CN106950879B - 一种水库水温信息监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水库水温信息监测系统及方法，该水库水温信息监测系统包括：控制器；无人驾驶船舶，无人驾驶船舶与控制器通过无线方式进行通信；用于获取待监测水库内的预设地理位置和预设水位高度位置处对应的水温信息的水温信息监测装置，水温信息监测装置与无人驾驶船舶通过无线方式通信，水温信息监测装置通过一垂向升降装置与无人驾驶船舶连接。能够实现对水库内不同地理位置和不同水位高度对应处的水温信息进行自动测量、自动传输，以及根据测量到的部分水位高度位置的温度，获得在预设地理位置处的各个水位高度对应的温度。

Description

一种水库水温信息监测系统及方法

技术领域

本发明涉及水库水温信息获取领域，尤其是一种水库水温信息监测系统及方法。

背景技术

水库建成后，库区内流速减小，水深增加，水体面积增大，将引起热量分布的改变，从而进一步影响库区内水质和水库周边及下游水环境。水库水体在水文、气象、地形、地理位置、出水口位置、调度运行方式等多重因素的共同影响下，形成不同的水温结构。水库水温结构可分为分层型和混合型两类。分层型水库随季节变化，上下层水温发生不同的变化；而混合型水库全年水库上下层水温没有明显区别，基本保持天然河流状态。分层型水库对水体会造成多方面的影响，例如上层温水层受水生植物光合作用影响保持着较高的溶解氧含量，而下层冷水层的溶解氧含量较低，易形成厌氧微生物层，从而使得水体中各类离子含量和PH值产生分层现象；对于集水面积较大的水库，表层水温的变化还会引起蒸发和水面长波辐射等的较大变化，影响局地气候；在水库水温较高时，水库放水又可能使下游水体生化需氧量增加，使水质变差，而低温水的下泄会对下游鱼类、农作物产生“冷害”影响；此外，水温分层还会影响水库大坝(特别是混凝土坝)的应力分布。因此，实时监控水库不同位置、不同深度的水温能为水库日常管理、运行调度等工作提供可靠的依据，具有十分重要的现实意义。

欧美国家早在20世纪20年代就开始了水库水温的监测工作，而我国起步较晚，1960年后才逐步开展。大部分工作以人工测量为主，即根据实际需求使用人力对水库不同区域、不同深度的水温进行实时测量。由于水库面积大，人工测量耗时多，而且人工记录容易发生误差，水温监测的效率一般不高。随着计算机、自动化、通信等先进技术的发展，水温自动监测技术也在我国起步。目前，国内已开发建成东江、二滩、新安江、富春江等多个水温自动监测系统，为研究水库水温分层特性及下泄水体沿程水温变化规律等提供了基本资料，为水电工程建成后环境影响评价和水库合理分层取水研究工作奠定了基础。水温自动监测系统一般布置在水库坝上和坝下。

坝上站遥测设备整体固定于水体表面，为监测整个断面水温分布情况，一般根据各个系统自身环境特性和监测要求分层布置探头。这种类型的自动监测系统的缺点在于只能对水库内某一确定的地理位置处的水温进行监测。

坝下站遥测设备安装于岸上，移动船体上固定设有监测探头，监测探头的另一端深入水体中，坝下遥测站一般根据各水库情况沿程选择2-4个出库完全混合断面布置。此种类型的自动监测系统能够对水库内不同地理位置的水温进行监测，但由于监测探头是固定在移动船体上，无法对探头深入的水位高度进行调节。

并且，通过上述的这些监测设备，在需要对水库内的各个地理位置处、各个水位高度位置对应的水温信息，都需要进行实际测量，需要耗费大量的测量时间。

发明内容

本发明实施例要解决的技术问题是提供一种水库水温信息监测系统及方法，用以对水库内的不同地理位置处、部分水位高度位置对应的水温进行自动测量、自动传输，并根据自动测量的部分数据可以实现对水库内的同一地理位置处、各个水位高度位置对应的垂向水温信息的获取。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供的水库水温信息监测系统，包括：

控制器；

无人驾驶船舶，所述无人驾驶船舶与所述控制器通过无线方式进行通信；

用于获取在待监测水库内的预设地理位置处、与预设水位高度位置对应的水温信息的水温信息监测装置，所述水温信息监测装置与所述无人驾驶船舶通过无线方式通信，所述水温信息监测装置通过一垂向升降装置与所述无人驾驶船舶连接，其中，

所述控制器用于控制所述无人驾驶船舶进行移动，以及接收所述水温信息监测装置发送的在待监测水库内的预设地理位置处、与多个不同预设水位高度对应的水温信息，并根据接收到的水温信息，确定出在待监测水库内的预设地理位置处、与待监测水位高度对应的第二水温。

优选地，所述无人驾驶船舶包括：

船舶本体；

固定于所述船舶本体上、用于与所述控制器无线通信的电子通讯装置；

固定于所述船舶本体上、与所述电子通讯装置连接的单片机和定位器，所述单片机与所述垂向升降装置连接；

与所述船舶本体连接的动力推进装置，且所述动力推进装置与所述单片机连接；其中，所述单片机用于根据所述控制器发送的控制指令对所述动力推进装置和所述垂向升降装置进行控制。

优选地，所述动力推进装置包括：

与所述船舶本体连接、用于驱动所述船舶本体进行转向的推进器控制轴；

与所述推进器控制轴连接、用于驱动所述船舶本体进行移动的推进器，且所述推进器控制轴和所述推进器均与所述单片机连接。

优选地，所述无人驾驶船舶还包括：

固定于所述船舶本体上的第一供电器，所述第一供电器分别与所述电子通讯装置、所述定位器、所述单片机、所述推进器控制轴和所述推进器连接。

优选地，所述垂向升降装置为定滑轮装置，所述定滑轮装置固定于所述船舶本体上，所述水温信息监测装置通过缆绳与所述定滑轮装置连接。

优选地，所述水温信息监测装置包括：

处理器，所述处理器与所述电子通讯装置无线通信；

与所述处理器连接的水温监测器和水位监测器；其中，

所述处理器用于将所述水温监测器监测到的水温信息、所述水位监测器监测到的水位信息以及所述定位器监测到的地理位置信息进行模数转换，并将进行模数转换后的水温信息、水位信息和地理位置信息发送至所述电子通讯装置。

优选地，所述水温信息监测装置还包括：

存储器，与所述处理器连接，用于存储经过所述处理器进行模数转换后的水温信息、水位信息和定位信息。

优选地，所述水温信息监测装置还包括：

第二供电器，所述第二供电器分别与所述水温监测器、所述水位监测器、所述处理器和所述存储器连接。

优选地，所述水温信息监测装置还包括：

内部设有容置空间的筒体，所述处理器、存储器和所述第二供电器均设置于所述筒体内，所述水温监测器和所述水位监测器设置于所述筒体外；

与所述筒体连接的铅锤。

根据本发明实施例的另一方面，本发明实施例还提供了一种水库水温信息监测方法，应用于上述的水库水温信息监测系统，包括：

获取水温信息监测装置监测到的待监测水库内的预设地理位置处、与多个不同预设水位高度分别对应的水温信息；

根据获取到的水温信息，确定在待监测水库内的预设地理位置处的温跃层中心点所处的水位高度范围；

根据确定的水位高度范围，通过近似解法和均方误差最小值法确定待监测水库的温跃层中心点的中心水位高度及其对应的第一水温，以及在待监测水库内的预设地理位置处的第一温差强度参数和第二温差强度参数；

根据所述中心水位高度、所述第一水温、所述第一温差强度参数和所述第二温差强度参数，获得在待监测水库内的预设地理位置处、与待监测水位高度对应的第二水温。

优选地，对所述中心水位高度、所述第一水温、所述第一温差强度参数和所述第二温差强度参数通过以下步骤获得：

确定所获取的预设水位高度的总个数；

在所述水位高度范围内任意选取一个初始中心水位高度；

在第一温差强度参数的取值范围内任意选取一个第一初始温差强度参数；

在多个不同预设水位高度中任意选取一个第一预设水位高度，并确定与所述第第一预设水位高度对应的第三水温；

将一个所述初始中心水位高度、一个所述第一初始温差强度参数、一个所述第一预设水位高度和一个所述第三水温记为一组输入数据，获得与所述初始中心水位高度对应的第四水温，和在待监测水库内的预设地理位置处的第二初始温差强度参数；

根据确定的初始中心水位高度、第四水温、第一初始温差强度参数、第二初始温差强度参数和所获取的预设水位高度位置的总个数，获得与所述第一预设水位高度对应的测量温度；

根据所述第三水温、所述测量温度和所获取的预设水位高度的总个数，获得均方误差公式的最小值；

根据获得的均方误差公式的最小值，确定所述中心水位高度、所述第一水温、所述第一温差强度参数和所述第二温差强度参数。

优选地，通过公式：

获得第四水温T_c，和在待监测水库内的预设地理位置处的第二初始温差强度参数A；其中，h_c为所述初始中心水位高度，T_i为所述第三水温，Z_i为所述第一预设水位高度，n为所获取的预设水位高度的总个数，B为所述第一初始温差强度参数；sgn(h_c-Z_i)为符号函数，当h_c>Z_i时，取值为1；当h_c<Z_i时，取值为-1；当h_c＝Z_i时，取值为0。

优选地，通过公式：

获得测量温度T′_i；其中，h_c为初始中心水位高度，T_c为第四水温，B为第一初始温差强度参数，Z_i为第一预设水位高度,A为第二初始温差强度参数；sgn(h_c-Z_i)为符号函数，当h_c>Z_i时，取值为1；当h_c<Z_i时，取值为-1；当h_c＝Z_i时，取值为0。

优选地，通过公式：

获得在待监测水库内的预设地理位置处、待监测水位高度对应的第二水温T″_i，其中，h′_c为所述中心水位高度，中,T′_c为所述第一水温，Z′_i为待监测水位高度，A′为所述第二温差强度参数，B′为所述第一温差强度参数，sgn(h_c-Z_i)为符号函数，当h′_c>Z′_i时，取值为1，当h′_c<Z′_i时，取值为-1，当h′_c＝Z′_i时，取值为0。

优选地，所述水库水温信息监测方法还包括：

获得待监测水位高度对应的实际水温；

根据所述第二水温和所述实际水温的差值，判断获得的第二水温值能否作为待监测水位高度对应的最终水温。

与现有技术相比，本发明实施例提供的水库水温信息监测系统及方法，至少具有以下有益效果：

无人驾驶船舶根据控制器发送的指令能够自动移动到监测人员要求的地理位置处去，并通过对垂向升降装置的升降控制可以实现控制水温信息监测装置移动至要求的预设水位高度位置处，继而实现对预设地理位置处和预设水位高度位置处对应的水温信息的获取。水温信息监测装置在采集到需要的水温信息后，能够通过无人驾驶船舶无线通信发送给控制器，通过数据自动传输，避免了人工记录时出现的不精确问题。控制器能够根据水温信息监测装置监测到的待监测水库内的预设地理位置处、与多个预设水位高度位置对应的水温信息，分析出待监测水库内的预设地理位置处，各个水位高度位置对应的水温信息。

附图说明

图1为本发明第一实施例所述的水库水温信息监测系统的结构示意图；

图2为本发明第一实施例所述的无人驾驶船舶的结构示意图；

图3为本发明第一实施例所述的水温信息监测装置的结构示意图；

图4为本发明第二实施例所述的水库水温信息监测方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。在下面的描述中，提供诸如具体的配置和组件的特定细节仅仅是为了帮助全面理解本发明的实施例。因此，本领域技术人员应该清楚，可以对这里描述的实施例进行各种改变和修改而不脱离本发明的范围和精神。另外，为了清楚和简洁，省略了对已知功能和构造的描述。

参照图1，本发明第一实施例提供了一种水库水温信息监测系统，包括：

控制器1；

无人驾驶船舶2，所述无人驾驶船舶2与所述控制器1通过无线方式进行通信；

用于获取在待监测水库内的预设地理位置处、与预设水位高度位置对应的水温信息的水温信息监测装置3，所述水温信息监测装置3与所述无人驾驶船舶2通过无线方式通信，所述水温信息监测装置3通过一垂向升降装置4与所述无人驾驶船舶2连接，其中，

所述控制器1用于控制所述无人驾驶船舶2进行移动，以及接收所述水温信息监测装置3发送的在待监测水库内的预设地理位置处、与多个不同预设水位高度对应的水温信息，并根据接收到的水温信息，确定出在待监测水库内的预设地理位置处、与待监测水位高度对应的第二水温。

具体地，无人驾驶船舶2与控制器1之间采用GPRS网络无线通信。

在本发明第一实施例中的垂向升降装置4为定滑轮装置，该定滑轮装置包括：定滑轮、与该定滑轮同轴转动的驱动电机，驱动电机用于驱动定滑轮转动，通过控制驱动电机转动或者停止转动实现对定滑轮的转动的控制，进而实现水温信息监测装置3的升降控制。定滑轮固定于无人驾驶船舶2上，水温信息监测装置3通过一缆绳与该定滑轮可滑动连接，缆绳的一端与水温信息监测装置3固定连接，另一端则缠绕于该定滑轮上。在定滑轮转动时，使得缠绕在定滑轮上的缆绳的长度随之伸长或者缩短，实现水温信息监测装置3的升降。

在本发明第一实施例中，控制水温信息监测装置3移动至预设水位高度是通过对控制定滑轮转动圈数来实现的。预先计算出，定滑轮转动一圈，缆绳上升或者下移的距离是多少，也即，水温信息监测装置3移动的第一距离的数值可以确定。通过该预设水位高度与第一距离的比值，便可获得控制水温信息监测装置3移动到预设水位高度时，定滑轮转动的圈数。

在不需要监测水温信息时，本发明第一实施例中的水温信息监测装置3，其是贴合于无人驾驶船舶2的船体设置的。这种方式，可以保证无人驾驶船舶2在移动过程中，水温信息监测装置3受到的水流冲击力较小，提高水温信息监测装置3的使用寿命。

控制器1通过GPRS网络向无人驾驶船舶2发送移动至预设地理位置处的控制指令，在无人驾驶船舶2移动至预设地理位置后，控制器1再次通过GPRS网络控制水温信息监测装置3下移至预设水位高度，进而实现在水库内的预设地理位置和预设水位高度位置处对应的水温信息的监测。在水温信息监测装置3获取到该信息后，水温信息监测装置3通过无人驾驶船舶2再次通过GPRS网络将获取到的信息无线传输给控制器1。整个控制和数据采集的过程，无需人工到场操作，实现了自动化控制。并且，采用这种方式测得的数据的精确度较高。

水温信息监测装置3根据控制器1的控制指令，依次下移到不同预设水位高度位置，并将监测到的与每一预设水位高度位置对应的水温信息发送给控制器1。控制器1在接收到该多个水温信息后，通过内部进行分析计算，进而确定出在预设地理位置处、不同水位高度位置处对应的水温信息。

具体地，控制器1对获取到的信息进行分析计算的步骤，在下述的水库水温信息监测方法的实施例中进行详细阐述，在此，不进行介绍。

进一步地，在本发明实施例中，所述无人驾驶船舶2包括：

船舶本体11；

固定于所述船舶本体11上、用于与所述控制器1无线通信的电子通讯装置12；

固定于所述船舶本体11上、与所述电子通讯装置12连接的单片机13和定位器14，所述单片机13与所述垂向升降装置4连接；

与所述船舶本体11连接的动力推进装置，且所述动力推进装置与所述单片机13连接；其中，所述单片机13用于根据所述控制器1发送的控制指令对所述动力推进装置和所述垂向升降装置4进行控制。

在本发明实施例中，电子通讯装置12作为传递信号的中间部件，其可以传输控制器1的控制指令至单片机13，同时也可以将水温信息监测装置3监测到的信息传输给控制器1。

无人驾驶船舶2通过电子通讯装置12实现与控制器1之间的无线通信，该电子通讯装置12在接收到控制器1的包含有控制无人驾驶船舶2移动至预设地理位置处的第一指令后，将其转发给单片机13，单片机13根据该第一指令控制动力推进装置移动。

定位器14为GPS卫星定位器，定位器14实时地将其监测到的位置信号通过该电子通讯装置12发送给控制器1，操作人员根据定位器14反馈的位置信号可以确认该无人驾驶船舶2是否移动到预设地理位置处。

当操作人员根据定位器14反馈的位置信号确认出无人驾驶船舶2已经移动到预设地理位置处后，再次发送包含有控制水温信息监测装置3下移至预设水位高度位置处的第二指令，单片机13根据该第二指令控制驱动电机转动，继而实现水温信息监测装置3的下移。

进一步地，在本发明第一实施例中，所述动力推进装置包括：

与所述船舶本体11连接、用于驱动所述船舶本体11进行转向的推进器控制轴151；

与所述推进器控制轴151连接、用于驱动所述船舶本体11进行移动的推进器152，且所述推进器控制轴151和所述推进器152均与所述单片机13连接。

控制器1对预设地理位置包含的经纬度信息和定位器14发送的位置信号中包含的无人驾驶船舶2的实时地理位置包含的经纬度信息进行比对分析，确定是否需要船舶本体11进行转向或移动，继而向电子通讯装置12发出对应地的控制指令。

此处，该推进器控制轴151和推进器152可以采用现有技术中的潜水艇的水下推进器控制轴和推进器152的原理来实现。

进一步地，在本发明第一实施例中，所述无人驾驶船舶2还包括：

固定于所述船舶本体11上的第一供电器16，所述第一供电器16分别与所述电子通讯装置12、所述定位器14、所述单片机13、所述推进器控制轴151和所述推进器152连接。

第一供电器16还与上述的驱动电机相连接，第一供电器16用于向上述的部件提供电源，该供电器优选采用太阳能电池进行供电，同时还可以配备多块锂电池进行供电。

进一步地，在本发明实施例中，所述水温信息监测装置3包括：

处理器22，所述处理器22与所述电子通讯装置12无线通信；

与所述处理器22连接的水温监测器23和水位监测器24；其中，

所述处理器22用于将所述水温监测器23监测到的水温信息、所述水位监测器24监测到的水位信息以及所述定位器14监测到的地理位置信息进行模数转换，并将进行模数转换后的水温信息、水位信息和地理位置信息发送至所述电子通讯装置12。

上述的水温监测器23和水位监测器24均为传感器。

通常来说，通过控制器1控制定滑轮装置实现水温信息监测装置3下移的水位高度和预设水位高度之间会存在一定误差。此处，水位监测器24的设置，是为了精确地确定出水温信息监测装置3所处的实际水位，使得监测到的信息更加精确。

定位器14通过电子通讯装置12将其当前定位到的地理位置信息无线发送给处理器22，处理器22可以通过ZigBee无线网络与电子通讯装置12实现无线通信。处理器22对每一地理位置、每一水位高度对应的水温信息依次通过电子通讯装置12发送至控制器1，可以实现信息的实时传输。

优选地，所述水温信息监测装置3还包括：

存储器25，与所述处理器22连接，用于存储经过所述处理器22进行模数转换后的水温信息、水位信息和定位信息。

存储器25起到一个备用存储的功能。通常情况下，水温信息监测装置3监测到的信息是实时传输给控制器1进行存储的。在出现意外情况时，例如，控制器1故障导致其自身存储的信息丢失，此时，可以从存储器25中提取到历史的监测数据。

进一步地，在本发明第一实施例中，所述水温信息监测装置3还包括：

第二供电器26，所述第二供电器26分别与所述水温监测器23、所述水位监测器24、所述处理器22和所述存储器25连接。

第二供电器26用于向水温信息监测装置3内的多个部件提供电源，保证部件的正常工作。进一步地，在本发明第一实施例中，所述水温信息监测装置3还包括：

内部设有容置空间的筒体21，所述处理器22、存储器25和所述第二供电器26均设置于所述筒体21内，所述水温监测器23和所述水位监测器24设置于所述筒体21外；

与所述筒体21连接的铅锤27。

由于水温信息监测装置3在工作时，其受到的水流冲击力较大，为了使得其在工作时，能够精确地监测到在预设水位高度位置处的水温信息，通过设置重量较大的铅锤27来保证水温信息监测装置3与无人驾驶船舶2在同一垂直线上。

在本发明第一实施例中，在船舶本体11的底端设置有一容置腔体，在不需要水温信息监测装置3进行工作时，该水温信息监测装置3位于该容置腔体内。进而，在无人驾驶船舶2移动时，通过船舶本体11来阻挡住水流的冲击力，避免水温信息监测装置3因较大水流冲击力而毁损无法正常工作。

本发明第一实施例中，操作人员可以在管理系统中导入水库的库区、大坝及下游河道的GIS图、水下地形图等信息资料，并通过系统可视化界面查看无人驾驶船舶2所处位置以及水温信息监测装置3的深度。

本发明基于物联网技术对水库库区内的不同地理位置、不同水位深度的水体温度进行实时监测和传输，采用以太阳能为主、蓄电池为辅的双能源供电系统，通过控制器1可以实现对水温信息监测装置3的位置和深度进行自动调节，操作人员可以通过控制器1对水温信息监测装置3所获得的实时监测数据信息进行查询，方便水库管理部门及时、准确地掌握水库不同位置的水温情况。与传统的人工测量方法相比，本装置可以为水库调度决策提供更为准确和可靠的水温信息，能满足水库调度决策时面临的高精度与高速度的双重要求，节省人力资源，监测效率高，能为研究水库原有水体理化性质的变化和保障下游生态、环境安全提供数据支撑。

并且，本发明第一实施例提供的水库水温信息监测系统，还可以实现根据在预设地理位置处的部分水位高度的实测温度信息，对在预设地理位置处的各个水位高度的温度信息进行计算，大大减少了测量时间。

参照图4，本发明第二实施例还提供了一种水库水温信息监测方法，应用于上述的水库水温信息监测系统，包括：

步骤1，获取水温信息监测装置监测到的待监测水库内的预设地理位置处、与多个不同预设水位高度分别对应的水温信息；

步骤2，根据获取到的水温信息，确定在待监测水库内的预设地理位置处的温跃层中心点所处的水位高度范围；

步骤3，根据确定的水位高度范围，通过近似解法和均方误差最小值法确定待监测水库的温跃层中心点的中心水位高度h′_c及其对应的第一水温T′_c，以及在待监测水库内的预设地理位置处的第一温差强度参数B′和第二温差强度参数A′；

步骤4，根据所述中心水位高度h′_c、所述第一水温T′_c、所述第一温差强度参数B′和所述第二温差强度参数A′，获得在待监测水库内的预设地理位置处、与待监测水位高度Z′_i对应的第二水温T″_i。

与河流相比，深度比较大的水库，由于流速小、紊动掺混能力差，暖季水体表层接收的大量辐射热和入流带来的热量难以向底部传播，使夏季和秋季水体温度在垂直方向往往出现明显的分层现象。在表面较浅的深度内，温度较高，且基本均匀，称表面同温层；在下部较深的范围内，水温低，稳定少变，也基本均匀，为下部同温层。从上部同温层到下部低温层，中间有一个较短距离的水温由高变低的过渡层，温度沿垂向变化很大，称温跃层。温跃层包括一个温跃层中心点，在温跃层范围内，从该温跃层中心点向上，温度呈上升趋势；从该温跃层中心点向下，温度呈下降趋势。

本发明实施例利用上述的水库内的水温分层特性，在采用水温信息监测装置3进行实际测量之前，需要根据在水库内的预设地理位置处的实际深度进行划分测量间隔和测量次数。例如，在某一水库内的某一地理位置，水深为20m，可以以2m为监测进行监测，通过对监测得到的、从水面到水底依次排序的11组实测数据进行分析，能够初始确定温跃层中心点所处的水位高度范围。例如，通过对比发现在第4至8组数据的水温值的变动较大，1组到第4组，以及8至11组的温度变化较小，此时，可以确定为第4组数据对应的水位高度至第8组数据对应的水位高度为温跃层所处的范围。

此处，若在预设地理位置处的水深为已知的数值，则控制器1直接进行分析确定；若在预设地理位置处的水深为未知数值，可以通过在无人驾驶船舶2上加装的红外线探测装置来进行测量。

控制器1通过对无人驾驶船舶2进行控制移动至预设地理位置后，再通过对水温信息监测装置3进行控制，进而控制水温信息监测装置3自动下移至多个预设水位高度位置处，对每一预设水位高度对应的水温分别进行获取。控制器1根据水温信息监测装置3的自动测量获得的在不同预设水位高度对应的水温信息，能够确定出中心水位高度h′_c、所述第一水温T′_c、所述第一温差强度参数B′和所述第二温差强度参数A′，在确定待监测水位高度Z′_i后，能够计算得到在待监测水位高度Z′_i对应的第二水温T″_i。采用上述方式，只需要对在水库内的预设地理位置处的部分的水位高度对应的水温信息进行获取，可以实现对在水库内的预设地理位置处的各个水位高度对应的水温信息进行获取。

进一步地，本发明第二实施中，在步骤3中，对中心水位高度h′_c、所述第一水温T′_c、所述第一温差强度参数B′和所述第二温差强度参数A′通过以下步骤获得：

步骤301，确定所获取的预设水位高度的总个数n；

步骤302，在所述水位高度范围内任意选取一个初始中心水位高度h_c；

步骤303，在第一温差强度参数的取值范围内任意选取一个第一初始温差强度参数B；

步骤304，在多个不同预设水位高度中任意选取一个第一预设水位高度Z_i，并确定与所述第一预设水位高度Z_i对应的第三水温T_i；

步骤305，将一个所述初始中心水位高度h_c、一个所述第一初始温差强度参数B、一个所述第一预设水位高度Z_i和一个所述第三水温T_i记为一组输入数据，获得与所述初始中心水位高度h_c对应的第四水温T_c，和在待监测水库内的预设地理位置处的第二初始温差强度参数A；

步骤306，根据确定的初始中心水位高度h_c、第四水温T_c、第一初始温差强度参数B、第二初始温差强度参数A和所获取的预设水位高度位置的总个数n，获得与第一预设水位高度Z_i对应的测量温度T′_i；

步骤307，根据所述第三水温T_i、所述测量温度T′_i和所获取的预设水位高度的总个数n，获得均方误差公式的最小值；

步骤308，根据获得的均方误差公式的最小值，确定所述中心水位高度h′_c、所述第一水温T′_c、所述第一温差强度参数B′和所述第二温差强度参数A′。

在步骤303中，第一温差强度参数B′的取值范围是根据多次测量得到的结果，其取值范围在本发明实施例中为2至3之间，并且，第一温差强度参数B′的取值范围是预先存储在控制器1中的。第三水温T_i是指通过水温信息监测装置3测量的第一预设水文高度Z_i对应的实际温度。

进一步地，本发明第二实施例中，步骤305中，通过公式(1)：

获得第四水温T_c，和在待监测水库内的预设地理位置处的第二初始温差强度参数A；其中，h_c为所述初始中心水位高度，T_i为所述第三水温，Z_i为所述第一预设水位高度，n为所获取的预设水位高度的总个数，B为所述第一初始温差强度参数；sgn(h_c-Z_i)为符号函数，当h_c>Z_i时，取值为1；当h_c<Z_i时，取值为-1；当h_c＝Z_i时，取值为0。

进一步地，本发明第二实施中，步骤306中，通过公式(2)：

获得测量温度T′_i；其中，h_c为初始中心水位高度，T_c为第四水温，B为第一初始温差强度参数，Z_i为第一预设水位高度,A为第二初始温差强度参数；sgn(h_c-Z_i)为符号函数，当h_c>Z_i时，取值为1；当h_c<Z_i时，取值为-1；当h_c＝Z_i时，取值为0。

进一步地，本发明第二实施例中，步骤307中，通过公式(3)：

获得均方误差公式的数值S_T，其中，T_i为第三水温，T′_i为测量温度，n为所获取的预设水位高度监测点的总个数。

进一步地，本发明第二实施例中，步骤4中，通过公式(4)：

获得在待监测水库内的预设地理位置处、待监测水位高度对应的第二水温T″_i，其中，h′_c为所述中心水位高度，中,T′_c为所述第一水温，Z′_i为待监测水位高度，A′为所述第二温差强度参数，B′为所述第一温差强度参数，sgn(h_c-Z_i)为符号函数，当h′_c>Z′_i时，取值为1，当h′_c<Z′_i时，取值为-1，当h′_c＝Z′_i时，取值为0。

根据步骤302和步骤303记载的内容，可以得到多组第一数据，每组第一数据包含：一个初始中心水位高度h_c和一个第一初始温差强度参数B，将一组第一数据通过代入公式(1)中可以获得一组第二数据，一组第二数据包括：一个第三水温T_i和一个第二初始温差强度参数A，一组第一数据以及与其对应的第二数据的组合得到上述步骤305中的输入数据。

根据上述步骤305得到的输入数据，通过公式(2)能够得到步骤306中的测量温度T′_i，再根据该测量温度T′_i、第三水温T_i和所获取的预设水位高度的总个数n，根据公式(3)进行计算，可以获得该均方误差公式的数值，将根据多次计算得到的该均方误差公式的结果最小的一组输入数据对应的参数数值作为中心水位高度h′_c、第一水温T′_c、第一温差强度参数B′和第二温差强度参数A′的数值。

进一步地，本发明第二实施例中，所述水库水温信息监测方法还包括：

获得待监测水位高度对应的实际水温；

根据所述第二水温和所述实际水温的差值，判断获得的第二水温值T″_i能否作为待监测水位高度Z′_i对应的的最终水温。

为了验证通过上述步骤301至步骤308的得到的中心水位高度h′_c、第一水温T′_c、第一温差强度参数B′和第二温差强度参数A′的数值是否满足精度要求。首先根据前序步骤308中确定的中心水位高度h′_c、第一水温T′_c、第一温差强度参数B′和第二温差强度参数A′的参数数值通过公式(5)或公式(6)确定在水库的该预设地理位置处的温度梯度，上述的公式(5)为：

其中，在本式中，h′_c大于Z′_i；

上述的公式(6)为：

其中，在本式中，h′_c小于Z′_i。

根据公式(5)确定温跃层中心点上方的温度梯度，根据公式(6)确定温跃层中心点下方的温度梯度。

在温度梯度绝对值较大的地方，说明水温随水位深度的增加下降的速度快，在采用水温信息监测装置3进行实际测量时，为了提高后续进行计算的精度，应当在此处减小测量的间距。

任意选取温跃层中心点的水位高度范围内的一个第一待监测水位高度Z′₁，对该第一待监测水位高度Z′₁对应的第一实际水温T₁进行获取，通过上述公式(4)计算得到在第一待监测水位高度Z′₁位置处的第一测算水温T″₁，获得第一测算水温T″₁和第一实际水温T₁的第一差值，当该第一差值位于预设误差精度范围内时，则认为通过上述步骤301至步骤308的得到的中心水位高度h′_c、第一水温T′_c、第一温差强度参数B′和第二温差强度参数A’的数值是符合精度要求的，此处的预设误差精度范围是预先确定存储至控制器1中。因此，可以将通过计算获得的待监测水位高度Z′_i位置处的第二水温T″_i进行存储记录，同时，还可以通过上述公式(4)计算出在其他待监测水位高度位置处的水温。

在确定出在该第一待监测水位高度Z′₁位置处的第一测算水温T″₁和第一实际水温T₁之间的差值未位于该误差精度范围内时，需要对上述的中心水位高度h′_c、第一水温T′_c、第一温差强度参数B′和第二温差强度参数A′的参数数值进行重新确定。此时，根据上述获得的温度梯度的大小，通过水温信息监测装置3在步骤2中确定的温跃层中心点所处的水位高度范围内增加测量点进行二次补充测量。例如，在第一次测量时，是以2m为间距进行测量的，在此次测量时，则以小于2m为间距在该水位高度范围内进行补充测量。

根据步骤1中的测量结果和第二次补充测量的结果，再次通过上述步骤301至步骤308对上述的四个参数进行再次确定。通过二次补充测量后，重新得到的上述中心水位高度h′_c、第一水温T′_c、第一温差强度参数B′和第二温差强度参数A′四个参数的数值，再次通过上述公式(4)获得在该第一待监测水位高度Z′₁位置的第二测算温度值T″₂，最后根据该第二测算温度值T″₂与第一实际水温T₁的差值再次与预设误差精度范围进行比较判断，确定此次获得的第二测算温度值T″₂能否作为待监测水位高度位置处的最终水温。

若通过上述二次测量后，温跃层的测量精度还不能满足，则再次重复上述二次测量的步骤，即在第一次确定的温跃层中心点的水位高度范围内再次减小测量间距进行测量，继而进行计算确定。

当进行重复测量的次数达到预设次数后，例如3次，得到的测算温度值与第一实际水温T₁之间的差值仍然不能满足精度要求，此时，停止进行补充测量，将与预设误差精度范围之间的差值最小的测算温度值对应的一次结果进行存储，并将该次测量中确定的中心水位高度h′_c、第一水温T′_c、第一温差强度参数B′和第二温差强度参数A′四个参数的数值作为最终存储的数值。

本发明第二实施例提供的水库水温信息监测方法，是应用于上述的水库水温信息监测系统上的，其具有与上述水库水温信息监测系统相同的功能。能够实现对水库内的不同地理位置和不同深度位置处的水温进行自动测量、自动传输，提高监测效率和准确度，同时，还能够根据测量的部分的水位高度位置处的水温，获得水库内的预设地理位置处的各个水位高度对应的温度。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种水库水温信息监测系统，其特征在于，包括：

控制器；

无人驾驶船舶，所述无人驾驶船舶与所述控制器通过无线方式进行通信；

用于获取在待监测水库内的预设地理位置处、与预设水位高度对应的水温信息的水温信息监测装置，所述水温信息监测装置与所述无人驾驶船舶通过无线方式通信，所述水温信息监测装置通过一垂向升降装置与所述无人驾驶船舶连接，其中，

所述控制器用于控制所述无人驾驶船舶进行移动，接收所述水温信息监测装置发送的在待监测水库内的预设地理位置处、与多个不同预设水位高度对应的水温信息，并根据接收到的水温信息，确定出在待监测水库内的预设地理位置处、与待监测水位高度对应的第二水温；其中，根据水温信息确定出所述第二水温的步骤包括：根据预设地理位置处、与多个不同预设水位高度对应的水温信息，确定预设地理位置处的温跃层中心点的中心水位高度及其对应的第一水温以及预设地理位置处的第一温差强度参数和第二温差强度参数，并根据待监测水位高度、中心水位高度、第一水温、第一温差强度参数以及第二温差强度参数，确定所述第二水温。

2.根据权利要求1所述的水库水温信息监测系统，其特征在于，所述无人驾驶船舶包括：

船舶本体；

固定于所述船舶本体上、用于与所述控制器无线通信的电子通讯装置；

固定于所述船舶本体上、与所述电子通讯装置连接的单片机和定位器，所述单片机与所述垂向升降装置连接；

与所述船舶本体连接的动力推进装置，且所述动力推进装置与所述单片机连接；其中，所述单片机用于根据所述控制器发送的控制指令对所述动力推进装置和所述垂向升降装置进行控制。

3.根据权利要求2所述的水库水温信息监测系统，其特征在于，所述动力推进装置包括：

与所述船舶本体连接、用于驱动所述船舶本体进行转向的推进器控制轴；

与所述推进器控制轴连接、用于驱动所述船舶本体进行移动的推进器，且所述推进器控制轴和所述推进器均与所述单片机连接。

4.根据权利要求3所述的水库水温信息监测系统，其特征在于，所述无人驾驶船舶还包括：

固定于所述船舶本体上的第一供电器，所述第一供电器分别与所述电子通讯装置、所述定位器、所述单片机、所述推进器控制轴和所述推进器连接。

5.根据权利要求4所述的水库水温信息监测系统，其特征在于，所述垂向升降装置为定滑轮装置，所述定滑轮装置固定于所述船舶本体上，所述水温信息监测装置通过缆绳与所述定滑轮装置连接。

6.根据权利要求2所述的水库水温信息监测系统，其特征在于，所述水温信息监测装置包括：

处理器，所述处理器与所述电子通讯装置无线通信；

与所述处理器连接的水温监测器和水位监测器；其中，

所述处理器用于将所述水温监测器监测到的水温信息、所述水位监测器监测到的水位信息以及所述定位器监测到的地理位置信息进行模数转换，并将进行模数转换后的水温信息、水位信息和地理位置信息发送至所述电子通讯装置。

7.根据权利要求6所述的水库水温信息监测系统，其特征在于，所述水温信息监测装置还包括：

存储器，与所述处理器连接，用于存储经过所述处理器进行模数转换后的水温信息、水位信息和定位信息。

8.根据权利要求7所述的水库水温信息监测系统，其特征在于，所述水温信息监测装置还包括：

第二供电器，所述第二供电器分别与所述水温监测器、所述水位监测器、所述处理器和所述存储器连接。

9.根据权利要求8所述的水库水温信息监测系统，其特征在于，所述水温信息监测装置还包括：

内部设有容置空间的筒体，所述处理器、存储器和所述第二供电器均设置于所述筒体内，所述水温监测器和所述水位监测器设置于所述筒体外；

与所述筒体连接的铅锤。

10.一种水库水温信息监测方法，应用于权利要求1至9任一项所述的水库水温信息监测系统，其特征在于，包括：

获取水温信息监测装置监测到的待监测水库内的预设地理位置处、与多个不同预设水位高度分别对应的水温信息；

根据获取到的水温信息，确定在待监测水库内的预设地理位置处的温跃层中心点所处的水位高度范围；

根据确定的水位高度范围，通过近似解法和均方误差最小值法确定待监测水库的温跃层中心点的中心水位高度及其对应的第一水温，以及在待监测水库内的预设地理位置处的第一温差强度参数和第二温差强度参数；

根据所述中心水位高度、所述第一水温、所述第一温差强度参数和所述第二温差强度参数，获得在待监测水库内的预设地理位置处、与待监测水位高度对应的第二水温。

11.根据权利要求10所述的水库水温信息监测方法，其特征在于，对所述中心水位高度、所述第一水温、所述第一温差强度参数和所述第二温差强度参数通过以下步骤获得：

确定所获取的预设水位高度的总个数；

在所述水位高度范围内任意选取一个初始中心水位高度；

在第一温差强度参数的取值范围内任意选取一个第一初始温差强度参数；

在多个不同预设水位高度中任意选取一个第一预设水位高度，并确定与所述第一预设水位高度对应的第三水温；

将一个所述初始中心水位高度、一个所述第一初始温差强度参数、一个所述第一预设水位高度和一个所述第三水温记为一组输入数据，获得与所述初始中心水位高度对应的第四水温，和在待监测水库内的预设地理位置处的第二初始温差强度参数；

根据确定的初始中心水位高度、第四水温、第一初始温差强度参数、第二初始温差强度参数和所获取的预设水位高度位置的总个数，获得与所述第一预设水位高度对应的测量温度；

根据所述第三水温、所述测量温度和所获取的预设水位高度的总个数，获得均方误差公式的最小值；

根据获得的均方误差公式的最小值，确定所述中心水位高度、所述第一水温、所述第一温差强度参数和所述第二温差强度参数。

12.根据权利要求11所述的水库水温信息监测方法，其特征在于，通过公式：

获得第四水温T_c，和在待监测水库内的预设地理位置处的第二初始温差强度参数A；其中，h_c为所述初始中心水位高度，T_i为所述第三水温，Z_i为所述第一预设水位高度，n为所获取的预设水位高度的总个数，B为所述第一初始温差强度参数；sgn(h_c-Z_i)为符号函数，当h_c＞Z_i时，取值为1；当h_c＜Z_i时，取值为-1；当h_c＝Z_i时，取值为0。

13.根据权利要求11所述的水库水温信息监测方法，其特征在于，通过公式：

获得测量温度T′_i；其中，h_c为初始中心水位高度，T_c为第四水温，B为第一初始温差强度参数，Z_i为第一预设水位高度，A为第二初始温差强度参数；sgn(h_c-Z_i)为符号函数，当h_c＞Z_i时，取值为1；当h_c＜Z_i时，取值为-1；当h_c＝Z_i时，取值为0。

14.根据权利要求13所述的水库水温信息监测方法，其特征在于，

通过公式：

获得在待监测水库内的预设地理位置处、待监测水位高度对应的第二水温T″_i，其中，h′_c为所述中心水位高度，中，T′_c为所述第一水温，Z′_i为待监测水位高度，A′为所述第二温差强度参数，B′为所述第一温差强度参数，sgn(h_c-Z_i)为符号函数，当h′_c＞Z′_i时，取值为1，当h′_c＜Z′_i时，取值为-1，当h′_c＝Z′_i时，取值为0。

15.根据权利要求10所述的水库水温信息监测方法，其特征在于，所述水库水温信息监测方法还包括：

获得待监测水位高度对应的实际水温；

根据所述第二水温和所述实际水温的差值，判断获得的第二水温值能否作为待监测水位高度对应的最终水温。