CN108151721B - 基于水位工况识别的船闸变形自动监测系统及其测量、气象修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于水位工况识别的船闸变形自动监测系统。包括主控子系统及与该主控子系统连接的船闸超声波水位监测子系统、全站仪变形测量子系统、气象监测子系统；船闸超声波水位监测子系统包括船闸水位测管、超声波水位计、水位数字信号处理模块；全站仪变形测量子系统包括高精度全站仪、圆棱镜组、测点测墩和测站测墩；气象监测子系统包括温度传感器、湿度传感器、气压传感器、气象数字信号处理模块；主控子系统为主控计算机，主控计算机上运行船闸变形自动监测系统显控软件。本发明系统具有测量精度高、自动识别船闸运行工况、自动触发变形测量、自动进行气象修正、自动计算分析测量数据等特点。

Description

基于水位工况识别的船闸变形自动监测系统及其测量、气象 修正方法

技术领域

本发明涉及一种基于水位工况识别的船闸变形自动监测系统及其测量、气象修正方法。

背景技术

水口三级船闸承担着闽江永久通航任务，一次可通过2×500t级的标准船队。通航设施建成后，沟通了闽江干流与上游支流的航道，改善了福建省的内河航运条件。船闸闸墙变形监测是水口电站安全运行的一项重点工作，要求准确及时测控建筑物运行状态，为船闸建筑物安全管理工作提供科学参考依据，指导船闸正确高效稳定运行。

船闸变形监测早期采用的是人工前方边长交会测量法，即在两个基点分别架设两台全站仪同时照准监测点，进行多期观测得到监测点的位移量。该方法存在费时费力、测量频次低、测量数据不能及时验证校核、需停船配合测量、影响通航效率等不足之处。

目前，面对船闸变形自动监测的需求，国内外的相应监测手段均处于初步研究阶段，尚未有市场化、成品化的系统出现。而国内大多航运管理单位所采取的全圆观测法等测量方法，均无法满足“高效、快速、自动”的监测要求，且测量误差大，数据可信度低，严重影响了航运调度正常开展。

为此，本发明申请人于2016年开展了船闸变形自动监测技术的研究。结合超声波水位监测技术和气象修正技术，分别在水口一、二、三级船闸采用了基于水位工况识别的船闸变形自动监测方法，对三个闸室的两侧闸墙进行不同水位工况的变形自动触发监测，经显控软件数据处理和后台计算，获得船闸实时、准确的变形数据，及时发现并排除异常，为船舶通航调度管理提供科学依据，为船闸安全稳定运行保驾护航。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于水位工况识别的船闸变形自动监测系统及其测量、气象修正方法，该系统具有测量精度高、自动识别船闸运行工况、自动触发变形测量、自动进行气象修正、自动计算分析测量数据等特点。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于水位工况识别的船闸变形自动监测系统，包括船闸超声波水位监测子系统、全站仪变形测量子系统、气象监测子系统和主控子系统；

所述船闸超声波水位监测子系统包括船闸水位测管、超声波水位计、第一数字信号处理模块；所述超声波水位计固定于船闸水位测管管口，并与第一数字信号处理模块连接；所述船闸超声波水位监测子系统通过光纤电缆与所述主控子系统进行数据及命令的传输；

所述全站仪变形测量子系统包括高精度全站仪、圆棱镜组、测点测墩和测站测墩；所述高精度全站仪固定于测站测墩上并强制对中；所述全站仪变形测量子系统的圆棱镜组固定于测点测墩上并强制对中；所述全站仪变形测量子系统通过光纤电缆与所述主控子系统进行数据及命令的传输；

所述气象监测子系统包括温度传感器、湿度传感器、气压传感器、第二数字信号处理模块；所述温度传感器、湿度传感器、气压传感器均固定于测站测墩处墙面，并与第二数字信号处理模块连接；所述气象监测子系统通过光纤电缆与所述主控子系统进行数据及命令的传输；

所述主控子系统包括主控计算机；所述主控计算机上运行船闸变形自动监测系统显控软件；

所述船闸变形自动监测系统显控软件分为五个部分：（1）、向第一数字信号处理模块发送信号采集命令，并接收第一数字信号处理模块采集回来的水位信号，根据水位信号的测值不同，对其进行阈值判断，把其映射为高水位、低水位、其他水位在主控计算机的程序上显示出来，显示出测量目标闸室所处的水位工况，并进行自动触发全站仪进行变形测量；（2）、向高精度全站仪发送测量命令，并接收高精度全站仪测量数据，同时自动触发气象监测子系统进行气象信息监测；（3）、向第二数字信号处理模块发送信号采集命令，并接收第二数字信号处理模块采集回来的气象信号，将气象信号所映射的气温、气压、湿度赋予全站仪测值气象修正计算程序，提高变形测量精度；（4）、对气象修正后的测点变形测值进行系统差分计算，进一步提高变形监测精度；（5）、对船闸测点测值进行整编分析，绘制不同闸室不同工况下的变形测值过程线图。

在本发明一实施例中，所述超声波水位计为超声波换能器，所述超声波换能器采用收发合置形式，波形发送停止后，开始接收数据，接收信号是经过检波的回波包络信号；所述超声波换能器的扫描测量范围限定在0-60m。

在本发明一实施例中，所述第一数字信号处理模块对各个超声波换能器的超声波回波到达时间进行采集、放大、滤波、模数转换和DSP处理，将整理而成的预定格式的数字信号通过485协议及光纤网络实时传输至主控计算机。

在本发明一实施例中，所述第二数字信号处理模块对各个气象传感器信号进行采集、放大、滤波、模数转换和DSP处理，将整理而成的预定格式的数字信号通过485协议及光纤网络实时传输至主控计算机。

本发明还提供了一种基于上述所述水位工况识别的船闸变形自动监测系统的测量方法，包括如下步骤：

步骤S01：启动系统电源，设置参数：参与监测的闸室、参与监测的测点、各闸室高低水位阈值、各闸室测量优先级、各闸室测量次数上限、测量后视点定向、误差限差；

步骤S02：开始监测：每1分钟自动发送各闸室超声波水位计采集信号，返回水位测值；

步骤S03：判断各闸室水位测值是否超过设定阈值，若不超过，继续监测水位测值；若超过，进行下一步；

步骤S04：判断超过水位阈值的各闸室是否达到测量次数上限，若达到，执行步骤S02；若未达到，进行下一步；

步骤S05：对超过水位阈值的各闸室按照设定测量优先级进行排序；

步骤S06：启动测量：按测量顺序对超过水位阈值的各闸室测点进行自动变形监测1个测回；

步骤S07：测量完成，执行步骤S02。

本发明还提供了一种基于上述所述水位工况识别的船闸变形自动监测系统的气象修正方法，包括如下步骤：

步骤S01：启动气象监测子系统电源，设置参数：自动气象监测触发条件、监测频次；

步骤S02：开始监测：每1分钟自动对船闸变形自动监测系统是否处于测量状态进行判断；

步骤S03：判断船闸变形自动监测系统是否处于测量状态，若否，执行步骤S02；若是，进行下一步；

步骤S04：每1分钟自动发送气温、气压、湿度采集信号，返回气象测值；

步骤S05：将气象测值赋予船闸变形自动监测系统显控软件中全站仪测值气象修正计算程序，进行气象修正。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、变形监测精度高，为±(1mm+1ppm×D)，其中D为测距；

2、自动识别船闸闸室水位运行工况，监测数据针对性强、实用性高，避免数据冗余；

3、自动根据水位、测次、优先级进行触发变形测量，过程简捷高效，无需人工干预；

4、自动进行气象修正及差分计算，进一步提高测量精度和准确度；

5、自动统计分析监测数据，绘制变形量统计表和过程线图。

附图说明

图1是本发明系统构成图。

图2是本发明船闸超声波水位监测子系统构成图。

图3是本发明系统测量使用流程图。

图4是本发明系统气象修正使用流程图。

图5是本发明主控软件触发测量界面图。

图6是本发明主控软件测值处理界面图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

如图1所示，本发明实施例的一种基于水位工况识别的船闸变形自动监测系统，包括船闸超声波水位监测子系统、全站仪变形测量子系统、气象监测子系统和主控子系统；

所述全站仪变形测量子系统包括高精度全站仪、圆棱镜组、测点测墩和测站测墩；所述全站仪变形测量子系统通过光纤电缆与主控子系统间进行数据及命令的传输；

所述全站仪变形测量子系统的高精度全站仪固定于测站测墩上并强制对中；所述全站仪变形测量子系统的圆棱镜组固定于测点测墩上并强制对中；

所述气象监测子系统包括温度传感器、湿度传感器、气压传感器、数字信号处理模块；所述气象监测子系统通过光纤电缆与主控子系统间进行数据及命令的传输；

所述气象监测子系统的温度传感器、湿度传感器、气压传感器均固定于测站处墙面，并与数字信号处理模块连接；

所述主控子系统包括主控计算机；所述主控计算机上运行船闸变形自动监测系统显控软件；

所述船闸变形自动监测系统显控软件分为五个部分：1、向水位数字信号处理模块发送信号采集命令，并接收水位数字信号处理模块采集回来的水位信号，根据水位信号的测值不同，对其进行阈值判断，把其映射为高水位、低水位、其他水位在主控计算机的程序上显示出来，显示出测量目标闸室所处的水位工况，并进行自动触发全站仪进行变形测量；2、向高精度全站仪发送测量命令，并接收全站仪测量数据，同时自动触发气象仪进行气象信息监测；3、向气象数字信号处理模块发送信号采集命令，并接收气象数字信号处理模块采集回来的气象信号，将气象信号所映射的气温、气压、湿度赋予全站仪测值气象修正计算程序，提高变形测量精度；4、对气象修正后的测点变形测值进行系统差分计算，进一步提高变形监测精度；5、对船闸测点测值进行整编分析，绘制不同闸室不同工况下的变形测值过程线图。

如图2所示，在本发明实施例中，所述船闸超声波水位监测子系统包括船闸水位测管、超声波水位计、数字信号处理模块；所述船闸超声波水位监测子系统通过光纤电缆与主控子系统间进行数据及命令的传输；

所述船闸超声波水位监测子系统的超声波水位计固定于船闸水位测管管口，并与数字信号处理模块连接；

在本发明实施例中，所述超声波水位计为超声波换能器，所述超声波换能器采用收发合置形式，波形发送停止后，开始接收数据，接收信号是经过检波的回波包络信号；所述超声波换能器的扫描测量范围限定在0-60m。

在本发明实施例中，所述水位数字信号处理模块对各个超声波换能器的超声波回波到达时间进行采集、放大、滤波、模数转换和DSP处理，将整理而成的一定格式的数字信号通过485协议及光纤网络实时传输至主控计算机。

在本发明实施例中，所述气象数字信号处理模块对各个气象传感器信号进行采集、放大、滤波、模数转换和DSP处理，将整理而成的一定格式的数字信号通过485协议及光纤网络实时传输至主控计算机。

本发明还提供了一种基于上述所述水位工况识别的船闸变形自动监测系统的测量方法，包括如下步骤：

步骤S01：启动系统电源，设置参数：参与监测的闸室、参与监测的测点、各闸室高低水位阈值、各闸室测量优先级、各闸室测量次数上限、测量后视点定向、误差限差；

步骤S02：开始监测：每1分钟自动发送各闸室超声波水位计采集信号，返回水位测值；

步骤S03：判断各闸室水位测值是否超过设定阈值，若不超过，继续监测水位测值；若超过，进行下一步；

步骤S04：判断超过水位阈值的各闸室是否达到测量次数上限，若达到，执行步骤S02；若未达到，进行下一步；

步骤S05：对超过水位阈值的各闸室按照设定测量优先级进行排序；

步骤S06：启动测量：按测量顺序对超过水位阈值的各闸室测点进行自动变形监测1个测回；

步骤S07：测量完成，执行步骤S02。

本发明还提供了一种基于上述所述水位工况识别的船闸变形自动监测系统的测量方法，包括如下步骤：

步骤S01：启动气象监测子系统电源，设置参数：自动气象监测触发条件、监测频次；

步骤S02：开始监测：每1分钟自动对船闸变形自动监测系统是否处于测量状态进行判断；

步骤S03：判断船闸变形自动监测系统是否处于测量状态，若否，执行步骤S02；若是，进行下一步；

步骤S04：每1分钟自动发送气温、气压、湿度采集信号，返回气象测值；

步骤S05：将气象测值赋予船闸变形自动监测系统显控软件中全站仪测值气象修正计算程序，进行气象修正。

为方便本领域人员更好的理解本发明，以下为本发明的具体实施例。

如图2 所示，船闸超声波水位监测系统需要测量的是闸室水位高程，因此可以考虑将单只超声波换能器固定安装在水面上的闸室顶部高程，超声波换能器实时向水面发射超声波信号，同时也接收回波反射信号，从而得到目标的距离信息，通过计算公式得到闸室水位高程值。

如图5所示，闸室水位高程高于该闸室高水位阈值或低于低水位阈值时将触发全站仪变形测量子系统进行测量。

如图3所示，为船闸变形自动监测系统的具体测量使用流程图，其使用流程如下：

步骤S01：启动系统电源，设置参数：参与监测的闸室、参与监测的测点、各闸室高低水位阈值、各闸室测量优先级、各闸室测量次数上限、测量后视点定向、误差限差；

步骤S02：开始监测：每1分钟自动发送各闸室超声波水位计采集信号，返回水位测值；

步骤S03：判断各闸室水位测值是否超过设定阈值，若不超过，继续监测水位测值；若超过，进行下一步；

步骤S04：判断超过水位阈值的各闸室是否达到测量次数上限，若达到，执行步骤S02；若未达到，进行下一步；

步骤S05：对超过水位阈值的各闸室按照设定测量优先级进行排序；

步骤S06：启动测量：按测量顺序对超过水位阈值的各闸室测点进行自动变形监测1个测回；

步骤S07：测量完成，执行步骤S02。

全站仪变形测量子系统进行测量时，将触发气象监测子系统采集气象信息并对测点测值进行气象修正，如图4所示，为气象修正使用流程图，其使用流程如下：

步骤S01：启动气象监测子系统电源，设置参数：自动气象监测触发条件、监测频次；

步骤S02：开始监测：每1分钟自动对船闸变形自动监测系统是否处于测量状态进行判断；

步骤S03：判断船闸变形自动监测系统是否处于测量状态，若否，执行步骤S02；若是，进行下一步；

步骤S04：每1分钟自动发送气温、气压、湿度采集信号，返回气象测值；

步骤S05：将气象测值赋予船闸变形自动监测系统显控软件中全站仪测值气象修正计算程序，进行气象修正。

如图6所示，船闸变形自动监测系统对测点测值进行整编分析，绘制不同闸室、不同测点在不同工况下的变形测值过程线图。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于水位工况识别的船闸变形自动监测系统，其特征在于：包括船闸超声波水位监测子系统、全站仪变形测量子系统、气象监测子系统和主控子系统；

所述船闸超声波水位监测子系统包括船闸水位测管、超声波水位计、第一数字信号处理模块；所述超声波水位计固定于船闸水位测管管口，并与第一数字信号处理模块连接；所述船闸超声波水位监测子系统通过光纤电缆与所述主控子系统进行数据及命令的传输；

所述全站仪变形测量子系统包括高精度全站仪、圆棱镜组、测点测墩和测站测墩；所述高精度全站仪固定于测站测墩上并强制对中；所述全站仪变形测量子系统的圆棱镜组固定于测点测墩上并强制对中；所述全站仪变形测量子系统通过光纤电缆与所述主控子系统进行数据及命令的传输；

所述气象监测子系统包括温度传感器、湿度传感器、气压传感器、第二数字信号处理模块；所述温度传感器、湿度传感器、气压传感器均固定于测站测墩处墙面，并与第二数字信号处理模块连接；所述气象监测子系统通过光纤电缆与所述主控子系统进行数据及命令的传输；

所述主控子系统包括主控计算机；所述主控计算机上运行船闸变形自动监测系统显控软件；

所述船闸变形自动监测系统显控软件分为五个部分：（1）、向第一数字信号处理模块发送信号采集命令，并接收第一数字信号处理模块采集回来的水位信号，根据水位信号的测值不同，对其进行阈值判断，把其映射为高水位、低水位、其他水位在主控计算机的程序上显示出来，显示出测量目标闸室所处的水位工况，并进行自动触发全站仪进行变形测量；（2）、向高精度全站仪发送测量命令，并接收高精度全站仪测量数据，同时自动触发气象监测子系统进行气象信息监测；（3）、向第二数字信号处理模块发送信号采集命令，并接收第二数字信号处理模块采集回来的气象信号，将气象信号所映射的气温、气压、湿度赋予全站仪测值气象修正计算程序，提高变形测量精度；（4）、对气象修正后的测点变形测值进行系统差分计算，进一步提高变形监测精度；（5）、对船闸测点测值进行整编分析，绘制不同闸室不同工况下的变形测值过程线图。

2.根据权利要求1所述的基于水位工况识别的船闸变形自动监测系统，其特征在于：所述超声波水位计为超声波换能器，所述超声波换能器采用收发合置形式，波形发送停止后，开始接收数据，接收信号是经过检波的回波包络信号；所述超声波换能器的扫描测量范围限定在0-60m。

3.根据权利要求1所述的基于水位工况识别的船闸变形自动监测系统，其特征在于：所述第一数字信号处理模块对各个超声波换能器的超声波回波到达时间进行采集、放大、滤波、模数转换和DSP处理，将整理而成的预定格式的数字信号通过485协议及光纤网络实时传输至主控计算机。

4.根据权利要求1所述的基于水位工况识别的船闸变形自动监测系统，其特征在于：所述第二数字信号处理模块对各个气象传感器信号进行采集、放大、滤波、模数转换和DSP处理，将整理而成的预定格式的数字信号通过485协议及光纤网络实时传输至主控计算机。

5.一种基于权利要求1所述的基于水位工况识别的船闸变形自动监测系统的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S01：启动系统电源，设置参数：参与监测的闸室、参与监测的测点、各闸室高低水位阈值、各闸室测量优先级、各闸室测量次数上限、测量后视点定向、误差限差；

步骤S02：开始监测：每1分钟自动发送各闸室超声波水位计采集信号，返回水位测值；

步骤S03：判断各闸室水位测值是否超过设定阈值，若不超过，继续监测水位测值；若超过，进行下一步；

步骤S04：判断超过水位阈值的各闸室是否达到测量次数上限，若达到，执行步骤S02；若未达到，进行下一步；

步骤S05：对超过水位阈值的各闸室按照设定测量优先级进行排序；

步骤S06：启动测量：按测量顺序对超过水位阈值的各闸室测点进行自动变形监测1个测回；

步骤S07：测量完成，执行步骤S02。

6.一种基于权利要求1所述的基于水位工况识别的船闸变形自动监测系统的气象修正方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S01：启动气象监测子系统电源，设置参数：自动气象监测触发条件、监测频次；

步骤S02：开始监测：每1分钟自动对船闸变形自动监测系统是否处于测量状态进行判断；

步骤S03：判断船闸变形自动监测系统是否处于测量状态，若否，执行步骤S02；若是，进行下一步；

步骤S04：每1分钟自动发送气温、气压、湿度采集信号，返回气象测值；

步骤S05：将气象测值赋予船闸变形自动监测系统显控软件中全站仪测值气象修正计算程序，进行气象修正。

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