CN109507760A - 基于斗数和斗时长的精确降雨数据的获得方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于斗数和斗时长的精确降雨数据的获得方法，其特征在于，基于翻斗式雨量传感器，包括以下步骤：步骤S1：在试验环境可确定的总降雨量下，提供多次不同强度的降雨试验，对所述翻斗式雨量传感器进行测试，并根据测试结果构建斗数‑斗时长函数；并根据斗数‑斗时长函数，以及雨强恒定时成立的关系式，获得即时雨量函数。本发明颠覆了现有通过翻斗式雨量传感器获得降雨量数据的方法，且做到了在精度越高的情况下，误差越小的打破常规的效果，在不对常规的翻斗式雨量传感器的主体构件进行改动的情况下，引入了对翻斗两次翻转的时间间隔的采集，结合翻斗式雨量传感器的特征属性，构建了一套全新的获得精确降雨量的解决方案。

Description

基于斗数和斗时长的精确降雨数据的获得方法

技术领域

本发明涉及气象数据采集领域，尤其涉及一种基于斗数和斗时长的精确降雨数据的获得方法。

背景技术

降水数据作为一项重要的气象数据指标，具有广泛的应用和必要的意义。当前，降水数据一般以统计一段时期内的总降雨量为主，主要通过雨量传感器(雨量计)等装置实现实时降水数据的采集并上传至气象监控终端进行汇总和统计。当前的主流雨量传感器为翻斗式雨量传感器。

翻斗式雨量传感器是一种水文、气象仪器，用以测量自然界降雨量，同时将降雨量转换为以开关量形式表示的数字信息量输出，以满足信息传输、处理、记录和显示等的需要。传统的翻斗式雨量传感器一般只能做到±4％的误差，对于气象的历史记录、数据分析越来越不能满足要求。

对于现有的翻斗式雨量传感器而言，基本均为通过预设的精度(与会导致翻斗翻转的水量正相关)以及翻斗翻转触发的干簧管的开关次数(开关量)来获得最终的总降雨量。如果该种计算方式存在误差，则都是通过误差修正的方式来进行调整，使最终输出的开关量能够尽可能接近理想开关量从而减小误差。

然而，随着当前对降雨数据精度越来越高的要求之下，几乎所有的采用的误差校正方案并不一定能够很妥善地消除误差的影响，甚至可能引入新的误差，如双翻斗的雨量传感器虽然能够消除动态损失(由于降雨是连续的过程，在一侧翻斗在承接雨水达到翻斗力矩阈值开始翻转，至另一侧翻斗开始承接雨水的过程中，有一部分雨水因为没有被翻斗承接从而未纳入翻斗式雨量传感器的计量范围所造成的会导致误差的损失)，但引入了新的随机误差，又或是因加工精度所限，在成本和技术能力的范围内无法实现误差的消除，再或是修正误差的操作过程繁琐，费时费力。

发明内容

为了解决现有技术存在的缺陷和不足的问题，本发明采用全新的问题分析和方案设计思路，在不对翻斗式雨量传感器的主体构件进行改动的情况下，具体采用以下技术方案：

一种基于斗数和斗时长的精确降雨数据的获得方法，其特征在于：基于翻斗式雨量传感器，包括以下步骤：

步骤S1：在试验环境可确定的总降雨量H₀下，提供多次不同强度的降雨试验，对所述翻斗式雨量传感器进行测试，并根据测试结果构建斗数-斗时长函数：

E(t,y)＝0；

其中，斗数y为翻斗翻转总次数；斗时长t为翻斗两次翻转的间隔时间，单位为s；

并根据斗数-斗时长函数，以及雨强恒定时成立的关系式：获得即时雨量函数：J(h,t)＝0；

其中，h为即时雨量，单位为mm；总降雨量H₀的单位为mm。

优选地，在步骤S1中，对所述翻斗式雨量传感器进行测试，并根据测试结果构建斗数-斗时长函数的具体方法为：

在试验环境可确定的总降雨量H₀下，提供多次不同恒定雨强的降雨试验，测出每次降雨过程中翻斗式雨量传感器的斗数y值，以及对应的y个斗时长t值：t₁， t₂，t₃，……，t_y；并建立t和y的映射对应关系。

优选地，在步骤S1中，对所述翻斗式雨量传感器进行测试，并根据测试结果构建斗数-斗时长函数的具体方法为：

在试验环境可确定的总降雨量H₀下，提供多次不同恒定雨强的降雨试验，对所述翻斗式雨量传感器进行测试，根据测试结果通过拟合的方式获得待定斗数 -斗时长函数：

所述待定斗数-斗时长函数包括n个(n≥2)拟合参数，所述拟合参数的值通过以下方法获得：

在试验环境可确定的总降雨量H₀下，提供n次不同恒定雨强的降雨试验，对所述翻斗式雨量传感器进行测试，测出每次降雨过程中翻斗式雨量传感器的斗数y值，以及对应的y个斗时长t值：t₁，t₂，t₃，……，t_y；将获得的y值和t值的结果带入所述待定斗数-斗时长函数，由此确定n个拟合参数的值。

优选地，步骤S1的具体步骤为：

步骤S11：根据在试验环境可确定的总降雨量H₀下多次不同强度的降雨试验，对所述翻斗式雨量传感器进行测试获得的多组试验值数据的拟合或根据翻斗式雨量传感器建立的数学模型构建待定斗数-斗时长函数：所述待定斗数-斗时长函数在y>0，t>0的区间内可表示成如下形式：

所述待定斗数-斗时长函数包括n个(n≥2)拟合参数；

步骤S12：在试验环境可确定的总降雨量H₀下，设定n次不同强度的降雨试验，对所述翻斗式雨量传感器进行测试，在每次降雨试验中，测出y值，以及对应的y个斗时长t值；获得n组试验值；

步骤S13：将n组试验值带入待定斗数-斗时长函数，计算获得n个拟合参数，并依此确定即时雨量函数：J(h,t)＝0；

步骤S14：基于确定的即时雨量函数，采用与步骤S12相同的试验条件对所述翻斗式雨量传感器进行测试，根据测得的即时雨量h和翻斗式雨量传感器的精度ε获得翻斗式雨量传感器输出的开关量z，在每次降雨试验中，测出对应的开关量z的值，获得n个开关量z；

步骤S15：将n个开关量z值与理想开关量D进行比较运算，获得n个修正值，其中：ε为翻斗式雨量传感器的精度，如果某一z值落在理想开关量D所确定的误差范围内，则对应的修正值为0；当所有的修正值为0时，则结束构建；只要有一个修正值不为零，则继续执行步骤S16；

步骤S16：采用n个所述修正值分别对n组试验值中的y值进行修正，获得修正后的n组试验值；

步骤S17：将所述修正后的n组试验值带入待定斗数-斗时长函数，计算获得n个拟合参数，并依此重新确定斗数-斗时长函数：E(t,y)＝0以及即时雨量函数：J(h,t)＝0；并回到步骤S14。

优选地，还包括：

步骤S2：在降雨持续期间内，根据所述即时雨量函数和斗时长t的值，获得即时雨量h；

步骤S3：根据总雨量统计期间内的所有即时雨量h的值，获得总降雨量H。

优选地，所述翻斗式雨量传感器包括：承水器、设置在所述承水器下方的漏斗、设置在所述漏斗下方的翻斗、由所述翻斗驱动的磁钢、以及包括干簧管的计数电路模块；所述斗时长t为干簧管产生的相邻两个开关脉冲之间的时间间隔。

优选地，所述计数电路模块带有时钟电路；所述斗时长t通过干簧管相邻两次被触发的时间间隔获得，并通过设置在所述计数电路模块中的时钟电路提供的时钟信号计算准确值。

优选地，在步骤S3中，所述总降雨量H通过计算监控终端接收到翻斗式雨量传感器输出的开关量的个数获得，所述开关量通过即时雨量h和翻斗式雨量传感器的精度ε获得；所述开关量通过即时雨量h的累加值与翻斗式雨量传感器的精度ε相除获得或通过即时雨量h与翻斗式雨量传感器的精度ε相除后进行累加获得。

优选地，在步骤S2中：所述干簧管每次开闭产生的电子信号均实时传输至监控终端，斗时长t的值在监控终端计算获得。

优选地，在步骤S1之后，根据即时雨量函数和的关系式，获得等效雨强函数：

G(u,t)＝0；

其中，斗时长t的等效雨强u的单位为mm/min。

本发明及其优选方案颠覆了现有通过翻斗式雨量传感器获得降雨量数据的方法，且做到了在精度越高的情况下，误差越小的打破常规的效果，在不对常规的翻斗式雨量传感器的主体构件进行改动的情况下，引入了对翻斗两次翻转的时间间隔的采集，结合翻斗式雨量传感器的特征属性，构建了一套全新的获得精确降雨量的解决方案。该种方法完全超脱了现有技术中对翻斗式雨量传感器的误差分析和消除的方法论。

本发明优选方案构建过程当中，对试验测试的条件要求低，在无需控制精确而恒定的雨强且无需知晓精确雨强值的情况下也能够完成对计算模型的精确构建，具备良好的普适性。

同时，本发明提供的方案还给出了无需对现有常规设备进行改动，或无需对现有监控终端进行调整的两种可行方案，无需增加过多成本，兼容性强，效果显著，适合大规模推广和使用，具有非常高的市场价值和社会效果。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

图1为本发明实施例1实现所需的基本构成单元和模块示意图；

图2为本发明实施例1具体结构剖视示意图；

图3为本发明实施例1具体结构立体爆炸图；

图4为本发明实施例1计数摆动机构立体示意图；

图5为本发明实施例1计数电路模块电路原理图1；

图6为本发明实施例1计数电路模块电路原理图2；

图7为本发明实施例1计数电路模块电路原理图3；

图8为本发明实施例2实现所需的基本构成单元和模块示意图；

图9为适用于本发明实施例的第一种雨量校准仪结构示意图；

图10为适用于本发明实施例的第二种雨量校准仪结构示意图；

图11为本发明实施例获得的h-t相关性的坐标图；

图12为本发明实施例获得的y-t相关性的坐标图；

图中：1-承雨器；2-支架；3-漏斗；4-翻斗；5-计数摆动机构；6-计数电路模块；7-调节螺杆；8-磁钢；21-翻斗限位件；22-计数摆动机构限位件；41-翻斗转轴；42-左斗室；43-右斗室；51-计数摆动机构转轴；52-突出部；53-让位部；54-指针部；61-干簧管；62-输出端子；63-计数电路模块支架；64-电池；65-时钟电路；66-主控芯片；67-编程调试接口；68-指示灯电路；69-光电耦合器；610-抗静电防护电路；611-USB接口；612-电源电路；613-电源退耦滤波电路；100-外壳；200-底座。

具体实施方式

为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举2个实施例，并配合附图，作详细说明如下：

本发明的基本要旨在于：对翻斗两次翻转的时间间隔(斗时长t)进行采集，结合翻斗式雨量传感器与斗时长t的相关性特征，直接获得精确的总降雨量H。其中，翻斗式雨量传感器与斗时长t的相关性特征是翻斗式雨量传感器的特征属性中的一种。翻斗式雨量传感器的特征属性是基于特定的翻斗式雨量传感器而存在的，可用于描述该翻斗式雨量传感器区别于其他翻斗式雨量传感器的特性，如：其左右翻斗承接多少雨水会发生翻转的特征、从开始翻转到结束翻转达到稳定状态需要多少时长的特征、在特定总雨量和特定恒定雨强下的总斗数的特征等等，而翻斗式雨量传感器与斗时长t的相关性特征即为翻斗式雨量传感器根据斗时长 t能够获得并确定的特征属性的统称。也就是说，基于本发明方案，可以直接在确定了特定的翻斗式雨量传感器(包括洞悉其特征属性)之后，在降雨场景当中，只需要测量其斗时长t，即可获得精确的总降雨量H。

在本发明中，翻斗式雨量传感器与斗时长t的相关性特征最后通过即时雨量函数J(h,t)＝0表征，通过即时雨量h即可获得总降雨量H。

在本发明中，对于即时雨量h的定义为：斗时长t的等效雨强在斗时长t内产生的降雨量。其中对于“等效雨强”：

我们考虑，在自然降雨的环境中，设当时间点为x的时候，其雨强为R(x)，则有于是，斗时长t内的精确降雨量可以表示为：

基于翻斗式雨量传感器的根本设计原理，单凭翻斗式雨量传感器的测量，根本不可能获得斗时长t内的雨量变化情况，从而无法利用此积分式获得精确解。然而，由于斗时长t内的精确降雨量的客观存在性，根据积分中值定理：一定存在一个确定的雨强值满足虽然该雨强值也不可获得，但我们便因此得到了“等效雨强”的原始含义。

在本发明中，将“等效雨强”定义为，在雨强恒定的条件下，对于确定的翻斗式雨量传感器，获得的每一斗时长值唯一对应的雨强值，从而获得了计算斗时长t内的降雨量的根本性基础。这意味着在确定了即时雨量函数的构成形式之后，即可以直接通过斗时长t近似地求得每个斗时长t内的降雨量，从而实现直接获得总降雨量H的目的。

需要特别说明的是，本发明方案的实现过程并不依赖于某种特定结构的翻斗式雨量传感器，其对作为数据测量的物质基础的翻斗式雨量传感器装置的要求仅在于：能够获取t值(一般的翻斗式雨量传感器的t值都可以通过测量干簧管产生的相邻两个开关脉冲之间的时间间隔获得)，以及即时雨量h和斗时长t之间具备确定的、具有一定可描述的规律的相关性，即具备h-t相关的特征属性(如一些为了消除动态损失产生误差的设置有上下两个翻斗的翻斗式雨量传感器，由于其装置本身的结构特点，其输出的t值与即时雨量h或其等效雨强不具备确定的相关性，故不在本发明方案的可适用范围内)。因此，在通常情况下可以理解为任何不同的斗时长t能够反映即时雨量h变化的翻斗式雨量传感器(其一般情况下可以认为是随着实时雨强增大，t呈减小趋势，且只带有一个翻斗的翻斗式雨量传感器)均可以作为本发明方法的装置基础。本发明提供的以下实施例的具体结构或电路构造并不作为对本发明方法的适用范围的限制，仅作为一种方便于本领域技术人员更好地理解本发明方案的一个具体实现的案例。

如图1所示，在本发明的第一个实施例中，出于兼容现有的翻斗式雨量传感器与一般设置在气象站的监控终端对接和数据交互方式的考量，将基本运算单元放在翻斗式雨量传感器本地。本实施例对常规的翻斗式雨量传感器中只具备产生干簧管61开闭的计数脉冲功能的计数电路模块电路进行改进，在计数电路模块电路中增加了作为本地获取t值的时钟电路65，以及作为数据运算和存储核心的主控芯片66。主控芯片66根据t值进行运算后产生能够精确计算降雨量的开关量，并通过输出端子62传输至监控终端。

下面具体对本实施例中主控芯片66采用的数据处理和计算方法乃至其产生的过程进行详细的说明。

(1)获得y-t的相关性特征

基于对即时雨量h的定义，虽然最直接的设计方案应当是争取获得斗时长t 的等效雨强，然而一方面非常高恒定性的雨强在试验环境中难以获得，另一方面，难以获得恒定雨强的精确数值。因此，本发明方案在翻斗式雨量传感器特征参量以及参量之间相关性的构建方面，直接绕过雨强值或等效雨强的获取，由于通过一般的降雨试验，斗数y和斗时长t是可以精确测量的值，因此，本实施例从y-t 相关性出发，获得翻斗式雨量传感器的特征属性。

在本实施例中，y-t相关性通过以下方法构建：

在试验环境可确定的总降雨量H₀下，提供多次不同强度的降雨试验，对所述翻斗式雨量传感器进行测试，并根据测试结果构建斗数-斗时长函数：

E(t,y)＝0；

其中，斗数y为翻斗翻转总次数，斗时长t的单位为s。

由于在可以确定的总降雨量H₀具体值的前提条件下，控制总降雨量保持不变，通过改变雨强大小进行试验，可以根据测量获得的斗数y和斗时长t的相关性。因此，斗数-斗时长函数即用于表达该种相关性特征，其表征的对象为：在总降雨量为H₀，且雨强恒定的环境中，每一斗时长与总斗数的一一对应的关系。

其中，在本实施例中，获得可以确定的总降雨量H₀总降雨量的方式既可以通过如图9所示的雨量校准仪中的标准球的容积给定，也可以采用如图10所示的在翻斗式雨量传感器的下方设置带有称重计的用于承接翻斗排出水的容器测定。

雨量大小的调节一般通过调节阀门(如出水电磁阀)进行。实现本实施例的方案时无需知晓雨强的具体数值，通常地，也不要求提供的雨强在模拟降雨的过程中必须完全恒定(但为了控制误差，应当尽可能地恒定，这一点上达到控制如图9所示的雨量校准仪中的出水电磁阀的状态在模拟降雨的过程中状态保持不变即可)，因此满足本实施例方案的试验条件只需要一般的雨量校准仪及其配套的设备即可完成。

而如图10所示的雨量校准仪设计方案可以作为本实施例中提供恒定雨强的试验装置，其包含有一个储水容器，在测试的时候，水泵一直对储水容器注水，注水的流量大于出水的流量，多余的水从溢水口流出，那么出水口与储水容器最高水位之间的高度差保持不变，这样对于恒定的出水通孔面积，其流量是稳定的，也就意味着雨强是恒定的，再通过步进电机和流量控制阀即可精确控制和调整输出雨强的大小。

更具体地，本实施例提供了三种斗数-斗时长函数构建的路径。

其一为离散函数的构建方式，具体为：

在试验环境可确定的总降雨量H₀下，提供多次不同强度的降雨试验，对所述翻斗式雨量传感器进行测试，测出每次降雨过程中翻斗式雨量传感器的斗数y 值，以及对应的y个斗时长t值：t₁，t₂，t₃，……，t_y，并且，在控制调整雨强的时候应覆盖小雨、中雨、大雨等各类型降雨场景，且应当尽可能保证雨强恒定。

并依此建立t和y的映射对应关系，其中，可以通过分析t₁，t₂，t₃，……， t_y数据的统计特性，可以通过中位数、最大似然估计或其他合理的数学方法确定 t值，并可以通过t和y应当具备的正相关性加以验证和校正。

该种构建方式的优势在于直接可用，且在测试点密度和分布足够合理的情况下能够保证y-t的相关性的准确性，且试验提供的雨强恒定性越高，y个斗时长 t值的一致性越强，则获得的斗数-斗时长函数越精确。

其二为连续(拟合)函数的构建方式：

通过y-t的离散点的分布和形态，以拟合为目的构建满足以下条件的斗数- 斗时长函数：

在y>0，t>0的区间内，满足当y_α＜y_β时有且可表示成如下形式：

F(t,y)＝g₁(y)f₁(t)+g₂(y)f₂(t)+…+g_n(y)f_n(t)＝0；(斗数-斗时长函数-1)

上述斗数-斗时长函数-1的限制目的在于通过该种构成形式，在总降雨量H₀下，对于平均雨强y为确定值，可以进一步表示成为：

(斗数-斗时长函数-2) 从而方便后续的计算和处理。

该斗数-斗时长函数通过预设包括n个(n≥2)拟合参数的函数解析式预构建(拟合参数数量越多，拟合效果越精确，但一般计算量也越大)，该预构建的解析式形式一般根据大量试验值的分布所构成的图像进行拟合获得，由于采用类似构造和原理的翻斗式雨量传感器的试验值的分布一般具有共通的特征和规律，因此该预构建的函数解析式对于同一种类型的翻斗式雨量传感器均通用。如图 12所示，该曲线即为本实施例所采用的翻斗式雨量传感器y-t相关性曲线的坐标图，预构建的斗数-斗时长等效雨强函数函数即可以基于对该种曲线的拟合。

其中，能够表示成斗数-斗时长函数-1的形式是为了更好地处理试验雨强恒定性较为不佳时试验数据的设定，当试验雨强恒定性足够高的情况下，预构建的斗数-斗时长函数可以不必能够表示成该种形式。

之后在试验环境可确定的总降雨量H₀下，提供n次不同强度的降雨试验，对翻斗式雨量传感器进行测试，测出n次降雨过程中翻斗式雨量传感器的斗数y 值，以及对应的y个斗时长t值：t₁，t₂，t₃，……，t_y，获得n组不同的试验值，将获得的y值和t值的结果带入并带入斗数-斗时长函数-2式中，由此确定n个拟合参数的值。(当试验雨强恒定性足够高的情况下可以直接向常规形态的斗数- 斗时长函数E(t,y)＝0带入n组试验值当中的y值和任意一个t值(平均值、中位数等也可)即可。)

从而完成斗数-斗时长函数的解析式的确定。

在此需要说明的是，虽然预构建的函数解析式一般最好采用容易求解的函数形式以降低计算量。但即使构建的函数解析式无法通过上述方法求解拟合参数的精确解，其也可以通过计算机程序获得近似的值，因此也属于一种可行的方案。

以下通过具体的斗数-斗时长函数的解析式的构建和算例，对上述方案进一步阐释：

如，根据大量试验获得的形如图12所示的试验数据，将斗数-斗时长函数预构建成为以下形式：

其中，a、b、c为拟合参数。

通过如图9所示装置对翻斗式雨量传感器在H₀＝10mm的场景下进行试验获得了以下三组数据：

小雨：y：119；

中雨：y：113；

大雨：y：108；

将以上数据带入：

可得方程组：

解得：

从而确定了斗数-斗时长函数的解析式的具体形式。

以上构建连续函数的方式相比于前述离散函数的构建方式其优势在于预构建的函数解析式确定的情况下，为获得同样精度的y-t的相关性，其所需的试验次数一般更少，且对于试验提供的雨强恒定性的要求较上述离散函数的构建方式更低，对于趋近于0等的较难通过试验直接测定的相关性数据也可以通过拟合获得可以满意的输出值。

同时，构建的连续函数的精确性既可以通过试验的方式进行验证或修正，也可以通过y-t的相关性的固有特征校验所构建函数的合理性，如当t足够大的时候，一般要求y需要有趋近于一个定值(理想开关量)的性质。

其三，对翻斗式雨量传感器建立的数学模型构建函数解析式的方式：

虽然以上两种构建方式不依赖于对翻斗式雨量传感器的数学建模和分析，不过，基于本实施例提供的y-t相关性的构建方法，其并不排斥通过对翻斗式雨量传感器建立的数学模型推导出一种可用的函数解析式的模型，并通过试验的方式最终确定斗数-斗时长函数。

如，只考虑动态损失的情况下，设恒定雨强值为单位为mm/min，无动态损失的理想斗数为C，则根据降雨量H的定义，有：可得动态损失的降雨量为再设每一斗时长t内的处于动态损失状态下的时长为τ，可得动态损失的降雨量为联立两式可得以下表征y-t相关性的动态损失方程，相当于预构建的斗数-斗时长函数：

(C-y)t＝yτ

其中，C和τ可以相当于在拟合法当中的拟合参数；

根据本实施例提供的方案，以上方程在试验环境可确定的总降雨量H₀下，可以进一步写为斗数-斗时长函数-2的形式：

通过如图9所示装置对翻斗式雨量传感器在H₀＝10mm的场景下进行试验获得了以下两组数据：

第一次测量：y＝108，

第二次测量：y＝113，即得方程组：

解得C＝123.5040045，τ＝0.202739052

从而确定了斗数-斗时长函数的解析式的具体形式。

(2)输出方式的选择

①总降雨量的获取。

根据以上确定的斗数-斗时长函数提供的已表征的y-t相关性，以及雨强恒定时成立的关系式：(由即时雨量h的定义：以及获得)，可以直接获得即时雨量函数：J(h,t)＝0；

其中，即时雨量h的单位为mm；总降雨量H₀的单位为mm。

根据即时雨量函数，在翻斗式雨量传感器的实际使用状态下，直接根据斗时长t的值，可以获得即时雨量h。构建完成的h-t相关性一般形如图11中的曲线所示。

由于自然界中实际降雨的雨强即使在一个斗时长内也基本不可能是一个恒定值，因此，通过整个降雨统计期间内的所有即时雨量h累加获得总降雨量H实质上是一种类似积分的近似运算，然而根据这一特点，我们可知，当翻斗式雨量传感器的精度越高时，同样雨强下的斗时长t将越短，根据常识，在越短时间内，自然降雨的雨强变化自然越不明显，则通过整个降雨统计期间内的所有即时雨量 h累加获得总降雨量H的近似计算误差也就越小。这种特性，与现有的通过翻斗式雨量传感器计算降雨量的方案截然相反，且显著更优，相当于直接获得了实现超高精度降雨量数据获取的技术路径。

至于具体的，对于如何通过该即时雨量h，直接获得总雨量统计期间内的总降雨量H，翻斗式雨量传感器直接输出每一计算获得的即时雨量h或一次降雨期间内的总降雨量H是最理想的方式，本实施例为了与现有的降水量采集系统兼容，通过将即时雨量h和翻斗式雨量传感器的精度ε进行除运算，提供了两种从计数电路模块计算获得的重新定义的开关量的技术实现路径：

其一在于：通过即时雨量h的累加值与翻斗式雨量传感器的精度ε相除获得，即在总雨量统计期间内，计数电路模块在一个预设的周期内将即时雨量h的累加值与翻斗式雨量传感器的精度ε进行相除的运算，并将获得的除数与上一周期的尾数求和，之后将该和值的整数部分转换为相同个数的计量信号作为开关量z进行周期性的批量输出，小数部分作为本周期的尾数。

其二在于：通过即时雨量h与翻斗式雨量传感器的精度ε相除后进行累加获得，即在总雨量统计期间内，计数电路模块将每一即时雨量h与翻斗式雨量传感器的精度ε进行相除的运算，取整数部分作为开关量z输出，对小数部分进行累加，并将累加值的整数部分转换为相同个数的开关量z输出，同时保留累加值的小数部分参与下一次累加。

通过以上两种路径均可以精确地将本地计算获得的即时雨量h通过兼容现有监控终端降雨量获取和计算的方式，使得监控终端能够以此得到准确的总降雨量H。本实施例提供由本地向监控终端发送的数据信号虽然也是开关量的形式，但现有技术方案产生的开关量完全是基于干簧管61的计数信号，而本实施例方案的开关量产生机制则如上所述，完全不同。

此外，需要说明的是，通过以上试验和相关分析我们可知，当u极小时，y 将趋近于理想开关量，t会是一个很大的值，且在u趋近于0的区间内，t的变化率非常高。根据这一关系，基于本实施例提出的基本方案，可以对本实施例提出的开关量产生机制提出一个修订，当t大于某个阈值时，直接令y为理想开关量，此时直接认为h为翻斗的额定一斗雨量。

②即时雨强的获取

根据上述已经构建的即时雨量函数，再根据本发明方案对即时雨量h的定义：

即可由此获得获得等效雨强函数：

G(u,t)＝0；

其中，斗时长t的等效雨强u的单位为mm/min。

在翻斗式雨量传感器的实际使用状态下，可以直接根据斗时长t的值，获得斗时长t的等效雨强值。

如果构建的是离散函数，则可直接在u和t的对应关系表上取与实际测量的t 值最接近的t值对应的u值作为输出值；对于连续函数，则直接将实际测量的t值带入解析式求得对应的u值作为输出值。

如果将所有获得的等效雨强值u在时间轴上表示出来，我们其实就得到了相当精确的、实时的可以反映即时雨强情况的图景，并能够量化地了解实际雨强随时间变化的状况，这一点是通过现有技术方案完全无法实现的。

此外，在本实施例当中，我们可以发现，虽然本实施例的相关性特征构建的理论基础都是基于恒定雨强，由于可以采用非恒定雨强的测试试验方案，其试验值一般都是在非恒定雨强下测出的，必然导致最终确定的即时雨量函数的不精确性(在实际的场景中，即使通过如图10所述的雨量校准仪进行试验，也很难获得真正完全恒定的雨强)。因此，为进一步提高以上本实施例所获得即时雨量函数的精度，考虑到在拟合法的构建方案当中拟合参数与试验值具备的相关性，在此提供一种专用于通过连续函数构建即时雨量函数的方案的优选校准方案：

本校准方案需要采用至少具备如图9所示雨量校准仪的可提供确定总降雨量H₀和可再现特定降雨场景功能的试验装置，一般的现有常用雨量校准仪均满足该条件。

在本实施例当中，无论采用的是拟合法还是建立数学模型的方法预构建获得的确定函数模型，均涉及到了需要通过试验确定的待定参数(如拟合参数或者数学模型当中需要通过试验确定的C、τ等参数)，因此，在试验值与相关性模型之间的吻合性存在偏差的情况下，本校准方法考虑采用对试验值当中的斗数y进行校准的方法，具体包括以下步骤：

步骤S11：根据在试验环境可确定的总降雨量H₀下多次不同强度的降雨试验，对所述翻斗式雨量传感器进行测试获得的多组试验值数据的拟合或根据翻斗式雨量传感器建立的数学模型构建待定斗数-斗时长函数：所述待定斗数-斗时长函数在y>0，t>0的区间内可表示成如下形式：

所述待定斗数-斗时长函数包括n个(n≥2)拟合参数；

步骤S12：在试验环境可确定的总降雨量H₀下，设定n次不同强度的降雨试验，对所述翻斗式雨量传感器进行测试，在每次降雨试验中，测出y值，以及对应的y个斗时长t值；获得n组试验值；

步骤S13：将n组试验值带入待定斗数-斗时长函数，计算获得n个拟合参数，并依此确定即时雨量函数：J(h,t)＝0；

步骤S14：基于确定的即时雨量函数，采用与步骤S12相同的试验条件对所述翻斗式雨量传感器进行测试，根据测得的即时雨量h和翻斗式雨量传感器的精度ε获得翻斗式雨量传感器输出的开关量z，在每次降雨试验中，测出对应的开关量z的值，获得n个开关量z；

步骤S15：将n个开关量z值与理想开关量D进行比较运算，获得n个修正值，其中：ε为翻斗式雨量传感器的精度，如果某一z值落在理想开关量D所确定的误差范围内，则对应的修正值为0；当所有的修正值为0时，则结束构建；只要有一个修正值不为零，则继续执行步骤S16；

步骤S16：采用n个所述修正值分别对n组试验值中的y值进行修正，获得修正后的n组试验值；

步骤S17：将所述修正后的n组试验值带入待定斗数-斗时长函数，计算获得n个拟合参数，并依此重新确定斗数-斗时长函数：E(t,y)＝0以及即时雨量函数：J(h,t)＝0；并回到步骤S14。

通过以上步骤，以输出的开关量的误差表征试验值与预构建函数模型的不吻合性，并通过开关量误差产生修正值，并以该修正值反过来对试验值当中的斗数进行修正调整，并通过循环修正，逐步逼近理想状态。

在本方法中，修正值可以采用求差值或求比例系数的方式产生，如在理想开关量D为100，且其允许的误差为1％，即所确定的误差范围为99-101的情况下，如果某次试验输出的开关量z为97，则通过求差法，修正值可以是：+3 (97+3＝100)，接下来可以对对应的试验值中的斗数进行+3的调整；通过求比例系数法，则修正值可以是：1.03(100/97＝1.03)，接下来可以对对应的试验值中的斗数进行乘1.03的调整。

在之后的运算当中，如果某次试验输出的开关量z落在99-101的范围，也就是说|z-D|≤1，则，直接确定修正值为0，当所有试验组对应的修正值均为0 时，即结束修正流程，将最后一次计算对应的参数值和即时雨量函数最终确定下来。

以上优选的校准方法不仅可用于翻斗式雨量传感器使用之前的特征函数模型的校准，使通过非恒定雨强试验确定的即时雨量函数也能够保证与真实情况足够吻合的精确性，同样也可以适用于翻斗式雨量传感器在长期使用的过程中进行的误差校准和调整，其只需要通过常规的雨量校准仪提供测试环境，并且只需通过校准重新确定特征函数模型中的(拟合)参数值即可，能够大大提升校准操作的便捷性和效率。

为了更进一步阐述本实施例方法的可行的具体实现机制，以下结合图1-图7 对本实施例提供的一种具体的可行装置进行具体的说明：

在装置结构方面，如图2、图3所示，本实施例整体装置作为一典型的具备单个翻斗的翻斗式雨量传感器，包括：设置在支架2上方的承水器1、设置在支架2顶部的漏斗32、设置在漏斗3下方的翻斗4、设置在翻斗4下方的计数摆动机构5、以及包括干簧管61的计数电路模块6。

翻斗4通过翻斗转轴41与支架2构成铰接；计数摆动机构5通过计数摆动机构转轴51与支架2构成铰接；翻斗转轴41和计数摆动机构转轴51设置在翻斗4的左斗室42和右斗室43的对称面上。

如图2所示，本实施例装置整体安装在外壳100和底座200构成的壳体当中，计数电路模块6设置于支架2的旁侧，其配置有输出端子62和电池61，并整体组装在计数电路模块支架63上。

如图4所示，本实施例提供的计数摆动机构5包括分别沿左斗室42和右斗室43延伸方向伸出的突出部52、包绕翻斗转轴41的让位部53，以及固定有磁钢8的指针部54；指针部54的摆动最高点与设置在支架2侧壁上的干簧管61 等高(略低于干簧管61也是可行的方案，只需要保证当指针部54处于摆动最高点时，干簧管61的常开触点闭合，当指针部54偏离最高点时，干簧管61的常开触点打开即可)；磁钢8设置在计数摆动机构5的对称面上。

翻斗4和计数摆动机构5的两侧摆动范围各由两个限位件限制，包括两个形如圆柱状突起的翻斗限位件21和两个形如圆柱状突起的计数摆动机构限位件 2222；限位件的作用是控制翻斗4和计数摆动机构5摆动的最大范围，使其每一次翻转的路径可控。

此外，计数摆动机构5的形态还需要满足：翻斗4朝两侧摆动所经路径在计数摆动机构5处于摆动允许范围之内的任何角度时，均与计数摆动机构5的突出部52相交，以保证翻斗4的每一次翻转摆动能够对应地驱动计数摆动机构5发生摆动，从而使磁钢8发生能够触发干簧管61的摆动，完成一次计数。

同时，翻斗4的重心应高于翻斗转轴41；计数摆动机构5的重心应高于计数摆动机构转轴51，以避免磁钢8在干簧管61附近反复摆动而使干簧管61的状态变化无法被触发。

以上构件除了包括常规翻斗式雨量传感器的最基本必要构件之外，主要对由干簧管61(磁簧开关)和磁钢8构成的计数组件进行了调整。本实施例方案将磁钢8设置在与翻斗4在结构上分离的计数摆动机构5上，从而消除了当磁钢8 与干簧管61靠近时产生的磁力对装置整体力矩造成影响从而产生的误差。该计数摆动机构5在翻斗4发生翻转，当前承雨一侧翻斗4室下坠的过程中，由对应的一侧突出部52与该翻斗4室的底部发生作用，利用翻斗4室下坠的动能驱动计数摆动机构5发生摆动，从而使设置在指针部54的磁钢8摆动并通过与干簧管61的近点，能够在不影响翻斗4本身力矩的情况下完成一次磁簧开关的触发。

需要说明的是，在通常形态的翻斗式雨量传感器当中，磁钢8只需满足于跟随翻斗4的摆动并能够控制干簧管61的开闭完成翻斗摆动的计数即可，其并非一定要如本实施例的装置方案所述，必须设置在计数摆动机构5乃至其指针部 54上，而只需满足磁钢8摆动至某一特征点时，能够触发干簧管61的常开触点闭合，而在偏离该特征点时，干簧管61的常开触点打开的条件即可，当然，为配合磁钢8的具体设置方位，干簧管61的具体设置方式也可以灵活作出调整。

作为优选，本实施例中，翻斗4还配置了垂直于翻斗转轴41的可以调节重心的调节螺杆7，根据公开号为CN107765349A的中国专利的记载，该调节螺杆 7可以线性调节翻斗4和调节螺杆7构成的组合体的重心。且翻斗4的承雨面为圆柱面。在该种优选结构下，调节螺杆7应当设置在指针部54的内侧，以保证磁钢8与干簧管61之间的间距不会过大而导致干簧管61始终无法被触发。

在装置电路方面，如图5-图7所示，作为控制、存储和运算核心的主控芯片 66采用SMT32L051C8，其分别与时钟电路65、编程调试接口67、干簧管61、指示灯电路68、光电耦合器69、电源电路612、抗静电防护电路613以及USB接口611连接。

其中，干簧管61作为翻斗式雨量传感器的计数元件，其构成的磁簧开关计数电路与翻斗式雨量传感器中由翻斗4的摆动驱动的磁钢8相配合，每当翻斗4 翻转至预设的位置时，磁钢8与干簧管61的间距将达到最近，从而因磁钢8磁场的作用导致干簧管61的常开开关闭合导通，而当磁钢8继续运动，稍微远离干簧管61时，其对干簧管61的磁场影响减弱，则干簧管61的常开开关断开。由此产生的干簧管61开闭的脉冲即可作为翻斗翻转次数的计数依据。

作为本实施例实现重要构件的时钟电路65由晶体振荡器、晶震控制芯片和电容构成，其设置的目的在于用于测量和测量干簧管61相邻两次被触发的时间间隔(斗时长)。

主控芯片66在获取更为精确降雨数据的过程中承担数据存储和运算的工作，一方面可以通过预设的即时雨量函数和斗时长计算获得即时雨量，再通过即时雨量的累加及与翻斗式雨量传感器的精度的除运算获得输出的开关量。

在本实施例中，传送至降水量监控终端的开关量经光电耦合器69从输出端子62输出。该种输出方式也可考虑替换为无线信号传输的方式，从而无需通过具体的线路来传输翻斗式雨量传感器输出的开关量。

为了更好地实现主控芯片66的精确计算的效果，本实施例提供了能够直接与雨量校准仪或上位机进行数据交互的USB接口611，以实现雨量传感器输出数据的采集或参数更新，以及可以下载获得精确校准程序的编程调试接口67，本实施例方法所转化成的程序语言及其对应的参数值即可以通过该端口下载至本地或进行更新。其中，USB接口611与主控芯片66之间设置有抗静电防护电路 610以确保电路系统的整体安全性。

本实施例的电源电路612为1.8V电源稳压电路，由一个8000毫安电池64 供电，同时还设置有电源退耦滤波电路613增强电源的稳定性。大容量电池配合可选用一些低功耗芯片和器件，可以保证本实施例装置在不充电的情况下工作足够长的时间(数年)。

本实施例还提供了指示灯电路68，用于指示电源的电量状态。

相比之下，在本发明的第二个实施例当中，由于其设计思路是基于现有的翻斗式雨量传感器装置的考量，其并不要求该翻斗式雨量传感器装置需要具备如第一个实施例图5-图7所示的特殊设计的计数电路模块，其基本装置条件只需满足如图8所示的现有的翻斗式雨量传感器具备的基本结构即可。

在本实施例中，将斗时长t的值的获取，乃至根据即时雨量函数计算总降雨量的任务执行放在监控终端处，位于本地的翻斗式雨量传感器的干簧管每次开闭产生的电子信号均实时传输至监控终端即可。此时监控终端可以通过相邻两个电子信号的时间间隔还原出对应翻斗式雨量传感器的斗时长，再通过以上实施例提供的方法进行计算。(当然，即时雨量函数的确定还是必须在本地进行，只是确定后的特征函数可以放在监控终端进行根据斗时长求总降雨量的运算)

该种实现思路的优势在于可以在基本不对现有降雨量采集点的翻斗式雨量传感器的硬件本身进行改动的情况下(不适用于前述双翻斗式雨量传感器)，只需在本地对翻斗式雨量传感器进行测试试验，完成即时雨量函数的构建即可。

不过相应地，通过该种方案，需要对现有的监控终端进行改造，需要增加测算精确时间，以及进行求解运算的相应装置或运算程序。

最后，还需要特别说明的是，虽然以上提供的2个实施例在对斗时长(翻斗两次翻转的时间间隔)的采集方案上均通过干簧管61和磁钢8的组合转换为：采集干簧管产生的相邻两个开关脉冲之间的时间间隔。但在本发明的方案中，斗时长的获取方式并不为干簧管61和磁钢8这一特定的装置组合所限，通过红外传感器、接触式传感器等多种其他原理类似的接近开关或接触开关的方案均同样能够获取斗时长，在以上提供的2个实施例中采用干簧管61和磁钢8的方案仅因为该种方案是当前翻斗式雨量传感器的常用方案，因不需要额外的供电，其使用效果更为优越而已。

本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的基于斗数和斗时长的精确降雨数据的获得方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种基于斗数和斗时长的精确降雨数据的获得方法，其特征在于：基于翻斗式雨量传感器，包括以下步骤：

步骤S1：在试验环境可确定的总降雨量H₀下，提供多次不同强度的降雨试验，对所述翻斗式雨量传感器进行测试，并根据测试结果构建斗数-斗时长函数：

E(t,y)＝0；

其中，斗数y为翻斗翻转总次数；斗时长t为翻斗两次翻转的间隔时间，单位为s；

并根据斗数-斗时长函数，以及雨强恒定时成立的关系式：获得即时雨量函数：J(h,t)＝0；

其中，h为即时雨量，单位为mm；总降雨量H₀的单位为mm。

2.根据权利要求1所述的基于斗数和斗时长的精确降雨数据的获得方法，其特征在于，在步骤S1中，对所述翻斗式雨量传感器进行测试，并根据测试结果构建斗数-斗时长函数的具体方法为：

在试验环境可确定的总降雨量H₀下，提供多次不同恒定雨强的降雨试验，测出每次降雨过程中翻斗式雨量传感器的斗数y值，以及对应的y个斗时长t值：t₁，t₂，t₃，……，t_y；并建立t和y的映射对应关系。

3.根据权利要求1所述的基于斗数和斗时长的精确降雨数据的获得方法，其特征在于：在步骤S1中，对所述翻斗式雨量传感器进行测试，并根据测试结果构建斗数-斗时长函数的具体方法为：

在试验环境可确定的总降雨量H₀下，提供多次不同恒定雨强的降雨试验，对所述翻斗式雨量传感器进行测试，根据测试结果通过拟合的方式获得待定斗数-斗时长函数：

所述待定斗数-斗时长函数包括n个(n≥2)拟合参数，所述拟合参数的值通过以下方法获得：

在试验环境可确定的总降雨量H₀下，提供n次不同恒定雨强的降雨试验，对所述翻斗式雨量传感器进行测试，测出每次降雨过程中翻斗式雨量传感器的斗数y值，以及对应的y个斗时长t值：t₁，t₂，t₃，……，t_y；将获得的y值和t值的结果带入所述待定斗数-斗时长函数，由此确定n个拟合参数的值。

4.根据权利要求1所述的基于斗数和斗时长的精确降雨数据的获得方法，其特征在于，步骤S1的具体步骤为：

步骤S11：根据在试验环境可确定的总降雨量H₀下多次不同强度的降雨试验，对所述翻斗式雨量传感器进行测试获得的多组试验值数据的拟合或根据翻斗式雨量传感器建立的数学模型构建待定斗数-斗时长函数：所述待定斗数-斗时长函数在y>0，t>0的区间内可表示成如下形式：

所述待定斗数-斗时长函数包括n个(n≥2)拟合参数；

步骤S12：在试验环境可确定的总降雨量H₀下，设定n次不同强度的降雨试验，对所述翻斗式雨量传感器进行测试，在每次降雨试验中，测出y值，以及对应的y个斗时长t值；获得n组试验值；

步骤S13：将n组试验值带入待定斗数-斗时长函数，计算获得n个拟合参数，并依此确定即时雨量函数：J(h,t)＝0；

步骤S14：基于确定的即时雨量函数，采用与步骤S12相同的试验条件对所述翻斗式雨量传感器进行测试，根据测得的即时雨量h和翻斗式雨量传感器的精度ε获得翻斗式雨量传感器输出的开关量z，在每次降雨试验中，测出对应的开关量z的值，获得n个开关量z；

步骤S15：将n个开关量z值与理想开关量D进行比较运算，获得n个修正值，其中：ε为翻斗式雨量传感器的精度，如果某一z值落在理想开关量D所确定的误差范围内，则对应的修正值为0；当所有的修正值为0时，则结束构建；只要有一个修正值不为零，则继续执行步骤S16；

步骤S16：采用n个所述修正值分别对n组试验值中的y值进行修正，获得修正后的n组试验值；

步骤S17：将所述修正后的n组试验值带入待定斗数-斗时长函数，计算获得n个拟合参数，并依此重新确定斗数-斗时长函数：E(t,y)＝0以及即时雨量函数：J(h,t)＝0；并回到步骤S14。

5.根据权利要求1-4其中任一所述的基于斗数和斗时长的精确降雨数据的获得方法，其特征在于，还包括：

步骤S2：在降雨持续期间内，根据所述即时雨量函数和斗时长t的值，获得即时雨量h；

步骤S3：根据总雨量统计期间内的所有即时雨量h的值，获得总降雨量H。

6.根据权利要求5所述的基于斗数和斗时长的精确降雨数据的获得方法，其特征在于：所述翻斗式雨量传感器包括：承水器、设置在所述承水器下方的漏斗、设置在所述漏斗下方的翻斗、由所述翻斗驱动的磁钢、以及包括干簧管的计数电路模块；所述斗时长t为干簧管产生的相邻两个开关脉冲之间的时间间隔。

7.根据权利要求6所述的基于斗数和斗时长的精确降雨数据的获得方法，其特征在于：所述计数电路模块带有时钟电路；所述斗时长t通过干簧管相邻两次被触发的时间间隔获得，并通过设置在所述计数电路模块中的时钟电路提供的时钟信号计算准确值。

8.根据权利要求7所述的基于斗数和斗时长的精确降雨数据的获得方法，其特征在于，在步骤S3中，所述总降雨量H通过计算监控终端接收到翻斗式雨量传感器输出的开关量的个数获得，所述开关量通过即时雨量h和翻斗式雨量传感器的精度ε获得；所述开关量通过即时雨量h的累加值与翻斗式雨量传感器的精度ε相除获得或通过即时雨量h与翻斗式雨量传感器的精度ε相除后进行累加获得。

9.根据权利要求6所述的基于斗数和斗时长的精确降雨数据的获得方法，其特征在于：在步骤S2中：所述干簧管每次开闭产生的电子信号均实时传输至监控终端，斗时长t的值在监控终端计算获得。

10.根据权利要求1所述的基于斗数和斗时长的精确降雨数据的获得方法，其特征在于：在步骤S1之后，根据即时雨量函数和的关系式，获得等效雨强函数：

G(u,t)＝0；

其中，斗时长t的等效雨强u的单位为mm/min。