CN104236626B - 排水管道液位与流量一体化在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种排水管道液位与流量一体化在线监测系统，由数据中心和至少一个监测子系统组成，所述监测子系统包括监测点和安装在所述监测点的监测设备，监测设备采集监测点的相关监测数据，并将监测数据发送给数据中心进行处理和实时动态显示。采用本发明的排水管道液位与流量一体化在线监测系统，可对排水管道、排水渠道、排水检查井、排水口、城市下凹道路、城市地下停车场、城市受纳水体等点位进行液位与流量的在线监测、内涝或溢流预警和报警、监测数据公众发布、监测数据统计分析等应用。

Description

排水管道液位与流量一体化在线监测系统

技术领域

本发明涉及一种在排水管道进行液位与流量一体化在线监测系统，也可应用于其它非满管或满管管渠的液位、流速与流量的在线监测。

背景技术

通过制定合理可行的监测方案，对排水管网进行液位与流量的现场在线监测，是进行排水管网科学管理、统计计算、模拟评估与预警分析的必要条件。利用长时间序列的液位、流速与流量在线监测数据，可以支持排水模型相关参数的率定和验证，以保证模拟结果的可靠性，提高模拟预测的可信度；利用关键节点的监测流量进行统计分析，可直观发现监测点上下游排水管道的过载、溢流、淤积、雨天入流、地下水或河水入渗等问题，并可进行定量化评估计算；在实际的排水管网管理过程中，还可利用在线监测技术对偷排、错接等现象进行识别和分析。因此，排水管道液位与流量监测，既是构建排水管网模型的重要依据，又是进行排水管网数字化管理的重要手段。

目前我国在排水管道液位与流量在线监测方面，主要以进口设备为主，国产设备的功能性、稳定性和硬件集成性不能满足在排水系统恶劣环境中长期稳定监测的要求。而现有进口设备存在价格过高、只能以固定时间频次监测、通讯模式可变性弱、设备零配件供货周期长、软硬件系统集成度不高等问题，严重影响了排水在线监测系统的建设和应用效果。主要表现如下：

(1)现有流量监测设备的测量通常为5-15分钟，不能根据液位和流量监测数据自动变化通讯频次，可以满足排水系统长期运行监测的需求，但是不能满足排水管网预警报警和动态管理的技术需求；

(2)现有设备整体安装在排水井下，通常采用GPRS网络进行通讯，导致主机功耗较高，而且井下通讯环境不好，导致数据容易因网络信号原因不能及时发送，主机电池更换周期较短，且需要在每次维护过程打开井盖进行，费时费力；

(3)现有设备功能以单点的液位和流量监测为主，多个设备的内置时钟不能自动同步，不能准确控制数据的采集时间，也不能在液位或水温剧烈变化时自动加密流速数据的采集频率，不利于排水管道流量液位动态变化规律的监测；

(4)现有设备通过专用的后台软件和复杂繁琐的配置过程才能接入设备的数据，通常使用的软件多为单机版软件，数据管理和共享发布功能较弱，通常不具备统一的网络服务接口，不能及时将数据推送到手机端显示，不利于监测数据的共享发布和报警信息的及时快速推送。

因此，迫切的需要开发一种既具有在线监测功能，又具有及时预警和报警功能，并可根据液位波动情况和水温变化情况自动调整流速监测频次的排水管道液位与流量一体化在线监测系统。利用该装置不仅可以帮助管理部门掌握排水系统的液位、流速和流量数据的长期变化规律，定量分析排水系统的溢流风险，定量计算排水管网的雨污水流量，定量计算由于地下水或河水入渗导致的污水管网增加流量，识别排水管网的液位与流量典型变化规律；也可以及时的进行排水内涝及溢流事件的预警和报警，管理人员可以通过网页端、手机端及时查看数据变化情况，辅助城市排水内涝及溢流事件的及时应对和定量评估。同时，可以通过软硬件的紧密集成，降低设备的安装和使用难度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种排水管道液位与流量一体化在线监测系统，具有分钟级同步液位监测、监测主机与监测中继器分体式安装、智能可变的流速监测频次、软硬集成为一体等特点，系统可以通过网页浏览器、微信、短信等多种方式及时预警和报警监测点的异常事件。基于该系统可以建立高效可靠的排水监测预警系统，形成多种解决方案，如：城市排水管网液位流量在线监测平台、城市降雨易涝点监测和预警平台、城市内部河道液位及流量监测和预警平台、城市污水管网溢流点监测和报警平台、城市排水内涝监测预警公众信息发布平台、排水户排水量在线监测系统、排水管网流量临时监测服务等。

本发明采用的技术方案如下：

一种排水管道液位与流量一体化在线监测系统，数据中心和至少一个监测子系统，所述监测子系统包括监测点和安装在所述监测点的监测设备，所述监测设备包括液位监测传感器、速度传感器、液位报警传感器、温度传感器、监测主机和监测中继器，其中，所述液位监测传感器，根据所述监测主机的控制要求，测量所述监测点的液位，采集所述监测点的液位监测数据，并将所述液位监测数据发送给所述监测主机；所述液位报警传感器，根据所述监测主机的控制要求，测量所述监测点的报警液位，采集所述监测点的液位报警数据，并将所述液位报警数据发送给所述监测主机；所述温度传感器，根据所述监测主机的控制要求，采集所述监测点的水温数据，并将所述水温数据发送给所述监测主机；所述速度传感器，根据所述监测主机的控制要求，采集所述监测点的流速数据，并将所述流速数据发送给所述监测主机；所述监测主机基于接收的所述液位监测传感器测量数据和所述液位报警传感器测量数据，计算所述监测点的液位高度，并基于所述液位高度和接收的所述水温数据的变化率来控制所述速度传感器对所述监测点的流速进行测量，将所述液位监测数据、所述液位报警数据、所述水温数据和所述流速数据按照可变化的传输时间间隔传输到所述监测中继器；所述监测中继器，接收所述监测主机发送的所述液位监测数据、所述液位报警数据、所述水温数据和所述流速数据，并按照可变化的传输时间间隔将接收的数据传输到所述数据中心。

优选地，所述监测设备还包括超声波液位传感器，其根据所述监测主机的控制要求，对所述监测点的液位进行测量，并将测量的超声波液位传感器测量数据发送给所述监测主机；

其中，所述监测主机基于其系统时钟，每分钟整点控制所述温度传感器进行水温测量，并控制所述液位监测传感器对所述监测点的液位进行测量，在测量过程中，所述液位监测传感器的浸没水深由以下第一公式确定：

$L_1\left(t\right)=K_1(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{AD}}_{1,i}-B_1)$

L₁(t)：t时刻的所述液位监测传感器的浸没水深，m；

AD_1，i：所述液位监测传感器的原始输出信号；

n：所述液位监测传感器每分钟监测过程的信号采集次数；

K₁：所述液位监测传感器的校正系数，m^-1；

B₁：所述液位监测传感器的输出信号偏移量；

ε：液位判断阈值，m；

其中，当L₁(t)＜ε时，所述监测主机立即控制所述超声波液位传感器进行液位监测；

当L₁(t)≥ε时，所述监测主机不启用所述超声波液位传感器进行液位监测，而启用所述液位报警传感器进行液位测量，在测量过程中，所述液位报警传感器的浸没水深由以下第二公式确定：

$L_2\left(t\right)=K_2(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{AD}}_{2,i}-B_2)$

L₂(t)：t时刻的所述液位报警传感器浸没水深，m；

AD_2，i：所述液位报警传感器的原始输出信号；

n：所述液位报警传感器一次监测的信号采集次数；

K₂：所述液位报警传感器的校正系数，m^-1；

B₂：所述液位报警传感器的输出信号偏移量。

优选地，所述监测主机根据所述第一公式和第二公式的计算结果，计算所述监测点的液位高度，所述液位高度通过以下条件确定：

当L₁(t)＜ε时，Level(t)＝D_down-L₃(t)；

当L₁(t)≥ε且L₂(t)＜ε时，

如果|D_down-L₃(t)-L₁(t)-D₁|＜ε，Level(t)＝D_down-L₃(t)

否则，Level(t)＝L₁(t)+D₁

当L₂(t)≥ε时，Level(t)＝L₂(t)+D₂

Level(t)：t时刻的监测点的实际液位高度，m；

L₃(t)：t时刻的所述超声波液位传感器测得的传感器距水面距离，m；

D₁：液位监测传感器下端距监测点下游管道底部的距离，m；

D₂：液位报警传感器下端距监测点下游管道底部的距离，m；

D_down：监测点的下游管道的高度，m。

优选地，每分钟所述监测主机计算所述监测点的液位高度后，立即根据如下第三和第四公式判断是否控制所述速度传感器监测所述监测点的流速数据：

$\mathrm{\ΔL}=\mathrm{Level}\left(t\right)-\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=t-m-1}^{t-1}\mathrm{level}\left(i\right)}{m}$

$\mathrm{\ΔT}=\mathrm{Temp}\left(t\right)-\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=t-m-1}^{t-1}\mathrm{Temp}\left(i\right)}{m}$

ΔL：监测点的液位平均变化率；

ΔT：监测点的水温平均变化率；

Temp(t)：t时刻的监测点的水温，℃；

m：计算液位平均变化率时，使用的历史数据个数；

T_min：监测点的水温变化判断阈值，℃；

当ΔL≥ε或ΔT≥T_min时，所述监测主机控制所述速度传感器进行一次流速监测；否则，则判断所述监测主机距上一次进行流速监测的等待时间是否到达用户设置的流速测定最长时间间隔，如果没有达到，则不进行流速监测，否则控制所述速度传感器进行一次流速监测。

优选地，所述速度传感器在每次进行流速监测时，首先启用测距模式对所述监测点的水中反射物进行探测，在探测到反射物时，立刻切换到流速测量模式对所述监测点的流速进行测量。

优选地，所述监测主机与所述监测中继器以及所述监测中继器与所述数据中心的可变化的传输时间间隔t按照如下规则计算：

当Level(t)＜Level₁时，t＝15；

当Level(t)≥Level₁而且Level(t)＜Level₂时，t＝5；

当Level(t)≥Level₂时，t＝1；

t：可变化的传输时间间隔，分钟；

Level₁：用户设定的监测点的液位预警值，m；

Level₂：用户设定的监测点的液位报警值，m。

优选地，所述K₁、B₁、K₂、B₂、n、ε、T_min、m的取值范围分别为：

K₁：(6000，8000)；

B₁：(400，700)；

K₂：(2000，3000)；

B₂：(400，700)；

n：(8，128)；

ε：(0.05，0.3)；

T_min：(2，5)；

m：(1，5)。

优选地，所述监测主机将采集的数据按照可变化的传输时间间隔发送到所述监测中继器，所述监测中继器在收到相应的数据后，将相应的数据按照可变化的传输时间间隔发送到数据中心，同时接收和处理所述数据中心发送的更新测设备设置参数的指令，设置参数包括液位预警值、液位报警值、K₁、B₁、K₂、B₂、n、ε、T_min、m；所述数据中心基于所接收的监测点的所述液位高度、所述流速数据计算所述监测点的流量，并及时将接收的所述相应数据进行处理，及时动态显示和发布。采用本发明的排水管道液位与流量一体化在线监测系统，其优点在于：

(1)排水管道液位与流量一体化在线监测系统可每分钟整点获得监测点的液位和水温数据，并根据液位和水温变化改变流速的测定频次，可以以较低的测量成本获取较为准确的逐分钟流量过程曲线；

(2)排水管道液位与流量一体化在线监测系统在液位监测过程中，自动根据监测点的当前工况，选择合适的传感器进行液位监测，避免了超声波传感器的测量盲区，实现了液位的全量程可靠监测，提高了液位监测数据的可靠性和有效性，适用于液位剧烈变化、突降暴雨等恶劣情况下的排水在线监测；

(3)通过将监测主机与监测中继器进行分离，减少了井下的维护工作量，便于进行中继器的电池更换，同时便于选择移动通讯信号良好的点安装监测中继器，降低了设备使用维护难度，增强了数据的通讯传输和预警报警能力；

(4)排水管道液位与流量一体化在线监测系统根据液位和温度是否发生剧烈变化，可自动加密流速的采集频率，既避免了持续高频次监测流速导致的功耗增加，也可以有效的监测特殊事件导致的排水流量急剧变化过程，可以对特殊事件进行及时的监测和预警，有利于分析流量急剧变化的原因；

(5)排水管道液位与流量一体化在线监测系统在监测流速时，首先启用测距模式进行水中反射物的探测，在探测到反射物时，立刻切换到流速测量模式进行测量，从而保证流速测量的有效性，并可显著降低所述多普勒速度传感器的电量开销；

(6)利用数据中心，排水管道液位与流量一体化在线监测系统一旦在现场安装完成，数据中心可自动接收监测数据，也可以灵活更新设备的参数设置，实现软件和硬件的紧密集成，用户可通过浏览器应用程序、手机微信服务号、手机短信等多种方式查看在线监测数据或报警信息，极大的提高了系统的部署和使用效率，降低了系统使用难度。

附图说明

图1是本发明的排水管道液位与流量一体化在线监测系统的总体结构图。

图2是本发明的排水管道液位与流量一体化在线监测系统的各元件的连接示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。以下实施方式对本发明进行更为详细的描述，但其并不限制本发明的范围。基于本实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下，首先参照图1至图2对本发明的排水管道液位与流量一体化在线监测系统进行介绍。

参见图1至图2，本发明的排水管道液位与流量一体化在线监测系统，包括数据中心D和至少一个监测子系统，监测子系统包括监测点和安装在监测点的监测设备，监测设备包括液位监测传感器11、速度传感器12、液位报警传感器14、温度传感器15、监测主机16和监测中继器21。

液位监测传感器11和液位报警传感器14可分别采用压力式液位监测传感器和压力式液位报警传感器，速度传感器12可采用多普勒速度传感器。监测点可以是排水管网的现场地点，如污水管道、雨水管道、或者其他非满管或满管渠道的地点。

其中，监测主机16控制压力式液位监测传感器11、多普勒速度传感器12、超声波液位传感器13、压力式液位报警传感器14、温度传感器15，进行在线监测，生成监测数据，并按将监测数据传输给监测中继器21；监测中继器21接收监测数据，并将监测数据传输给数据中心D；数据中心D将接收的监测数据进行智能化处理，得到监测点的温度、液位、流速、流量等监测数据的状态数据，并将监测点的状态数据进行动态显示和发布。

压力式液位监测传感器11、多普勒速度传感器12、超声波液位传感器13、压力式液位报警传感器14、温度传感器15与监测主机16通过连接线缆相互连接，监测主机16安装在固定支架上，悬挂在监测点的检查井内侧。各传感器的典型安装位置如图1所示，压力式液位监测传感器11安装在监测点的管道顶部附近；多普勒速度传感器12安装在监测点的管道底部，如果存在淤积，则安装位置要偏移，避免被淤泥覆盖；超声波液位传感器13安装在监测点的管道顶部；压力式液位报警传感器14安装在监测点的检查井内，距离地面约0.5～2m、温度传感器15与多普勒速度传感器12集成在一起，安装在监测点的管道底部。

监测中继器21与监测主机16分开设置，监测中继器21可安装在监测点旁边的路灯杆上，以与监测主机16分开安装。监测主机16通过短距通讯方式与监测中继器21进行数据交换。监测中继器21使用无线网络与数据中心D进行信息传送，可使用的无线网络的传送介质包括但不限于通用分组无线服务技术(GPRS，GeneralPacketRadioService)或者基于码分多址(CDMA，CodeDivisionMultipleAccess)技术、第三代移动通讯技术(3G)、第四代移动通信技术(4G)的网络或其他的无线网络。

数据中心D包括具有独立因特网IP地址的云服务器主机或独立计算机的数据服务器及相应的软件系统，实现监测数据的传输、存储、查询、显示、统计、发布及转发功能，并实现对微信服务号的功能支持，同时支持手机短信的发送和通知。在数据服务器上设置有对监测数据进行处理的数据传输与转发服务模块、数据统计与查询模块和数据发布模块。

其中，数据传输与转发服务模块，在数据服务器通过因特网IP地址和固定端口号监听监测中继器21的连接请求，在建立连接后，首先接收监测中继器装21发送的数据包，将数据保存在本地临时数据库，然后每隔30分钟设定监测中继器21的时钟时间为服务器当前时间，根据应用程序需要更新监测中继器21的设备参数；同时，在另一个程序线程运行数据转发服务，定期将本地临时数据库中的数据转入应用数据库。这样做的好处是，数据中心D可以在数据保存到本地临时数据库后，立即给监测中继器21回复确认包，尽可能减少中继器21中无线网络通讯模块的开启时间，节约设备电耗；同时保证在应用数据库出现故障时，不影响设备监测数据的收发通讯。

数据统计与查询模块，通过应用数据库中的数据，对监测数据进行小时、天、月的最大值、最小值、平均值等自动统计，并提供可视化的方式对监测数据和统计数据进行地图展示、曲线展示、表格展示，并可对不同监测点的数据进行对比分析，数据分析和处理可采用现有的任何数据处理技术来进行；以及

数据发布模块，利用应用数据库中的数据，实现系统自动报警，在应用软件中以不同的警戒颜色显示，同时将报警信息通过微信服务号直接推送给相关人员，同时建立数据发布的WebServicies接口，集成微博发布的API接口，便于监测数据与报警信息的及时通知和公众发布。

为了更加精细化的反映监测点的液位变化情况，监测主机16基于系统时钟，在每分钟整点控制压力式液位监测传感器11和压力式液位报警传感器14进行液位测量，同时利用温度传感器15进行水温测量。监测执行时间为每分钟的整点，每分钟整点测量的好处是，可以保证多点的数据是同时测量的，监测时间统一，方便多点数据的统一制表和对比分析。

如果压力式液位监测传感器11测得的数据小于液位判断阈值ε，则利用超声波液位传感器13进行更加精确的液位监测。由于超声波液位传感器价格较高，在实际过程中，超声波液位传感器13可以选择不安装，特别是在长期处于满管状态的监测点，即使安装超声波液位传感器也无法测得有效数据。监测主机16将综合多个传感器的测试结果，计算该监测点的液位高度，计算方法如下述内容所示，这样可以实现全量程的液位监测，避免使用单一传感器的测量盲区，而且可以提高液位监测的精度和可靠性。

监测点液位高度根据下述内容得到：

首先，根据下述公式(1)得到t时刻的液位监测传感器11的浸没水深：

$L_1\left(t\right)=K_1({\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{\mathrm{AD}}_{1,i}-B_1)---\left(1\right)$

L₁(t)：t时刻的液位监测传感器的浸没水深，m；

AD_1，i：液位监测传感器的原始输出信号；

n：液位监测传感器每分钟监测过程的信号采集次数；

K₁：液位监测传感器的校正系数，m^-1；

B₁：液位监测传感器的输出信号偏移量；

ε：液位判断阈值，m；

然后，当L₁(t)＜ε时，监测主机立即控制超声波液位传感器进行液位监测；

以及当L₁(t)≥ε时，监测主机不启用超声波液位传感器进行液位监测，而启用液位报警传感器进行液位测量，在测量过程中，液位报警传感器的浸没水深由以下公式(2)确定：

$L_2\left(t\right)=K_2({\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{\mathrm{AD}}_{2,i}-B_2)---\left(2\right)$

L₂(t)：t时刻的液位报警传感器浸没水深，m；

AD_2，i：液位报警传感器的原始输出信号；

n：液位报警传感器一次监测的信号采集次数；

K₂：液位报警传感器的校正系数，m^-1；

B₂：液位报警传感器的输出信号偏移量。

最后，监测主机根据上述公式(1)和(2)的计算结果，计算监测点的液位高度，液位高度根据以下内容确定：

当L₁(t)＜ε时，Level(t)＝D_down-L₃(t)；

当L₁(t)≥ε且L₂(t)＜ε时，

如果|D_down-L₃(t)-L₁(t)-D₁|＜ε，Level(t)＝D_down-L₃(t)

否则，Level(t)＝L₁(t)+D₁

当L₂(t)≥ε时，Level(t)＝L₂(t)+D₂

Level(t)：t时刻的监测点的实际液位高度，m；

L₃(t)：t时刻的超声波液位传感器测得的传感器距水面距离，m；

D₁：液位监测传感器下端距监测点下游管道底部的距离，m；

D₂：液位报警传感器下端距监测点下游管道底部的距离，m；

D_down：监测点的下游管道的高度，m。

由于多普勒速度传感器12测速的功耗较高，因此合理控制多普勒速度传感器12的启用频次非常重要。监测主机16将根据液位和温度的变化率，确定是否进行流速的监测。这样既可以保证在管道状态发生剧烈变化时，进行快速的流速监测；也可以保证在管道状态较为平稳时，只需按照既定的时间间隔(通常为5-15分钟)进行长期监测。实现功耗和测量频次的有效平衡，更大程度的保障监测数据的有效性。

多普勒速度传感器12的开启条件可通过下述内容来确定：

每分钟监测主机计算监测点的液位高度后，立即根据如下公式(3)和(4)判断是否控制速度传感器监测监测点的流速数据：

$\mathrm{\ΔL}=\mathrm{Level}\left(t\right)-\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=t-m-1}^{t-1}\mathrm{level}\left(i\right)}{m}---\left(3\right)$

$\mathrm{\ΔT}=\mathrm{Temp}\left(t\right)-\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=t-m-1}^{t-1}\mathrm{Temp}\left(i\right)}{m}---\left(4\right)$

ΔL：监测点的液位平均变化率；

ΔT：监测点的水温平均变化率；

Temp(t)：t时刻的监测点的水温，℃；

T_min：监测点的水温变化判断阈值，℃；

m：计算液位平均变化率时，使用的历史数据个数；

当ΔL≥ε或ΔT≥T_min时，监测主机控制速度传感器进行一次流速监测；否则，则判断监测主机距上一次进行流速监测的等待时间是否到达用户设置的流速测定最长时间间隔，如果没有达到，则不进行流速监测，否则控制速度传感器进行一次流速监测。

多普勒速度传感器12在每次进行流速监测时，首先启用测距模式进行水中反射物的探测，监测主机16首先通过脉冲测量模式电路，利用多普勒速度传感器12输出指定周期的脉冲信号，并且通过反射信号的延迟时间计算出多普勒速度传感器12与水中反射物(杂质)的距离，如果距离小于安装点的管径，则表示探测到了反射物，进行流速测量是有效的。这时，监测主机16立刻切换到流速测量模式根据多普勒效应进行流速的测量，从而保证流速测量的有效性，并进一步降低多普勒速度传感器12的电量开销。

在排水管道液位与流量一体化在线监测系统用于现场测试前，需要进行参数的校正，其中K₁、B₁、K₂、B₂等参数可以通过标准水深进行计算得到。n、ε、T_min、m的取值范围根据工程经验值进行选取。参数值后期可以通过数据中心D，远程自动更新到监测主机16和监测中继器21，便于进行设备参数的修改和维护。监测主机16的系统时钟至少每30分钟通过监测中继器21与数据中心D的系统时钟同步一次。从而保证所有接入数据中性的液位监测主机16都在同一时间点采集仪器信息和监测数据，时间相对误差不大于3秒。具体地，自动同步的过程为，每隔30分钟，在监测中继器21与数据中心D的服务器建立通讯时，服务器将给监测中继器21发送服务器当前时间，监测中继器21将设定当前时间为接收到的时间。同时，每隔30分钟，在监测主机16与监测中继器21建立通讯时，监测中继器21将监测中继器的当前时间发送给监测主机16，监测主机16设定当前时间为接收到的时间。由于每30分钟同步一次，因此可以保证监测主机装16、监测中继器21与数据中心D的服务器的时间误差比较小，时间相对误差不大于3秒。

优选地，参数K₁、B₁、K₂、B₂、n、ε、T_min、m的取值范围可分别为：

K₁：(6000，8000)；

B₁：(400，700)；

K₂：(2000，3000)；

B₂：(400，700)；

n：(8，128)；

ε：(0.05，0.3)；

T_min：(2，5)；

m：(1，5)。

在测量流速完成后，监测主机16将采集的数据，包括监测点的液位、流速、水温等数据按照可变化的传输时间间隔发送到监测中继器21，监测中继器21在收到相应的数据后，将相应的数据按照可变化的传输时间间隔发送到数据中心D，同时接收和处理数据中心D发送的更新测设备设置参数的指令，设置参数可包括液位预警值、液位报警值、K₁、B₁、K₂、B₂、n、ε、T_min、m等，数据中心D基于所接收的数据利用面积速度法计算监测点的流量，并及时将接收的所述相应数据进行处理，及时动态显示和发布。利用面积速度法计算的监测点的流量，会被存储起来，便于进行数据查询和分析，实现不同用户登陆后查看和浏览与自己相关的监测数据。

其中，监测主机16与监测中继器21以及监测中继器21与数据中心D的可变化的传输时间间隔按照如下规则计算：

所述监测主机与所述监测中继器以及所述监测中继器与所述数据中心的可变化的传输时间间隔t按照如下规则计算：

当Level(t)＜Level₁时，t＝15；

当Level(t)≥Level₁而且Level(t)＜Level₂时，t＝5；

当Level(t)≥Level₂时，t＝1；

t：可变化的传输时间间隔，分钟；

Level₁：用户设定的监测点的液位预警值，m；

Level₂：用户设定的监测点的液位报警值，m。

面积速度法计算公式如下：

Q＝v·A

Q：监测点管道流量，m³/s；

v：多普勒速度传感器12测得的流速，m/s；

A：根据当前液位高度和监测管道或渠道断面形状，计算的过流截面积，m²。

用户可根据实际需求监测点的液位预警值和液位报警值。通常，先确定液位报警值，视情况按照监测点井深减去0.5～1m的距离，计算液位报警值，并进行设定；液位预警值可以酌情比液位报警值低1-2m进行设定，或选择监测点管道顶部的高度进行设定。在设定参数时，需要保证液位报警值大于液位预警值。用户在监测系统运行过程中，可以利用数据中心D的可视化界面，随时对液位报警值和预警值进行修改。通过设置合理的液位预警值和液位报警值，可以保证监测主机16和监测中继器21既能在液位安全的情况下降低数据发送频次，节省电耗，延长设备的持续工作时间；而且可以在监测点发生危险时，提高数据发送频次，及时通知管理人员采取必要的管理或工程措施，避免监测点发生溢流或积水等事故。

下面以某污水管网的监测点为例对本发明的排水管道液位与流量一体化在线监测系统的工作原理进行示例性说明。

选择北京市海淀区某办公楼附近的污水井作为监测点，安装和实施本发明所述的排水管道液位与流量一体化在线监测系统，该液位监测点的井深为3.5米，污水管直径为0.6米，安装时，监测点的水深为0.3米，流速约0.7米/秒。

(1)首先，将压力式液位监测传感器、多普勒速度传感器、超声波液位传感器、压力式液位报警传感器、温度传感器与监测主机通过连接线缆相互连接，在监测点所在污水井地面下约25厘米的位置打孔，将固定安装支架安装在孔处，以悬挂在污水井内侧，将监测主机置于固定安装支架。调节压力式液位监测传感器的离井口地面高度为3.0米，调节压力式液位监测传感器的离井口地面高度为0.5米。超声波液位传感器安装在管道顶部正上方。温度传感器与普勒速度传感器安装固定在管道底部，为了防止淤积对测量的影响，安装点距离管道最低点约5厘米。完成井下设备的组装与固定安装。

(2)其次，在污水井旁边10米距离的路灯杆上离地面约3米的距离安装中继器固定支架，将监测中继器固定在支架上，完成监测中继器的安装。

(3)再次，在数据服务器上部署数据中心，并设置该监测点的安装位置、安装设备编号、各个传感器的安装位置等配置数据。其中流速监测最长时间间隔为15分钟，液位预警值：1.8；液位报警值：3.0；K₁：7841；B₁：563；K₂：2244；B₂：581；n：128；ε：0.1；T_min：5；m：5。

在初始情况下，监测中继器装置每5分钟尝试从数据中心请求设备配置参数和当前时间，监测主机装置每5分钟尝试从监测中继器装置获取配置参数和当前时间。在约10分钟后，监测中继器装置向数据中心传回一组有效的监测数据，最新监测水深数据的值为0.33米，流速为0.75米/秒，流量为0.119立方米/秒，与当前污水井内实际情况基本一致。

(4)系统在之后1个月的运行过程中，每分钟整点监测1次污水井的水深值和水温值，当压力式液位监测传感器的浸没水深小于0.1米时，使用超声波液位传感器的测量数据计算当前液位值，当压力式液位监测传感器的浸没水深大于或等于0.1米而且压力式液位报警传感器的浸没水深小于0.1米时，使用压力式液位监测传感器测量的数据计算当前液位值，当压力式液位报警传感器的浸没水深大于0.1米时，使用压力式液位报警传感器测量的数据计算当前液位值。保障了液位测量数据的可靠性。

正常情况下每15分钟监测一次流速数据。当液位平均变化率大于0.1米或温度平均变化率大于5度时，自动加密流速监测次数。这样就可以保证在液位急剧变化或水温变化时，及时的进行流速监测。可以帮助管理者更准确的反映排水管网流速与流量的变化规律。

当监测点的液位水深小于设定预警值1.8米时，监测中继器装置每15分钟向数据中心发送一次数据，在晚上7：00到第二天早晨7：00之间不发送数据，在第二天早晨7：00分批向数据中心传输历史数据，约在10分钟内完成历史数据传输；当监测水深大于设定预警值1.8米小于设定报警值3.0米时，监测中继器装置每5分钟向数据中心发送一次数据；当监测水深大于设定报警值3.0米时，监测中继器装置每1分钟向数据中心发送一次数据。通过可变的通讯频次，保证了数据传输的有效性。与采用固定传输频次相比，既提高了数据发送的及时性，又大幅降低了设备通讯电耗，减少了设备的现场使用维护成本。

通过数据中心的浏览器应用程序界面，可以利用授权用户名和密码随时登录应用程序，方便地查看监测点的最新的水温、液位、流速和流量等监测数据，通过可视化的图表方式对监测数据和统计数据进行展示，方便用户随时查看该监测点的水位变化情况、水温变化情况、流速变化情况和流量变化情况，分析该污水管道最近是否存在运行风险和事故隐患，为污水管网的运行管理提供了可靠的在线监控解决方案。

综上可知，本发明的排水管道液位与流量一体化在线监测系统可以按照可变的测量频次和通讯频次，在大幅降低系统运行功耗的前提下，实现排水管道液位、流速与流量的在线监测功能。利用本发明的排水管道液位与流量一体化在线监测系统，不仅可以实现液位、流速与流量数据的在线监测，满足排水管网长期运行规律分析的数据要求，而且可以及时对排水管网的运行风险进行预警或报警，为排水管网的科学精细化管理提供及时准确的现场在线数据。

Claims (7)

1.一种排水管道液位与流量一体化在线监测系统，其特征在于，包括：

数据中心和至少一个监测子系统，所述监测子系统包括监测点和安装在所述监测点的监测设备，

所述监测设备包括液位监测传感器、速度传感器、液位报警传感器、温度传感器、监测主机和监测中继器，

其中，所述液位监测传感器，根据所述监测主机的控制要求，测量所述监测点的液位，采集所述监测点的液位监测数据，并将所述液位监测数据发送给所述监测主机；

所述液位报警传感器，根据所述监测主机的控制要求，测量所述监测点的报警液位，采集所述监测点的液位报警数据，并将所述液位报警数据发送给所述监测主机；

所述温度传感器，根据所述监测主机的控制要求，采集所述监测点的水温数据，并将所述水温数据发送给所述监测主机；

所述速度传感器，根据所述监测主机的控制要求，采集所述监测点的流速数据，并将所述流速数据发送给所述监测主机；

所述监测主机基于接收的所述液位监测传感器测量数据和所述液位报警传感器测量数据，计算所述监测点的液位高度，并基于所述液位高度和接收的所述水温数据的变化率来控制所述速度传感器对所述监测点的流速进行测量，将所述液位监测数据、所述液位报警数据、所述水温数据和所述流速数据按照可变化的传输时间间隔传输到所述监测中继器；

所述监测中继器，接收所述监测主机发送的所述液位监测数据、所述液位报警数据、所述水温数据和所述流速数据，并按照可变化的传输时间间隔将接收的数据传输到所述数据中心；

所述监测设备还包括超声波液位传感器，其根据所述监测主机的控制要求，对所述监测点的液位进行测量，并将测量的超声波液位传感器测量数据发送给所述监测主机；

其中，所述监测主机基于其系统时钟，每分钟整点控制所述温度传感器进行水温测量，并控制所述液位监测传感器对所述监测点的液位进行测量，在测量过程中，所述液位监测传感器的浸没水深由以下第一公式确定：

$L_1\left(t\right)=K_1({\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{\mathrm{AD}}_{1,i}-B_1)$

L₁(t):t时刻的所述液位监测传感器的浸没水深，单位为m；

AD_1，i:所述液位监测传感器的原始输出信号；

n：所述液位监测传感器每分钟监测过程的信号采集次数；

K₁：所述液位监测传感器的校正系数；

B₁：所述液位监测传感器的输出信号偏移量；

ε：液位判断阈值，单位为m；

其中，当L₁(t)＜ε时，所述监测主机立即控制所述超声波液位传感器进行液位监测；

当L₁(t)≥ε时，所述监测主机不启用所述超声波液位传感器进行液位监测，而启用所述液位报警传感器进行液位测量，在测量过程中，所述液位报警传感器的浸没水深由以下第二公式确定：

$L_2\left(t\right)=K_2({\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{\mathrm{AD}}_{2,i}-B_2)$

L₂(t):t时刻的所述液位报警传感器浸没水深，单位为m；

AD_2,i:所述液位报警传感器的原始输出信号；

n:所述液位报警传感器一次监测的信号采集次数；

K₂:所述液位报警传感器的校正系数；

B₂:所述液位报警传感器的输出信号偏移量。

2.根据权利要求1所述的排水管道液位与流量一体化在线监测系统，其特征在于，所述监测主机根据所述第一公式和第二公式的计算结果，计算所述监测点的液位高度，所述液位高度通过以下条件确定：

当L₁(t)＜ε时，Level(t)＝D_down-L₃(t)；

当L₁(t)≥ε且L₂(t)＜ε时，

如果|D_down-L₃(t)-L₁(t)-D₁|＜ε，Level(t)＝D_down-L₃(t)

否则，Level(t)＝L₁(t)+D₁

当L₂(t)≥ε时，Level(t)＝L₂(t)+D₂

Level(t):t时刻的监测点的实际液位高度，单位为m；

L₃(t)：t时刻的所述超声波液位传感器测得的传感器距水面距离，单位为m；

D₁:液位监测传感器下端距监测点下游管道底部的距离，单位为m；

D₂:液位报警传感器下端距监测点下游管道底部的距离，单位为m；

D_down:监测点的下游管道的高度，单位为m。

3.根据权利要求2所述的排水管道液位与流量一体化在线监测系统，其特征在于，每分钟所述监测主机计算所述监测点的液位高度后，立即根据如下第三和第四公式判断是否控制所述速度传感器监测所述监测点的流速数据：

$\mathrm{\Δ}L=Level\left(t\right)-\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=t-m-1}^{t-1}Level\left(i\right)}{m}$

$\mathrm{\Δ}T=Temp\left(t\right)-\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=t-m-1}^{t-1}Temp\left(i\right)}{m}$

ΔL:监测点的液位平均变化率；

ΔT:监测点的水温平均变化率；

Temp(t):t时刻的监测点的水温，℃；

m：计算液位平均变化率时，使用的历史数据个数；

T_min：监测点的水温变化判断阈值，℃；

当ΔL≥ε或ΔT≥T_min时，所述监测主机控制所述速度传感器进行一次流速监测；否则，则判断所述监测主机距上一次进行流速监测的等待时间是否到达用户设置的流速测定最长时间间隔，如果没有达到，则不进行流速监测，否则控制所述速度传感器进行一次流速监测。

4.根据权利要求3所述的排水管道液位与流量一体化在线监测系统，其特征在于，所述速度传感器在每次进行流速监测时，首先启用测距模式对所述监测点的水中反射物进行探测，在探测到反射物时，立刻切换到流速测量模式对所述监测点的流速进行测量。

5.根据权利要求3所述的排水管道液位与流量一体化在线监测系统，其特征在于，所述监测主机与所述监测中继器以及所述监测中继器与所述数据中心的可变化的传输时间间隔t按照如下规则计算：

当Level(t)＜Level₁时，t＝15；

当Level(t)≥Level₁而且Level(t)＜Level₂时，t＝5；

当Level(t)≥Level₂时，t＝1；

t：可变化的传输时间间隔，分钟；

Level₁:用户设定的监测点的液位预警值，单位为m；

Level₂:用户设定的监测点的液位报警值，单位为m。

6.根据权利要求3所述的排水管道液位与流量一体化在线监测系统，其特征在于，所述K₁、B₁、K₂、B₂、n、ε、T_min、m的取值范围分别为：

K₁：(6000，8000)；

B₁：(400，700)；

K₂：(2000，3000)；

B₂：(400，700)；

n：(8，128)；

ε：(0.05，0.3)；

T_min：(2，5)；

m：(1，5)。

7.根据权利要求5任一项所述的排水管道液位与流量一体化在线监测系统，其特征在于，所述监测主机将采集的数据按照可变化的传输时间间隔发送到所述监测中继器，所述监测中继器在收到相应的数据后，将相应的数据按照可变化的传输时间间隔发送到数据中心，同时接收和处理所述数据中心发送的更新监测设备设置参数的指令，设置参数包括液位预警值、液位报警值、K₁、B₁、K₂、B₂、n、ε、T_min、m；所述数据中心基于所接收的监测点的所述液位高度、所述流速数据，计算所述监测点的流量，并及时将接收的相应的数据进行处理，及时动态显示和发布。