CN113566931B

CN113566931B - 基于边缘计算的闸前反射式水位计智能校准方法及系统

Info

Publication number: CN113566931B
Application number: CN202110831966.XA
Authority: CN
Inventors: 方卫华; 孙勇; 梅星; 蔡悦; 卢涛; 蒋涛; 张威
Original assignee: Nanjing Water Conservancy and Hydrology Automatization Institute Ministry of Water Resources
Current assignee: Nanjing Water Conservancy and Hydrology Automatization Institute Ministry of Water Resources
Priority date: 2021-07-22
Filing date: 2021-07-22
Publication date: 2023-06-09
Anticipated expiration: 2041-07-22
Also published as: CN113566931A

Abstract

本发明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。

Description

基于边缘计算的闸前反射式水位计智能校准方法及系统

技术领域

本发明涉及水利工程领域，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。

背景技术

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。

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。

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。该发明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。然而该发明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。

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。该实用新型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。然而该实用新型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。

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。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明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。

本发明是通过以下技术方案予以实现的：

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：

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；

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。

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。

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。

具体地，气象参数进一步包括风速、湿度、气压和气温数据。

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。

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。

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。

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。

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。

优选地，选择相关向量机、长短时记忆、编码-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。

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，计算测值误差修正模型得到的预测值中误差，判断测值误差修正模型的稳定性；通过判断当预测精度为相同的最大允许误差时，所对应的时间长度是否满足要求，判断测值误差修正模型的泛化能力；综合考虑精度、稳定性和泛化能力最好的模型作为确定的最优测值误差修正模型。

具体地，认定电机驱动高精密丝杆的长度(考虑温度修正)作为“真值”，反射式水位计量测量的测值为含有误差的“测值”，由于反射式水位计本身的仪器稳定性造成的漂移、测量介质影响以及测量系统的不稳定性造成“测值”存在一定得误差。通过驱动电机按固定的步数旋转控制支架上行和下行，在每一步中根据高精密丝杆的螺距考虑温度修正后乘以步数，结合托盘水面高程即可得到每一步的“真值”H_i(i＝1，2，3，...，N)，同时刻采用反射式水位计采集得到的“测值”为h_i(i＝1，2，3，...，N)，有关系式H_i＝h_i+v_i成立，则得到每一步需要对“测值”的“修正值”为v_i＝H_i-h_i，通过一个循环得到“修正值”序列v_i(i＝1，2，3，...，N)。通过分析v_i(i＝1，2，3，...，N)的影响因素不难发现，存在如下关系v_i＝f(T_i，t，h_i，M_i，τ_i，ω_i，w_i)，其中，T_i、t、h_i、M_i、τ_i、ω_i、w_i分别代表温度测值、时间、反射式水位计测值、湿度测值、水面到发射式水位计之间的空气透明度、风力和风向。上述测值由系统现地传感器同步测量获得。由于f(·)为非线形函数，这里采用非线性神经网络模型逼近，如相关向量机(SVM)、长短时记忆(LSTM)、编码-解码神经网络模型和门控循环单元(GRU)作为测值误差修正模型。定期率定好模型后得到稳定可靠和高精度v_i＝f(T_i，t，h_i，M_i，τ_i，ω_i，w_i)，则日常测量时候得到经过修正的闸前水位值为：

H(t)＝h(t)+v(t)，其中H(t)为经边缘计算得到修正后的反射式水位计测值，h(t)为修正前反射式水位计实测输出，v(t)为率定好的测值误差修正模型的输出。

基于边缘计算的闸前反射式水位计智能校准的系统，包括测量装置及支架、支架升降控制装置、基准面提供装置、测量通讯控制装置、水准标点和钢筋混凝土墩面，其中，测量装置及支架用于测量闸前水位以及气象和透明度数据；支架升降控制装置用于驱动水位测量装置及支架以固定间隔高度上下移动并固定；基准面提供装置用于校准时提供稳定的水面基准并保证测量时不影响水流和水面；测量通讯控制装置与测量装置及支架、支架升降控制装置和基准面提供装置连接，用于测量传感器、控制电机、边缘计算、前后方通讯以及存储并记录相关实测数据、程序和设置的参数。

优选地，支架升降控制装置包括驱动电机，驱动电机带动丝杆正向和反向转动。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明在离线校准时，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，解决了闸前反射式水位计的现场校准问题。

(2)本发明可以对建立的测值误差修正模型进行定期更新，并根据测值误差修正模型在线输出校验后的水面高程。

(3)本发明建立的测值误差修正模型对测量敏感性进行分析，选择精度最高和\或抗干扰能力最强的位置，减小环境对检测的影响。

附图说明

图1为根据本发明实施例的方法流程图；

图2为根据本发明实施例的系统设备图；

图中：1、测量装置及支架；2、支架精密升降控制装置；3、基准面提供装置；4、测量通讯控制装置；5、水准标点；6、钢筋混凝土墩面；1-1、反射式水位计；1-2、视频及水雾浓度探头；1-3、带内螺纹升降螺母样驱动组件；1-4、圆柱中空内壁光滑定位滑动套件；1-5、小型气象站；1-6、悬臂刚性杆件；2-1、驱动电机；2-2、倾斜传感器；2-3、电机固定定位刚性支架；2-4、定位光滑导杆；2-5、高精密丝杆；2-6、竖直轴承；2-7、可调节基座；3-1、水下托盘；3-2、可控制定位转轴；3-3、锚固杆件；3-4、托盘上下升降导轨；3-5提升及控制电机。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述发实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例1

如图1-2所示，本实施例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，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，通过同时感知水位计输出信号和环境信息，采用定期离线建立测值误差修正模型和在线实时输出的策略，实现了闸前水位的智能校准。

该方法可以推广到闸后、坝前、渠道等应用反射式水位计的场合，实现水位的高精度监测。

对系统设备进行自检，判断系统设备是否正常，若不正常则修复至系统设备正常；若正常则对竖杆倾斜度进行检查，若竖杆倾斜度不满足要求则进行竖直调整直至竖杆倾斜度满足要求；若竖杆倾斜度满足要求则对测值误差修正模型的精度进行判断，若测值误差修正模型的精度不满足要求，则对测值误差修正模型进行校准；若测值误差修正模型的校准不满足要求，则对测值误差修正模型进行再次校准直至测值误差修正模型的精度满足要求；使用满足精度要求的最优测值误差修正模型进行水位测量。

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；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。

进一步地，水位测量装置及支架以固定间隔高度向上或向下移动，一般设置为5cm。

进一步地，气象参数进一步包括风速、湿度、气压和气温数据。

进一步地，水位测量装置及支架置于预设位置Y，Y为水位测量装置及支架的现时预设位置。

进一步地，水位测量装置及支架置于预设位置Z，Z为水位测量装置及支架的曾经或最高位置。

进一步地，校准水面高程X，在整个校准过程中保持稳定。

作为一种实施方式，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。

作为一种实施方式，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。

作为一种实施方式，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。

作为一种实施方式，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。

作为一种实施方式，选择相关向量机(SVM)、长短时记忆(LSTM)、编码-解码神经网络模型和门控循环单元(GRU)作为测值误差修正模型。

作为一种实施方式，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，计算测值误差修正模型得到的预测值中误差，判断测值误差修正模型的稳定性；通过判断当预测精度为相同的最大允许误差时，所对应的时间长度是否满足要求，判断测值误差修正模型的泛化能力；综合考虑精度、稳定性和泛化能力最好的模型作为确定的最优测值误差修正模型。

进一步地，随机抽取50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。

进一步地，在输入样本中添加10％的误差，计算测值误差修正模型得到的预测值中变化绝对值。

进一步地，当预测精度为小于2倍的误差时，判断所对应的时间长度是否满足要求。

进一步地，对训练好的测值误差修正模型进行综合评价的方法可以采用模糊综合评价或层次分析方法中的任一种，具体分析方法为：对精度指标、稳定性指标和泛化能力指标进行计算后得到综合指标，根据多指标计算得到的综合指标，通过排序选出总体最优测值误差修正模型。

实施例2

如图1-2所示，本实施例提供一种基于边缘计算的闸前反射式水位计智能校准的系统，所述系统包括测量装置及支架1、支架精密升降控制装置2、基准面提供装置3、测量通讯控制装置4、水准标点5和钢筋混凝土墩面6，其中，测量装置及支架1用于测量闸前水位以及气象和透明度数据；支架精密升降控制装置2用于驱动水位测量装置及支架以固定间隔高度上下移动并固定；基准面提供装置3用于校准时提供稳定的水面基准并保证测量时不影响水流和水面；测量通讯控制装置4与测量装置及支架1、支架精密升降控制装置2和基准面提供装置3连接，用于测量传感器、控制电机、边缘计算、前后方通讯以及存储并记录相关实测数据、程序和设置的参数。

进一步地，测量装置及支架1为竖直可升降的部件，作为水位测量装置及支架，包括反射式水位计1-1、视频及水雾浓度探头1-2、带内螺纹升降螺母样驱动组件1-3、圆柱中空内壁光滑定位滑动套件1-4、小型气象站1-5和悬臂刚性杆件1-6；支架精密升降控制装置2为竖直升降驱动-导杆组，包括驱动电机2-1、倾斜传感器2-2、电机固定定位刚性支架2-3、定位光滑导杆2-4、高精密丝杆2-5、竖直轴承2-6和可调节基座2-7；基准面提供装置3为基准稳定水面提供装置，用于在无法确定校准基准面时提供稳定的基准水面，包括水下托盘3-1、可控制定位转轴3-2、和锚固杆件3-3、托盘上下升降导轨3-4和提升及控制电机3-5。测量通讯控制装置4包括嵌入式计算机及电源通讯装置。

进一步地，反射式水位计1-1用于测量水面高程；视频及水雾浓度探头1-2用于感知水下托盘3-1的位置及分析空气透明度；带内螺纹升降螺母样驱动组件1-3与高精密丝秆2-5螺接，在高精密丝秆2-5上调整高度；圆柱中空内壁光滑定位滑动套件1-4套设在定位光滑导杆2-4上，在定位光滑导杆2-4上滑动；小型气象站1-5用于根据影响反射式水位计测量精度和稳定性的气象要素，包括风速、湿度、气压和气温数据；悬臂刚性杆件1-6，用于连接反射式水位计1-1、视频及水雾浓度探头1-2、带内螺纹升降螺母样驱动组件1-3、圆柱中空内壁光滑定位滑动套件1-4和小型气象站1-5。

进一步地，反射式水位计1-1可以是单台超声波、激光、毫米波等，也可以是其组合，以相互补充实现高精度测量范围之间的相互衔接。

进一步地，驱动电机2-1与高精密丝杆2-5连接，采用高精度步进电机或伺服电机，用于水位测量装置及支架高精度高度控制，特点是步距角小、定位精度高、误差不累积、停转不断电时具有自锁能力、运行可靠。可以根据步进角度即脉冲电流数和高精密丝杆2-5考虑温度热胀冷缩修正后的导程确定分辨率。如当步进角为1.5°，主轴旋转一周共需要240个脉冲电流，高精密丝杆2-5导程2.5mm，2.5/240＝0.010417就是分辨率。

进一步地，驱动电机2-1带动高精密丝杆2-5正向和反向转动，调节水位测量装置及支架调节的高度位置。

进一步地，驱动电机2-1正向旋转带动高精密丝杆2-5转动控制控制水位测量装置及支架向上移动，驱动电机2-1反向旋转带动高精密丝杆2-5转动控制控制水位测量装置及支架向下移动。

进一步地，水位测量装置及支架运动一个周期，使得闸前水位变化范围处于仪器量程最高精度测量范围内。

进一步地，倾斜传感器2-2与可调节基座2-7配合；电机固定定位刚性支架2-3用于固定驱动电机2-1；定位光滑导杆2-4，其高度考虑温度变化修正，根据材料的热膨胀系数，由热力耦合计算得到；高精密丝秆2-5通过上面的精密螺纹控制水位测量装置及支架的升降高度和确定具体位置，为不锈钢梯形螺杆，配备的螺旋副内设有压簧，以消除运动中的间隙误差；竖直轴承2-6保证高精密丝杆2-5能绕竖直轴线自由转动，其高度考虑温度变化修正，根据材料的热膨胀系数，由热力耦合计算得到；可调节基座2-7能根据测斜传感器2-2检查定位光滑导杆2-4的竖直度。

进一步地，与高精密丝杆2-5平行的位置安装有导向直线轴承和滑动支撑杆，保证水位测量装置及支架能上下做平稳直线升降。

进一步地，基准面提供装置3用于克服天然水位波动起伏，为反射式水位计校准提供稳定的基准水面。为了保证水位高程在校准采样过程中不变，如水闸校准时间内水闸水位能提供稳定水平则不需要基准面提供装置3，如水闸水位波动大，则需要基准面提供装置3，提升高出闸前动水位制造静水面作为基准面进行校准

进一步地，水下托盘3-1有两种盛水容器水平和竖直定位状态；离线校准时，水下托盘3-1水平，平常在线测量时水下托盘3-1处于靠岸状态，不影响水流。校准时提升及控制电机3-5控制水下托盘3-1水平抬起并盛满水，调节水下托盘3-1在托盘上下升降导轨3-4上位置，盛水水面高度略高于闸前受风浪流等多因素耦合的最高水位；在线测量时提升及控制电机3-5通过可控制定位转轴3-2控制水下托盘3-1紧贴边壁直立，避免影响水流。

进一步地，水下托盘上下升降导轨3-4上面预设一点固定定位，水下托盘3-1高度根据闸前水面高度升起并定位。

进一步地，装置中所有传感器和电机均由测量通讯控制装置4进行控制，相互在边缘计算的指挥下形成一个有机整体。

进一步地，嵌入式计算机及电源通讯装置，内部采用边缘计算，内置操作系统和软件，实现模型的自动率定和在线测量。模型采用轻量化深度神经网络模型。同时具有测量、控制和电源供应装置，能对整个系统所属传感器进行测量、电机进行控制，电源进行供应，同时还具有远程无线通讯功能，能与后方管理站或安装相应APP的移动终端实现双向通讯，实现参数设置、采样控制、数据读写等操作。

进一步地，将温度对精密丝杆高度和螺距的影响根据热力耦合计算存入本地嵌入式计算机，校准时根据对应气温测值调用。

进一步地，定位位置及对应高度也存入现地嵌入式计算机，校准时结合水位测量装置及支架升降高度确定反射式水位计应得到的“真值”，也就是在校准阶段的模型输出值。而在在线测量阶段，输出值就是经过误差修正的闸前水位值。

作为一种实施方式，该系统进一步包括水准标点5，用于定期检查基准面高程。

作为一种实施方式，该系统进一步包括钢筋混凝土墩面6，具有牢固稳定不变形的特点。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。

Claims

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；

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。

4.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，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。

5.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，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。

6.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，选择相关向量机、长短时记忆、编码-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。

7.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，计算测值误差修正模型得到的预测值中误差，判断测值误差修正模型的稳定性；通过判断当预测精度为相同的最大允许误差时，所对应的时间长度是否满足要求，判断测值误差修正模型的泛化能力；综合考虑精度、稳定性和泛化能力最好的模型作为确定的最优测值误差修正模型。

8.基于边缘计算的闸前反射式水位计智能校准的系统，用于实现权利要求1至7中任一项所述方法，其特征在于，包括测量装置及支架、支架升降控制装置、基准面提供装置、测量通讯控制装置、水准标点和钢筋混凝土墩面，其中，测量装置及支架用于测量闸前水位以及气象和透明度数据；支架升降控制装置用于驱动水位测量装置及支架以固定间隔高度上下移动并固定；基准面提供装置用于校准时提供稳定的水面基准并保证测量时不影响水流和水面；测量通讯控制装置与测量装置及支架、支架升降控制装置和基准面提供装置连接，用于测量传感器、控制电机、边缘计算、前后方通讯以及存储并记录相关实测数据、程序和设置的参数。

9.根据权利要求8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，支架升降控制装置包括驱动电机，驱动电机带动丝杆正向和反向转动。