高寒地区库区实时水位监测技术改进

［摘 要］实时水位监测在防洪抗涝、水资源管理中发挥着重要的作用，也是水库安全管理的关键环节，但在高寒地区，传统的监测技术常因环境恶劣而难以发挥效能。文章针对这一问题，提出了一系列技术改进方案，旨在提高高寒地区库区的实时水位监测能力。

［关键词］高寒地区；库区；实时水位；监测技术；改进方案

［中图分类号］TP271 ［文献标志码］A ［文章编号］2095–6487（2024）04–0132–03

1 实时水位监测技术的现状与存在的问题

1.1 实时水位监测技术介绍及现有技术存在的问题

自动水位计、雷达水位计、超声波水位计等设备广泛应用于水文监测领域。这些设备通过精确测量水位，结合地理信息系统（GIS），能够实时反馈水位的动态变化，为防洪决策提供宝贵的数据支持。这些设备的工作原理各有不同，但都致力于提供精确的水位数据。自动水位计通常通过浮子或压力传感器来测量水位；雷达水位计则是利用雷达波进行非接触式测量；而超声波水位计则是通过超声波在介质中的传播时间来计算水位。这些设备在实际应用中，常面临着以下问题。

（1）当前的水位监测系统主要依赖于传统的传感器技术，这些传感器易受环境影响，导致数据精度下降。此外，由于传感器的物理性质，其寿命有限，需要定期更换，增加了维护成本。

（2）现有的水位监测系统智能化处理能力不足，对于大量的实时数据，无法进行有效的自动分析，这限制了数据的实际应用价值。同时，由于数据分析的滞后性，通常无法及时反馈异常情况，影响应急响应。

（3）数据的共享和整合问题。不同的监测系统之间及监测系统与决策支持系统之间，存在数据交互的壁垒，导致信息孤岛现象严重。这不仅降低了数据的利用率，也影响了决策的准确性和及时性。

（4）地域性限制问题。部分地区由于地理环境和气候环境复杂、基础设施落后，难以实施有效的实时水位监测。受环境气候因素影响，还会使设备出现故障或测量误差，影响数据的可靠性[1]。

1.2 高寒地区特殊环境对技术的要求与挑战

（1）低温环境下的稳定运行。高寒地区的环境温度远低于常规工作范围，这对监测设备的耐寒能力提出了严峻的挑战。设备在低温环境下可能无法正常启动，甚至出现故障。因此，设备制造商需特别关注其耐寒设计，选择能在低温和正常温度下均可稳定运行的元器件，如特殊的传感器和微处理器。此外，设备的热管理也是关键，通过有效的热设计，可以确保设备在低温环境下仍能持续、稳定的运行。

（2）防冻设计与维护。在高寒地区由于气温低，水体极易结冰。冰层的形成会对水位的监测产生干扰，甚至对设备造成损坏，因此，要注重设备的防冻设计。这包括对设备的密封性设计、排水功能及抗冰负载能力进行优化。同时，定期的维护和检查也是必要的，特别是在冬季，可及时发现并解决潜在的冰冻问题。

（3）通信条件的挑战。高寒地区的另一个特点是其通信条件可能较差，这可能会影响到数据的实时传输和处理。为了解决这一问题，可考虑使用具有更强抗干扰能力和自主通信能力的设备[2]。例如，使用卫星通信技术，或者增强设备的自组网能力，使其在通信条件不佳的情况下仍能有效地传输数据。

2 技术改进方案

2.1 技术改进目标

由于高寒地区环境恶劣，传统的水位监测技术常受到诸多限制，难以满足实时、准确监测的需求。因此，需要对高寒库区的实时水位监测技术进行改进，以提高监测的准确性和实时性。高寒地区库区实时水位监测技术改进目标是提高高寒库区实时水位监测的精确度和和稳定性，确保监测数据能够及时、准确地反映水位变化情况，并可将实时数据传输到云端，无需现场抄表，提高工作效率的同时为水库的安全运行提供有力保障。

根据以上目标，可使用智能河坝液位计监测系统，该系统由液位检测系统、温度检测系统、动态加热系统、太阳能供电系统和无线传输系统组成，可有效解决高寒地区库区液位监测中因结冰导致的检测误差。

2.2 无线传输技术改进

2.2.1 无线传输技术的选择和特点

由于高寒库区环境的特殊性，传统的无线传输方式受到诸多因素的干扰，如地形、气候等，导致信号传输不稳定，影响监测的准确性和实时性。因此，针对这些问题，需要对无线传输技术进行针对性的改进。具体而言：①选择合适的抗干扰通信技术。扩频通信和跳频通信等技术在面对各种干扰因素时，能够有效地提高信号的抗干扰能力，保证信号的稳定传输。这些技术的应用，大幅降低了因信号波动导致的监测误差，提高了监测的准确性。②采用低功耗通信技术。由于高寒地区的环境条件恶劣，供电设施难以完备，因此设备的功耗问题变得尤为突出。低功耗蓝牙、ZigBee 等技术在此背景下具有明显的优势，其低功耗特性不仅可延长设备的使用寿命，还能在保证监测准确性和实时性的同时，减少能源消耗，降低运营成本。③优化数据传输协议。针对高寒库区的特殊环境，对现有的数据传输协议进行优化和调整是必要的。例如，根据实际情况选择使用TCP/IP 协议或UDP 协议，并根据实际传输需要进行相应的调整和优化，以提高数据传输的效率和稳定性[3]。

2.2.2 无线传输技术改进的具体措施

（1）提升信号强度。由于高寒地区环境恶劣，信号传输质量较差，因此，需提升信号强度。可通过增加发射功率、采用定向天线、多路径传输等方式，提高信号在复杂环境中的穿透力和稳定性。

（2）增强数据加密。在无线传输中数据安全至关重要，应采用更高级的数据加密技术，如AES 对称加密算法，确保水位监测数据在传输过程中的安全。

（3）引入纠错编码。纠错编码可有效降低数据传输错误率。通过在数据中加入冗余信息，实现数据错误检测和纠正，保证数据的准确性。

（4）优化硬件设计。硬件设备的性能直接影响无线传输效果。优化硬件设计，如采用低功耗芯片、高效能电源管理模块等，可提高设备在寒冷环境下的稳定性和耐用性。

2.3 传感器技术改进

（1）传感器的选择和特点。传感器即液位系统，由感压式传感器和电容传感器组成双验证液位系统。电容式液位计的原理基于电容与液体高度之间的关系，通过测量电容的变化来确定液体的高度。具体来说，电容式液位计通常由两个电极组成，即浸入液体中的探测电极和与液体接触的参考电极。当液体的高度发生变化时，电容式液位计会通过测量电容的变化来确定液体的高度。而压力式液位计的原理是基于静压测量原理。当液位变送器投入到被测液体中某一深度时，传感器迎液面受到的压力通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔，再将液面上的大气压Po 与传感器的负压腔相连，使传感器测得压力为ρgH，通过测取压力P，可得到液位深度。其公式为：P=ρgH+Po，式中，P 为变送器迎液面所受压力，ρ为被测液体密度，g 为当地重力加速度，H 为变送器投入液体的深度，Po 为液面上大气压。双验证液位系统可解决在结冰状态下的双重验证，此系统由单片机开发而成，功耗低稳定性好。

（2）稳定性与可靠性设计。①加热系统采用陶瓷加热片组成的加热带，加热带采用磁性控制，温度浮子传感器可控制加热片的数量和长度。②温度浮子传感器可实时检测液面温度，当液面温度低于设定温度时开始加热，加热点较小，可保证单点融冰，单点融冰即可保证整体系统精度。进液口采用过滤结构，可防止杂质进入测量筒内。弹性安装底座，可解决强冲击下的仪表震动问题。滑动安装底座配合弹性安装底座，可提高冲击情况下的液位测量精度和液位计的稳定性。③显示系统由防雨箱、太阳能板、胶体电池等主要元件组成，可实现液位的显示和数据的远传，内置4G 模块，可实时上云，可远程查看数据和仪表工作状态，可远程设置加热阈值。后期可集成到物联网管理平台，进行数据的查看和汇总。内置充电保护器和市电降压模块，可双供电，当市电断电后，自动切换到太阳能供电状态，电池采用胶体防雨盒，地埋式安装，不占用高度空间。这些设计的改进都有效地保证了检测的精确度和稳定性。

2.4 数据处理和分析技术改进

（1）优化实时数据处理算法。高寒地区的环境特点主要表现为低温、低湿度，这些因素对数据处理和传输带来了较大挑战。如低温可能导致电子设备运行缓慢，增加数据处理时间；低湿度可能影响数据存储的稳定性，增加数据丢失的风险。为了确保此类环境下数据的准确性和稳定性，需优化实时数据处理算法。具体而言：①引入云计算技术。云计算技术可突破硬件设备的限制，实现快速的数据处理和传输。在高寒地区，通过云计算技术，可将数据处理任务分配给多台服务器共同完成，提高处理效率。②进行算法优化。针对高寒地区的环境特点，对实时数据处理算法进行优化。例如，引入并行处理技术，提高数据处理的并发性；优化数据压缩算法，降低数据传输时间。③确保数据存储与传输的稳定性。在高寒地区，数据的存储与传输稳定性至关重要，因此，应选择耐低温、湿度影响小的存储介质，同时加强数据的校验与备份机制，防止数据丢失。

（2）改进异常检测与预警算法。传统的水位异常检测方法通常基于阈值设定，这种方法对于静态、线性的水位变化有一定效果，但对于非线性、动态的水位变化，以及由多种因素引起的复杂水位异常，其识别效果不尽人意。此外，传统方法缺乏自适应性，无法根据历史数据自动调整阈值，大幅降低了预警的准确率。为了解决这些问题，提出了一种基于机器学习的异常检测与预警算法。该算法利用深度学习技术，自动学习和识别水位变化的模式。通过训练神经网络，可以根据历史数据预测未来的水位变化，并在出现异常时及时发出预警。这种方法具有自适应性，能够根据实际情况动态调整阈值，大幅提高了预警的准确率。试验结果表明，改进后的算法在识别复杂水位异常方面具有显著优势。与传统的阈值方法相比，新算法的预警准确率提高了30% 以上。

（3）完善数据存储与备份机制。在大数据时代，数据存储的可靠性和可扩展性对于企业的持续发展至关重要。传统的集中式存储架构已无法满足企业的需求，而分布式存储技术凭借其高可靠性和可扩展性成为主流选择。分布式存储技术采用数据分散存储的方式，将数据分散存储在多个节点上，从而提高了数据的冗余性和容错性。即使部分节点发生故障，数据也不会丢失，确保了数据的安全性。同时，分布式存储技术可以根据业务需求灵活扩展存储容量和性能，满足企业不断增长的数据存储需求。除了分布式存储技术外，定期备份数据也是确保数据安全性和完整性的重要手段。企业应制订合理的备份策略，定期对数据进行备份，并保证备份数据与原始数据保持一致。同时，备份数据应存储在可靠的存储介质上，并定期进行验证，确保备份数据的可用性和完整性。

2.5 系统集成和测试

（1）系统集成的原则和方法。系统集成首要的原则是确保整体性，各个组成部分应有机整合，形成完整的监测体系。在方法上，应采用模块化设计，便于系统的扩展与维护。同时，要充分考虑高寒地区的环境特点，如寒冷气候、大风等，确保设备能在极端条件下正常工作。

（2）系统测试的内容和方法。系统测试内容应包括设备性能、数据传输、系统响应时间等。在方法上，应采用仿真测试与实地测试相结合的方式。通过模拟实际环境，测试系统的各项指标是否达到预期要求。

（3）系统集成与远程控制技术。系统集成方案的设计要充分考虑硬件设备的兼容性、软件平台的可扩展性及数据接口的标准化。实施过程中，要严格按照设计方案进行，确保每一个环节都得到有效执行。远程控制技术是实现水库智能管理的重要手段，要研发适用于高寒地区的远程控制技术，确保即使在恶劣气候条件下，技术人员也能对水库进行远程操控。在高寒地区系统安全防护尤为重要，要采取多重安全防护措施，防止数据被篡改或窃取[4]。同时，要定期对系统进行安全漏洞扫描，及时发现并修复潜在的安全隐患。

3 结束语

综上所述，高寒地区库区的实时水位监测由于冰冻和水位波动大，对监测设备的稳定性和准确性提出了更高的要求。技术改进后，不仅可以提高水位监测的准确性和实时性，而且能够减少人工巡检的频率，提高监测效率。此外，通过数据分析，可以更好地了解库区的运行状况，为库区的安全管理和环境保护提供有力支持。随着技术的进一步发展，有望实现更高精度的实时监测和更加智能化的数据分析，为高寒地区库区的可持续发展作出贡献。

参考文献

[1] 丁志国，龚占龙，盛智勇.FBG 传感器在排水管道水位实时监测中的应用[J]. 河北农机，2021（7）：52-53.

[2] 徐海潮. 基于压力式传感器的航道水位实时监测系统设计[J]. 中国水运（下半月），2020，20（12）：55-57，60.

[3] 付建平，陈向东，陈明. 基于湿度、水位和应变传感器的隧道突水模拟监测系统[J]. 电子设计工程，2018，26（10）：13-16.

[4] 高超. 温湿度环境和水位实时监测系统在电力系统换流站的典型应用[J]. 通讯世界，2014（1）：73-75.