CN112629597B - 一种堤防越浪量测量系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种堤防越浪量测量系统。该系统包括所述越浪收集箱安装于目标监测堤防的堤顶后方，所述越浪收集箱底部的出水口与所述流量计组的进水口连接，所述流量计组的信号传输端与所述越浪量监测服务器连接，所述越浪量监测服务器与所述远程监控终端连接，所述雨量测量装置的安装于所述目标监测堤防的堤顶后方，所述雨量测量装置的信号传输端与所述越浪量监测服务器连接，由越浪收集箱收集堤防现场越浪水体，根据流量计组采集流量数据，结合雨量计采集的降雨量，经越浪量监测服务器计算得到实时越浪量，远程监测终端通过互联网进行实时显示，实现了堤防在台风作用期间越浪量现场监测及远程访问，具有全自动、精度高、耐久性好的特点。

Description

一种堤防越浪量测量系统

技术领域

本申请涉及沿海堤防测量技术领域，特别是涉及一种堤防越浪量测量系统。

背景技术

越浪量指的是海堤在波浪作用下堤顶越过水体流量。当堤防外侧潮位较高、海浪较大，海浪作用到堤防后破碎及爬高，一部分水体会越过堤防顶部的挡浪墙后形成越浪。越浪量的大小不同，对堤后影响及破坏差异较大。影响堤防越浪量的因素较多，是一个复杂而又重要的海堤工程设计参数，一般认为，平均越浪量在小于2×10-5m³/(m·s)条件下，才能够满足堤防后方的行人及行驶车辆安全要求。中国的规范标准中，对不同等级的堤防有不同的越浪要求，例如“海堤工程设计规范(SL 435-2008)”规定：堤顶有保护、背海侧为生长良好的草地，允许越浪量为0.02m³/(m·s)。

中国是世界上受风暴潮影响最为严重的国家之一，引起风暴潮的灾害性天气过程包括台风、寒潮和温带气旋等，其中台风引起的风暴潮是中国沿海地区特别是东南沿海经常遭遇的自然灾害，对国家经济建设、人民生命财产安全和社会稳定运行带来巨大影响。台风和风暴潮叠加对沿海造成的破坏很多是由越浪量引起：(1)海堤堤顶越浪量过大，越浪导致海水倒灌，直接导致海堤后方的洪涝灾害；(2)一些大的越浪也会破坏海堤防浪墙后方的路面、房屋、管线，大的越浪量也会对行人车辆造成极大危险。

目前，越浪量大都在实验室观测，通过缩小比尺的模型来测量，导致测量越浪量一直存在小越浪量精度差和模型比尺效应影响问题。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够解决测量越浪量一直存在小越浪量精度差和模型比尺效应影响问题的堤防越浪量测量系统。

一种堤防越浪量测量系统，所述系统包括：越浪收集箱、流量计组、雨量测量装置、越浪量监测服务器、远程监控终端；

所述越浪收集箱安装于目标监测堤防的堤顶后方，所述越浪收集箱底部的出水口与所述流量计组的进水口连接，所述流量计组的信号传输端与所述越浪量监测服务器连接，所述越浪量监测服务器与所述远程监控终端连接，所述雨量测量装置的安装于所述目标监测堤防的堤顶后方，所述雨量测量装置的信号传输端与所述越浪量监测服务器连接；

所述越浪收集箱用于实时收集越过所述目标监测堤防顶部的越浪水体；

所述流量计组用于实时采集所述越浪水体流过流量计组的流量数据，并通过所述信号传输端将所述流量数据传输至所述越浪量监测服务器；

所述雨量测量装置用于实时采集所述目标监测堤防处的降雨量，并传输至所述越浪量监测服务器；

所述越浪量监测服务器用于根据实时采集的所述流量数据和所述降雨量进行分析，确定实时的越浪量；

所述远程监控终端用于从所述越浪量监测服务器获取实时的越浪量进行显示。

在其中一个实施例中，所述越浪收集箱为不锈钢箱体。

在其中一个实施例中，所述流量计组包括预设数量的流量计，各所述流量计的管径大小不相同。

在其中一个实施例中，所述系统还包括视频监测装置，所述视频监测装置安装于所述目标监测堤防处，所述视频监测装置与所述越浪量监测服务器连接，所述视频监测装置用于拍摄所述目标监测堤防处的视频，将所述视频实时传输至所述越浪量监测服务器。

在其中一个实施例中，所述越浪量监测服务器根据实时采集的所述流量数据和所述降雨量进行分析，确定实时的越浪量的方式是：

所述越浪量监测服务器根据实时采集的所述流量数据和所述降雨量，基于越浪量计算公式分析，确定实时的越浪量；

所述越浪量计算公式为：

其中，Q_i表示各流量计实测流量，b表示越浪量接水箱宽度，R表示降雨量，l表示越浪量接水箱长度，n表示流量计的个数，q表示越浪量。

上述堤防越浪量测量系统，通过所述越浪收集箱安装于目标监测堤防的堤顶后方，所述越浪收集箱底部的出水口与所述流量计组的进水口连接，所述流量计组的信号传输端与所述越浪量监测服务器连接，所述越浪量监测服务器与所述远程监控终端连接，所述雨量测量装置的安装于所述目标监测堤防的堤顶后方，所述雨量测量装置的信号传输端与所述越浪量监测服务器连接，由越浪收集箱收集堤防现场越浪水体，根据流量计组采集流量数据，结合雨量计采集的降雨量，经越浪量监测服务器计算得到实时越浪量，远程监测终端通过互联网进行实时显示，实现了堤防在台风作用期间越浪量现场监测及远程访问，具有全自动、精度高、耐久性好的特点。

附图说明

图1为一个实施例中堤防越浪量测量系统的结构示意图；

图2为一个实施例中越浪收集箱安装结构图；

图3为一个实施例中流量计组的结构示意图；

图4为另一个实施例中堤防越浪量测量系统的结构示意图；

图5为一个越浪量远程监测客户端界面。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种堤防越浪量测量系统，包括：越浪收集箱310、流量计组320、雨量测量装置330、越浪量监测服务器340、远程监控终端350；越浪收集箱310安装于目标监测堤防的堤顶后方，越浪收集箱310底部的出水口与流量计组320的进水口连接，流量计组320的信号传输端与越浪量监测服务器340连接，越浪量监测服务器340与远程监控终端350连接，雨量测量装置330的安装于目标监测堤防的堤顶后方，雨量测量装置330的信号传输端与越浪量监测服务器340连接；

越浪收集箱310用于实时收集越过目标监测堤防顶部的越浪水体；流量计组320用于实时采集越浪水体流过流量计组320的流量数据，并通过信号传输端将流量数据传输至越浪量监测服务器340；雨量测量装置330用于实时采集目标监测堤防处的降雨量，并传输至越浪量监测服务器340；越浪量监测服务器340用于根据实时采集的流量数据和降雨量进行分析，确定实时的越浪量；远程监控终端350用于从越浪量监测服务器340获取实时的越浪量进行显示。

其中，雨量测量装置330可以是雨量计，雨量计是一种气象学家和水文学家用来测量一段时间内某地区的降水量的仪器。越浪收集箱310为不锈钢箱体，一般设计尺寸长×宽×高为5000mm×1000mm×1000mm，其中长度和宽度可根据现场越浪范围进行调整。越浪收集箱310的大小形状可根据如下步骤确定：

进行目标监测堤防的现场勘察，收集目标监测堤防的风、潮位、波浪、断面等设计资料，估计越浪的最大位置及越浪范围，制定越浪收集箱310的大小和形状，要注重台风登陆后引起强风、浪叠加的可能性估计，制定可靠的结构设计方案，确保结构稳固及恶劣环境下有效性。

(1)越浪量估计：

其中，q为越浪量，g为重力加速度，H_s为有效波高，R_c为堤防堤顶超高(堤顶到静水位高度)，α堤防斜坡坡度，ξ_op为破波参数，γ_b为堤防斜坡平台影响因子(无平台为1)，γ_f堤防斜坡糙渗影响因子，γ_β波浪入射角度影响因子(正向为1)，γ_v堤防堤顶胸墙影响因子。

越浪量最大值不超过：

(2)越浪收集箱310风压计算：

w_k＝μ_sμ_zw₀

w_k为风压荷载，μ_s为体型系数(取1.3)，μ_z为高度系数(取1.17)，w₀为基本风压，V为风速。

(3)根据式(1)、(2)越浪量估计大小和(3)风压强度对越浪量大小进行预计，根据预估的越浪量的大小确定越浪收集箱310的容量(即越浪收集箱310的长、宽和高)，根据风压强度确定越浪收集箱310的固定强度，以确保越浪收集箱310的容量够用，同时又牢固可靠。

越浪收集箱310与流量计组320的连接结构如图2所示，越浪收集箱310底部的出水口与流量计组320的进水口连接，越浪收集箱310内收集的越浪水体从越浪水体越浪收集箱310底部的出水口流入流量计组320的管道中，从流量计组320的排水口排出，越浪收集箱310放置到目标监测堤防的堤顶后方的支架上，越浪收集箱310底部的斜坡坡度为2％。

在一个实施例中，流量计组320包括预设数量的流量计，各流量计的管径大小不相同。

其中，流量计是用以测量管路中流体流量(单位时间内通过的流体体积)的仪表。

流量计组320的预设数量的值(即流量计的个数)和流量计的管径大小可根据如下步骤确定：

越浪收集箱310下部管道出流流速估算：

其中，v为越浪收集箱310管道出流速度，

为流速系数，H₀为出流水头，g为重力加速度。

根据式(4)计算得到出流流速，结合表1进行流量计组320的管径大小以及流量计的个数。

表1管道流速流量关系

在一个实施例中，如图3所示，流量计组320由管径为DN10、DN50、DN10、DN10的4个流量计组成。

如图4所示，在一个实施例中，系统还包括视频监测装置360，视频监测装置360安装于目标监测堤防处，视频监测装置360与越浪量监测服务器340连接，视频监测装置360用于拍摄目标监测堤防处的视频，将视频实时传输至越浪量监测服务器340。

其中，越浪量监测服务器340将接收到的视频发送至远程监控终端350显示，用户可以通过远程监控终端350监测目标监测堤防处的海况、观察越浪类型及形态等。

在一个实施例中，越浪量监测服务器340根据实时采集的流量数据和降雨量进行分析，确定实时的越浪量的方式是：越浪量监测服务器340根据实时采集的流量数据和降雨量，基于越浪量计算公式分析，确定实时的越浪量；

越浪量计算公式为：

其中，Q_i表示各流量计实测流量，b表示越浪量接水箱宽度，R表示降雨量，l表示越浪量接水箱长度，n表示流量计的个数。

在一个实施例中，基于Modbus TCP标准通讯协议下，通过以太网总线组网方式将雨量计、流量计组320的各流量计采集的数据输出至可编程控制器(PLC)的通讯端口。其中，可编程控制器(PLC)为通讯网络的主站，雨量计、流量计组320的各流量计为从站。同时，可编程控制器(PLC)还可通过其I/O端口对从站设备进行工作使能、状态监测、设备重启等操作远程控制功能。

上述堤防越浪量测量系统，通过越浪收集箱310安装于目标监测堤防的堤顶后方，越浪收集箱310底部的出水口与流量计组320的进水口连接，流量计组320的信号传输端与越浪量监测服务器340连接，越浪量监测服务器340与远程监控终端350连接，雨量测量装置330的安装于目标监测堤防的堤顶后方，雨量测量装置330的信号传输端与越浪量监测服务器340连接，由越浪收集箱310收集堤防现场越浪水体，根据流量计组320采集流量数据，结合雨量计采集的降雨量，经越浪量监测服务器340计算得到实时越浪量，远程监测终端通过互联网进行实时显示，实现了堤防在台风作用期间越浪量现场监测及远程访问，具有全自动、精度高、耐久性好的特点。

Modbus通讯协议：Modbus协议是一个master/slave架构的国际标准协议。有一个节点是master节点，其他使用Modbus协议参与通信的节点是slave节点。每一个slave设备都有一个唯一的地址。在串行和MB+网络中，只有被指定为主节点的节点可以启动一个命令。在以太网上，任何一个设备都能发送一个Modbus命令，但是通常也只有一个主节点设备启动指令。一个ModBus命令包含了打算执行的设备的Modbus地址。所有设备都会收到命令，但只有指定位置的设备会执行及回应指令(地址0例外，指定地址0的指令是广播指令，所有收到指令的设备都会运行，不过不回应指令)。所有的Modbus命令包含了检查码，以确定到达的命令没有被破坏。基本的ModBus命令能指令一个RTU改变它的寄存器的某个值，控制或者读取一个I/O端口，以及指挥设备回送一个或者多个其寄存器中的数据。Modbus通讯协议在本系统中的应用，既保证了数据通讯传输的可靠稳定性，又使得本系统具有通用性和可移植性。

可编程控制器(PLC):可编程控制器是种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或控制过程。现在工业上使用的可编程逻辑控制器已经相当或接近于一台紧凑型电脑的主机，其在扩展性和可靠性方面的优势使其被广泛应用于目前的各类工业控制领域。不管是在计算机直接控制系统还是集中分散式控制系统DCS，或者现场总线控制系统FCS中，总是有各类PLC控制器的大量使用。在本系统中的主要作用是由于其长期非常稳定的工业特性，比较适合现场越浪量的常年不间断监测。保证了该系统的长期稳定运行，弥补了工业计算机可能出现的死机，崩溃等现象。

进一步地，基于Modbus TCP标准通讯协议下，通过以太网总线组网方式将可编程控制器(PLC)作为从站，工控机作为主站进行信号传输。主要作用是将可编程控制器(PLC)集中处理好的雨量计和流量计组采集的数据送入工控机，由工控机通过上位机软件对降雨量和流量数据等信号数据进行后端处理，主要实现数据处理，结果保存，曲线显示，链路分配等功能。

进一步，基于4G技术的Ethernet网络云平台，将工控机处理并压缩好的数据传输至越浪量监测服务器340的数据库。在此基础上即可在远程监控终端上建立虚拟通讯端口通过Ethernet网络访问数据库，实现远程监测越浪量。

越浪量远程监测终端350的客户端程序设计，通过LabVIEW语言编写建立的远程监测越浪量的软件界面，通过远程监测终端350上的客户端对现场监测数据进行访问，显示如图5所示的越浪量远程监测客户端界面。

LabVIEW编程语言：LabVIEW是一种程序开发环境，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。LabVIEW软件是NI设计平台的核心，也是开发测量或控制系统的理想选择。LabVIEW开发环境集成了工程师和科学家快速构建各种应用所需的所有工具，旨在帮助工程师和科学家解决问题、提高生产力和不断创新。普通的计算机有一些不可避免的弱点。用普通的计算机语言构建的监测软件或计算机测试系统性能不可能太高。所以，LabVIEW对于本系统的贡献表现为框图形式编写语言保证了上位机程序本地端和远程端程序的稳定，模块化的数据处理块提高了数据压缩处理的准确性和远程数据传输的安全性。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种堤防越浪量测量系统，其特征在于，所述系统包括：越浪收集箱、流量计组、雨量测量装置、越浪量监测服务器、远程监控终端；

所述越浪收集箱安装于目标监测堤防的堤顶后方，所述越浪收集箱底部的出水口与所述流量计组的进水口连接，所述流量计组的信号传输端与所述越浪量监测服务器连接，所述越浪量监测服务器与所述远程监控终端连接，所述雨量测量装置的安装于所述目标监测堤防的堤顶后方，所述雨量测量装置的信号传输端与所述越浪量监测服务器连接；

所述越浪收集箱用于实时收集越过所述目标监测堤防顶部的越浪水体；

所述流量计组用于实时采集所述越浪水体流过流量计组的流量数据，并通过所述信号传输端将所述流量数据传输至所述越浪量监测服务器；

所述雨量测量装置用于实时采集所述目标监测堤防处的降雨量，并传输至所述越浪量监测服务器；

所述越浪量监测服务器用于根据实时采集的所述流量数据和所述降雨量进行分析，确定实时的越浪量；

所述远程监控终端用于从所述越浪量监测服务器获取实时的越浪量进行显示。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述越浪收集箱为不锈钢箱体。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述流量计组包括预设数量的流量计，各所述流量计的管径大小不相同。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括视频监测装置，所述视频监测装置安装于所述目标监测堤防处，所述视频监测装置与所述越浪量监测服务器连接，所述视频监测装置用于拍摄所述目标监测堤防处的视频，将所述视频实时传输至所述越浪量监测服务器。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述越浪量监测服务器根据实时采集的所述流量数据和所述降雨量，基于越浪量计算公式分析，确定实时的越浪量；

所述越浪量计算公式为：

其中，Q_i表示各流量计实测流量，b表示越浪量接水箱宽度，R表示降雨量，l表示越浪量接水箱长度，n表示流量计的个数，q表示越浪量。

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