CN108168635A - 河道流量实时在线监测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种河道流量实时在线监测方法及装置，舟载式流速采集装置用于采集河道垂直方向流速数据并传输到GPRS无线网，水平式流速采集装置采集河道水平方向流速数据并传输到GPRS无线网，水位采集装置采集河道水位数据并传输到GPRS无线网，所述GPRS无线网连接Internet网络并将河道垂直方向流速数据、河道水平方向流速数据以及河道水位数据通过Internet网络传送到中心站，中心站对接收的数据进行分析存储和信息显示从而实现河道流量实时在线监测。通过声学多普勒流速剖面仪实时在线监测河道某一固定断面水流速度和水位高程变化数据，同时实时处理获得的数据信息，并进行实时分析解算得到当前河道流量数据。
Description
技术领域
本发明涉及一种河道流量实时在线监测装置，属于水文监测技术领域。
背景技术
流量资料具有极为重要的作用，涉及防洪安全、水文水利计算、水资源评价等各个方面，因此河流流量测验是水文工作的重要内容，每年需要耗费大量的人力物力去完成测验任务。为了减轻流量测验工作量，长期以来，水文工作者都在寻找能减少流量测验次数、缩短测验历时、或通过监测水位、水位涨落率、落差(或水面比降)的方法间接测定流量、或直接采用能自动测定流量的方法。这些方法历时长、自动化程度低等，越来越不能满足经济社会和水文事业发展的需要。近几年，随着流量自动监测技术的发展，以及洪水实时预报与洪水实时调度、大型水库(群)实时调度、水资源实时调度等对实时流量的迫切需要，基于声学原理的流量自动监测技术已得到广泛关注，并在国内的水文站上陆续得到应用。声学多普勒流速剖面仪英文简称ADCP，即Acoustic Doppler CurrentProfiler A，它是由美国RDI公司于20世纪80年代研制出来的新仪器。对于河流水文检测作业来说，ADCP可以有两种安装方式和应用，一种是安装在固定平台上(如河底或水面平台)，进行定点垂线流速分层测量。另一种是安装在移动平台上(如调查船上)，进行走航流速剖面测量。这时测得的“速度”是船舶航速和水流流速的矢量和，必须把船速从这一矢量和中除去，才能获得真正的流速。为此，必须采用“底跟踪”技术。所谓底跟踪是指ADCP通过接收和处理河底的回波信号跟踪船只相对于河底的运动速度(即船速)，测得这一速度即可轻易地获得流速真实值。ADCP利用声学多普勒原理进行流速、流量测验，具有不扰动流场、历时短、采集数据量大等诸多优点，可以极大程度地减小劳动强度、增加工作效率、提高现代化水平，成为流量测验方式发展的趋势。可以说ADCP的引进和应用，对于水文的现代化和信息化而言，意义重大，也是整个水利系统现代化建设进程的发展趋势之一。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术的不足而提供一种河道流量实时在线监测方法及装置，通过声学多普勒流速剖面仪实时在线监测河道某一固定断面水流速度和水位高程变化数据，同时实时处理获得的数据信息，并进行实时分析解算得到当前河道流量数据。
本发明的技术方案：
一种河道流量实时在线监测方法，包括以下具体步骤：
选定河道监测点，在监测点分别安装舟载式流速采集装置、水平式流速采集装置以及水位采集装置；
舟载式流速采集装置、水平式流速采集装置以及水位采集装置与GPRS无线网进行通信连接；
舟载式流速采集装置、水平式流速采集装置以及水位采集装置实时采集监测点垂直方向流速数据、水平方向流速数据以及水位数据，并将数据信息通过Internet网络传输给中心站的前置数据接收计算机；
前置数据接收计算机对接收的数据进行多元线性回归分析获得垂线流速的偏回归系数A、水平流速的偏回归系数B和流速修正常数C，从而得到断面平均流速公式如下：
V＝A·FV+B·HV+C
其中：V--断面平均流速；A--垂线流速的偏回归系数；FV--垂线流速；B--水平流速的偏回归系数；HV—水平流速；C—流速修正常数；
断面平均流速公式计算的断面平均流速结合水位采集装置采集的实时过水面积计算断面实时流量Q，实现河道流量实时在线监测，具体公式如下：
实时流量Q＝断面平均流速V×断面过水面积S
其中：Q—实时流量；S—断面过水面积；V—断面平均流速；中心站通过前置数据接收计算机实现实时数据信息显示，完成河道流量的实时在线监测，实时数据信息包括实时水位、实时流速、断面实时计算流量、监测点实时位置信息等图形，查询和显示流量和水位过程线、流速流量表格。
所述舟载式流速采集装置包括声学多普勒流速剖面仪和GPS罗经，声学多普勒流速剖面仪采集单元层深、设备水深、单元数、测量次数、日期时间、横摇、纵摇、船头方向、水温、船速、船向、内部罗经方向、河底深、每一层的流速、流向、误差、正确率数据，测量方向是通过GPS罗经使用GGA方式跟踪获得，GPS罗经获得时间、经度、纬度、GPS罗经真北方向数据；水平式流速采集装置包括水平声学多普勒流速剖面仪，水平声学多普勒流速剖面仪安装于固定断面所在的河道岸边一侧，水平声学多普勒流速剖面仪正常运行后，需要对其所在断面与测量面产生的偏角进行测量。
所述实时过水面积S采用面积包围法使用断面实测地形数据与水位围成的区域进行计算获得，水位数据由水位采集装置采集得到。
一种河道流量实时在线监测装置，包括舟载式流速采集装置、水平式流速采集装置以及水位采集装置，所述舟载式流速采集装置用于采集河道垂直方向流速数据并传输到GPRS无线网，所述水平式流速采集装置采集河道水平方向流速数据并传输到GPRS无线网，所述水位采集装置采集河道水位数据并传输到GPRS无线网，所述GPRS无线网连接Internet网络并将河道垂直方向流速数据、河道水平方向流速数据以及河道水位数据通过Internet网络传送到中心站，中心站对接收的数据进行分析存储和信息显示从而实现河道流量实时在线监测。
所述舟载式流速采集装置包括声学多普勒流速剖面仪、野外控制器、第一GPRS终端以及蓄电池，所述声学多普勒流速剖面仪采集河道垂直方向流速数据并传输到野外控制器进行数据本地存储，所述蓄电池用于给野外控制器供电，第一GPRS终端与野外控制器双向通信连接用于将声学多普勒流速剖面仪采集的河道垂直方向流速数据传输到GPRS无线网。
所述舟载式流速采集装置还包括GPS罗经和太阳能电池板，所述GPS罗经与野外控制器通过RS232接口连接，用于实时采集声学多普勒流速剖面仪姿态方向数据信息，所述太阳能电池板连接野外控制器和蓄电池，用以将太阳能转换为电能给野外控制器供电并将多余电能存储到蓄电池。
所述水平式流速采集装置包括水平声学多普勒流速剖面仪和前置计算机，所述水平声学多普勒流速剖面仪采集河道水平方向流速数据并传输到与其连接的前置计算机，前置计算机连接第二GPRS终端，第二GPRS终端连接GPRS无线网用以将水平声学多普勒流速剖面仪采集的河道水平方向流速数据传输到GPRS无线网，所述水平声学多普勒流速剖面仪、前置计算机以及第二GPRS终端由与其连接的市电供电单元供电。
所述水位采集装置包括水位传感器以及与其连接的第三GPRS终端，所述水位传感器采集河道水位数据并通过第三GPRS终端传输到GPRS无线网，水位传感器以及第三GPRS终端由与其连接的市电供电单元供电。
所述中心站包括前置数据接收计算机以及UPS电源，所述前置数据接收计算机接入Internet网络并接收GPRS无线网发送的河道垂直方向流速数据、河道水平方向流速数据以及河道水位数据，前置数据接收计算机对接收的数据进行分析存储和信息显示，所述UPS电源连接前置数据接收计算机用以为其进行应急供电，UPS电源由与其连接的市电供电单元供电。
本发明的有益效果是：通过声学多普勒流速剖面仪实时在线监测河道某一固定断面水流速度和水位高程变化数据，同时实时处理获得的数据信息，并进行实时分析解算，可实时得到当前河道固定断面过水流量数据。可极大的提高河道过水量监测的时效性。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图。
图中标号分别表示：1—舟载式流速采集装置，2—水平式流速采集装置，3—水位采集装置，4—GPRS无线网，5—Internet网络，6—中心站，10—声学多普勒流速剖面仪，11—野外控制器，12—蓄电池，13—GPS罗经，14—太阳能电池板，15—第一GPRS终端，20—水平声学多普勒流速剖面仪，21—前置计算机，22—第二GPRS终端，30—水位传感器，31—第三GPRS终端，60—前置数据接收计算机，61—UPS电源。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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。
请参阅图1，本发明的技术方案：一种河道流量实时在线监测装置，包括舟载式流速采集装置1、水平式流速采集装置2以及水位采集装置3，所述舟载式流速采集装置1用于采集河道垂直方向流速数据并传输到GPRS无线网4，所述水平式流速采集装置2采集河道水平方向流速数据并传输到GPRS无线网4，所述水位采集装置3采集河道水位数据并传输到GPRS无线网4，所述GPRS无线网4连接Internet网络5并将河道垂直方向流速数据、河道水平方向流速数据以及河道水位数据通过Internet网络5传送到中心站6，中心站6对接收的数据进行分析存储和信息显示从而实现河道流量实时在线监测。
所述舟载式流速采集装置1包括声学多普勒流速剖面仪10、野外控制器11、第一GPRS终端15以及蓄电池12，所述声学多普勒流速剖面仪10采集河道垂直方向流速数据并传输到野外控制器11进行数据本地存储，所述蓄电池12用于给野外控制器11供电，第一GPRS终端15与野外控制器11双向通信连接用于将声学多普勒流速剖面仪10采集的河道垂直方向流速数据传输到GPRS无线网4。
所述舟载式流速采集装置1还包括GPS罗经13和太阳能电池板14，所述GPS罗经13与野外控制器11通过RS232接口连接，用于实时采集声学多普勒流速剖面仪10姿态方向数据信息，所述太阳能电池板14连接野外控制器11和蓄电池12，用以将太阳能转换为电能给野外控制器11供电并将多余电能存储到蓄电池12。
所述水平式流速采集装置2包括水平声学多普勒流速剖面仪20和前置计算机21，所述水平声学多普勒流速剖面仪20采集河道水平方向流速数据并传输到与其连接的前置计算机21，前置计算机21连接第二GPRS终端22，第二GPRS终端22连接GPRS无线网4用以将水平声学多普勒流速剖面仪20采集的河道水平方向流速数据传输到GPRS无线网4，所述水平声学多普勒流速剖面仪20、前置计算机21以及第二GPRS终端22由与其连接的市电供电单元供电。
所述水位采集装置3包括水位传感器30以及与其连接的第三GPRS终端31，所述水位传感器30采集河道水位数据并通过第三GPRS终端31传输到GPRS无线网4，水位传感器30以及第三GPRS终端31由与其连接的市电供电单元供电。
所述中心站6包括前置数据接收计算机60以及UPS电源61，所述前置数据接收计算机60接入Internet网络5并接收GPRS无线网4发送的河道垂直方向流速数据、河道水平方向流速数据以及河道水位数据，前置数据接收计算机60对接收的数据进行分析存储和信息显示，所述UPS电源61连接前置数据接收计算机60用以为其进行应急供电，UPS电源61由与其连接的市电供电单元供电。
一种河道流量实时在线监测方法，包括以下具体步骤：
选定河道监测点，在监测点分别安装舟载式流速采集装置1、水平式流速采集装置2以及水位采集装置3；
舟载式流速采集装置1、水平式流速采集装置2以及水位采集装置3与GPRS无线网4进行通信连接；
舟载式流速采集装置1、水平式流速采集装置2以及水位采集装置3实时采集监测点垂直方向流速数据、水平方向流速数据以及水位数据，并将数据信息通过Internet网络5传输给中心站6的前置数据接收计算机60；
前置数据接收计算机60对接收的数据进行多元线性回归分析获得垂线流速的偏回归系数A、水平流速的偏回归系数B和流速修正常数C，从而得到断面平均流速公式如下：
V＝A·FV+B·HV+C
其中：V--断面平均流速；A--垂线流速的偏回归系数；FV--垂线流速；B--水平流速的偏回归系数；HV—水平流速；C—流速修正常数；
断面平均流速公式计算的断面平均流速结合水位采集装置采集的实时过水面积计算断面实时流量Q，实现河道流量实时在线监测，具体公式如下：
实时流量Q＝断面平均流速V×断面过水面积S
其中：Q—实时流量；S—断面过水面积；V—断面平均流速；中心站通过前置数据接收计算机实现实时数据信息显示，完成河道流量的实时在线监测，实时数据信息包括实时水位、实时流速、断面实时计算流量、监测点实时位置信息等图形，查询和显示流量和水位过程线、流速流量表格。
所述舟载式流速采集装置1包括声学多普勒流速剖面仪10和GPS罗经13，声学多普勒流速剖面仪采集单元层深、设备水深、单元数、测量次数、日期时间、横摇、纵摇、船头方向、水温、船速、船向、内部罗经方向、河底深、每一层的流速、流向、误差、正确率数据，测量方向是通过GPS罗经使用GGA方式跟踪获得，GPS罗经获得时间、经度、纬度、GPS罗经真北方向数据；水平式流速采集装置2包括水平声学多普勒流速剖面仪20，水平声学多普勒流速剖面仪20安装于固定断面所在的河道岸边一侧，水平声学多普勒流速剖面仪正常运行后，需要对其所在断面与测量面产生的偏角进行测量。
所述实时过水面积S采用面积包围法使用断面实测地形数据与水位围成的区域进行计算获得，水位数据由水位采集装置采集得到。
实施例为：
河道流量观测中所测断面平均流速可视为舟载ADCP和水平式ADCP两大指标流速的函数，而线性关系则是体现多指标间相互关系的最基本函数。因此，通过二元线性回归分析揭示舟载ADCP和水平式ADCP两大指标流速与河道流量观测所测断面平均流速之间的线性关系。
二元线性回归分析预测是指运用影响一个因变量的两个自变量进行回归分析的一种预测方法。关键是通过因变量同两个自变量的因果关系进行回归分析术解回归方程，对回归方程进行检验得出预测值。对于二元线性回归分析模型：
yi＝β0+β1x1i+β2x2i+μi i＝1,2,3,…,n (式1)
其中的参数β0、β1、β2称为偏回归系数(所谓偏回归系数，是指多元线性回归模型中解释变量前的系数)。要估计二元线性回归模型中的参数常用的方法是普通最小二乘法。设根据给定一组样本数据(Yi,X1i,X2i),i＝1,2,3…,n,采用普通最小二乘法估计得到的样本回归模型为:
则参数估计量使用残差平方和
达到最小。根据极值存在的必要条件，应该有
从而得到正规方程组
如果X1与X2之间不存在线性关系，那么，由上述正规方程组可以解出的值：
其中，
二元线性回归拟合程度的测定
二元线性回归中可决系数R2，它是在因变量的总变化中，由回归方程解释的变动(回归平方和)所占的比重，R2越大，回归方各对样本数据点拟合的程度越强，所有自变量与因变量的关系越密切。计算公式为：
其中，
估计标准误差，即因变量y的实际值与回归方程求出的估计值之间的标准误差，估计标准误差越小，回归方程拟合程度越程。
其中，k为二元线性回归方程中的自变量的个数。
在线测流系统中，某一监测时期内，断面流速V可认为是垂线流速FV和水平流速HV的线性函数，如下式所示：
V＝A·FV+B·HV+C (式9)
其中，(n为研究时段内的监测次数)；
A、B分别为垂线流速和水平流速的偏回归系数，C为常数项。
通过实际测量获得30组数据，使用二元线性回归分析预测获得垂线流速和水平流速的偏回归系数A和B，以及常数项C。
统计计算表如下：
计算各参数：
由公式(5)得到
根据上述计算结果，二元回归模型为：
拟合程度的测定如下
计算各参数：
由公式(6)得到
由此可见，R2越大，回归方各对样本数据点拟合的程度越强。因此断面平均流速公式为V＝0.27424×FV+0.39284×HV+0.00207
实时流量Q＝断面平均流速V×断面过水面积S
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种河道流量实时在线监测方法，其特征在于：包括以下具体步骤：
选定河道监测点，在监测点分别安装舟载式流速采集装置、水平式流速采集装置以及水位采集装置；
舟载式流速采集装置、水平式流速采集装置以及水位采集装置与GPRS无线网进行通信连接；
舟载式流速采集装置、水平式流速采集装置以及水位采集装置实时采集监测点垂直方向流速数据、水平方向流速数据以及水位数据，并将数据信息通过Internet网络传输给中心站的前置数据接收计算机；
前置数据接收计算机对接收的数据进行多元线性回归分析获得垂线流速的偏回归系数A、水平流速的偏回归系数B和流速修正常数C，从而得到断面平均流速公式如下：
V＝A·FV+B·HV+C
其中：V--断面平均流速；A--垂线流速的偏回归系数；FV--垂线流速；B--水平流速的偏回归系数；HV—水平流速；C—流速修正常数；
断面平均流速公式计算的断面平均流速结合水位采集装置采集的实时过水面积计算断面实时流量Q，实现河道流量实时在线监测，具体公式如下：
实时流量Q＝断面平均流速V×断面过水面积S
其中：Q—实时流量；S—断面过水面积；V—断面平均流速；中心站通过前置数据接收计算机实现实时数据信息显示，完成河道流量的实时在线监测，实时数据信息包括实时水位、实时流速、断面实时计算流量、监测点实时位置信息等图形，查询和显示流量和水位过程线、流速流量表格。
2.根据权利要求1所述的河道流量实时在线监测方法，其特征在于：所述舟载式流速采集装置包括声学多普勒流速剖面仪和GPS罗经，声学多普勒流速剖面仪采集单元层深、设备水深、单元数、测量次数、日期时间、横摇、纵摇、船头方向、水温、船速、船向、内部罗经方向、河底深、每一层的流速、流向、误差、正确率数据，测量方向是通过GPS罗经使用GGA方式跟踪获得，GPS罗经获得时间、经度、纬度、GPS罗经真北方向数据；水平式流速采集装置包括水平声学多普勒流速剖面仪，水平声学多普勒流速剖面仪安装于固定断面所在的河道岸边一侧，水平声学多普勒流速剖面仪正常运行后，需要对其所在断面与测量面产生的偏角进行测量。
3.根据权利要求1所述的河道流量实时在线监测方法，其特征在于：所述实时过水面积S采用面积包围法使用断面实测地形数据与水位围成的区域进行计算获得，水位数据由水位采集装置采集得到。
4.一种河道流量实时在线监测装置，其特征在于：包括舟载式流速采集装置、水平式流速采集装置以及水位采集装置，所述舟载式流速采集装置用于采集河道垂直方向流速数据并传输到GPRS无线网，所述水平式流速采集装置采集河道水平方向流速数据并传输到GPRS无线网，所述水位采集装置采集河道水位数据并传输到GPRS无线网，所述GPRS无线网连接Internet网络并将河道垂直方向流速数据、河道水平方向流速数据以及河道水位数据通过Internet网络传送到中心站，中心站对接收的数据进行分析存储和信息显示从而实现河道流量实时在线监测。
5.根据权利要求4所述的河道流量实时在线监测装置，其特征在于：所述舟载式流速采集装置包括声学多普勒流速剖面仪、野外控制器、第一GPRS终端以及蓄电池，所述声学多普勒流速剖面仪采集河道垂直方向流速数据并传输到野外控制器进行数据本地存储，所述蓄电池用于给野外控制器供电，第一GPRS终端与野外控制器双向通信连接用于将声学多普勒流速剖面仪采集的河道垂直方向流速数据传输到GPRS无线网。
6.根据权利要求5所述的河道流量实时在线监测装置，其特征在于：所述舟载式流速采集装置还包括GPS罗经和太阳能电池板，所述GPS罗经与野外控制器通过RS232接口连接，用于实时采集声学多普勒流速剖面仪姿态方向数据信息，所述太阳能电池板连接野外控制器和蓄电池，用以将太阳能转换为电能给野外控制器供电并将多余电能存储到蓄电池。
7.根据权利要求4所述的河道流量实时在线监测装置，其特征在于：所述水平式流速采集装置包括水平声学多普勒流速剖面仪和前置计算机，所述水平声学多普勒流速剖面仪采集河道水平方向流速数据并传输到与其连接的前置计算机，前置计算机连接第二GPRS终端，第二GPRS终端连接GPRS无线网用以将水平声学多普勒流速剖面仪采集的河道水平方向流速数据传输到GPRS无线网，所述水平声学多普勒流速剖面仪、前置计算机以及第二GPRS终端由与其连接的市电供电单元供电。
8.根据权利要求4所述的河道流量实时在线监测装置，其特征在于：所述水位采集装置包括水位传感器以及与其连接的第三GPRS终端，所述水位传感器采集河道水位数据并通过第三GPRS终端传输到GPRS无线网，水位传感器以及第三GPRS终端由与其连接的市电供电单元供电。
9.根据权利要求4所述的河道流量实时在线监测装置，其特征在于：所述中心站包括前置数据接收计算机以及UPS电源，所述前置数据接收计算机接入Internet网络并接收GPRS无线网发送的河道垂直方向流速数据、河道水平方向流速数据以及河道水位数据，前置数据接收计算机对接收的数据进行分析存储和信息显示，所述UPS电源连接前置数据接收计算机用以为其进行应急供电，UPS电源由与其连接的市电供电单元供电。
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