数字孪生云水尺 全河之首出历城

本站7月24日讯   基层观测任务重，物联网云巧应用；

数字孪生云水尺，水位容重同测定。

精测快报有保证；实用简捷省人工；

手机看水不是梦，全河之首出历城。

          ——题记

数字孪生，观测先行，准确为本，应用至上。为准确及时地掌握黄河水位变化过程，在山东黄河河务局防办的支持下，今年5月，历城黄河河务局建成了全河首座物联网水位站，在今年汛前调水调沙中，取得了完整准确的观测资料，初步实现了基层职工用手机看水位的梦想。

图：全河首座物联网水位站

全河之首

黄河水位观测方法有人工水尺和遥测水位站。压力水位计观测水位具有精度高、数据自动上网、受外界影响小等优点。物联网水位站建设前，项目组认为黄河含沙量高，且变化幅度大，压力水位计在黄河上没有应用。后来，在《黄河水文志（1988—2020）》上查到，1982年7月～1983年12月，甘肃省水文总站曾在兰州、连城、石嘴山等水文站进行过压力水位计观测黄河水位的试验，并获得甘肃省科学技术成果三等奖，但并没有推广应用。

2013年出版的《水文测验实用手册》指出，压力水位计不适用于含沙量高的水体，不适用于河口等受海水影响水流密度变化大的地点，要限制使用。也就是说，压力水位计观测水位在全国其他江河中的应用也受到限制。

物联网水位站使用4级压力水位计测量黄河水位，先测出水体容重，求出实际水深，测量精度与清水相同。今年4月，基于物联网水位站申报的2项国家发明专利被同时受理，由此推断，物联网水位站不仅在黄河上是首座，在全国也可能是第一座。

图：物联网水位站数据流程图

命名之难

申报专利的名字叫《PLC双探头压力差分黄河浑水高精度水位观测系统》，简称“压力差分电子水尺”“云水尺”。申报科技项目的名字是《“励智”精测快报物联网水位站》，现场标牌上写的是“全河首座物联网水位站”。压力水位计观测水位是物联网技术在水位观测中的应用，所以叫物联网水位站。

第一代水尺是人工水尺，第二代水尺是遥测水位站，第三代水尺是“云水尺”。人工水尺是人工观测，遥测水位站具有水位观测、数据传输，分析处理等功能。物联网水位站与遥测水位站都是水位的自动监测，只是使用的水位计不同，前者是水中的压力水位计，后者是空中的雷达水位计，所以叫“多探头物联网压力水位站”最准确，能反映主要设备、关键技术和方法。

观测之准

压力水位计实际测量的是水压强，即容重与水深的乘积。清水容重为1，测量的水压强等于水深，测得的数据是准确的；黄河含沙量高，影响水体容重，而且变化幅度大，传统的单个压力水位计，无法测出水体容重，误差较大，因此被限制使用。

物联网水位站实时测定水体容重，消除了不同水体带来的误差，误差只取决于压力水位计本身。选用高精度压力水位计，满足国家规范要求。通过视频截图方式，与人工水尺对比，差值均在0.02米以内，按误差理论计算，误差为0.007米，符合相关规定。

图：物联网水位站观测与人工水尺对比视频截图

数学之用

双探头压力差分法观测黄河水位的想法，来源于数字信号的差分传送。数字信号是二进制的，高电平3.5～5伏为1，低电平0～1.5伏为0；在传输中如果受到干扰，就会出现错误，例如传递+1伏低电平，受到+3伏的干扰，就成了+4伏（1+3=4），接收到的就是+4伏高电平。为解决这个问题，发送时，同时发送两路电信号，其差值为+1伏，如果再受到+3伏的干扰，两路信号电压同时增加+3伏，其差值仍为1伏不会改变。物联网水位站把两个压力水位计探头间距设定为1米，如果测量出的结果为1米，就不用调整；如果不是1米，就按比例调整压力水位计的读数。

哲学之思

水位是指河流或其他水体的自由水面相对于某一基面的高程。水位有三个空间概念，即自由水面、水面之上的空气和水面之下的水体。人工水尺直接感知水面，遥测水位站从空中感知水面，物联网水位站从水中感知水面，水面的三个空间量都用上了，形成了水（压力水位计）、陆（人工水尺）、空（遥测水位站）的立体水位观测网。现在是“人工站、遥测站、物联网站三代站同断面、互相校核同在岗；目视测、雷达测、压力计测、水陆空多视角、共构立体观测网”。

深研之门

物联网水位站建设之初，设想能同时观测水位和含沙量，建成后发现，水位观测是准确的，原理和测量结果大家都认可。而含沙量观测值与泺口水文站的观测结果相差较多。“每一个无法解释的现象，都可能是一门新兴学科的入口”，这一发现带给项目组一个惊喜，找到了一个深入研究的入口之门。有专家认为，观测含沙量的意义比观测水位更大，水位观测是有办法的，但黄河河务部门一直没有开展含沙量观测。目前，含沙量测量都是从河中取样，在实验室测定。如果物联网水位站能观测含沙量，就能实现含沙量免取样，就地、实时、快速测量，那将又是一个新突破。

前景之广

物联网水位站为黄河水位观测提供了一个新方法，在黄河上推广应用前景广阔。天然水体的容重一般都大于1，利用压力水位计监测江河、湖泊、水库及其他密度稳定的天然水体，也需要进行容重修正，采用物联网水位站的结构方案也是一个好的选择。

“励智三测”基层梦，根石水位含沙量。《“励智”智能高精度根石探测无人艇研制》已列入水利部重大科技项目，山东黄河河务局正全力研究攻关。《“励智”精测快报物联网水位站》解决了压力水位计用于黄河水位观测的技术问题，为黄河水位自动化观测提供了新方法。《“励智”免取样就地实时快速测量含沙量方法》已有了明确的研究思路，相信不远的将来，三项观测技术研究成功并推广应用后，黄河基层的观测技术水平将会大幅度提高。（戴康）