CN110967069A - 一种走航式水力要素感知终端系统及其计算方法 - Google Patents

一种走航式水力要素感知终端系统及其计算方法 Download PDF

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郭磊
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黄锋华
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Abstract

本发明公开了一种走航式水力要素感知终端系统及其计算方法，该系统包括终端装置和主控机，终端装置包括圆管型密闭仓及位于圆管型密闭仓外两管段内的动力旋浆、动力旋浆电机及用于提供电能的第一供电模块，圆管型密闭仓内部安装有用于测量水力参数的传感器、用于存储水力参数的存储模块、用于终端装置与主控机之间通信的通信模块、用于对水力参数进行修正和预警的自校传感器以及用于供电的第二供电模块；主控机用于对修正的水力参数进行校准，并根据校准的水力参数计算水力要素。该发明无需人工走航的情况下实现移动式测量，准确测量不同水力环境的水力要素，扩展性好及适应性强。该发明可广泛应用于水力技术监测领域。

Description

一种走航式水力要素感知终端系统及其计算方法
技术领域
本发明涉及水力技术监测领域，尤其涉及一种走航式水力要素感知终端系统及其计算方法。
背景技术
对于大江大河的水力要素的监测，一直以来都是水文监测的基础工作，也是开展大江大河水动力水环境及水资源研究和决策的重要基础支撑。目前，针对大江大河的水力要素监测，特别是流量、流速及河道断面的测量，分为固定式和移动式。移动式往往需要人工进行走航式的测量，即采用人工船引拖监测设备沿河道纵断面航行，这种测量方式费时费力，且在对典型工况(如洪水、风暴潮)进行测量时，还存在一定的风险；另外各种设备交替作业，对船上人员的技术和操作能力要求比较高。而固定式的测量，只能通过水位反推流量，这需要进行大量的前期率定工作，而且随着河道地形的变化，为确保测量精度，还需要进行复率，另外，固定式的测量在测量河道断面结构形态上存在一定的技术难度。
另外，传统水力要素监测装置中计算的参数一般是固定的，当监测的水力环境发生变化后，不能根据环境的变化实时改变参数的取值，从而导致水力要素监测不准确，适应性差。例如不同水域盐度不同，水体密度也不相同，而传统计算中采用固定的水体密度。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的是提供一种走航式水力要素感知终端系统及其计算方法。该发明无需人工走航的情况下实现移动式测量，准确测量不同水力环境的水力要素，扩展性好及适应性强。
第一方面，本发明实施例提供了一种走航式水力要素感知终端系统，所述终端系统包括终端装置和主控机，所述终端装置包括圆管型密闭仓及位于圆管型密闭仓外两管段内的动力旋浆、动力旋浆电机及第一供电模块，所述圆管型密闭仓内部安装有传感器、存储模块、通信模块、第二供电模块及自校传感器；其中，
所述传感器，用于测量水力参数；
所述存储模块，用于存储所述传感器测量的水力参数；
所述自校传感器，用于对所述水力参数进行修正和预警；
所述通信模块，用于所述终端装置与所述主控机之间的通信；
所述主控机，用于对接收的水力参数进行校准，并根据校准后的水力参数计算水力要素以及对所述动力旋浆电机进行控制；
所述动力旋浆电机，用于为所述动力旋浆提供动能；
所述第一供电模块，用于为动力旋浆电机提供电能；
所述第二供电模块，用于为传感器、存储模块、通信模块及自校传感器提供电能。
在一种可选的实施例中，所述两管段的横截面积小于所述圆管型密闭仓的横截面积。
在一种可选的实施例中，所述圆管型密闭仓为双层结构。
在一种可选的实施例中，所述双层结构均采用隔热材料且层间为真空。
在一种可选的实施例中，所述圆管型密闭仓内部注入惰性气体。
在一种可选的实施例中，所述动力旋浆的结构为5叶片结构。
在一种可选的实施例中，所述传感器包括水质传感器、声呐传感器及压力传感器。
在一种可选的实施例中，所述自校传感器包括温度自校模块、压力自校模块及水质自校模块，其中，
所述温度自校模块，用于根据水体温度与气温的对应关系对水体温度异常数据进行修正，以及对水体温度随时间变化幅度异常数据进行预警；
所述压力自校模块，用于根据预设压力阈值范围对压力异常数据进行修正或预警；
所述水质自校模块，用于根据水质参数之间的关系库对偏离关系库预设范围的异常数据进行预警。
在一种可选的实施例中，所述主控机包括水位校准模块和截面测量校准模块；其中，
所述水位校准模块，用于根据水体密度及水体盐度的对应关系对水位进行校准；
所述截面测量校准模块，用于根据水体密度及水体盐度对测量截面进行校准。
第二方面，本发明实施例提供了一种走航式水力要素感知终端系统的计算方法，包括以下步骤：
控制动力旋浆带动所述终端装置在测试水域中运动以测试水力参数；
获取修正后的水力参数；
对所述修正后的水力参数进行校准并计算水力要素。
实施本发明实施例具有如下有益效果：本发明实施例通过控制动力旋浆的运动来带动终端装置的移动，从而实现终端装置对水力要素的移动式测量，拓展性好且适应性强；通过自校传感器对测量的水力参数进行修正和预警，使水力参数在计算过程中更准确，同时主控机在计算水力要素之前对水力参数又进行了校准，从而使走航式水力要素感知终端系统可以用来准确测量不同水力环境的水力要素。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种走航式水力要素感知终端系统的结构框图；
图2是本发明实施例提供的一种走航式水力要素感知终端装置的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种走航式水力要素感知终端系统的计算方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
如图1所示，本发明实施例提供了一种走航式水力要素感知终端系统，所述终端系统包括终端装置和主控机，所述终端装置包括圆管型密闭仓及位于圆管型密闭仓外两管段内的动力旋浆、动力旋浆电机及第一供电模块，所述圆管型密闭仓内部安装有传感器、存储模块、通信模块、第二供电模块及自校传感器；其中，
所述传感器，用于测量水力参数；
所述存储模块，用于存储所述传感器测量的水力参数；
所述自校传感器，用于对所述水力参数进行修正和预警；
所述通信模块，用于所述终端装置与所述主控机之间的通信；
所述主控机，用于对接收的水力参数进行校准，并根据校准后的水力参数计算水力要素以及对所述动力旋浆电机进行控制；
所述动力旋浆电机，用于为所述动力旋浆提供动能；
所述第一供电模块，用于为动力旋浆电机提供电能；
所述第二供电模块，用于为传感器、存储模块、通信模块及自校传感器提供电能。
具体地，第一供电模块连接动力旋浆电机，动力旋浆电机连接动力旋浆，主控机的控制模块通过通信模块控制动力旋浆电机使动力旋浆运动以带动终端装置移动；第二供电模块连接通信模块、传感器、存储模块及自校模块给其供电，传感器测量的水力参数存储在存储模块，自校传感器对存储模块中的水力参数进行修正和预警；存储模块中被修正和预警后的水力参数通过通信模块发送给主控制机中的校准模块，或者通过拷贝的方式将存储模块中被修正和预警后的水力参数传送给主控制机中的校准模块，被校准模块校准后的水力参数又主控制机中的计算模块计算所需的水力要素。
如图2所示，走航式水力要素感知终端装置包括圆管型密闭仓1，圆管型密闭仓1为双层结构，双层结构均采用隔热材料且层间为真空，以确保管内电器元件的运行环境良好；在圆管型密闭仓1的内部注入惰性气体，以确保内部电路运行正常。圆管型密闭仓1外两端分别设置有管段，两管段均为收缩性结构，即两管段的横截面积小于圆管型密闭仓1的横截面积，动力旋浆2安装在管段较小截面积的管口处，动力旋浆电机3安装在管段内部。动力旋浆2安装在管段的两侧以确保推力最优；两管段设置为收缩结构，以确保动力旋浆2一直处于水体之下。
需要说明的是，动力旋浆2采用螺旋桨机构，本设计中动力旋浆2的结构采用5片大面积花瓣形叶片，扇叶之间的夹角为72°，可高效率实现对水流的均匀切割，输出稳定均匀的推力；各扇叶之间采用大空隙结构，可有效地避免水流杂质的缠绕。动力旋浆2的动力旋浆叶片采用碳纤维材质，碳纤维重量轻且稳定性强。
需要说明的是，上述走航式水力要素感知终端装置需要经过一定量的试验，并且根据重量上的平衡设计，以确保动力旋浆2在不同密度水体时均能位于水体以下，以发挥动力旋浆2的推动作用；同时最终的走航式水力要素感知终端装置成品的圆管型密闭仓1需部分浮于水面。
在一种可选的实施例中，所述传感器包括水质传感器、声呐传感器、压力传感器。传感器的具体种类根据测量需求安装。水质传感器采用电化学法，通过监测水质参数突变，判断水体质量变化，测量的主要参数包括水温、盐度、浊度、电导率、PH值和溶解氧等；声呐传感器发出声波信号，当遇到物体后会反射回来，根据反射时间及波型可以测量水中物体的轮廓或截面形态；压力传感器用于测量水体压力。
在一种可选的实施例中，所述自校传感器包括温度自校模块、压力自校模块及水质自校模块，其中，
所述温度自校模块，用于根据水体温度与气温的对应关系对水体温度异常数据进行修正，以及对水体温度随时间变化幅度异常数据进行预警；
所述压力自校模块，用于根据预设压力阈值范围对压力异常数据进行修正或预警；
所述水质自校模块，用于根据水质参数之间的关系库对偏离关系库预设范围的异常数据进行预警。
具体地，温度自校模块首先收集某地区以前水体问题与气温的对应关系，以此作为判断依据对测量的水体温度进行修正，例如，以前测量数据显示气体温度为30℃时，水体温度为25℃，而实际测量水体温度为15℃，则表明测量的水体温度异常需要修正；或者在12月份测量的水体温度为25℃则表明测量的水体温度异常需要修正；修正方法可以根据以往气体温度对应的水体温度设置一定的变化范围作为正常的水体温度。同时，对于水体温度在时间轴上的变化幅度明显出现异常的数据进行预警，例如，从测量时间开始到结束水体温度一直维持在20℃左右且呈现递增趋势，中间某个时间点测量的数据为25℃，则对此数据进行预警。压力自校模块，采用阈值修正和预警，一般情况下压力传感器根据安装方式和安装处的水位变化而变化，如大江大河超过水头10米，即测试的压力值超过一定的范围，则为异常；一般情况下压力值都是波动的，如果在高频测量时没有出现波动或波动值过小，就可以判断为异常；例如，每日固定次数短时提高压力的监测频次，如1次/秒，若压力值变化幅度小于一定阈值，则压力测量数据异常。水质自校模块，通过大量的试验确定水温、溶氧、PH值、浊度和电导率等之间的关系库，若各参数之间的关系偏离关系库一定的范围，则预警监测异常。另外需要说明的是，自校传感器中的各算法规则库，在使用过程中根据实际情况可以不断的完善。
在一种可选的实施例中，所述主控机包括水位校准模块和截面测量校准模块；其中，
所述水位校准模块，用于根据水体密度及水体盐度的对应关系对水位进行校准；
所述截面测量校准模块，用于根据水体密度及水体盐度对测量截面进行校准。
具体地，对于水质测量，基于本装置主要用于非固定式长久测量，采用的是常规电化学方法测量，即采用现有技术。对于水位和截面测量采用下面的校准方法。
水位校准模块，结合水质盐度测试的成果，实时根据压力推算水位的反向校准。传统的压力传感器是是通过p＝ρ×g×h来反算水位h，其中，p表示压强，ρ表示水体密度，g表示重力加速度，计算时水体密度ρ为固定值。而本算法中，因本系统集成了水质传感器，通过大量实验建立了不同水质盐度情况下的水体密度ρi和盐度值Si的关系序列，从而由实时监测盐度数据，校准测量水体密度，从而计算更加精确的水位，使得本装置可以适应淡水区、咸淡水及海水区域的水位测量，精度和适应性更加广泛。对于水体密度ρi和盐度值Si的相关关系，则通过在试验室内进行大量实验，确定多组对应的(ρi，Si)(i≥20)；然后通过数据的相关分析，确定其关系算式。
截面测量校准模块，根据水体温度及盐度对声速的影响确定更准确的声速。截面测量采用声波遇固壁边界的回声进行测量，根据回声的速度及时间计算路程，从而计算地形截面，传统计算中声速也是为固定值。在水中的声速主要是水体温度和盐度的函数，它们的变化将引起声速的变化，如理想状态下，改变5℃的温度，声速将改变1％；改变1.2％的盐度，声速将改变1％；本系统将根据水质传感器实时测量的水体温度T和盐度S，通过大量实验，确定了声波速度V和水体温度T和S的相关关系，即：Vi＝f(Si,Ti)，从而实时校准声波的速度，从而校准回声的距离。同样的方式也用于流速C和流量Q的校准中。
实施本发明实施例具有如下有益效果：本发明实施例通过控制动力旋浆的运动来带动终端装置的移动，从而实现终端装置对水力要素的移动式测量，拓展性好且适应性强；通过自校传感器对测量的水力参数进行修正和预警，使水力参数在计算过程中更准确，同时主控机在计算水力要素之前对水力参数又进行了校准，从而使走航式水力要素感知终端系统可以用来准确测量不同水力环境的水力要素。
如图3所示，本发明实施例提供了走航式水力要素感知终端系统的计算方法，包括以下步骤：
S1、控制动力旋浆带动所述终端装置在测试水域中运动以测试水力参数；
S2、获取修正后的水力参数；
S3、对所述修正后的水力参数进行校准并计算水力要素。
具体地，主控机通过控制模块控制动力旋浆带动所述终端装置在测试水域中运动，终端装置中安装的传感器测试水域中的水力参数，终端装置中的自校传感器对测试的水力参数要素根据预设的关系进行修正后存储起来，主控机的校准模块对修正后的水力参数进行校准后由计算模块计算水力要素。
可见，上述系统实施例中的内容均适用于本方法实施例中，本方法实施例所具体实现的功能与上述系统实施例相同，并且达到的有益效果与上述系统实施例所达到的有益效果也相同。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种走航式水力要素感知终端系统，其特征在于，所述终端系统包括终端装置和主控机，所述终端装置包括圆管型密闭仓及位于圆管型密闭仓外两管段内的动力旋浆、动力旋浆电机及第一供电模块，所述圆管型密闭仓内部安装有传感器、存储模块、通信模块、第二供电模块及自校传感器；其中，
所述传感器，用于测量水力参数；
所述存储模块，用于存储所述传感器测量的水力参数；
所述自校传感器，用于对所述水力参数进行修正和预警；
所述通信模块，用于所述终端装置与所述主控机之间的通信；
所述主控机，用于对接收的水力参数进行校准，并根据校准后的水力参数计算水力要素以及对所述动力旋浆电机进行控制；
所述动力旋浆电机，用于为所述动力旋浆提供动能；
所述第一供电模块，用于为动力旋浆电机提供电能；
所述第二供电模块，用于为传感器、存储模块、通信模块及自校传感器提供电能。
2.根据权利要求1所述的走航式水力要素感知终端系统，其特征在于，所述两管段的横截面积小于所述圆管型密闭仓的横截面积。
3.根据权利要求2所述的走航式水力要素感知终端系统，其特征在于，所述圆管型密闭仓为双层结构。
4.根据权利要求3所述的走航式水力要素感知终端系统，其特征在于，所述双层结构均采用隔热材料且层间为真空。
5.根据权利要求1所述的走航式水力要素感知终端系统，其特征在于，所述圆管型密闭仓内部注入惰性气体。
6.根据权利要求4所述的走航式水力要素感知终端系统，其特征在于，所述动力旋浆的结构为5叶片结构。
7.根据权利要求1-6任一项所述的走航式水力要素感知终端系统，其特征在于，所述传感器包括水质传感器、声呐传感器及压力传感器。
8.根据权利要求7所述的走航式水力要素感知终端系统，其特征在于，所述自校传感器包括温度自校模块、压力自校模块及水质自校模块，其中，
所述温度自校模块，用于根据水体温度与气温的对应关系对水体温度异常数据进行修正，以及对水体温度随时间变化幅度异常数据进行预警；
所述压力自校模块，用于根据预设压力阈值范围对压力异常数据进行修正或预警；
所述水质自校模块，用于根据水质参数之间的关系库对偏离关系库预设范围的异常数据进行预警。
9.根据权利要求8所述的走航式水力要素感知终端系统，其特征在于，所述主控机包括水位校准模块和截面测量校准模块；其中，
所述水位校准模块，用于根据水体密度及水体盐度的对应关系对水位进行校准；
所述截面测量校准模块，用于根据水体密度及水体盐度对测量截面进行校准。
10.根据权利要求1-6任一项所述的走航式水力要素感知终端系统的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
控制动力旋浆带动所述终端装置在测试水域中运动以测试水力参数；
获取修正后的水力参数；
对所述修正后的水力参数进行校准并计算水力要素。
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