CN113358081A - 一种静水环境下近岸冰层厚度监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静水环境下近岸冰层厚度监测系统及监测方法，监测系统包括中心站、测控通讯装置、冰厚测量装置、电源装置以及移动终端。冰厚测量装置包括冰上表面高程测量仪、水下固定平台和冰下表面高程测量仪；通过冰上表面高程测量仪和冰下表面高程测量仪确定冰上、下表面高程，并由冰上、下表面高程之差得出冰层厚度。本发明所述的监测系统和监测方法能自动监测近岸静水环境下的冰层厚度；同时可通过设置多个水下测点并通过水下有线‑水上无线组网的方式，在中心站实现冰层厚度任意多点的巡测、选测与定时、召测组合监测、数据分析和设备诊断，并在移动终端处实现查询和设备故障报警显示。

Description

一种静水环境下近岸冰层厚度监测系统及监测方法

技术领域

本发明涉及一种静水环境下近岸冰层厚度的监测系统及监测方法，属于水文、气象和水工程安全监测多个学科交叉领域。

背景技术

冰厚度监测对于寒区水文、气象、工程安全和防灾减灾都具有十分重要的意义，也是计算冰岸相互作用的基础，以前冰厚度监测主要有人工钻探和地质雷达等方法，前者劳动强度大、工作环境恶劣、效率低；后者图像解析不直观、设备使用运输不便、不能实现实时长期监测。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前监测冰层厚度出现的问题，提出一种效率高且能实现实时监测冰层厚度的监测系统及监测方法。

为解决上述技术问题，本发明是采用下述技术方案实现的：

一种静水环境下近岸冰层厚度监测系统，包括用于冰厚监测数据显示、查询、检索和分析的中心站、电源装置、测控通讯装置、冰厚测量装置和移动终端；

所述测控通讯装置与冰厚测量装置和电源装置采用电缆连接，所述测控通讯装置与中心站、移动终端通过无线通讯组网；

冰厚测量装置包括冰上表面高程测量仪、水下固定平台和冰下表面高程测量仪；所述冰上表面高程测量仪安装在岸边的固定支架上，所述冰上表面高程测量仪安装固定在冰层最高高程之上并使得冰上表面处于其最佳量程范围内；所述水下固定平台固定安装在岸坝或库底，并处于最低冰下表面高程以下的水下冰下表面高程测量仪的合理量程范围内。

进一步的，所述电源装置为测控通讯装置和冰厚测量装置进行供电；所述移动终端包括内置APP，与中心站的云平台以及测控通讯装置采用无线通讯连接，能实时查看系统工作状态和冰厚数据，请求测控通讯装置控制测量并在系统设备故障时自动声、光和文字图像报警。

进一步的，所述冰下表面高程测量仪安装在水下固定平台上，包括能正反绕尺电机、编码盘、带尺及浮子；所述电机、编码盘通过带尺传动，带尺的一端固定并重叠缠绕在电机转轮上，中间段嵌绕在编码盘下1/3圆弧上，另一端与浮子相连，带尺能随着电机的转轮旋转而带动编码盘同步转动。

进一步的，所述测控通讯装置包括测量控制模块、无线通讯模块、信号控制电源电缆，所述信号控制电源电缆用于供电、水下电机控制和各种测量信号采集，并能将冰上表面高程测量仪和冰下表面高程测量仪测得的高程数据传输到测量控制模块。所述测量控制模块用于根据中心站发送指令，控制冰厚测量装置以及电源装置的运行并通过无线通讯模块将高程及冰厚数据传输到中心站。

进一步的，所述冰下表面高程测量仪在水底至少设置一个，所述冰下表面高程测量仪还包括拉力传感器和触点开关；

所述拉力传感器安装在带尺和浮子之间，所述触点开关安装在浮子顶端。

进一步的，所述正反绕尺电机包括转轮，所述转轮表面与带尺端固定连接，转轮上带尺绕叠起来的尺盘两侧边带有限位挡板。

进一步的，所述带尺材料为PER材料，且在所述带尺两侧边内部沿着带尺长度的延伸方向设置加强不锈钢丝。

进一步的，所述带尺内嵌入信号电缆，用于实时监测并传输带尺的拉力和触点通断信息。

进一步的，所述带尺中部沿着带尺长度的延伸方向开有定位孔，所述定位孔孔心定位精度为0.1 mm，孔心间距离为10 mm；所述编码盘带有齿轮，所述齿轮与定位孔相匹配。

另一方面，本发明还提供了一种静水环境下近岸冰层厚度监测方法，用于以上任一所述的冰层厚度监测系统，包括如下步骤：

计算冰上表面高程H_A：通过冰上表面高程测量仪发射面高程H_仪器和冰上表面高程测量仪测得冰上表面到发射面距离L_仪器，计算得到冰上表面高程H_A，计算公式为：

H_A=H_仪器-L_仪器 （公式1）

计算浮子上升高度L：初始状态或者测量结束浮子复位后，编码盘的读数为L₁，测量结束后，浮子上端触点开关触碰到冰下表面时编码盘的读数为L₂，计算浮子上升高度L，计算公式为：

L=L₂-L （公式2）

计算冰下表面高程H_B：根据水下固定平台高程和浮子复位时的位置得到浮子复位时上表面的高程H复位和浮子上升高度L，计算得到冰下表面高程H_B，计算公式为：

H_B=H_复位+L （公式3）

计算冰层厚度：根据计算得到的冰上表面高程H_A和冰下表面高程H_B，计算得到冰层厚度D，计算公式为：

D=H_A-H_B （公式4）

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

（1）通过在近岸处设置冰上表面高程测量仪、水下固定平台以及固定安装在水下固定平台的冰下表面高程测量仪，能方便准确的测量并计算出出冰层的上下表面高程，以此来计算出冰层厚度；

（2）在浮子的上下部分别安装触点开关和拉力传感器，并配合编码盘上高精度的编码，可准确地判断浮子是否接触冰下表面，使冰下表面高程测量更加精准；

（3）通过在电机的转轮表面设置的限位挡板和带尺端固定结构、在编码盘上设置的齿轮以及与齿轮相配合的带尺，防止在测量时带尺松动、错位或打滑，使得冰下表面高程测量更加准确；

（4）通过在水下设置多个冰下表面高程测量仪，办公室设置一个中心站，通过水下有线-水上无线组网的方式，通过双向通讯实现巡测、选测、定时测量和召测，从而实现冰层厚度的多点测量。

附图说明

图1为本发明实施例1中冰层厚度监测系统的整体结构图；

图2为本发明实施例1中冰层厚度监测系统中编码盘的结构图；

图3为本发明实施例1中冰层厚度监测系统中带尺的结构图；

图4为本发明实施例2中冰层厚度监测系统的测量步骤流程图；

图中：冰上表面高程测量仪1；水下固定平台2；基座21；固定锚筋22；岸坝锚筋221；库底锚筋222；冰下表面高程测量仪3；正反绕尺电机31；转轮311；编码盘32；齿轮321；带尺33；定位孔331；加强钢丝332；信号电缆333；拉力传感器34；浮子35；触点开关36；电源装置4；测控通讯装置5；信号电源电缆51；无线通讯模块52；测量控制模块53；信号控制电源电缆54；中心站6；移动终端7。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、 “底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1所示，一种静水环境下近岸冰层厚度的监测系统，包括冰厚测量装置、电源装置4、测控通讯装置5以及中心站6和移动终端7，其中冰厚测量装置包括冰上表面高程测量仪1、水下固定平台2和冰下表面高程测量仪3。

测控通讯装置5与冰厚测量装置采用电缆星型连接，所述测控通讯装置与中心站无线通讯连接，其中测控通讯装置5可以控制1～4个冰厚测量装置，电源装置4能给相应数量以上的冰厚测量装置供电，电源装置采用高能蓄电池和风光互补电机组合。

冰上表面高程测量仪1安装在岸边的支架上并处在冰层最高高程之上，保证仪器安装的位置在仪器的最佳量程范围内，支架安装点高程通过岸上水准基点测量获得。冰上表面高程测量仪1为雷达水位计，也可以是超声波测距仪器以及其他适应环境的高精度测距仪器。

水下固定平台锚固在岸边岩石、坝体上，安装在最低冰下表面的水中，并保证设备能有效测量不同位置的冰下表面高程。水下固定平台包括混凝土制成的基座21和固定锚筋22，基座21为六面体结构，通过固定锚筋22固定安装在所要测量水域中的岸边或水底。固定锚筋22为防锈蚀螺纹钢筋，一部分穿插于基座21内部，固定锚筋22根据平台安装位置选用岸坝锚筋221或库底锚筋222或两者组合，岸坝锚筋221水平嵌固在基座21中，对于库底水深时可直接插入岸边岩石或坝体中再补浇筑混凝土固定，若需要在水域中距离岸边较远的其他设置测量点，则可通过竖直安装在基座21底部的库底锚筋222直接插在水底相应的位置。根据需要选用相应的锚固钢筋，即岸坝锚筋221和库底锚筋222按照实际测试需要可以只设置其中的任意一种。

如图1-图3所示，冰下表面高程测量仪3安装在水下固定平台2的上表面上，根据需要包括正反绕尺电机31、编码盘32、带尺33、拉力传感器34、浮子35以及触点开关36。其中正反绕尺电机31、编码盘32以及拉力传感器34通过带尺33连接，带尺33的一端固定并绕在正反绕尺电机31转轮311上，中间段缠绕在编码盘32的齿轮321上，另一端与拉力传感器34相连，带尺33能随着正反绕尺电机31的旋转而缠绕在正反绕尺电机31和编码盘32上；浮子35为倒梨状，而拉力传感器34安装在浮子35下部，触点开关36安装在浮子35上部。正反绕尺电机31包括转轮311，转轮311为圆柱体，带尺33缠绕在转轮311的侧面上，为了防止带尺33在缠绕时不发生打滑，转轮上带尺绕叠起来的尺盘两侧边带有限位挡板，使得带尺33只能在限位槽中进行缠绕；为了精确测量冰下表面高程，在编码盘32上设置齿轮321，同时在带尺33中部沿着带尺长度的延伸方向开有定位孔331，定位孔331孔心定位精度为0.1 mm，孔心间距离为10 mm，而齿轮321和定位孔331相互配合，既能防止打滑，也能起到精准测量的作用。为了进一步防止松动错位，带尺33由PER材料制成，带尺33中部厚度为3 mm，带尺33边缘的圆边半径为2 mm。为了保证带尺33在水下恶劣的环境中不发生松弛变形，在带尺两侧边内部沿着带尺长度的延伸方向设置加强不锈钢丝332，加强不锈钢丝332抗拉强度高及耐腐蚀性提高了带尺33的使用寿命。带尺33中还设置了信号电缆333，用于实时监测并传输带尺的拉力和触点通断信息，信号电缆333一端和触点开关36、拉力传感器34连接，设置拉力传感器34和触点开关36的目的是为了判断浮子顶端是否触碰到了冰层下表面，当拉力传感器34中拉力突然减小或者触点开关36触碰到冰层下表面时，触点开关36通过信号电缆333使正反绕尺电机31断电停止转动，而拉力传感器34也能将拉力信号转化为电信号，通过信号电缆333传输到通讯装置5。

为保证水下测量的可靠性，采用拉力传感器34拉力变化和触点开关36信号相关备份的方式，避免正反绕尺电机31过渡正反转，保证浮子35上升过程中上表面接触冰下表面时候及时精准停止；同时也保证每次测量结束后复位到精准位置，为下一次测量做好准备。

电源装置4和测控通讯装置5均安装在岸边，测控通讯装置5包括信号电源电缆51、无线通讯模块52和测量控制模块53和信号控制电源电缆54，测量控制模块53用于根据中心站发送指令，控制无线通讯模块52以及信号电源电缆51和信号控制电源电缆54的运行，其中，连接雷达水位计的信号电源电缆51用于给雷达水位计供电，并传输雷达水位计采集的信号；而连接冰下表面高程测量仪3的信号控制电源电缆54为因为需要在水下长时间工作，具有绝缘以及耐水压的特性，且耐水压值至少为1 MPa，同时因为需要控制水下的正反绕尺电机31运行，还需要额外增加正反绕尺电机正反转运行的电缆芯。电源装置4通过信号控制电源电缆54与正反绕尺电机31、编码盘32以及带尺33中的信号电缆333有线连接，用于对冰下水中电机控制、信号读取以及电源供应，信号控制电源电缆54通过拉力传感器34传输的关于拉力信息的电信号以及编码盘32的读数信号均能通过有线的电缆传输到无线通讯模块52，无线通讯模块52将采集到的信息通过无线信号传输到岸边安装的中心站6，无线通讯模块52具有嵌入式边缘计算装置，具有自供电、电机控制、冰上表面监测、冰厚计算、远程通讯组网的功能，能将计算的结果发送至中心站6进行数据存储及分析。

中心站6设置在办公房内，配置工作站和云信息平台，用于冰厚监测数据显示、查询、检索和计算分析。

移动终端7包括手机或APD，内置APP软件可以实时查看中心站6中工作站系统工作状态和冰厚数据并请求现场进行测量，当系统设备故障时可以自动报警。

实施例2

本发明还提供了一种用于冰层厚度的监测方法，该方法可以通过实施例1所述的监测系统达到测量冰层厚度的目的，监测方法为：

结冰前在水底安装至少一个监测系统，在水下安装好水下固定平台以及冰下表面高程测量仪，在岸边安装好电源装置4和测控通讯装置5，连接好各部分信号控制电源电缆，浮子初始（复位）状态的位置均处于水中最低冰下表面以下1～2 m处。

结冰后，通过中心站6通过无线通讯模块52唤醒测控通讯装置5，测控通讯装置控制电源装置4开始给冰上表面高程测量仪1、冰下表面高程测量仪3供电，并检查监测系统工作状态，包括浮子初始位置和带尺张紧状态是否正常运行，若运行不正常，测控通讯装置5通过无线通讯模块52向中心站6和移动终端7传输信号，进行故障报警并通知后台人员检修。

若运行正常，测控通讯装置5通过信号控制电源电缆54读取初始状态下带尺33在编码盘32上的读数，此时的记为初始状态或者测量结束浮子复位后的初始读数L₁。然后控制正反绕尺电机31开始启动正向释放浮子35，并持续通过信号控制电源电缆54读取编码盘32的读数，同时向中心站6传输。

正反绕尺电机31采用伺服电机或步进电机变频控制缓慢启动，并以合适的速度进行正向转动，释放带尺33并使得带尺33一直处于张紧状态，浮子35也在浮力和正反绕尺电机31的双重作用下带动带尺33上升，待浮子35处于匀速上升时，在此过程中测控通讯装置5通过编码盘一直跟踪带尺移动长度从而确定浮子上升高度，带尺33上升速度控制在保证带尺33处于张紧状态。一般不出现大的紊流条件下静水中可使得浮子上升速度控制在3～5cm/s，同时对拉力传感器34采用10 Hz的采样速率进行实时采样监控，判断拉力是否发生变化。

当拉力突然减小，或者时长超过预定值时，其中预定值为初始状态下浮子顶端触点开关36距离水表面的距离与匀速上升速度的比值，触点开关36触碰到冰下表面时，或者是拉力传感器34所采集的拉力型号会突然减小1/4以上，正反绕尺电机31停止运行，可据此确认触碰开关36触碰到冰下表面，并可根据编码盘32读出此时的终止读数L₂，并将此时的读数通过信号控制电源电缆54传输到测控通讯装置5，通过浮子35复位时上表面的高程H_复位以及初始读数L₁和终止读数L₂，经过测控通讯装置5嵌入式边缘计算模块可确定冰下表面高程H_B。

在同一时间，使用冰上表面高程测量仪1测量并读取支架平面到冰上表面的高度距离L_仪器，并根据事先已知的冰上表面高程测量仪1发射面高程H_仪器，通过信号电源电缆51传输到测控通讯装置5，通过内置嵌入式边缘计算模块计算得到冰下表面高程H_A。

测控通讯装置5，通过内置嵌入式边缘计算模块通过冰上表面高程和冰下表面高程计算出冰层厚度，并通过无线通讯模块52传输到中心站6记录并存储，并根据移动终端7的请求发送到移动终端7随时查阅。

其中计算公式原理为：

通过冰上表面高程测量仪发射面高程H_仪器和冰上表面高程测量仪测得冰上表面到发射面距离L_仪器，计算得到冰上表面高程H_A，计算公式为：

H_A=H_仪器-L_仪器 （公式1）

计算浮子上升高度L：初始状态或者测量结束浮子复位后，编码盘的读数为L₁，测量结束后，浮子上端触点开关触碰到冰下表面时编码盘的读数为L₂，计算浮子上升高度L，计算公式为：

L=L₂-L₁ （公式2）

计算冰下表面高程H_B：根据水下固定平台高程和浮子复位时的位置得到浮子复位时上表面的高程H_复位和浮子上升高度L，计算得到冰下表面高程H_B，计算公式为：

H_B=H_复位+L （公式3）

计算冰层厚度：根据计算得到的冰上表面高程H_A和冰下表面高程H_B，计算得到冰层厚度D，计算公式为：

D=H_A-H_B （公式4）

其中，水下固定平台高程和浮子复位时的位置得到浮子复位时上表面的高程H_复位可以通过编码盘和水下固定平台的安装位置确定；冰上表面高程测量仪发射面高程H_仪器可在安装时直接测得。

以上所述仅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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种静水环境下近岸冰层厚度监测系统，其特征在于，包括用于冰厚监测数据显示、查询、检索和分析的中心站、电源装置、测控通讯装置和冰厚测量装置；

所述测控通讯装置与冰厚测量装置及电源装置采用电缆连接，所述测控通讯装置与中心站采用无线通讯连接；

冰厚测量装置包括冰上表面高程监测仪、水下固定平台和冰下表面高程监测仪；所述冰上表面高程监测仪安装在岸边固定的支架上，所述冰上表面高程测量仪的安装高度保证冰层上表面都在最佳量程范围之内；所述水下固定平台固定安装在岸坝或库底，并使得其上安装的冰下表面测量高程测量仪处于冰下表面可能最低高程以下的水中。

2.根据权利要求1所述的静水环境下近岸冰层厚度监测系统，其特征在于，还包括电源装置和移动终端；所述电源装置为测控通讯装置和冰厚测量装置供电；所述移动终端包括内置APP，与中心站的云平台以及测控通讯装置之间采用无线通讯连接，通过上述APP能实时查看系统工作状态和冰厚数据，并在设备故障时自动报警。

3.根据权利要求1所述的静水环境下近岸冰层厚度监测系统，其特征在于，所述冰下表面高程监测仪安装在水下固定平台上，包括能正反绕尺电机、编码盘、带尺及浮子；所述正反绕尺电机、编码盘通过带尺传动，带尺的一端固定并缠绕在电机转轮上，中间段嵌绕在编码盘1/3圆弧上，另一端与浮子相连，带尺能随着电机的转轮转动而带动编码盘同步转动。

4.根据权利要求3所述的静水环境下近岸冰层厚度监测系统，其特征在于，

所述测控通讯装置包括测量控制模块、无线通讯模块、信号控制电源电缆，所述信号控制电源电缆用于供电、水下电机控制和冰上下仪器信号采集，并能将冰上表面高程测量仪和冰下表面高程测量仪测得的高程数据传输到测量控制模块进行边缘计算，并将计算结果根据中心站命令、测量控制模块自身设置或移动终端请求发送至中心站或移动终端；所述测量控制模块根据中心站发送的指令、自身内部设置或移动终端的请求，控制电源装置以及冰厚测量装置的运行。

5.根据权利要求3所述的静水环境下近岸冰层厚度监测系统，其特征在于，所述冰下表面高程测量仪在水底至少设置一个，所述冰下表面高程测量仪还包括拉力传感器和触点开关；

所述拉力传感器安装在带尺和浮子之间，所述触点开关安装在浮子顶端。

6.根据权利要求3所述的静水环境下近岸冰层厚度监测系统，其特征在于，所述正反绕尺电机包括转轮，所述转轮表面与带尺端固定连接，转轮上带尺绕叠起来的尺盘两侧边带有限位挡板。

7.根据权利要求3所述的冰层厚度监测系统，其特征在于，所述带尺材料为PER材料，且在所述带尺两侧边内部沿着带尺长度的延伸方向设置加强不锈钢丝。

8.根据权利要求3所述的静水环境下近岸冰层厚度监测系统，其特征在于，所述带尺内嵌入信号电缆，用于实时监测并传输带尺的张拉力和触点通断信息。

9.根据权利要求3所述的静水环境下近岸冰层厚度监测系统，其特征在于，所述带尺中部沿着带尺长度的延伸方向开有定位孔，所述定位孔孔心定位精度为0.1 mm，孔心间距离为10 mm；所述编码盘带有齿轮，所述齿轮与定位孔相匹配。

10.一种静水环境下近岸冰层厚度监测方法，其特征在于，用于权利要求1～9任一所述的冰层厚度监测系统，包括如下步骤：

计算冰上表面高程H_A：通过冰上表面高程测量仪发射面的高程H_仪器和冰上表面高程测量仪测得冰上表面到发射面距离L_仪器，计算得到冰上表面高程H_A，计算公式为：

H_A=H_仪器-L_仪器 （公式1）

计算浮子上升高度L：初始状态或测量结束浮子复位后，编码盘的读数为L₁，测量结束后，浮子上端触点开关触碰到冰下表面时编码盘的读数为L₂，计算浮子上升高度L，计算公式为：

L=L₂-L₁ （公式2）

计算冰下表面高程H_B：根据水下固定平台高程和浮子复位时的位置得到浮子复位时上表面的高程H_复位和浮子上升高度L，计算得到冰下表面高程H_B，计算公式为：

H_B=H_复位+L （公式3）

计算冰层厚度：根据上述冰上表面高程H_A和冰下表面高程H_B，计算得到冰层厚度D，计算公式为：

D=H_A-H_B （公式4）。

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