本发明涉及船闸水位测量领域，特别涉及一种基于级联布置方案的船闸水位监测系统及方法。
背景技术：
1、在船闸的工业控制系统中，船闸运行水位监测系统起着至关重要的作用。水位测量系统作为船闸运行水位监测系统的核心单元，其所输出的水位测量值简称“水位信号”的可靠性和准确性，直接影响着船闸设备能否安全平稳地运行和船舶能否平稳地进行移泊和靠泊,是决定船闸运行安全的关键因素之一；水位信号不仅运用于判断船闸运行模式等重要运行参数，同时水位信号差值还参与船闸闸门平压启闭、水级保护、阀门声振抑制、反向水头抑制等船闸运行关键工艺控制。
2、光纤光栅传感技术自出现起，以其天然抗电磁干扰、耐腐蚀、易于联结布置等独特优势日益受到科技界、工程界的重视，已经广泛用于信息以及传感系统，如医疗行业中移液针液体位置探测；在火箭发射或者战斗机起飞时尾焰温度的监测；在风洞机载下垂尾模型的颤振检测中相应的应变距离的测量；在卫星火箭等外表实时监控周围的压力压强；在深层潜水中实时监测结构的形变；航空母舰载机起飞时需要获取加速度参数等，均展示了其在极端条件下的可靠性和精确性，在这些环境恶劣、电磁干扰强的环境中，使用光纤这种无源器件来进行参数测量就显得尤为便捷；因此光纤光栅技术液位传感器也逐渐引起水利行业研究者的兴趣，近年来研究者对光纤光栅在船闸水位测量领域的应用进行了一些有益探索。
3、但国内外研究者对于光纤光栅液位传感器的研究主要方向集中在光纤光栅传感器本身性能，在船闸尤其是高水头船闸的使用场景下的光纤光栅水位测量系统的相关研究较少，实际运用时还是以传统手段进行，在船闸水位变幅大、水位变化速率高、测量环境恶劣的场景中测量精度和可靠性不够突出；因此，需要设计一种基于级联布置方案的船闸水位监测系统及方法来解决上述问题。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题是提供一种基于级联布置方案的船闸水位监测系统及方法，有效结合船闸水位变化特性，利用光纤光栅测量系统的优势，实现船闸水位测量的精确度和可靠性。
2、为实现上述技术效果，本发明所采用的技术方案是：
3、一种基于级联布置方案的船闸水位监测系统，包括多个光纤光栅传感器，多个光纤光栅传感器分别通过独立的安装支架连接在水位测量井内壁；多个光纤光栅传感器通过光纤电性连接，光纤通过光纤融接盒接入解调仪，解调仪内集成上位机；
4、光纤融接盒用于在光纤接入到解调仪的过程中进行光纤融接；
5、解调仪用于控制光纤光栅传感器的激光发射、光栅反射光接收以及对采集的数据进行解调，获得解调后数据；
6、上位机用于将解调后数据进行数据处理，转换成水位值，并和操作员进行交互以及与中控系统通信。
7、优选地，上述一种基于级联布置方案的船闸水位监测系统的方法，包括：
8、s1，上位机将解调仪解调后的数据经过限幅滤波进行数据预处理，去除数据中的粗大误差，将解调后的数据转换成水位值；
9、s2，水位测量井进行充水或泄水作业，当某个光纤光栅传感器进入或离开水体时，使用当前光纤光栅传感器的安装高程对当前光纤光栅传感器反馈的水位值进行验证校准，校准光纤光栅传感器的零点和斜率；
10、s3，使用联合卡尔曼滤波算法，对验证后的水位值数据进行数据融合；
11、s4，输出融合后的水位值。
12、优选地，步骤s2中，使用当前光纤光栅传感器的安装高程对当前光纤光栅传感器反馈的水位值进行验证校准，校准光纤光栅传感器的零点和斜率的方法为：
13、s201，水位测量进行充水或泄水作业时，水位向上或向下变化，检测到某光纤光栅传感器si进入或离开水体；
14、s202，使用该光纤光栅传感器si的安装高程h作为标准水位值，计算该光纤光栅传感器si安装位置以下的光纤光栅传感器si-1的值和标准水位值h的差值，即计算|si-1-h|；
15、s203，判断|si-1-h|是否大于设定的容许误差d，若大于容许误差，则将光纤光栅传感器si-1的值标记为无效水位，并以标准水位值h为标定值，调整光纤光栅传感器si-1的零点，使|si-1-h|能够落在容许误差d范围内；若小于容许误差d，则将光纤光栅传感器si-1的值标记为有效水位；
16、s204，重复步骤s202和步骤s203，直到该光纤光栅传感器si以下的所有光纤光栅传感器均完成判断和校准过程；
17、s205，重复步骤s201～步骤s204，直到充水或泄水过程完成。
18、优选地，步骤s205中，如果某光纤光栅传感器零点校准的次数达到两次，则对该水位进行斜率校准，斜率校准的方法为：
19、
20、其中δh2为第二次零点校正时的零点校准量，h1和h2分别为第一次校准和第二次校准时的水位值，k旧为原始斜率。
21、进一步地，在步骤s205的循环中，如果某支光纤光栅传感器零点校准的次数达到三次或以上，则认为该光纤光栅传感器出现硬件故障，无法通过校准来解决，上位机发出故障警告信号，通知工作人员处理。
22、优选地，步骤s3中，使用联合卡尔曼滤波算法，对验证后的水位值数据进行数据融合方法为：
23、s301，将标记为有效水位的数据进行状态预测，计算水位的先验预测值xi-(k)：
24、
25、其中水位变化的离散动力学方程为：
26、x(k)＝ax(k-1)+w(k)；
27、观测方程为：
28、zi(k)＝hx(k)+vi(k)；
29、a为动力学方程中的转移矩阵，为上一时刻水位值的后验估计值，表示水位值的先验预测值；x(k)为水位变化状态方程中的状态变量，w(k)为系统过程噪声，zi(k)表示第i支水位计的观测向量，h表示观测矩阵，vi(k)表示测量噪声，k表示采样序列；
30、s302，计算协方差的先验预测值：
31、
32、其中表示上一时刻的协方差矩阵，表示协方差矩阵的先验预测，qi(k)为系统的噪声方差，at为动力学方程中的转移矩阵的转置矩阵；
33、s303，计算卡尔曼增益值：
34、
35、其中ri(k)表示该光纤光栅传感器测量噪声的方差；gi(k)表示卡尔曼增益值；
36、s304，更新状态变量的协方差矩阵，为下一次循环做准备：
37、
38、其中表示当前时刻的协方差矩阵；
39、s305，更新水位值的后验估计值：
40、
41、其中表示水位值的后验估计值，表示水位值的先验预测值；zi表示第i支水位计的观测向量；
42、s306，在每个采样周期内循环步骤s301～s305，为每个有效水位提供滤波后的估计值；
43、s307，联合所有光纤光栅传感器信息，进行水位的整体估计：
44、
45、
46、其中，x+(k)表示水位的整体后验估计值，p+(k)为计算各水位计分配系数的中间变量，为第i支水位计当前时刻协方差矩阵的倒数；
47、系统的过程信息q在各个局部滤波器之间的分配关系为：
48、
49、
50、其中，表示第i支水位计过程噪声方差的倒数；βi表示分配系数，反映了不同光纤光栅传感器使用的权重，当某个光纤光栅传感器的可信度下降时，分配系数降低。
51、本发明提供的一种基于级联布置方案的船闸水位监测系统及方法的有益效果如下：
52、1，本发明针对船闸闸室内外水位差测量场景或其他测量水位差的场景，采用级联方案可以从原理上增加测量精度；
53、2，本发明通过使用联合卡尔曼滤波算法，可以利用所有有效水位计数据，避免了数据的浪费，可以从算法上提高水位测量值的精度和稳定性；
54、3，本发明利用联合卡尔曼滤波分配系数的动态变化，当水位计数据异常时，能调低分配系数，可以有效避免因某只水位计数据错误影响最终水位结果；
55、4，本发明利用级联方案的布置特性设计的零点校准和斜率校准算法，可以有效校准水位计的零点漂移和斜率漂移，保证水位计长时间的测量准确性.
1.一种基于级联布置方案的船闸水位监测系统，其特征在于，包括多个光纤光栅传感器，多个光纤光栅传感器分别通过独立的安装支架连接在水位测量井内壁；多个光纤光栅传感器通过光纤电性连接，光纤通过光纤融接盒接入解调仪，解调仪内集成上位机；
2.根据权利要求1所述的一种基于级联布置方案的船闸水位监测系统的方法，其特征在于，包括：
3.根据权利要求2所述的一种基于级联布置方案的船闸水位监测系统的方法，其特征在于，步骤s2中，使用当前光纤光栅传感器的安装高程对当前光纤光栅传感器反馈的水位值进行验证校准，校准光纤光栅传感器的零点和斜率的方法为：
4.根据权利要求3所述的一种基于级联布置方案的船闸水位监测系统的方法，其特征在于，步骤s205中，如果某光纤光栅传感器零点校准的次数达到两次，则对该水位进行斜率校准，斜率校准的方法为：
5.根据权利要求3所述的一种基于级联布置方案的船闸水位监测系统的方法，其特征在于，步骤s3中，使用联合卡尔曼滤波算法，对验证后的水位值数据进行数据融合方法为：
