基于边缘计算的闸前反射式水位计智能校准方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种基于边缘计算的闸前反射式水位计智能校准方法及系统，采用现场嵌入式计算机、水位高精度率定平台、多要素传感器结合热力耦合理论和机器学习方法，采用定期离线建立测值误差修正模型和在线实时误差修正策略，实现了闸前水位的智能校准。离线校准首先固定水位基准面，然后控制水位测量装置及支架在高精密丝杆上以预定的高度间隔上下移动，同时测量水位值、气象参数和水面至支架之间透明度，利用样本构建测值误差修正模型。在线测量时将影响因素作为测值误差修正模型的输入进行实时误差修正。本方法直观严密、系统先进可靠，可推广到其他对水位测量精度和长期稳定性要求高的应用场景。要求高的应用场景。要求高的应用场景。

【技术实现步骤摘要】
基于边缘计算的闸前反射式水位计智能校准方法及系统


[0001]本专利技术涉及水利工程领域，具体涉及一种基于边缘计算的闸前反射式水位计智能校准方法及系统。

技术介绍

[0002]闸前水位是水闸运行控制、结构安全分析和流量计算的重要参数，由于水闸水头低、水位变化快、计算分析模型对水位敏感，因此水闸对水位观测精度要求高，现有的反射式水位计容易受到环境温度、大气湿度、水面蒸腾、流激水雾等的影响导致测值误差，加上水位计本身的温漂和时漂，因此误差比较大，而且还有随时间增加逐步发展的趋势。
[0003]而随着科技的发展，智能算法和模型，特别是嵌入式系统的快速发展，使得对检测到的水位采用嵌入式的边缘计算成为了可能，用于解决现有技术中闸前反射式水位计的现场校准问题。
[0004]经检索发现，公开号CN108020272A的中国专利于2018年5月11日公开了一种明渠过闸流量在线监测装置，包括在线监测器、闸前水位计、闸后水位计、闸门开度仪、箱门状态传感器、电池、移动终端和服务器，在线监测器通过有线通信电路分别与闸前水位计、闸后水位计、闸门开度仪、箱门状态传感器、电池相连接，在线监测器通过闸前水位计、闸后水位计、闸门开度仪识别明渠的堰流和闸孔出流的工况，服务器通过无线通信电路与在线监测器进行数据交互，移动终端通过服务器与在线监测器进行数据的交互；在线监测器包括低功耗电源模块。该专利技术实现了对明渠过闸流量计量装置高度集成化、低功耗、安全防盗、为实现节水灌溉提供全面、准确的计量数据。然而该专利技术没有对水闸水位计检测到的数据进行校准，仍然存在本申请提出的技术问题。
[0005]经检索发现，公开号CN205808494U的中国专利于2016年12月14日公开了一种闸前水位综合监测系统，包括水位传感器、模数转换器、微处理器、数据传输模块、人机交换服务器、闸门装置、太阳能电池组件、蓄电池装置；水位传感器采集闸前水位数据并通过模数转换器传输给微处理器，数据传输模块可与人机交互服务器实现双向通信，闸门装置通过接收人机交互服务器的指令，实现闸门启闭的远程控制，太阳能电池组件与蓄电池装置连接，为人机交互服务器以外的所有装置供电。该技术运用了水位传感器获得实时闸前水位，并与洪峰预报结合，实现了闸前水位的综合监测；空间占据小、智能化程度高，可长期对闸前水位进行监测和控制，做到了及时、准确、安全度汛，保证了人民生活及物资安全。然而该技术仍然没有对水位传感器采集到的闸前水位数据考虑环境影响的误差，仍然存在本申请提出的技术问题。
[0006]由此可见，减小反射式水位计检测到的闸前水位数据的误差，仍然是本领域技术人员迫切解决的技术问题。

技术实现思路

[0007]为克服上述现有技术的不足，本专利技术提供一种基于边缘计算的闸前反射式水位计
智能校准方法及系统，解决闸前反射式水位计的现场校准的问题。
[0008]本专利技术是通过以下技术方案予以实现的：
[0009]基于边缘计算的闸前反射式水位计智能校准的方法，包括离线校准阶段，进一步包括如下步骤：
[0010]提升控制电机控制水位托盘水平放置，并将水位托盘的满水位提升至高于闸前水位并固定，为闸前水位的校准提供基准面；
[0011]步进电机控制丝杆转动，带动与丝杆相连的水位测量装置及支架从起始位置开始以预设间隔高度向上移动，且每移动一预设间隔，测量一次闸前水位、气象参数和水位测量装置及支架至水面的空气透明度数据，并记录上述数据，直至水位测量装置及支架向上移动到最上端；
[0012]步进电机控制丝杆反向转动，带动与丝杆相连的水位测量装置及支架以预设间隔高度向下移动，且每移动一预设间隔，测量一次闸前水位、气象参数和水位测量装置及支架至水面的空气透明度数据，并记录上述数据，直至水位测量装置及支架向下移动到最下端；
[0013]步进电机控制丝杆再次反向转动，带动与丝杆相连的水位测量装置及支架以预设间隔向上移动，且每移动一预设间隔，测量一次闸前水位、气象参数和水位测量装置及支架至水面的空气透明度数据，并记录上述数据，直至水位测量装置及支架向上移动到反射式水位计量程中部，停止移动水位测量装置及支架；
[0014]建立多个测值误差修正模型，以测量的多组闸前水位、气象参数和透明度数据作为输入样本，以对应水位测量装置及支架在丝杆上移动的距离对应的水位值与闸前水位测值之差为输出样本，将输入样本与输出样本分别添加到多个测值误差修正模型中，对多个测值误差修正模型进行训练，得到多个训练好的测值误差修正模型，对训练好的测值误差修正模型进行综合评价，确定最优测值误差修正模型；
[0015]利用确定的最优测值误差修正模型对反射式水位计测值进行实时误差修正，对闸前水位进行在线测量。
[0016]上述技术方案中，离线校准首先固定水位基准面，在确定基准面后，控制水位测量装置及支架在丝杆上以预定的高度间隔上下移动，同时测量水位值、气象参数和水面至水位测量装置及支架之间的空气透明度，利用样本构建测值误差修正模型，利用输入样本和输出样本数据对测值误差修正模型进行训练，得到训练好的测值误差修正模型，对训练好的测值误差修正模型进行综合评价，确定最优测值误差修正模型。本方法直观严密、系统先进可靠，可推广到其他对水位测量精度和长期稳定性要求高的应用场景。
[0017]具体地，由提升控制电机提升至高于闸前水位的水下托盘满水位，所提供的基准面在每次校准过程中保持稳定，是一个不变的水面。
[0018]具体地，气象参数进一步包括风速、湿度、气压和气温数据。
[0019]具体地，丝杆为高精密丝杆，传动高精密丝杆设置有不锈钢梯形螺杆，配备的螺旋副内设有压簧，以消除运动中的间隙误差。
[0020]优选地，对闸前水位在线测量的步骤包括：将闸前水位值以及时间同步气象和透明度数据输入选定的最优测值误差修正模型，通过边缘计算对误差进行修正，在线输出经校准的闸前水位值，将经校准的闸前水位值进行本地存储和/或发送到后方处理中心或授权移动终端。
[0021]优选地，根据视频图象结合水闸上下游气象和水闸运行情况判断闸前水位是否稳定，如判断闸前水位稳定则直接利用闸前水位作为基准面进行校准。
[0022]优选地，将水下托盘作为基准面进行校准，则在完成确定最优测值误差修正模型后，将水下托盘竖直并收起，直至贴紧上下竖直导轨所在的壁面，再对闸前水位进行在线测量。
[0023]优选地，在校准过程中，水位测量装置及支架上下周期移动均是在反射式水位计的量程之内；在校准结束时，水位测量装置及支架所停留和固定位置为反射式水位计的量程中部。
[0024]优选地，选择相关向量机、长短时记忆、编码
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解码神经网络模型和门控循环单元作为测值误差修正模型。
[0025]优选地，对训练好的测值误差修正模型进行综合评价的方法包括：通过随机抽取多组输入组合，计算测值误差修正模型得到的预测值中误差的度量，判断测值误差修正模型的精度；通过在输入样本中添加一定的误差，计算本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于边缘计算的闸前反射式水位计智能校准的方法，其特征在于，包括离线校准阶段，进一步包括如下步骤：提升控制电机控制水位托盘水平放置，提升的水位托盘的满水位至高于闸前水位并固定，为闸前水位的校准提供基准面；步进电机控制丝杆转动，带动与丝杆相连的水位测量装置及支架从起始位置开始以预设间隔高度向上移动，且每移动一预设间隔，测量一次闸前水位、气象参数和水位测量装置及支架至水面的空气透明度数据，并记录上述数据，直至水位测量装置及支架向上移动到最上端；步进电机控制丝杆反向转动，带动与丝杆相连的水位测量装置及支架以预设间隔高度向下移动，且每移动一预设间隔，测量一次闸前水位、气象参数和水位测量装置及支架至水面的空气透明度数据，并记录上述数据，直至水位测量装置及支架向下移动到最下端；步进电机控制丝杆再次反向转动，带动与丝杆相连的水位测量装置及支架以预设间隔向上移动，且每移动一预设间隔，测量一次闸前水位、气象参数和水位测量装置及支架至水面的空气透明度数据，并记录上述数据，直至水位测量装置及支架向上移动到反射式水位计量程中部，停止移动水位测量装置及支架；建立多个测值误差修正模型，以测量的多组闸前水位、气象参数和透明度数据作为输入样本，以对应水位测量装置及支架在丝杆上移动的距离对应的水位值与闸前水位测值之差为输出样本，将输入样本与输出样本分别添加到多个测值误差修正模型中，对多个测值误差修正模型进行训练，得到多个训练好的测值误差修正模型，对训练好的测值误差修正模型进行综合评价，确定最优测值误差修正模型；利用确定的最优测值误差修正模型对反射式水位计测值进行实时误差修正，对闸前水位进行在线测量。2.根据权利要求1所述的基于边缘计算的闸前反射式水位计智能校准的方法，其特征在于，对闸前水位在线测量的步骤包括：将闸前水位值以及时间同步气象和透明度数据输入选定的最优测值误差修正模型，通过边缘计算对误差进行修正，在线输出经校准的闸前水位值，将经校准的闸前水位值进行本地存储和/或发送到后方处理中心或授权移动终端。3.根据权利要求1所述的基于边缘计算的闸前反射式水位计智能校准的方法，其特征在于，根据视频图象结合水闸上下游气象和水闸运行情况判断闸前水位是否稳定，如判断闸前水位稳定则直接利用闸前水位作为基准面进行校准...

【专利技术属性】
技术研发人员：方卫华，孙勇，梅星，蔡悦，卢涛，蒋涛，张威，
申请(专利权)人：水利部南京水利水文自动化研究所，
类型：发明
国别省市：