调水工程智能水位计创新应用

李 琨，张泽玉，韩 鹏

（山东省调水工程运行维护中心，山东 济南 250100）

0 引言

随着云计算、物联网、大数据、移动互联网、人工智能、数字孪生等新一代信息技术与调水工程不断深度融合、迭代积累，逐步实现实用性突破，带来了水利管理又一次质的飞跃。

水利泛感知网是构建智慧水利数据底座的基本要素，负责获取涉水对象及其环境数据。水利泛感知网利用各种感知仪器仪表、设备装置、技术措施和方案方法，实时采集并动态监视水利水域、设施和业务行为三大类感知对象的特征数据和事件信息。这些数据和信息经过逐层加工处理后，再分级分类通过通信传输网络汇集转出进入智慧水利业务应用平台，为水利业务提供内容全面、准确可靠的感知大数据[1，2]。

水位信息作为水利泛感知的关键采集信息，是水利工程管理最关注的水对象动态数据，实现水位采集的低成本精准采集对于水利数字孪生和智能化建设至关重要。

1 胶东调水工程及其信息化建设

胶东调水工程由引黄济青工程和胶东调水工程两部分组成，引黄济青工程主要为解决青岛市及工程沿线城市用水并兼顾农业用水、生态补水而投资兴建的山东省大型跨流域、远距离调水工程，全长290 km。2003年山东省开辟向胶东地区引黄调水工程，新辟输水线路310 km，与引黄济青工程联通，输水线总长600 km，形成了引黄、引江与调引当地水的联合调配工程体系。山东省调水工程运行维护中心做为胶东调水工程的业务管理单位，2019年由原山东省胶东调水局更名成立。

2018年5月，胶东调水工程启动自动化调度系统建设，通过项目建设，实现了胶东调水工程调水输水过程自动化和运行管理信息化。系统上线运行至今，各系统功能以及系统间跨系统运行情况稳定，满足了工程的正常运行要求，提高了工作效率和管理水平，节约了运行管理的人力成本。

胶东调水工程在完成自动化调度系统建设和高效运维以后，正式进入数字孪生调水工程建设阶段。数字孪生胶东调水先行先试项目已列入水利部数字孪生先行先试试点，2023年4月完成招投标进入建设阶段，该项目基于胶东调水工程沿线长、设施种类多等工程特点，以及工程自动化程度高、业务体系完善等优势，以运用数字孪生手段持续提升工程全业务管理能效为总目标，搭建可兼容、可成长的技术架构，推动胶东调水工程向智能化方向发展。

胶东调水工程数字孪生建设的核心目标是实现工程调度运行模式的智能化变革，而实现调度运行智能化的关键技术包括：便捷精准的水位测量、泵闸阀站远程控制调节和全线一体的科学调度决策。因此研究调水工程渠道、水池和水库等的水位检测滤波、精准测量和远程校核边沿计算技术的低成本易维护简化部署的水位监测应用，对胶东调水工程数字孪生和智能化建设具有非常现实的意义。

2 常见水位测量及采集方式

2.1 水位测量方式

常用的水位测量方式有水尺和水位计，水尺、水位计一般需要设置在河道渠道顺直、断面比较规则、水流稳定、无分流斜流和无乱石阻碍的地点，水尺用于人工观测，水位计用于自动观测。水尺是传统有效的直接观测设备。实测时，水尺上的读数加水尺零点高程即得水位。水位计是利用浮子、压力和声波等能提供水面涨落变化信息的原理制成的仪器。水位计能直接绘出水位变化过程线，水位计记录的水位过程线要利用同时观测的其他项目的记录加以检核。

2.2 水位采集方式

调水工程常见的水位采集方式有：基于图像识别的水位采集、浮子式水位计、电容式水位计、压力式水位计、超声波水位计和雷达水位计。

2.2.1 基于图像识别的水位采集

基于图像识别的水位采集一般需由水尺和水尺摄像机搭配进行测量，在服务器端通过一系列图像识别算法，对从视频流中截取的水尺图像进行处理，经过灰度化、中值滤波、边缘检测、二值化、形态学处理以及图像细化，最终由算法计算出水位数据。

基于图像识别的水位采集方式具有精度高，应用场景搭配灵活等优点，但也存在系统复杂、成本较高、受气候环境因素影响大等不足。

2.2.2 浮子式水位计

浮子式水位计的原理是当水位上升时，浮子也会随之上升，浮子杆会带动传感器位移，传感器会将位移转化为电信号，通过指示器显示出水位高度。浮子式水位计由浮子、浮子杆（线）、传感器、指示器等组成，因为浮子在液体中受到的浮力与其重力相等，从而实现了浮力平衡。

浮子式水位计具有结构简单、测量比较可靠等优点，但也存在测量精度不够、维护工作量大以及需要配套水位井等不足。

2.2.3 电容式水位计

电容式水位计的原理是当水位上升时，电容传感器的电容值也会随之变化，电路板会将电容值转化为电信号，通过指示器显示出水位高度。电容式水位计由电容传感器、电路板、指示器等组成，因为电容值与电容板之间的距离成反比，从而实现了电容变化。

电容式水位计具有结构简单、成本低和易维护等优点，但也存在容易受干扰和测量精度不够高等不足。

2.2.4 压力式水位计

压力式水位计的原理是当水位上升时，水压力也会随之增大，压力传感器会将水压力转化为电信号，通过水位计算器计算出水位高度。压力式水位计由压力传感器、导管、水位计算器等组成，因为液体的压力与液体的深度成正比，从而实现了压力传感。

压力式水位计具有结构简单、安装便捷和成本较低等优点，但也存在测量精度受水成分影响、易堵塞、因水流冲击和波动造成测量误差等不足。

2.2.5 超声波水位计

超声波水位计的原理是当超声波传感器发出超声波时，超声波会从水面上反射回来，传感器会将反射回来的超声波转化为电信号，通过电路板计算出水位高度，再通过指示器显示出来。超声波水位计由超声波传感器、电路板、指示器等组成，因为超声波在不同介质中的传播速度不同，从而实现了超声波反射。

超声波水位计具有非接触测量和可不用配套水位井等优点，但也存在声波在空气中的传播速度受温度、湿度和气压等因素的影响造成测量偏差，以及功耗高，传感器价格相对较高等不足。

2.2.6 雷达水位计

雷达水位计的原理是以时域反射原理为基础，电磁脉冲以光速沿钢缆或探棒传播，当遇到被测介质表面时，雷达液位计的部分脉冲被反射形成回波并沿相同路径返回到脉冲发射装置，发射装置与被测介质表面的距离同脉冲在其间的传播时间成正比，经计算得出液位高度。

雷达水位计具有非接触测量、测量精准度高和可不用配套水位井等优点，但也存在功耗高和价格高等不足。

3 胶东调水工程水位应用现状

胶东调水工程全线安装了数十个水尺和一百多个水位计，水尺做为就近水位计的校核，采取的采集方式包括基于图像识别的水位采集、浮子式水位计和压力式水位计。经过多年的应用维护经验，存在的问题和不足主要有：

（1）水位测点部署不灵活

水位自动量测除了需要满足水位测量设备的安装部署条件外，还需要具备供电和采集传输链路，胶东调水工程现安装的水尺和水位计，因受限于供电和通信链路约束，大部分都安装部署在泵闸阀站附近位置。已建的水尺和水位计基本能够满足自动化调度系统应用所需，但对于数字孪生和智能化调水来说，现有的水位自动量测点部署的数量和位置都远远不足以满足需要。

（2）水位自动量测建设成本偏高

基于图像识别的水尺水位采集除了安装水尺外，还需要在对面安装水尺相机，以及解决水尺相机的供电和引入光纤传输链路。大部分浮子式水位计和压力式水位计为了解决水流冲击和水面波动，都配套了水位井。以上水位自动量测方式建设成本都偏高，调水工程数字孪生和智能化建设需要增加大量的水位自动量测点，迫切需要一种低成本易维护简化部署的水位量测应用方案。

（3）水位计容易失真失准

胶东调水工程现安装的浮子式水位计和压力式水位计因为各类杂物漂流物缠绕堵塞、水中所含泥沙沉积和地面沉降等原因，造成每过一段时间，水位计的测量误差就失真失准影响正常使用，需要运维人员进行清理维护等，而清理维护后水位计的安装复原难以保证，造成水位计的测量基点偏移。

水尺因为地面沉降、堤坡变形、外力挤压等原因，也会造成测量基点高程变化和测量精度失准。

（4）维护工作量大

根据胶东调水工程自动化调度系统近两年的运维工作统计数据，在输水运行期，对水尺和水位计的故障处理工时量统计仅排在摄像机故障维修维护之后，属于维护维修频次最高的设备。

（5）冰冻季运行功能失效

胶东调水工程沿线大部分地处胶东半岛，冬季大约有一个月左右的冰冻季，冰冻季几乎所有的水尺和水位计都功能失效。

4 智能水位计创新应用实践

根据胶东调水工程水位自动量测存在的不足，试点应用了两套创新智能水位计，一套压力式智能水位计和一套电容式电子水尺。压力式智能水位计主要试点高流速高流量及水面波动的情况下水位的准确测量，通过算法实现双静压传感器测量下具有检测滤波、精准测量和远程校核边沿计算的水位测量方式。电子水尺主要试点采用电容刻度传感器准确测量水位的技术，实现水尺的自动读数，替代目前的基于图像识别的水尺水位采集方式。智能水位计创新应用设计方案如图1所示。

智能水位计和电子水尺采用太阳能供电方式，主要由太阳能供电系统、水位采集装置、水尺和集成Lora无线自组网通信功能的测控终端组成。智能水位计创新应用实施效果图如图2所示。

智能水位计和电子水尺实现的创新和功能改进主要包括：

（1）安装在固定高程差的双传感器互校核消除任一传感器故障、缠绕堵塞、零点漂移和水密度计算偏差等影响，实现精准测量和自动校核功能；

（2）双传感器实现抗干扰滤波互修正，使水面波动对水位测量影响的滤波效果更好；

（3）优化结构设计，组合套护管替代水位井，运用效果更佳，同时大幅降低建设投资；

（4）智能水位计和电子水尺套护管偏底下部开窗，解决绝大部分水流波动对传感器测量精准度的影响；

（5）智能水位计双套护管设计，消除绝大部分水流冲击压力造成的传感器测量误差；

（6）套管底口，用细铁丝网兜口，既避免了杂物及水草进入造成堵塞，又避免了泥沙淤积；

（7）传感器可轻易抽出，又能确保原样装回，方便维护；

（8）智能水位计和电子水尺装置多点固定安装，牢固强度足够，实现防冰盖冲击设计效果；

（9）在内层较小的空间，用电加热带对传感器进行温控加热，实现冰冻季正常的水位测量；

（10）智能水位计和电子水尺采取自供能和无线自组网通信，安装部署选点不再受限于供电和传输链路，实现灵活便捷部署。

5 结语

胶东调水工程通过自动化调度系统建设和高效运维已实现调水输水过程自动化和运行管理信息化，正进入数字孪生建设阶段。根据胶东调水工程已建水位自动量测设备使用过程中存在的不足，试点应用创新的压力式智能水位计和电子水尺，实现具备水位检测滤波、精准测量和远程校核边沿计算技术的低成本易维护简化部署的水位量测改进。