［摘 要］實(shí)時水位監(jiān)測在防洪抗?jié)场⑺Y源管理中發(fā)揮著重要的作用，也是水庫安全管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但在高寒地區(qū)，傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)常因環(huán)境惡劣而難以發(fā)揮效能。文章針對這一問題，提出了一系列技術(shù)改進(jìn)方案，旨在提高高寒地區(qū)庫區(qū)的實(shí)時水位監(jiān)測能力。

［關(guān)鍵詞］高寒地區(qū)；庫區(qū)；實(shí)時水位；監(jiān)測技術(shù)；改進(jìn)方案

［中圖分類號］TP271 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）04–0132–03

1 實(shí)時水位監(jiān)測技術(shù)的現(xiàn)狀與存在的問題

1.1 實(shí)時水位監(jiān)測技術(shù)介紹及現(xiàn)有技術(shù)存在的問題

自動水位計(jì)、雷達(dá)水位計(jì)、超聲波水位計(jì)等設(shè)備廣泛應(yīng)用于水文監(jiān)測領(lǐng)域。這些設(shè)備通過精確測量水位，結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS），能夠?qū)崟r反饋水位的動態(tài)變化，為防洪決策提供寶貴的數(shù)據(jù)支持。這些設(shè)備的工作原理各有不同，但都致力于提供精確的水位數(shù)據(jù)。自動水位計(jì)通常通過浮子或壓力傳感器來測量水位；雷達(dá)水位計(jì)則是利用雷達(dá)波進(jìn)行非接觸式測量；而超聲波水位計(jì)則是通過超聲波在介質(zhì)中的傳播時間來計(jì)算水位。這些設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中，常面臨著以下問題。

（1）當(dāng)前的水位監(jiān)測系統(tǒng)主要依賴于傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)，這些傳感器易受環(huán)境影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)精度下降。此外，由于傳感器的物理性質(zhì)，其壽命有限，需要定期更換，增加了維護(hù)成本。

（2）現(xiàn)有的水位監(jiān)測系統(tǒng)智能化處理能力不足，對于大量的實(shí)時數(shù)據(jù)，無法進(jìn)行有效的自動分析，這限制了數(shù)據(jù)的實(shí)際應(yīng)用價值。同時，由于數(shù)據(jù)分析的滯后性，通常無法及時反饋異常情況，影響應(yīng)急響應(yīng)。

（3）數(shù)據(jù)的共享和整合問題。不同的監(jiān)測系統(tǒng)之間及監(jiān)測系統(tǒng)與決策支持系統(tǒng)之間，存在數(shù)據(jù)交互的壁壘，導(dǎo)致信息孤島現(xiàn)象嚴(yán)重。這不僅降低了數(shù)據(jù)的利用率，也影響了決策的準(zhǔn)確性和及時性。

（4）地域性限制問題。部分地區(qū)由于地理環(huán)境和氣候環(huán)境復(fù)雜、基礎(chǔ)設(shè)施落后，難以實(shí)施有效的實(shí)時水位監(jiān)測。受環(huán)境氣候因素影響，還會使設(shè)備出現(xiàn)故障或測量誤差，影響數(shù)據(jù)的可靠性[1]。

1.2 高寒地區(qū)特殊環(huán)境對技術(shù)的要求與挑戰(zhàn)

（1）低溫環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行。高寒地區(qū)的環(huán)境溫度遠(yuǎn)低于常規(guī)工作范圍，這對監(jiān)測設(shè)備的耐寒能力提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。設(shè)備在低溫環(huán)境下可能無法正常啟動，甚至出現(xiàn)故障。因此，設(shè)備制造商需特別關(guān)注其耐寒設(shè)計(jì)，選擇能在低溫和正常溫度下均可穩(wěn)定運(yùn)行的元器件，如特殊的傳感器和微處理器。此外，設(shè)備的熱管理也是關(guān)鍵，通過有效的熱設(shè)計(jì)，可以確保設(shè)備在低溫環(huán)境下仍能持續(xù)、穩(wěn)定的運(yùn)行。

（2）防凍設(shè)計(jì)與維護(hù)。在高寒地區(qū)由于氣溫低，水體極易結(jié)冰。冰層的形成會對水位的監(jiān)測產(chǎn)生干擾，甚至對設(shè)備造成損壞，因此，要注重設(shè)備的防凍設(shè)計(jì)。這包括對設(shè)備的密封性設(shè)計(jì)、排水功能及抗冰負(fù)載能力進(jìn)行優(yōu)化。同時，定期的維護(hù)和檢查也是必要的，特別是在冬季，可及時發(fā)現(xiàn)并解決潛在的冰凍問題。

（3）通信條件的挑戰(zhàn)。高寒地區(qū)的另一個特點(diǎn)是其通信條件可能較差，這可能會影響到數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸和處理。為了解決這一問題，可考慮使用具有更強(qiáng)抗干擾能力和自主通信能力的設(shè)備[2]。例如，使用衛(wèi)星通信技術(shù)，或者增強(qiáng)設(shè)備的自組網(wǎng)能力，使其在通信條件不佳的情況下仍能有效地傳輸數(shù)據(jù)。

2 技術(shù)改進(jìn)方案

2.1 技術(shù)改進(jìn)目標(biāo)

由于高寒地區(qū)環(huán)境惡劣，傳統(tǒng)的水位監(jiān)測技術(shù)常受到諸多限制，難以滿足實(shí)時、準(zhǔn)確監(jiān)測的需求。因此，需要對高寒庫區(qū)的實(shí)時水位監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，以提高監(jiān)測的準(zhǔn)確性和實(shí)時性。高寒地區(qū)庫區(qū)實(shí)時水位監(jiān)測技術(shù)改進(jìn)目標(biāo)是提高高寒庫區(qū)實(shí)時水位監(jiān)測的精確度和和穩(wěn)定性，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠及時、準(zhǔn)確地反映水位變化情況，并可將實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫耍瑹o需現(xiàn)場抄表，提高工作效率的同時為水庫的安全運(yùn)行提供有力保障。

根據(jù)以上目標(biāo)，可使用智能河壩液位計(jì)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由液位檢測系統(tǒng)、溫度檢測系統(tǒng)、動態(tài)加熱系統(tǒng)、太陽能供電系統(tǒng)和無線傳輸系統(tǒng)組成，可有效解決高寒地區(qū)庫區(qū)液位監(jiān)測中因結(jié)冰導(dǎo)致的檢測誤差。

2.2 無線傳輸技術(shù)改進(jìn)

2.2.1 無線傳輸技術(shù)的選擇和特點(diǎn)

由于高寒庫區(qū)環(huán)境的特殊性，傳統(tǒng)的無線傳輸方式受到諸多因素的干擾，如地形、氣候等，導(dǎo)致信號傳輸不穩(wěn)定，影響監(jiān)測的準(zhǔn)確性和實(shí)時性。因此，針對這些問題，需要對無線傳輸技術(shù)進(jìn)行針對性的改進(jìn)。具體而言：①選擇合適的抗干擾通信技術(shù)。擴(kuò)頻通信和跳頻通信等技術(shù)在面對各種干擾因素時，能夠有效地提高信號的抗干擾能力，保證信號的穩(wěn)定傳輸。這些技術(shù)的應(yīng)用，大幅降低了因信號波動導(dǎo)致的監(jiān)測誤差，提高了監(jiān)測的準(zhǔn)確性。②采用低功耗通信技術(shù)。由于高寒地區(qū)的環(huán)境條件惡劣，供電設(shè)施難以完備，因此設(shè)備的功耗問題變得尤為突出。低功耗藍(lán)牙、ZigBee 等技術(shù)在此背景下具有明顯的優(yōu)勢，其低功耗特性不僅可延長設(shè)備的使用壽命，還能在保證監(jiān)測準(zhǔn)確性和實(shí)時性的同時，減少能源消耗，降低運(yùn)營成本。③優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。針對高寒庫區(qū)的特殊環(huán)境，對現(xiàn)有的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整是必要的。例如，根據(jù)實(shí)際情況選擇使用TCP/IP 協(xié)議或UDP 協(xié)議，并根據(jù)實(shí)際傳輸需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和優(yōu)化，以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎头€(wěn)定性[3]。

2.2.2 無線傳輸技術(shù)改進(jìn)的具體措施

（1）提升信號強(qiáng)度。由于高寒地區(qū)環(huán)境惡劣，信號傳輸質(zhì)量較差，因此，需提升信號強(qiáng)度?？赏ㄟ^增加發(fā)射功率、采用定向天線、多路徑傳輸?shù)确绞?，提高信號在?fù)雜環(huán)境中的穿透力和穩(wěn)定性。

（2）增強(qiáng)數(shù)據(jù)加密。在無線傳輸中數(shù)據(jù)安全至關(guān)重要，應(yīng)采用更高級的數(shù)據(jù)加密技術(shù)，如AES 對稱加密算法，確保水位監(jiān)測數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全。

（3）引入糾錯編碼。糾錯編碼可有效降低數(shù)據(jù)傳輸錯誤率。通過在數(shù)據(jù)中加入冗余信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤檢測和糾正，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（4）優(yōu)化硬件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)備的性能直接影響無線傳輸效果。優(yōu)化硬件設(shè)計(jì)，如采用低功耗芯片、高效能電源管理模塊等，可提高設(shè)備在寒冷環(huán)境下的穩(wěn)定性和耐用性。

2.3 傳感器技術(shù)改進(jìn)

（1）傳感器的選擇和特點(diǎn)。傳感器即液位系統(tǒng)，由感壓式傳感器和電容傳感器組成雙驗(yàn)證液位系統(tǒng)。電容式液位計(jì)的原理基于電容與液體高度之間的關(guān)系，通過測量電容的變化來確定液體的高度。具體來說，電容式液位計(jì)通常由兩個電極組成，即浸入液體中的探測電極和與液體接觸的參考電極。當(dāng)液體的高度發(fā)生變化時，電容式液位計(jì)會通過測量電容的變化來確定液體的高度。而壓力式液位計(jì)的原理是基于靜壓測量原理。當(dāng)液位變送器投入到被測液體中某一深度時，傳感器迎液面受到的壓力通過導(dǎo)氣不銹鋼將液體的壓力引入到傳感器的正壓腔，再將液面上的大氣壓Po 與傳感器的負(fù)壓腔相連，使傳感器測得壓力為ρgH，通過測取壓力P，可得到液位深度。其公式為：P=ρgH+Po，式中，P 為變送器迎液面所受壓力，ρ為被測液體密度，g 為當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋琀 為變送器投入液體的深度，Po 為液面上大氣壓。雙驗(yàn)證液位系統(tǒng)可解決在結(jié)冰狀態(tài)下的雙重驗(yàn)證，此系統(tǒng)由單片機(jī)開發(fā)而成，功耗低穩(wěn)定性好。

（2）穩(wěn)定性與可靠性設(shè)計(jì)。①加熱系統(tǒng)采用陶瓷加熱片組成的加熱帶，加熱帶采用磁性控制，溫度浮子傳感器可控制加熱片的數(shù)量和長度。②溫度浮子傳感器可實(shí)時檢測液面溫度，當(dāng)液面溫度低于設(shè)定溫度時開始加熱，加熱點(diǎn)較小，可保證單點(diǎn)融冰，單點(diǎn)融冰即可保證整體系統(tǒng)精度。進(jìn)液口采用過濾結(jié)構(gòu)，可防止雜質(zhì)進(jìn)入測量筒內(nèi)。彈性安裝底座，可解決強(qiáng)沖擊下的儀表震動問題?；瑒影惭b底座配合彈性安裝底座，可提高沖擊情況下的液位測量精度和液位計(jì)的穩(wěn)定性。③顯示系統(tǒng)由防雨箱、太陽能板、膠體電池等主要元件組成，可實(shí)現(xiàn)液位的顯示和數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳，內(nèi)置4G 模塊，可實(shí)時上云，可遠(yuǎn)程查看數(shù)據(jù)和儀表工作狀態(tài)，可遠(yuǎn)程設(shè)置加熱閾值。后期可集成到物聯(lián)網(wǎng)管理平臺，進(jìn)行數(shù)據(jù)的查看和匯總。內(nèi)置充電保護(hù)器和市電降壓模塊，可雙供電，當(dāng)市電斷電后，自動切換到太陽能供電狀態(tài)，電池采用膠體防雨盒，地埋式安裝，不占用高度空間。這些設(shè)計(jì)的改進(jìn)都有效地保證了檢測的精確度和穩(wěn)定性。

2.4 數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)改進(jìn)

（1）優(yōu)化實(shí)時數(shù)據(jù)處理算法。高寒地區(qū)的環(huán)境特點(diǎn)主要表現(xiàn)為低溫、低濕度，這些因素對數(shù)據(jù)處理和傳輸帶來了較大挑戰(zhàn)。如低溫可能導(dǎo)致電子設(shè)備運(yùn)行緩慢，增加數(shù)據(jù)處理時間；低濕度可能影響數(shù)據(jù)存儲的穩(wěn)定性，增加數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險。為了確保此類環(huán)境下數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，需優(yōu)化實(shí)時數(shù)據(jù)處理算法。具體而言：①引入云計(jì)算技術(shù)。云計(jì)算技術(shù)可突破硬件設(shè)備的限制，實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)處理和傳輸。在高寒地區(qū)，通過云計(jì)算技術(shù)，可將數(shù)據(jù)處理任務(wù)分配給多臺服務(wù)器共同完成，提高處理效率。②進(jìn)行算法優(yōu)化。針對高寒地區(qū)的環(huán)境特點(diǎn)，對實(shí)時數(shù)據(jù)處理算法進(jìn)行優(yōu)化。例如，引入并行處理技術(shù)，提高數(shù)據(jù)處理的并發(fā)性；優(yōu)化數(shù)據(jù)壓縮算法，降低數(shù)據(jù)傳輸時間。③確保數(shù)據(jù)存儲與傳輸?shù)姆€(wěn)定性。在高寒地區(qū)，數(shù)據(jù)的存儲與傳輸穩(wěn)定性至關(guān)重要，因此，應(yīng)選擇耐低溫、濕度影響小的存儲介質(zhì)，同時加強(qiáng)數(shù)據(jù)的校驗(yàn)與備份機(jī)制，防止數(shù)據(jù)丟失。

（2）改進(jìn)異常檢測與預(yù)警算法。傳統(tǒng)的水位異常檢測方法通?；陂撝翟O(shè)定，這種方法對于靜態(tài)、線性的水位變化有一定效果，但對于非線性、動態(tài)的水位變化，以及由多種因素引起的復(fù)雜水位異常，其識別效果不盡人意。此外，傳統(tǒng)方法缺乏自適應(yīng)性，無法根據(jù)歷史數(shù)據(jù)自動調(diào)整閾值，大幅降低了預(yù)警的準(zhǔn)確率。為了解決這些問題，提出了一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的異常檢測與預(yù)警算法。該算法利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)，自動學(xué)習(xí)和識別水位變化的模式。通過訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)預(yù)測未來的水位變化，并在出現(xiàn)異常時及時發(fā)出預(yù)警。這種方法具有自適應(yīng)性，能夠根據(jù)實(shí)際情況動態(tài)調(diào)整閾值，大幅提高了預(yù)警的準(zhǔn)確率。試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的算法在識別復(fù)雜水位異常方面具有顯著優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的閾值方法相比，新算法的預(yù)警準(zhǔn)確率提高了30% 以上。

（3）完善數(shù)據(jù)存儲與備份機(jī)制。在大數(shù)據(jù)時代，數(shù)據(jù)存儲的可靠性和可擴(kuò)展性對于企業(yè)的持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。傳統(tǒng)的集中式存儲架構(gòu)已無法滿足企業(yè)的需求，而分布式存儲技術(shù)憑借其高可靠性和可擴(kuò)展性成為主流選擇。分布式存儲技術(shù)采用數(shù)據(jù)分散存儲的方式，將數(shù)據(jù)分散存儲在多個節(jié)點(diǎn)上，從而提高了數(shù)據(jù)的冗余性和容錯性。即使部分節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，數(shù)據(jù)也不會丟失，確保了數(shù)據(jù)的安全性。同時，分布式存儲技術(shù)可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求靈活擴(kuò)展存儲容量和性能，滿足企業(yè)不斷增長的數(shù)據(jù)存儲需求。除了分布式存儲技術(shù)外，定期備份數(shù)據(jù)也是確保數(shù)據(jù)安全性和完整性的重要手段。企業(yè)應(yīng)制訂合理的備份策略，定期對數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，并保證備份數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)保持一致。同時，備份數(shù)據(jù)應(yīng)存儲在可靠的存儲介質(zhì)上，并定期進(jìn)行驗(yàn)證，確保備份數(shù)據(jù)的可用性和完整性。

2.5 系統(tǒng)集成和測試

（1）系統(tǒng)集成的原則和方法。系統(tǒng)集成首要的原則是確保整體性，各個組成部分應(yīng)有機(jī)整合，形成完整的監(jiān)測體系。在方法上，應(yīng)采用模塊化設(shè)計(jì)，便于系統(tǒng)的擴(kuò)展與維護(hù)。同時，要充分考慮高寒地區(qū)的環(huán)境特點(diǎn)，如寒冷氣候、大風(fēng)等，確保設(shè)備能在極端條件下正常工作。

（2）系統(tǒng)測試的內(nèi)容和方法。系統(tǒng)測試內(nèi)容應(yīng)包括設(shè)備性能、數(shù)據(jù)傳輸、系統(tǒng)響應(yīng)時間等。在方法上，應(yīng)采用仿真測試與實(shí)地測試相結(jié)合的方式。通過模擬實(shí)際環(huán)境，測試系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)是否達(dá)到預(yù)期要求。

（3）系統(tǒng)集成與遠(yuǎn)程控制技術(shù)。系統(tǒng)集成方案的設(shè)計(jì)要充分考慮硬件設(shè)備的兼容性、軟件平臺的可擴(kuò)展性及數(shù)據(jù)接口的標(biāo)準(zhǔn)化。實(shí)施過程中，要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案進(jìn)行，確保每一個環(huán)節(jié)都得到有效執(zhí)行。遠(yuǎn)程控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)水庫智能管理的重要手段，要研發(fā)適用于高寒地區(qū)的遠(yuǎn)程控制技術(shù)，確保即使在惡劣氣候條件下，技術(shù)人員也能對水庫進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。在高寒地區(qū)系統(tǒng)安全防護(hù)尤為重要，要采取多重安全防護(hù)措施，防止數(shù)據(jù)被篡改或竊取[4]。同時，要定期對系統(tǒng)進(jìn)行安全漏洞掃描，及時發(fā)現(xiàn)并修復(fù)潛在的安全隱患。

3 結(jié)束語

綜上所述，高寒地區(qū)庫區(qū)的實(shí)時水位監(jiān)測由于冰凍和水位波動大，對監(jiān)測設(shè)備的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性提出了更高的要求。技術(shù)改進(jìn)后，不僅可以提高水位監(jiān)測的準(zhǔn)確性和實(shí)時性，而且能夠減少人工巡檢的頻率，提高監(jiān)測效率。此外，通過數(shù)據(jù)分析，可以更好地了解庫區(qū)的運(yùn)行狀況，為庫區(qū)的安全管理和環(huán)境保護(hù)提供有力支持。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，有望實(shí)現(xiàn)更高精度的實(shí)時監(jiān)測和更加智能化的數(shù)據(jù)分析，為高寒地區(qū)庫區(qū)的可持續(xù)發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

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