基于视频识别的一体式水雨情遥测站的设计

刘林海，言 薇，李红石，殷德才，徐 锋

（1.浙江省水文管理中心，浙江 杭州 310009；2.杭州海康威视数字技术股份有限公司，浙江 杭州 310051）

1 问题的提出

水情、雨情信息在防洪、防涝、水利工程安全等方面具有重要意义。传统的水雨情遥测系统由水位传感器、雨量计、遥测终端、供电设备和通信设备等组成，普遍存在施工成本较高、数据类型单一、易受干扰等缺点，而且只能传输水雨情数据，不能传输现场视频图像。如果出现预警，难以确认是系统故障还是现场出现险情。

基于视频识别的水位监测技术，设计开发新一代一体式水雨情遥测站，能够获取现场的水位、雨量监测数据及视频图像。采用低功耗设计，利用太阳能供电系统和4G移动通信网络，实现在无市电、无有线网的野外环境遥测；充分考虑台风暴雨天气影响，具有良好的抵抗恶劣环境的能力。

2 系统结构

基于视频识别的一体式水雨情遥测站的结构见图1。

图1 基于视频识别的一体式水雨情遥测站结构图

采用200万像素水尺读取智能视频水位计，内置水尺读取智能算法并支持深度学习，将读取到的标准水尺图像直接转化为水位数据。标准水尺的采样尺寸为1 000 mm×80 mm，水位读数精度为1 cm，不锈钢材质，表面有乳白色油漆，标志和数字为黑色，刻度在可见光波段清晰可辨，在夜间近红外波段也具有较高的对比度，便于视频对水尺及水位线进行识别。视频水位计可接入翻斗式雨量计的开关量信号，实现雨量监测。

水位、雨量数据上传至浙江省水文通信平台，实现省市县三级共享；视频和图像则上传至浙江省水文管理中心的视频管理平台。当出现数据波动较大等异常情况时，利用视频图像分析原因并与人工观测数据进行比对。

通信采用中国移动TD-LTE制式的4G网络通信模块，下上行链路速度分别为100，30 Mbit/s，可满足视频水位计实时传输水位、雨量数据及视频图像的要求。

供电设备由太阳能电池板、锂电池、充放电控制器等组成，满足监测频率1次/h，连续监测15个阴雨天的要求。

立杆用于安装视频水位计、雨量计、4G通信设备、供电设备等。

3 视频水位计选型

基于视频识别原理的视频水位计已经逐渐成熟，通过将深度学习算法、多帧识别、曝光参数进行优化，以及摄像机硬件及光学定制等多种手段相结合，解决各种场景因素的干扰，能够满足GB/T 50138—2010《水位观测标准》[2]中自记式水位计的要求。

本设计选择海康威视视频水位计，水位监测相关参数为：测量范围0～20 m，分辨力1.0 cm，准确度±2.0 cm，测量距离5～50 m。

视频监控相关参数为：摄像机内置水尺读取算法；支持1 920×1 080，30 fps高清画面输出；具有2个图像传感器，能够实现双路视频图像融合；最低照度可达彩色0.000 2 Lux，黑白0.000 1 Lux；25倍光学变焦，能对距离50 m的水尺清晰成像；具有夜间红外补光、自动校时、水位基值设定、定时抓图与事件抓图的功能；支持SDK、ONVIF、ISAPI、GB28181接入；具有3种滤光片，可在白天、夜晚及有雾的条件下自动切换成像；满足IP67防护等级，符合GB/T 17626系列标准的相关标准要求；可接入翻斗式雨量计。

4 立杆设计

4.1 立杆杆体设计

基于视频识别的一体式水雨情遥测站中，立杆的晃动幅度会影响视频水位计对水尺和水位线的识别。浙江省纬度偏北，由于受大气环流影响，超强台风在浙江省登录次数较多，因此立杆设计要充分考虑抗风强度和晃动幅度，要求13级台风(最大风速41.4 m/s)不损坏，至少8级风（最大风速20.7 m/s）时可进行正常的水位识别。采用上细下粗的结构，最大应力处在下杆的根部[3]。一体式立杆设计见图2。

图2 立杆设计图

立杆顶部设计雨量传感器的安装平台，并利用2根U型结构的支架与立杆主体连接，视频水位计固定于U型支架。锂电池安装在立杆下半部，防盗的同时降低立杆的重心，从而提升立杆的稳定性。在立杆上端设计通风百叶板，保证高温条件下锂电池正常散热。

在ANSYS软件中建立立杆模型，立杆的安全系数设为2.0，进行风压模拟计算可得出：该立杆在工作状态能承受 41.4 m/s的风速；在20.7 m/s风速下，摄像机的晃动幅度不超过±1.5 cm，能正常识别出水尺和水位线。

4.2 电池设计

由于偏远地区存在市电供应困难问题，取用市电的施工成本较高，所以采用太阳能电池供电，能够满足使用要求。

首先基于1次/h的监测频率，计算整个系统的平均功耗。经过实际测试，在定时1 h休眠和监测的情况下，系统的平均功耗为3.8 W。按照一体式水雨情遥测站连续工作15个阴雨天并无额外电量充入的情况下，需要消耗的电量为：3.8 W×24 h×15 d÷12 V=114 AH。磷酸铁锂放电系数约为0.90，在0 ℃的极限条件下放电系数为0.72，因此实际需要的电池容量为：114 AH÷0.9÷0.72=175.9 AH。对电池容量取整数，设计定为180 AH。

锂电池相比于铅酸电池，循环寿命达千次以上，而铅酸电池平均300～500次。同等容量下，锂电池的体积和质量远远小于铅酸电池，运输安装成本大大降低。安全性方面，锂电池经过严格的安全测试，即使剧烈碰撞也不会发生爆炸。充电速度方面，若使用同等规格太阳能电板，锂电池充电速度更快。综合以上因素，最终选择锂电池进行电量供应。

4.3 太阳能电板设计

单晶硅太阳能电池板与多晶硅相比，光电转换效率高、稳定性好。单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高达到24%，这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的。此外，单晶硅太阳能电池的使用寿命也要比多晶硅太阳能电池长。通过计算浙江地区的光照强度、电流电压曲线、功率电压曲线，最终采用160 W单晶光伏电池板。

5 试验应用

5.1 试验站介绍

本次开展应用试验的站点是绍兴市柯桥区平水江水库——绍兴平原南部山区调洪、蓄洪工程中仅有的1座中型水库，总库容5 457万m3，以防洪、灌溉为主，兼有供水和发电功能。

5.2 遥测站安装

遥测站的安装要求为：能设立直立式水尺，相邻两根水尺的观测范围不小于0.20 m的重合，水尺宽度不低于0.08 m；避开漂浮物聚集区，视频水位计与水尺之间无遮挡，视频水位计到水尺水位线的距离为5～50 m；视频水位计安装时应尽量避免逆光观测；安装站址应配置有线网络或4G以上无线信号覆盖；水面不结冰。绍兴市柯桥区平水江水库遥测站的安装见图 3。

图3 基于视频识别的一体式水雨情遥测站的安装图

5.3 试验结果

5.3.1 比测资料收集

2020年8月12日在平水江水库完成遥测站的安装、水尺更换、系统调试。视频识别的水位数据通过RTU终端自动上传到浙江省水利防汛通信平台，8月23日起正式开始比测。

截至8月25日，共摘录3 d整点水位数据，与此同时采用人工观测整点水位作为真值，共收集72组数据。

5.3.2 允许误差规定

系统误差、随机不确定度、综合不确定度分别按照GB/T 50138—2010《水位观测标准》[2]附录E中E.0.6的公式进行计算。根据比测资料进行计算，得到系统误差、置信水平为95%的综合不确定度分别为-0.68，2.27 cm，分别满足GB/T 50138—2010《水位观测标准》中要求的±1，3 cm。

5.3.3 系统运行情况

截至11月21日，系统连续运行90 d，供电正常，未出现阴雨天断电的情况。系统剩余电量可在视频画面显示，方便实时查看。

测试数据稳定，未出现由于摄像机晃动导致无法识别水尺或水位线的情况。当然，测试期间未出现台风强烈影响的情况，还需要持续测试。

6 结语

与传统的水位测量方法相比，基于视频识别的一体式水雨情遥测站具有以下特点和优势：

（1）建设成本较低。安装建设方便，可免去市电、网络专线建设，同时避免传统水位测量的基础土建工作。

（2）智能化程度高。将人工智能的深度学习功能和优化算法都集成到前端视频水位计上，实现水位与图像视频的双重监测功能，为汛期采用视频查看及复核数据提供可视化帮助。

（3）精度较高。比测结果表明，人工智能水位图像识别完全满足GB/T 50138—2010《水位观测标准》的要求。

在基于视频识别的一体式水雨情遥测站安装、调试、使用过程中，为保证水位数据识别更加精准，还需注意以下几点：

（1）为保证水位测量精度，建议采用与视频水位计配套的水尺，夜间红外补光条件下也应有良好的对比度。

（2）视频水位计与水尺正面的左右夹角不超过15°，读取水尺时俯视角不超过20°，与水尺的最大距离不超过50 m。

（3）水尺的长度应保证比最高水位高20 cm以上。水尺被淹没或者露出水面尺寸小于 20 cm时，摄像机将无法读数从而出现错误数据。

（4）水尺安装应避开漂浮物易聚集的区域。