本发明属于水位监测技术领域，尤其涉及一种基于数据融合技术的智能型水位监测仪。
背景技术：
当前水位测量仪器主要有浮子水位计、压阻式水位计、雷达水位计、超声波水位计、电子水尺等，由于水位测量仪器的现场工作环境较为恶劣，这些仪器中的光电器件的故障率很高进而使整个水位测量仪器无法工作，导致整个自动化控制系统失灵，甚至引发灾难事故。
当前水位传感器普遍存在着时漂、温漂、精确度、抗干扰能力、稳定性等一系列问题，尤其在恶劣气候条件下的电闪、雷击，易造成水位传感器的故障频发，进而使整个水位测量仪器无法工作，导致整个输水调度自动化控制系统失灵，甚至引发重大安全事故。
当前使用的各种不同原理的水位传感器，长时间使用易受到大气、温度、光照、水质等外界条件变化的影响。这些原因导致水位传感器测量误差值较大且需要经常对设备进行校准与纠偏，增加了维护人员工作量和设备维护成本。
同时使用多套水位监测设备作为冗余备份的水位监测设置方式，因为各传感器测量的数据相互独立，无法相互支持、相互关联，不能提高水位监测的精度；当主水位测量装置故障，备用水位测量装置投入使用时有可能带来水位监测数据的跳跃性变化，致使输水调度自动化控制系统产生误动作。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于数据融合技术的智能型水位监测仪，旨在解决当前水位测量仪器中光电器件的故障率很高进而使整个水位测量仪器无法工作，导致整个自动化控制系统失灵；水位测量仪器中的水位传感器在恶劣气候条件下的电闪、雷击，易造成水位传感器的故障频发，进而使整个水位测量仪器无法工作，导致整个输水调度自动化控制系统失灵，甚至引发重大安全事故；导致水位传感器测量误差值较大且需要经常对设备进行校准与纠偏，增加了维护人员工作量和设备维护成本；各传感器测量的数据相互独立，无法相互支持、相互关联，不能提高水位监测的精度的问题。
本发明是这样实现的，一种基于数据融合技术的智能型水位监测仪，所述基于数据融合技术的智能型水位监测仪包括：
触摸屏单元，安装在设备箱体上，与可编程控制器单元连接，用于手动校准和设定输入输出单元的高程、水位上下限、比例和校准参数以及进行报警提示；
可编程控制器单元，安装在设备箱体上，与输入输出单元连接，用于对输入输出单元传输的水位监测数据进行对比和分析，并对输入输出单元传输控制指令；
输入输出单元，安装在设备箱体上，与可编程控制器单元连接，用于监测水位数据，并将监测的数据传输给可编程控制器单元。
进一步，所述触摸屏单元包括：
主画面，用于显示传感器的状态及传感器参数信息；
参数设定界面，用于设定水位高程、水位上限、比例、校准值；高程为闸站的当前高程，水位上限为闸站正常运行情况下的最高报警水位，比例为输入输出单元的各传感器在程序中对应的数字量和水位的关系，校准值为经过运算后得到的水位值与实际值的误差值；
报警提示界面，用于输入输出单元的各传感器传输的数据都无效的时候，进行故障报警提示。
进一步，可编程控制器单元包括可编程控制器，所述可编程控制器包括：
cpu模块，负责数据计算并与触摸屏信号连接；
di模块，负责采集浮子水位传感器信号；
ai模块，负责采集雷达水位传感器信号、超声波水位传感器信号、压阻式水位传感器信号、电子水尺信号和温度传感器信号；
do模块，负责输出重故障报警信号、轻故障报警信号；
ao模块，负责输出水位测量值的4～20ma信号；
rs485通信模块，rs485通信模块负责与其它设备通信；
电源模块，用于对cpu模块、di模块、ai模块、do模块、ao模块、rs485通信模块进行供电。
进一步，所述可编程控制器单元还包括：
信号分配器，与可编程控制器连接，用于将输入的采集的实时水位数据分为两路信号，一路用于输入至可编程控制器，另一路作为备用状态，在可编程控制器出现故障时，能够将采集的实时水位数据随时传递至能够读取该信号的设备中；
所述信号分配器包括：第一信号分配器、第二信号分配器、第三信号分配器、第四信号分配器、第五信号分配器并均通过信号线与可编程控制器连接；
所述仪表信号输入输出接口包括：浮子水位传感器输入接口端子、浮子水位传感器旁路输出接口端子、雷达水位传感器输入接口端子、雷达水位传感器旁路输出接口端子、超声波水位传感器输入接口端子、超声波水位传感器旁路输出接口端子、压阻式水位传感器输入接口端子、压阻式水位传感器旁路输出接口端子、电子水尺输入接口端子、电子水尺旁路输出接口端子、重故障报警信号输出接口端子、轻故障报警信号输出接口端子、水位测量值输出通信接口插头、重故障报警信号输出接口端子、轻故障报警信号输出接口端子、水位测量值输出通信接口插头；所述重故障报警信号输出接口端子、轻故障报警信号输出接口端子、水位测量值输出通信接口插头、重故障报警信号输出接口端子、轻故障报警信号输出接口端子、水位测量值输出通信接口插头均通过信号线与可编程控制器连接；
第一信号分配器通过信号线分别连接浮子水位传感器输入接口端子、浮子水位传感器旁路输出接口端子；
第二信号分配器通过信号线分别连接雷达水位传感器输入接口端子、雷达水位传感器旁路输出接口端子；
第三信号分配器通过信号线分别连接超声波水位传感器输入接口端子、超声波水位传感器旁路输出接口端子；
第四信号分配器通过信号线分别连接压阻式水位传感器输入接口端子、压阻式水位传感器旁路输出接口端子；
第五信号分配器通过信号线分别连接电子水尺输入接口端子、电子水尺旁路输出接口端子。
进一步，所述输入输出单元包括：
浮子水位计，与第一信号分配器连接，第一信号分配器再与可编程控制器单元连接，用于采集实时水位数据；
压阻式水位计，与第二信号分配器连接，第二信号分配器再与可编程控制器单元连接，用于采集实时水位数据；
雷达水位计，与第三信号分配器连接，第三信号分配器再与可编程控制器单元连接，用于采集实时水位数据；
超声波水位计，与第四信号分配器连接，第四信号分配器再与可编程控制器单元连接，用于采集实时水位数据；
电子水尺，与第五信号分配器连接，第五信号分配器再与可编程控制器单元连接，用于采集实时水位数据。
进一步，所述输入输出单元还包括：
温度传感器，与可编程控制器单元连接，用于采集实时的温度数据；
仪表信号输入输出接口，安装于设备箱体表面，与远程控制单元连接，用于传输信号。
本发明另一目的在于提供一种可编程控制器单元控制方法，所述可编程控制器单元控制方法包括以下步骤：
3)首先将设备安装完成并接通电源；
4)从触摸屏主界面进行设备的初始化设置，清除设备之前预存的数据；然后输入水位计的高程、水位上限、比例、校正系数等相关参数，完成数据的设定；
3)判断采集到的水位值有效后，对输入输出单元的浮子水位计、压阻式水位计、雷达水位计、超声波水位计和电子水尺采集到的数据进行权系数融合计算，权系数低的数据将会被校准；
4)根据最终融合估计值公式进行计算，得到最终融合计算值；
5)得到最终融合计算值后，将会对温度补偿数据组进行判断，如果需要更新，则更新；如果不需要更新，则根据该数组对最终融合计算值进行温度补偿模糊运算；从而得到最终的有效水位；
6)进入下一个采集周期。
进一步，对输入输出单元的浮子水位计、压阻式水位计、雷达水位计、超声波水位计和电子水尺采集到的数据进行权系数融合计算方法包括：
用浮子水位计、压阻式水位计、雷达水位计、超声波水位计和电子水尺从不同方位测量同一水位，第i个传感器在k时刻，所测数据为xi(k)，其中，i＝1，2，3，4，5；若xi(k)与xj(k)的差值a(i，j)较大，表明该时刻两个传感器的观测值相互支持度较低；如果xi(k)与xj(k)很接近，表面该时刻两个传感器的观测值相互支持度较高，则这个观测值的真实性就越高，定义多传感器的支持程度为支持度；其中的支持函数为：sij(k)＝2arccot(|a(i，j)|)/π；
|a(i，j)|越小，sij(k)越大，则该时刻的2个观测值支持程度越高，当|a(i，j)|大于一定的值δ(δ≥0)时，sij(k)值为0；
如果
则根据浮子水位计、压阻式水位计、雷达水位计、超声波水位计和电子水尺的支持度，得到权系数，权系数公式为：
根据权系数公式，得到最终融合估计值表达式：
进一步，手动校准后，在采集某个输入输出单元传感器单元传输的数据时，先对数据的有效性进行判断；水位在输入输出单元正常运行的状态下，输入输出单元当水流静止时，水位变动很小；如果短时间内水位变动很大，输入输出单元则该水位传感器单元出现故障，测量的水位值无效。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明可同时接入多路相同或不同原理的水位监测传感器，只要有一路传感器正常工作就不影响水位监测信息采集工作，，从而大大提高输水调度自动化控制系统的可靠性；；该监测仪利用多个水位计同时感受被测量，其输出则是数据融合计算值，根据误差理论，水位的测量精度将提高；该装置引入温度补偿机制，可减少温度变化带来的测量误差；该装置可智能识别故障传感器，能对此传感器进行自动标定与校准，从而提高水位监测设备的平均故障间隔时间并减少运行维护工作量。
本发明利用所述浮子水位计、压阻式水位计、雷达水位计、超声波水位计、电子水尺多种不同原理的传感器同时感受被测量。检测仪具有信号旁路输出的功能，能够保证信号传递至rtu的同时，也留有接口可以连接到其他的信号读取设备上。所述浮子水位计、压阻式水位计、雷达水位计、超声波水位计、电子水尺单个传感器发生故障，基于数据融合技术的多通道智能型水位监测仪能继续运行。设备具有基于数据融合技术的自校准功能，根据该技术，计算不同设备的权重，从而得到更为准确的水位值。本发明采用中值滤波原理，并且能够去除具有量程外、瞬时跳变过大等特点的数据，并且当设备采集到的水位值处于特殊值域的时候，能够及时有效地发生报警。
附图说明
图1是本发明实施例提供的为基于数据融合技术的多通道智能型水位测量仪的示意图；
图2是本发明实施例提供的设备箱体连接示意图。
图中：1、触摸屏单元；2、可编程控制器单元；3、输入输出单元；4、设备箱体。
图3是本发明实施例提供的可编程控制器单元的控制方法流程图；
图4是本发明实施例提供的为设备箱体底部平面图；
图5是本发明实施例提供的为设备箱体前视图；
图6是本发明实施例提供的触摸屏单元初始画面图一；
图7是本发明实施例提供的触摸屏单元初始画面图二；
图8是本发明实施例提供的触摸屏单元初始画面图三。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细描述。
如图1和图2所示，本发明实施例提供的基于数据融合技术的智能型水位监测仪，包括：
触摸屏单元1，安装在设备箱体上，与可编程控制器单元连接，用于手动校准和设定输入输出单元的高程、水位上下限、比例和校准参数以及进行报警提示；
可编程控制器单元2，安装在设备箱体4上，与输入输出单元连接，用于对输入输出单元传输的水位监测数据进行对比和分析，并对输入输出单元传输控制指令；
输入输出单元3，安装在设备箱体上，与可编程控制器单元连接，用于监测水位数据，并将监测的数据传输给可编程控制器单元。
所述触摸屏单元包括：
主画面，用于显示传感器的状态及传感器参数信息；
参数设定界面，用于设定水位高程、水位上限、比例、校准值；高程为闸站的当前高程，水位上限为闸站正常运行情况下的最高报警水位，比例为输入输出单元的各传感器在程序中对应的数字量和水位的关系，校准值为经过运算后得到的水位值与实际值的误差值；
报警提示界面，用于输入输出单元的各传感器传输的数据都无效的时候，进行故障报警提示。
可编程控制器单元包括可编程控制器，所述可编程控制器包括：
cpu模块，负责数据计算并与触摸屏信号连接。
di模块，负责采集浮子水位传感器信号。
ai模块，负责采集雷达水位传感器信号、超声波水位传感器信号、压阻式水位传感器信号、电子水尺信号和温度传感器信号。
do模块，负责输出重故障报警信号、轻故障报警信号。
ao模块，负责输出水位测量值的4～20ma信号。
rs485通信模块，rs485通信模块负责与其它设备通信。
电源模块，用于对cpu模块、di模块、ai模块、do模块、ao模块、rs485通信模块进行供电。
所述可编程控制器单元还包括：
信号分配器，与可编程控制器连接，用于将输入的采集的实时水位数据分为两路信号，一路用于输入至可编程控制器，另一路作为备用状态，在可编程控制器出现故障时，能够将采集的实时水位数据随时传递至能够读取该信号的设备中；
所述信号分配器包括：第一信号分配器、第二信号分配器、第三信号分配器、第四信号分配器、第五信号分配器并均通过信号线与可编程控制器连接；
所述仪表信号输入输出接口包括：浮子水位传感器输入接口端子、浮子水位传感器旁路输出接口端子、雷达水位传感器输入接口端子、雷达水位传感器旁路输出接口端子、超声波水位传感器输入接口端子、超声波水位传感器旁路输出接口端子、压阻式水位传感器输入接口端子、压阻式水位传感器旁路输出接口端子、电子水尺输入接口端子、电子水尺旁路输出接口端子、重故障报警信号输出接口端子、轻故障报警信号输出接口端子、水位测量值输出通信接口插头、重故障报警信号输出接口端子、轻故障报警信号输出接口端子、水位测量值输出通信接口插头；所述重故障报警信号输出接口端子、轻故障报警信号输出接口端子、水位测量值输出通信接口插头、重故障报警信号输出接口端子、轻故障报警信号输出接口端子、水位测量值输出通信接口插头均通过信号线与可编程控制器连接；
第一信号分配器通过信号线分别连接浮子水位传感器输入接口端子、浮子水位传感器旁路输出接口端子；
第二信号分配器通过信号线分别连接雷达水位传感器输入接口端子、雷达水位传感器旁路输出接口端子；
第三信号分配器通过信号线分别连接超声波水位传感器输入接口端子、超声波水位传感器旁路输出接口端子；
第四信号分配器通过信号线分别连接压阻式水位传感器输入接口端子、压阻式水位传感器旁路输出接口端子；
第五信号分配器通过信号线分别连接电子水尺输入接口端子、电子水尺旁路输出接口端子。
所述输入输出单元包括：
浮子水位计，与第一信号分配器连接，第一信号分配器再与可编程控制器单元连接，用于采集实时水位数据；
压阻式水位计，与第二信号分配器连接，第二信号分配器再与可编程控制器单元连接，用于采集实时水位数据；
雷达水位计，与第三信号分配器连接，第三信号分配器再与可编程控制器单元连接，用于采集实时水位数据；
超声波水位计，与第四信号分配器连接，第四信号分配器再与可编程控制器单元连接，用于采集实时水位数据；
电子水尺，与第五信号分配器连接，第五信号分配器再与可编程控制器单元连接，用于采集实时水位数据。
所述输入输出单元还包括：
温度传感器，与可编程控制器单元连接，用于采集实时的温度数据；
仪表信号输入输出接口，安装于设备箱体表面，与远程控制单元连接，用于传输信号。
下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
本发明实施例的设备功能，包括：
水位监测是诸如南水北调、胶东供水等水资源调度工程最重要的参数，传统的水位监测仪表普遍存在着时漂、温漂、精确度、抗干扰能力、稳定性等一系列问题，使水位监测设备故障频发，水位监测设备故障将导致整个输水调度自动化控制系统失灵，甚至引发重大安全事故。基于数据融合技术的智能型水位监测仪可自动检测出测量精度明显下降的传感器，能对此传感器进行自动标定与校准，从而提高水位监测设备的平均故障间隔时间并减少运行维护工作量。
本发明主要特点：稳定性强、自校准、温度补偿、旁路输出。
稳定性高：采用浮子水位计、压阻式水位计、雷达水位计、超声波水位计、电子水尺五种不同原理的传感器测量水位，只要有一路传感器正常工作就不影响水位监测信息采集工作，，由此就减少了水位自动监测设备的故障时间和几率，从而提高自动化控制系统的可靠性。
自校准：远程控制单元采集五种不同原理的传感器的数据，经过滤波之后，将采集到的数据进行对比和分析，当其中一个水位计传感器出现故障的时候，用其余传感器对该故障设备的测量值进行校准，从而得到准确的测量值。
温度补偿：该远程控制单元能够根据不同温度、相同水情下得到的水位测量数据，建立不同温度下的水位数据组，作为温度补偿的依据。然后在设备正常运行时，根据当时的温度，计算出温度补偿的数据，从而对水位进行调整和优化，从而得到更为准确的水位值。
旁路输出：监测仪中配备分线器，其作用是能够将输入的水位采集信号分为两路信号，一路输入至可编程控制器单元，另一路作为备用状态，能够保证在可编程控制器单元出现故障或者其他必要的时候，能够将水位采集信号随时传递至能够读取该信号的设备中，从而保证水位信号传递的多样性。
工作流程：设备首次安装和使用，需要在设备主菜单进行手动系统初始化。初始化的过程会将设备之前可能存在的设定参数(比如浮子水位计的高程设定、水位上下限、比例和校准等参数)清零，避免影响后续的使用和测量。
初始化之后，需要在设备主菜单进行手动校准、标定相关参数。
设备主菜单包括主画面、参数设定和报警提示三个界面。在参数设定界面设定高程、水位上限、比例、校准值。其中，高程代表的是闸站的当前高程，水位上限指的是闸站正常运行情况下的最高报警水位，比例是指传感器在程序中对应的数字量和水位的关系，校准值指的是经过运算后得到的水位值与实际值的误差值。
比如水位的范围为2-5m，高程为2m，水位的上限也是5m，浮子水位计传输的电流为4-20ma，经过ai模块转换对应的数字量为0-10000，则需要输入浮子水位计的比例为0.33，校准值为300(水位值为10000×0.33-300+2000＝5000mm)。
进行完传感器输出手动校准和标定后，已经设定了高程、上限、比例和校准值等参数，经过运算，就能得到传感器传输的准确的水位值。
程序会自动检测采集到的水位值，分析并判断水位值是否有效。
水位值是否有效的条件包括：
水位在输入输出单元正常运行的状态下，当水流静止时，水位变动很小；如果短时间内水位变动很大，则该水位传感器单元出现故障，测量的水位值无效。
如果检测到浮子水位计、压阻式水位计、雷达水位计、超声波水位计、电子水尺测量的水位数据有效，就需要对五种传感器的水位测量值进行数据融合计算。
用5个不同原理的传感器从不同方位测量同一水位，第i个传感器在k时刻，所测数据为xi(k)，其中，i＝1，2，3，4，5。若xi(k)与xj(k)的差值a(i，j)较大，表明该时刻两个传感器的观测值相互支持度较低；如果xi(k)与xj(k)很接近，表面该时刻两个传感器的观测值相互支持度较高，则这个观测值的真实性就越高，定义多传感器的支持程度为支持度。其中的支持函数为：sij(k)＝2arccot(|a(i，j)|)/π。
|a(i，j)|越小，sij(k)越大，则该时刻的2个观测值支持程度越高，当|a(i，j)|大于一定的值δ(δ≥0)时，sij(k)值为0。
如果
则根据每个传感器的支持度，可以得到权系数，权系数公式为：
根据权系数公式，可得到最终融合估计值表达式：
在计算出权系数的时候，能够根据权系数判断传感器是否需要校正。当某个传感器的权系数过低的时候，就需要进行校正。根据其他权系数较高的传感器的数据对该传感器的数据进行校正，校正后，再根据最终融合估计值表达式求出最终融合计算值。
得到融合计算后的数据后，需要对最终融合计算值进行温度补偿模糊运算。首先判断温度补偿数据组是否有效，如果无效，更新该数组。确认该数组有效后，进行温度补偿模糊运算。
该运算利用仅在温度变化的单一条件下，各传感器测量的水位值得变化情况建立数据组。从而根据该数组，对每个温度的水位值进行模糊运算，从而得到更为准确的水位值。
如图3所示，本发明实施例提供的可编程控制器单元的控制方法，包括以下步骤：
1、首先将设备安装完成并接通电源。
2、从触摸屏主界面进行设备的初始化设置，清除设备之前预存的数据。然后输入水位计的高程、水位上限、比例、校正系数等相关参数，完成数据的设定。
手动校准后，控制单元在采集传感器数据的时候，会先对数据的有效性进行判断，水位值是否有效的条件包括：水位在传感器正常运行的状态下，传感器的水位值应该为2-5m之间；由于闸门不动的时候，水位变动很小，所以当闸门静止的时候，如果短时间内水位变动很大，那么就认为传感器出现故障，测量的水位值无效。
3、判断采集到的水位值有效后，将会对五个传感器采集到的数据进行权系数计算，权系数低的数据将会被校准，校准后，得到有效的五个数据。
4、根据最终融合估计值公式以及上面计算得到的五个数据进行计算，得到最终融合计算值。
5、得到最终融合计算值后，将会对温度补偿数据组进行判断，如果需要更新，则更新；如果不需要更新，则根据该数组对最终融合计算值进行温度补偿模糊运算。从而得到最终的有效水位。
6、进入下一个采集周期。
图4是本发明实施例提供的为设备箱体图底部平面图；
图5是本发明实施例提供的为设备箱体前视图。
图6是本发明实施例提供的触摸屏单元初始画面图一；
图7是本发明实施例提供的触摸屏单元初始画面图二；
图8是本发明实施例提供的触摸屏单元初始画面图三。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。