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        雨量自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)可靠性及誤差分析

        2018-08-20 03:08:28呂樹龍
        東北水利水電 2018年8期
        關(guān)鍵詞:合格率分析系統(tǒng)

        呂樹龍

        (遼寧省水文局,遼寧沈陽 115003)

        1 簡述

        隨著時(shí)代的進(jìn)步和科技的發(fā)展,雨量報(bào)汛手段不斷增強(qiáng)。由原始的人工觀測再拍發(fā)電報(bào)發(fā)展到自記雨量計(jì)及語音電話發(fā)報(bào),進(jìn)而演變到雨量自動(dòng)化終端測量雨量通過GPRS傳輸??萍嫉倪M(jìn)步不斷改變著水文觀測的現(xiàn)實(shí),利用電腦、網(wǎng)絡(luò)等自動(dòng)化手段傳輸水情情報(bào),不僅解放了勞動(dòng)力,也提高了工作效率。

        雨量自動(dòng)報(bào)汛系統(tǒng)由采集終端和分中心系統(tǒng)組成,采集終端通過自動(dòng)感應(yīng)降雨,計(jì)數(shù)并通過觸發(fā)器出發(fā)傳輸設(shè)備,通過GPRS信道傳輸?shù)椒种行?,分中心系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)處理并寫入數(shù)據(jù)庫,再通過查詢系統(tǒng)進(jìn)行顯示、查詢,通過信息交換系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)到省中心。

        營口地區(qū)雨量自動(dòng)報(bào)汛系統(tǒng)始建于2006年,初期遙測站只建設(shè)了基本水文站及大中型水庫。經(jīng)過不斷地發(fā)展建設(shè),逐步覆蓋小一型水庫站、中小河流雨量站,站點(diǎn)遍布本地區(qū)各流域水系的山區(qū)、平原區(qū)。

        營口地區(qū)雨量自動(dòng)報(bào)汛系統(tǒng)遙測站采用YAC9900多路徑遙測終端設(shè)備構(gòu)建,設(shè)備自動(dòng)監(jiān)測雨量數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)通過GPRS/GSM通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)剿榉种行摹_b測站具有數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、觸發(fā)傳輸?shù)墓δ埽捎炅總鞲衅?、控制器(RTU)、通信模塊、蓄電池、太陽能板及充電控制器及信號(hào)避雷設(shè)備構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。分中心由信號(hào)接收通信模塊,計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫組成。

        雨量自動(dòng)報(bào)汛系統(tǒng)的建設(shè)與使用,極大的提高了水情報(bào)汛的時(shí)效性,實(shí)現(xiàn)和雨量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)測報(bào),使防汛工作能夠更加快速、詳細(xì)的了解雨情情報(bào)。然而系統(tǒng)的可靠性和誤差情況,也一直存在很大的爭議,對水文資料的準(zhǔn)確性有很大的影響。通過對自動(dòng)化報(bào)汛系統(tǒng)可靠性以及雨量數(shù)據(jù)與人工數(shù)據(jù)的分析,不斷提高系統(tǒng)的可靠性及精度,才能保證水文資料的可靠性與連續(xù)性。

        2 系統(tǒng)運(yùn)行可靠性

        雨量自動(dòng)報(bào)汛系統(tǒng)的可靠性是水情信息及時(shí)采集與傳輸?shù)年P(guān)鍵,可靠性好壞主要反應(yīng)在終端故障率、傳輸網(wǎng)絡(luò)暢通性上。通過分析系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸,定時(shí)暢通率可以放映出雨量自動(dòng)報(bào)汛系統(tǒng)的穩(wěn)定程度。

        圖1 遙測站設(shè)備組成結(jié)構(gòu)示意圖

        系統(tǒng)可靠性,用系統(tǒng)在規(guī)定條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi),完成數(shù)據(jù)收集的月平均暢通率和完成數(shù)據(jù)處理作業(yè)的完成率來衡量。

        系統(tǒng)的月平均暢通率應(yīng)達(dá)到,平均每個(gè)數(shù)據(jù)收集周期有95%以上的遙測站(重要控制站必須包括在內(nèi))能把數(shù)據(jù)準(zhǔn)確送到分中心。

        系統(tǒng)暢通率(P)按下式計(jì)算:

        式中:N——為系統(tǒng)設(shè)定的定時(shí)報(bào)汛次數(shù);m——為系統(tǒng)接收到的定時(shí)數(shù)據(jù)次數(shù)。

        為了能夠反映出系統(tǒng)在各種降雨條件下的可靠性,選取有大雨發(fā)生的年份資料。因系統(tǒng)主要應(yīng)用于汛期,非汛期的使用有限,維護(hù)、檢修也都不能及時(shí)到位,故選擇有大洪水發(fā)生的2012年6—8月份的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。遙測終端雨量傳感器為0.5 mm計(jì)數(shù),達(dá)到設(shè)定值進(jìn)行傳輸,定時(shí)數(shù)據(jù)為每日24次,即每小時(shí)發(fā)送一次定時(shí)數(shù)據(jù)。通過對6—8月份系統(tǒng)接收到的定時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),實(shí)際收到的數(shù)據(jù)條數(shù)與應(yīng)該收到的數(shù)據(jù)條數(shù)相比,得出定時(shí)數(shù)據(jù)傳輸暢通率??梢钥闯龈髡揪3衷?8%以上,其中通過GPRS信道傳輸數(shù)據(jù)占90%以上。GSM信道傳輸主要是由于當(dāng)?shù)匦盘?hào)較弱,GPRS不穩(wěn)定導(dǎo)致系統(tǒng)自動(dòng)切換到備用信道。

        3 降水量誤差分析

        3.1 誤差分析方法及標(biāo)準(zhǔn)

        自動(dòng)報(bào)汛系統(tǒng)的雨量數(shù)據(jù)其準(zhǔn)確性是否滿足服務(wù)防汛工作及水文資料整編的要求,需通過與人工觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。為了控制人工觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,選用的基本水文站和基本雨量站的報(bào)汛數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

        營口地區(qū)所使用的遙測終端雨量傳感器分辨率為0.5 mm,按照相關(guān)規(guī)范規(guī)定,降雨量量測的相對誤差與絕對誤差應(yīng)滿足:

        1)當(dāng)降水量小于等于12.5 mm時(shí),允許的絕對誤差不超過±0.5 mm。

        式中:δ——絕對誤差;P遙——遙測雨量數(shù)值;P人——人工觀測雨量數(shù)值。

        2)當(dāng)降水量大于12.5 mm時(shí),允許的相對誤差為±4%。

        式中:δ——絕對誤差;P遙——遙測雨量數(shù)值;P人——人工觀測雨量數(shù)值。

        6—8月份降雨數(shù)據(jù)按日、旬、月和場次分四種情況,分別分析遙測數(shù)據(jù)與人工數(shù)據(jù)的誤差情況,并做統(tǒng)計(jì)匯總并對最大場地降水及總降水量進(jìn)行分析對比。

        3.2 誤差分析結(jié)果

        對營口地區(qū)報(bào)汛的基本水文站、基本雨量站5—8月份的遙測數(shù)據(jù)與人工數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。以營口站為例的降水量對比分析數(shù)據(jù)見表1及圖2。

        表1 營口站 7月日雨量對比分析表

        圖2 營口站6-8月雨量數(shù)據(jù)對比柱狀圖

        日降水量對比分析:5站3個(gè)月共計(jì)降水199 d次,在誤差允許范圍內(nèi)的天數(shù)為172 d,合格率為86.4%。其中:降水量小于等于12.5 mm的天數(shù)為140 d,絕對誤差超標(biāo)14 d,合格天數(shù)為126 d,合格率為90%,最大絕對誤差為1.5 mm;降水量大于12.5 mm的天數(shù)為59 d,相對誤差超標(biāo)13 d,合格天數(shù)為46 d,合格率為77.9%,最大相對誤差為8.91%。

        旬降水量對比分析:5站3個(gè)月共統(tǒng)計(jì)旬降水量45個(gè),超標(biāo)8個(gè),在誤差允許范圍內(nèi)37個(gè),合格率為82.2%。其中:降水量小于等于12.5 mm的旬?dāng)?shù)為11個(gè),絕對誤差超標(biāo)1個(gè),合格旬?dāng)?shù)為10個(gè),合格率為90.9%,最大絕對誤差為0.7 mm;降水量大于12.5 mm的旬?dāng)?shù)為34個(gè),相對誤差超標(biāo)9個(gè),合格旬?dāng)?shù)為25個(gè),合格率為73.5%,最大相對誤差為7.5%。

        月降水量對比分析:5站3個(gè)月共統(tǒng)計(jì)月降水量15個(gè),超標(biāo)3個(gè),在誤差允許范圍內(nèi)12個(gè),合格率為80%。

        以營口站為例的旬月降水量對比分析見表2。

        表2 營口站 旬月雨量對比分析表

        場次降雨量對比分析:每站選取5場降雨進(jìn)行對比分析,共計(jì)25場,超標(biāo)7場,在誤差允許范圍內(nèi)18個(gè),合格率為72%。以營口站為例的場次降水量對比分析,見表3。

        表3 營口站 場次雨量對比分析表

        年度最大場次降雨分析:營口站7月28日至8月4日遙測降水量267 mm,人工降水量262 mm,其絕對誤差為5 mm,相對誤差為1.91%。

        總降水量對比分析:6—8月5站總降水量遙測數(shù)據(jù)為2 200 mm,人工數(shù)據(jù)為2 192.1 mm,其絕對誤差為7.9 mm,相對誤差為99.6%。

        4 誤差原因分析

        根據(jù)以上統(tǒng)計(jì)分析可以看出,遙測降水量與人工觀測數(shù)據(jù)的絕對誤差并不是很大,合格率能達(dá)到90%以上,而相對誤差得合格率也在70%以上。由于各站所處的地理位置、周圍環(huán)境、儀器狀況、系統(tǒng)維護(hù)等原因都會(huì)對分析結(jié)果產(chǎn)生影響。

        1)儀器精度誤差。由于雨量傳感器的分辨率為0.5 mm,在降雨停止時(shí),未達(dá)到0.5 mm的雨量不會(huì)計(jì)數(shù),或被蒸發(fā)或累加到下一次降水中。造成雨量偏差。

        2)系統(tǒng)時(shí)鐘誤差。由于各終端設(shè)備的時(shí)鐘經(jīng)常會(huì)不一致,隨著時(shí)間的延長,時(shí)鐘偏差越大。這就造成了整點(diǎn)雨量計(jì)數(shù)的偏離。管理人員應(yīng)定期進(jìn)行全部設(shè)備的時(shí)鐘校準(zhǔn)。

        3)設(shè)備維護(hù)不及時(shí)。電子設(shè)備收到環(huán)境影響常會(huì)出現(xiàn)故障,有時(shí)會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)跳變、死機(jī)等故障,維護(hù)不及時(shí)必然會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失。

        4)設(shè)備調(diào)校不準(zhǔn)。雨量傳感器依靠電磁元件感應(yīng)翻斗并計(jì)數(shù),如磁頭調(diào)校不準(zhǔn)會(huì)造成感應(yīng)數(shù)據(jù)不靈敏。

        5)雨量翻斗不靈活。設(shè)備長期暴露在外,雨量翻斗會(huì)積塵、淤泥,造成翻斗量測不平衡,翻轉(zhuǎn)不暢,也會(huì)造成雨量足就翻轉(zhuǎn)。

        5 結(jié)語

        通過對比分析,可以看出自動(dòng)報(bào)汛系統(tǒng)的可靠性很高,相較人工數(shù)據(jù)仍有一定誤差存在,但雨量總值基本相當(dāng)。誤差主要由設(shè)備故障、系統(tǒng)調(diào)試維護(hù)等方面造成。相比人工報(bào)汛在時(shí)效性、便利性上有很大優(yōu)勢。

        遙測雨量計(jì)的應(yīng)用大大提高了雨量報(bào)汛的工作效率,推進(jìn)了自動(dòng)化報(bào)汛系統(tǒng)的建設(shè),促進(jìn)了水情報(bào)汛工作的快速發(fā)展,為防汛決策更及時(shí)的提供參考。隨著對文現(xiàn)代化的不斷發(fā)展,自動(dòng)化報(bào)汛必將全面滲透到水文工作的各個(gè)部位,為了更好將現(xiàn)代化工具的應(yīng)用與生產(chǎn)實(shí)踐,提高工作效能,促進(jìn)質(zhì)量提升,必須敢于應(yīng)用,勤于總結(jié),精于分析。為了充分發(fā)揮現(xiàn)代化設(shè)備的作用,更要加大力度維護(hù)保養(yǎng),減少系統(tǒng)故障。同時(shí)也要大力提高人員素質(zhì),工作技能,規(guī)范操作流程,實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)與管理。

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