the optimization of monitoring effect.

Keywords： multi-sensor; water conservancy; water diversion channel; dynamic water level; monitoring and early warning

0 引言

水利引水渠道作為水資源調(diào)配和輸送的重要設(shè)施，其安全性和穩(wěn)定性對(duì)保障水資源供應(yīng)和減少自然災(zāi)害具有重要意義。然而，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，水利引水渠道受地形、氣候、水文等多種因素的影響，水位變化往往難以預(yù)測(cè)和控制。一旦水位出現(xiàn)異常，就有可能引發(fā)渠道決堤、洪澇災(zāi)害等嚴(yán)重后果，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成威脅。一般情況下，通過(guò)對(duì)引水渠道動(dòng)態(tài)水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警來(lái)提高水利設(shè)施的運(yùn)行效率，保障水資源的安全利用。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)水位異常波動(dòng)情況，并進(jìn)行處理，避免因水位過(guò)高或過(guò)低而引發(fā)安全事故。

魏翔等1利用圖像處理技術(shù)提取水面線，即長(zhǎng)江水位的邊界線，從而獲取水位信息。根據(jù)提取的水位信息，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行水位變化分析。長(zhǎng)江水域的水位監(jiān)測(cè)可能受水面波浪的影響，導(dǎo)致水位邊界線的提取不準(zhǔn)確，從而影響水位監(jiān)測(cè)的精度。鐘春霞通過(guò)在基坑周邊設(shè)置水位觀測(cè)井，利用水位計(jì)等設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地下水位的變化。但是，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中的變形趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，在一些偏遠(yuǎn)或復(fù)雜環(huán)境中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)難度較大。因此，為了能取得更好的應(yīng)用效果，本研究提出水利引水渠道動(dòng)態(tài)水位監(jiān)測(cè)預(yù)警方法，運(yùn)用多傳感器并結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行試驗(yàn)與分析。

1動(dòng)態(tài)水位監(jiān)測(cè)預(yù)警

1.1基于多傳感器的水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集

為了準(zhǔn)確掌握水庫(kù)水位的變化情況，定期采集水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)安裝在關(guān)鍵位置的多個(gè)水位傳感器實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)，并自動(dòng)傳輸至數(shù)據(jù)中心進(jìn)行存儲(chǔ)和分析[3]。為了滿足現(xiàn)場(chǎng)需求，采用低功耗輪詢采集。在輪詢采集時(shí)，主控節(jié)點(diǎn)發(fā)送采集命令后等待一段時(shí)間，然后切換至采集信道接收數(shù)據(jù)。其公式見(jiàn)式（1）。

T=T_d+10T_c

式中： T_d 為時(shí)延； T_c 為間隔時(shí)長(zhǎng)。從節(jié)點(diǎn)在接收到命令后喚醒，采集數(shù)據(jù)存入內(nèi)存，等待一段時(shí)間后切換至采集信道上報(bào)數(shù)據(jù)。通過(guò)調(diào)整 T_c ，可以避免信號(hào)碰撞。在完成調(diào)試后，若一段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有接收數(shù)據(jù)，從節(jié)點(diǎn)開(kāi)始會(huì)自動(dòng)進(jìn)入低功耗待機(jī)狀態(tài)，減少不必要的能耗，以確保穩(wěn)定性。本研究通過(guò)采集水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為后續(xù)研究提供數(shù)據(jù)支撐。

1.2水位數(shù)據(jù)融合處理

為確保水位監(jiān)測(cè)過(guò)程中的監(jiān)測(cè)精度，需要對(duì)這些多傳感器初始采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理4。采用濾波算法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，以提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。卡爾曼濾波算法是基于線性系統(tǒng)的遞推估計(jì)算法，其利用動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型和噪聲模型，逐步估算出系統(tǒng)的真實(shí)狀態(tài)，并能最小化噪聲和不確定性對(duì)系統(tǒng)的影響。濾波處理過(guò)程見(jiàn)式（2）。

x（k）=x（k）_i-1+H[x（k）_i-x（k）_i-1]

式中： H 為信息映射矩陣； 為傳感器采集數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)平行濾波處理后，運(yùn)用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)識(shí)別數(shù)據(jù)中的冗余信息，獲取數(shù)據(jù)分布趨勢(shì)[5]。處理過(guò)程如下：首先，進(jìn)行特征提取，即從傳感器輸出數(shù)據(jù)中提煉關(guān)鍵信息形成特征矢量，這些矢量能概括數(shù)據(jù)的主要屬性；其次，對(duì)特征矢量實(shí)施模式識(shí)別，通過(guò)對(duì)比分析，明確各傳感器數(shù)據(jù)如何描述同一目標(biāo)；再次，將這些描述按目標(biāo)整合，確保信息的一致性；最后，采用融合算法綜合所有傳感器的數(shù)據(jù)，依據(jù)各自的特性和權(quán)重，通過(guò)精密計(jì)算，得出關(guān)于目標(biāo)的一致、準(zhǔn)確且可靠的解釋與描述，為決策提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

根據(jù)監(jiān)測(cè)環(huán)境需求，通過(guò)多傳感器融合技術(shù)得到的輸出結(jié)果見(jiàn)式（3）。

式中： x_i 為傳感器的權(quán)重值，反映了該傳感器在數(shù)據(jù)融合過(guò)程中的重要性； χ_t 為傳感器的采集時(shí)間。在實(shí)際應(yīng)用中，權(quán)重值 w_i 可以根據(jù)傳感器的布設(shè)位置等因素進(jìn)行確定。通過(guò)多傳感器數(shù)據(jù)融合，可以得到更加準(zhǔn)確的水位數(shù)據(jù)。按照上述過(guò)程，可以完成水位數(shù)據(jù)的融合處理操作，為接下來(lái)的水位監(jiān)測(cè)與預(yù)警提供數(shù)據(jù)支持。

1.3水位監(jiān)測(cè)與預(yù)警

在完成水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集與融合后，構(gòu)建RTS監(jiān)測(cè)預(yù)警模型。在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，根據(jù)引水渠道水位變化，明確監(jiān)控區(qū)域，設(shè)置多目標(biāo)的管控點(diǎn)。通過(guò)計(jì)算監(jiān)測(cè)傳感器所測(cè)得數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)預(yù)警閥值之間的距離，可獲得水位的監(jiān)測(cè)預(yù)警誤差值，以更準(zhǔn)確地把握水位的變化趨勢(shì)。其公式見(jiàn)式（4）。

U=M-R

式中： M 為實(shí)際監(jiān)測(cè)值； R 為預(yù)警值。為了全面評(píng)估渠道的安全狀況，利用等效電磁法計(jì)算渠道的綜合應(yīng)力 B ，見(jiàn)式（5）。

式中： L 為應(yīng)力與距離關(guān)系的函數(shù)。通過(guò)上述運(yùn)算可以構(gòu)建RTS監(jiān)測(cè)預(yù)警模型，以實(shí)時(shí)接收并分析水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和準(zhǔn)確地反映引水渠道的水位變化及渠道的安全狀況。當(dāng)水位超過(guò)預(yù)設(shè)閾值時(shí)，將自動(dòng)觸發(fā)預(yù)警機(jī)制。為了精確顯示水位的監(jiān)測(cè)結(jié)果，在監(jiān)測(cè)預(yù)警模型中設(shè)計(jì)了一個(gè)水位實(shí)時(shí)顯示程序，讀取并分析串行緩沖中的數(shù)據(jù)，通過(guò)解析這些字符，可以得到實(shí)時(shí)的水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。根據(jù)不同水位管控點(diǎn)的位置，將其標(biāo)記為 （_x，y） ，則水位監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)式（6）。

式中： （x₀，y₀） 為原點(diǎn)坐標(biāo)位置。將水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，并與警戒水位 S_k 進(jìn)行比較。當(dāng)水位超過(guò)警戒水位 （Sgt;S_k） 時(shí)，會(huì)立即發(fā)出警告；如果水位未超過(guò)警戒水位 （Sk） 時(shí)，則能獲取當(dāng)前沿岸的水位曲線。通過(guò)上述步驟，可實(shí)現(xiàn)對(duì)水利引水渠道動(dòng)態(tài)水位的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，并及時(shí)預(yù)警可能發(fā)生的安全隱患，從而確保工程的安全運(yùn)行。

綜上所述，應(yīng)用本研究提出的方法，能顯著提升監(jiān)測(cè)的精確度與預(yù)警的時(shí)效性。首先，通過(guò)集成多種類型的水位傳感器，并在關(guān)鍵位置進(jìn)行部署，結(jié)合低功耗輪詢采集技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水位變化的全面、連續(xù)且精準(zhǔn)捕捉。其次，引入濾波算法和多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和融合，消除數(shù)據(jù)中的噪聲和冗余，顯著提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了RTS監(jiān)測(cè)預(yù)警模型，該模型能實(shí)時(shí)接收并分析水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確反映引水渠道的水位變化和安全狀況，當(dāng)水位超過(guò)預(yù)設(shè)閾值時(shí)，會(huì)自動(dòng)觸發(fā)預(yù)警機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)安全隱患的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和智能預(yù)警。

2 試驗(yàn)測(cè)試與分析

2.1 研究區(qū)概況

某地區(qū)水利引水渠道所在地區(qū)地形復(fù)雜多變，且分布眾多溪流，這些河流在雨季時(shí)水流湍急，對(duì)下游地區(qū)的水文條件和生態(tài)環(huán)境影響較大。同時(shí)，劃定監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)锳～E，在區(qū)域C中存在水位超出現(xiàn)象。

2.2搭建試驗(yàn)環(huán)境

本研究為模擬真實(shí)水位變化，通過(guò)多次加水并重新收集水位值，重復(fù)此操作，以模擬多種水位變化場(chǎng)景。連續(xù)3d監(jiān)測(cè)水位變化，從而驗(yàn)證本研究提出的監(jiān)測(cè)預(yù)警方法的有效性。在測(cè)試過(guò)程中搭建試驗(yàn)所用的環(huán)境，具體見(jiàn)表1。

表1試驗(yàn)軟硬件環(huán)境

在模擬實(shí)際環(huán)境條件時(shí)，選用適當(dāng)水深的開(kāi)孔船，通過(guò)注人適量水來(lái)模擬邊水位，設(shè)定起始點(diǎn)并標(biāo)記，以確保測(cè)試起點(diǎn)具有代表性。在測(cè)試設(shè)備方面，采用微型孔隙超聲水位傳感器（型號(hào)為T(mén)ER-SD012），其完全滿足性能測(cè)量需求。采用WE測(cè)試儀采集數(shù)據(jù)，采樣頻率為1.8，其支持USB接口，可控制1500個(gè)測(cè)試點(diǎn)，具備強(qiáng)大的抗干擾能力。通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量水位，并利用串口將數(shù)據(jù)傳輸至主機(jī)，最終在顯示屏實(shí)時(shí)展示水位變化。

2.3 結(jié)果與分析

基于MATLAB開(kāi)發(fā)的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模擬水位變化，通過(guò)可視化的操作界面，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示功能。其能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)不同測(cè)點(diǎn)的水位動(dòng)態(tài)變化，并自動(dòng)觸發(fā)預(yù)警機(jī)制。在監(jiān)測(cè)預(yù)警場(chǎng)景中，不同區(qū)域測(cè)點(diǎn)的預(yù)警結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，在監(jiān)測(cè)區(qū)域A～E中，將測(cè)定水位與預(yù)警水位進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在監(jiān)測(cè)區(qū)域C的測(cè)定水位為 25cm ，超出了預(yù)警水位 5cm 。該監(jiān)測(cè)預(yù)警結(jié)果與實(shí)際一致，說(shuō)明運(yùn)用本研究設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)預(yù)警方法能精準(zhǔn)完成堤壩水位的智能監(jiān)測(cè)與預(yù)警任務(wù)，能有效應(yīng)對(duì)各種異常情況，提升了預(yù)警的及時(shí)性。

圖1監(jiān)測(cè)預(yù)警結(jié)果

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該方法的實(shí)際應(yīng)用效果，對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域A～E的2個(gè)月內(nèi)所有水位預(yù)警的總次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2監(jiān)測(cè)區(qū)域A-E的2個(gè)月內(nèi)水位預(yù)警精度

由表2可知，采用該方法可以對(duì)水位進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)警，預(yù)警準(zhǔn)確率在 90% 以上，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

3結(jié)語(yǔ)

本研究基于多傳感器的水利引水渠道動(dòng)態(tài)水位監(jiān)測(cè)預(yù)警方法，通過(guò)整合多種高精度傳感器技術(shù)與先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)引水渠道水位變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與精準(zhǔn)預(yù)警。該方法不僅提高了水位監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性，還能有效降低因水位異常波動(dòng)而引發(fā)的安全隱患與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。但該方法還存在一些不足，今后可將水位監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析、預(yù)警發(fā)布、應(yīng)急指揮等功能集成到一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)信息的共享和協(xié)同工作，提高監(jiān)測(cè)預(yù)警的效率和決策的科學(xué)性。

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