CN113532560B - 一种流量测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的流量测量方法及装置，应用于测控技术领域，该方法在获取目标水渠的当前水位后，按预设规则控制目标换能器工作，并获取各目标换能器工作过程中对应的超声波传递时间，然后根据所得超声波传递时间，计算各水层的平均流速和任意两个相邻水层之间的等效流速，将待测水体的当前水位、各水层对应的平均流速和等效流速输入流速计算模型，得到待测水体的平均流速，最终根据待测水体的平均流速和目标水渠的水渠宽度，计算得到待测水体的当前流量。本方法流速计算模型是训练神经网络得到，并未涉及水渠的具体结构参数，相对于现有技术而言，计算结果与水渠实际结构之间的关联已经降到最低，有助于提高流量计算结果的准确性。
Description
技术领域
本发明属于测控技术领域，尤其涉及一种流量测量方法及装置。
背景技术
流量测量设备是目前灌溉作业中广泛使用的水利设备，通过流量测量设备不仅能够动态的控制灌水定额和控制用水量，而且还能实现水量计费、管理自动化，达到节水灌溉的目标。
现有技术中的流量测量设备大都基于多声道超声波技术实现，设备包括多个沿水渠深度方向布置的换能器组，每一换能器组对应相应的水层，且每一换能器组内包括两个正向相对布置的换能器。现有流量测量设备通过各水层内平行对射的换能器，获取超声波在同一水层的一对换能器之间传播时间，由于超声波在顺流传播与逆流传播时存在一定的时间差，可采用此时间差计算各水层的平均流速，同时，基于水渠的设计结构参数构建数学模型，最终将所得的平均流速以及水渠的结构参数输入到数学模型之中，得到水渠内水体的瞬时流量。
然而，在实际应用中，水渠内的灌水中大都包含有大量的泥沙，水渠在长期使用后不可避免的会在渠底堆积大量的泥沙，从而改变水渠的实际结构，由于前述数学模型是基于水渠的设计结构参数构建的，会导致计算得到的瞬时流量不够准确。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种流量测量方法及装置，用于计算待测水体平均流量的流量计算模型是以水体的水位、各水层的平均流速以及相邻水层之间的等效流速为基础训练神经网络得到的，不再依赖于水渠的设计结构参数，能够将水渠结构变化对计算结果的影响降到最低，流量计算结果更为准确，具体方案如下：
第一方面，本发明提供一种流量测量方法，应用于流量测量设备，所述方法包括：
获取目标水渠的当前水位；
按预设规则控制所述流量测量设备中的目标换能器工作，并获取各所述目标换能器工作过程中对应的超声波传递时间；
根据所述超声波传递时间，计算各水层的平均流速和任意两个相邻水层之间的等效流速；
将所述当前水位、各水层的平均流速和所述等效流速输入流速计算模型，得到所述目标水渠中待测水体的平均流速；
其中，所述流速计算模型以水体的水位、各水层的平均流速以及相邻水层之间的等效流速为输入，以水体的平均流速为输出，训练神经网络得到；
根据所述待测水体的平均流速和所述目标水渠的水渠宽度，计算所述待测水体的当前流量。
可选的，所述按预设规则控制所述流量测量设备中的目标换能器工作，包括：
将所述流量测量设备中，处于所述当前水位以下的多个换能器作为目标换能器；
按如下预设规则控制各所述目标换能器工作：
控制目标换能器ai发射超声波，并控制目标换能器bi和目标换能器bj接收超声波；
控制目标换能器bi发射超声波，并控制目标换能器ai和目标换能器aj接收超声波；
控制目标换能器aj发射超声波，并控制目标换能器bi和目标换能器bj接收超声波；
控制目标换能器bj发射超声波，并控制目标换能器ai和目标换能器aj接收超声波；
其中，i∈[1，m-1]，j∈[1，m]，m为目标换能器的总数量；
目标换能器ai和目标换能器bi处于同一水层内；
目标换能器aj和目标换能器bj处于同一水层内；
目标换能器aj与目标换能器ai相邻设置，且目标换能器aj靠近水面。
可选的，所述获取各所述目标换能器工作过程中对应的超声波传递时间，包括：
针对每一所述目标换能器，
在目标换能器ai发射超声波的情况下，获取超声波由目标换能器ai传递至目标换能器bi对应的超声波传递时间，以及，超声波由目标换能器ai传递至目标换能器bj对应的超声波传递时间；
在目标换能器bi发射超声波的情况下，获取超声波由目标换能器bi传递至目标换能器ai对应的超声波传递时间，以及，超声波由目标换能器bi和目标换能器aj对应的超声波传递时间；
在目标换能器aj发射超声波的情况下，获取超声波由目标换能器aj传递至目标换能器bi对应的超声波传递时间，以及，超声波由目标换能器aj传递至目标换能器bj对应的超声波传递时间；
在目标换能器bj发射超声波的情况下，获取超声波由目标换能器bj传递至目标换能器ai对应的超声波传递时间，以及，超声波由目标换能器bj和目标换能器aj对应的超声波传递时间。
可选的，所述根据所述超声波传递时间，计算各水层的平均流速，包括：
针对每一水层，按照如下公式计算所述水层的平均流速：
其中，vi为目标换能器ai所处水层的平均流速；
C为超声波在水中的传播速度；
D为所述目标水渠的水渠宽度；
θ为超声波传播方向与水流方向在投影平面上的夹角；
tai，bi为超声波从目标换能器ai传递至目标换能器bi的超声波传递时间；
tbi，ai为超声波从目标换能器bi传递至目标换能器ai的超声波传递时间；
目标换能器ai和目标换能器bi处于同一水层内。
可选的，根据所述超声波传递时间，计算任意两个相邻水层之间的等效流速的过程，包括：
针对任意两个相邻水层，按照如下公式计算相应的等效流速：
其中，vij为任意两个相邻水层之间的等效流速；
C为超声波在水中的传播速度；
D为所述目标水渠的水渠宽度；
θ为超声波传播方向与水流方向在投影平面上的夹角；
tai,bj为超声波由目标换能器ai传递至目标换能器bj对应的超声波传递时间；
taj,bi为超声波由目标换能器aj传递至目标换能器bi对应的超声波传递时间；
tbj,ai为超声波由目标换能器bj传递至目标换能器ai对应的超声波传递时间；
tbi,aj为超声波由目标换能器bi递至目标换能器aj对应的超声波传递时间。
第二方面，本发明提供一种流量测量装置，包括：
获取单元，用于获取目标水渠的当前水位；
控制单元，用于按预设规则控制所述流量测量设备中的目标换能器工作，并获取各所述目标换能器工作过程中对应的超声波传递时间；
第一计算单元，用于根据所述超声波传递时间，计算各水层的平均流速和任意两个相邻水层之间的等效流速；
第二计算单元，用于将所述当前水位、各水层的平均流速和所述等效流速输入流速计算模型，得到所述目标水渠中待测水体的平均流速；
其中，所述流速计算模型以水体的水位、各水层的平均流速以及相邻水层之间的等效流速为输入，以水体的平均流速为输出，训练神经网络得到；
第三计算单元，用于根据所述待测水体的平均流速和所述目标水渠的水渠宽度，计算所述待测水体的当前流量。
可选的，所述控制单元，用于按预设规则控制所述流量测量设备中的目标换能器工作时，包括：
将所述流量测量设备中，处于所述当前水位以下的多个换能器作为目标换能器；
按如下预设规则控制各所述目标换能器工作：
控制目标换能器ai发射超声波，并控制目标换能器bi和目标换能器bj接收超声波；
控制目标换能器bi发射超声波，并控制目标换能器ai和目标换能器aj接收超声波；
控制目标换能器aj发射超声波，并控制目标换能器bi和目标换能器bj接收超声波；
控制目标换能器bj发射超声波，并控制目标换能器ai和目标换能器aj接收超声波；
其中，i∈[1，m-1]，j∈[1，m]，m为目标换能器的总数量；
目标换能器ai和目标换能器bi处于同一水层内；
目标换能器aj和目标换能器bj处于同一水层内；
目标换能器aj与目标换能器ai相邻设置，且目标换能器aj靠近水面。
可选的，所述控制单元，用于获取各所述目标换能器工作过程中对应的超声波传递时间时，包括：
针对每一所述目标换能器，
在目标换能器ai发射超声波的情况下，获取超声波由目标换能器ai传递至目标换能器bi对应的超声波传递时间，以及，超声波由目标换能器ai传递至目标换能器bj对应的超声波传递时间；
在目标换能器bi发射超声波的情况下，获取超声波由目标换能器bi传递至目标换能器ai对应的超声波传递时间，以及，超声波由目标换能器bi和目标换能器aj对应的超声波传递时间；
在目标换能器aj发射超声波的情况下，获取超声波由目标换能器aj传递至目标换能器bi对应的超声波传递时间，以及，超声波由目标换能器aj传递至目标换能器bj对应的超声波传递时间；
在目标换能器bj发射超声波的情况下，获取超声波由目标换能器bj传递至目标换能器ai对应的超声波传递时间，以及，超声波由目标换能器bj和目标换能器aj对应的超声波传递时间。
可选的，所述第一计算单元，用于根据所述超声波传递时间，计算各水层的平均流速时，包括：
针对每一水层，按照如下公式计算所述水层的平均流速：
其中，vi为目标换能器ai所处水层的平均流速；
C为超声波在水中的传播速度；
D为所述目标水渠的水渠宽度；
θ为超声波传播方向与水流方向在投影平面上的夹角；
tai，bi为超声波从目标换能器ai传递至目标换能器bi的超声波传递时间；
tbi，ai为超声波从目标换能器bi传递至目标换能器ai的超声波传递时间；
目标换能器ai和目标换能器bi处于同一水层内。
可选的，所述第一计算单元，用于根据所述超声波传递时间，计算任意两个相邻水层之间的等效流速时，包括：
针对任意两个相邻水层，按照如下公式计算相应的等效流速：
其中，vij为任意两个相邻水层之间的等效流速；
C为超声波在水中的传播速度；
D为所述目标水渠的水渠宽度；
θ为超声波传播方向与水流方向在投影平面上的夹角；
tai,bj为超声波由目标换能器ai传递至目标换能器bj对应的超声波传递时间；
taj,bi为超声波由目标换能器aj传递至目标换能器bi对应的超声波传递时间；
tbj,ai为超声波由目标换能器bj传递至目标换能器ai对应的超声波传递时间；
tbi,aj为超声波由目标换能器bi递至目标换能器aj对应的超声波传递时间。
基于上述技术方案，本发明提供的流量测量方法，流量测量设备在获取目标水渠的当前水位之后，首先按预设规则控制目标换能器工作，并获取各目标换能器工作过程中对应的超声波传递时间，然后根据所得超声波传递时间，计算各水层的平均流速和任意两个相邻水层之间的等效流速，进一步将待测水体的当前水位、各水层对应的平均流速和等效流速输入流速计算模型，得到待测水体的平均流速，最终根据待测水体的平均流速和目标水渠的水渠宽度，计算得到待测水体的当前流量。
本发明提供的流量测量方法，流速计算模型是以水体的水位、各水层的平均流速以及相邻水层之间的等效流速为输入，以水体的平均流速为输出，训练神经网络得到，并未涉及水渠的具体结构参数，相对于现有技术而言，计算结果与水渠实际结构之间的关联已经降到最低，有助于提高流量计算结果的准确性。
进一步的，与现有技术相比，本发明提供的方法不仅计算各个水层对应的平均流速，还综合了相邻水层之间的等效流速，用于计算水体的平均流速的流速信息更为全面，同样有助于提高计算结果的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术中一种流量测量设备的结构框图；
图2是本发明实施例提供的一种流量测量方法的流程图；
图3是本发明实施例提供的一种流量测量装置的结构框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
参见图1，图1是现有技术中一种流量测量设备的结构框图，该流量测量设备包括两个换能器组、水位计、安装框架、主控模块、驱动模块、信号处理模块、电源模块和通讯模块，其中，
两个换能器组相对安装，每个换能器组上布置有n个换能器，当然，两个换能器组上各个换能器之间的间距是相同的，确保处于相同水层的换能器相互正对，即换能器ai与换能器bi相互正对(i＝1，2，…，n，n为各换能器组中换能器的总数量)。两个换能器中处于同一平面内的换能器作为一对，用于测量所处水层的流体流速，测量设备中每个换能器组都包括n个换能器，在灌水深度超过换能器组n个换能器的高度情况下，即可以获得n个水层的流体流速。
两个换能器组和水位计安装在安装框架上，换能器组分别处于水流方向的两侧，水渠宽度为D，超声波传播方向与水流方向在水投影平面的夹角为θ，一般情况下，θ取45°左右，当然，根据具体应用场景的不同，还可以选取其他角度，在理论上，只要不是设置为180°即可。
进一步的，驱动模块可以在各个换能器之间切换，驱动各换能器组中的某个换能器发射超声波信号；相应的，信号处理模块也可以在各个换能器之间切换，处理其中某个换能器接收到的超声波信号。通过驱动模块与信号处理模块的配合，就可以得到超声波从换能器ai传递至换能器bi的超声波传递时间。
主控模块用于控制驱动模块、信号处理模块和通讯模块工作并采集相应的数据，并基于所得数据计算流体流量。通讯模块用于与外部进行通讯，电源模块为整个系统提供电能，此处不再详细展开，具体可参照现有技术。
发明人通过对上述流量测量设备的研究，发现换能器ai除了能接收到换能器bi的超声波外，还能接收到换能器bi-1和bi+1的超声波信号；同样，换能器bi除了能接收到换能器ai的超声波外，还能接收到换能器ai-1和ai+1的超声波。基于此发现，本申请提供一种流量测量方法。
本申请提供的流量测量方法，应用于图1所示的流量测量设备，具体的，应用于流量测量设备中的主控模块，当然，在某些情况下，也可以应用于网络侧的服务器。
参见图2，图2是本发明实施例提供的一种流量测量方法的流程图，本实施例提供的方法的流程，可以包括：
S100、获取目标水渠的当前水位。
在本实施例中，目标水渠是指需要进行待测水体流量测量的水渠，实际应用时，可以根据测量需求具体选择。
基于前述内容可知，流量测量设备能够实现流量测量的基本原理，在于超声波在顺流传播时的传递时间与在逆流传播时的传递时间不同，依据这一时间差可以计算得到待测水体的流速，超声波在空气传播时，任意两个换能器之前无论按照哪个方向传播，其相应的传播时间都是一样的，因而是无法计算得到待测水体的流速的，本步骤中获取目标水渠的当前水位，作用之一便是确定能够起到流量测量作用的换能器有哪些。
S110、按预设规则控制流量测量设备中的目标换能器工作，并获取各目标换能器工作过程中对应的超声波传递时间。
可选的，如前所述，在获取到目标水渠的当前水位后，可以将流量测量设备中，处于当前水位以下的多个换能器作为目标换能器。根据目标换能器的选取规则可以看出，在实际应用中，水位不同，目标换能器也会相应的发生变化。
进一步的，为了获取同一水层的平均流速，以及任意两个相邻水层之间的等效流速，需要按照如下预设规则依次控制前述内容中确定的各个目标换能器工作：
控制目标换能器ai发射超声波，并控制目标换能器bi和目标换能器bj接收超声波，相应的，获取超声波由目标换能器ai传递至目标换能器bi对应的超声波传递时间，以及，超声波由目标换能器ai传递至目标换能器bj对应的超声波传递时间；
控制目标换能器bi发射超声波，并控制目标换能器ai和目标换能器aj接收超声波，相应的，获取超声波由目标换能器bi传递至目标换能器ai对应的超声波传递时间，以及，超声波由目标换能器bi和目标换能器aj对应的超声波传递时间；
控制目标换能器aj发射超声波，并控制目标换能器bi和目标换能器bj接收超声波，相应的，获取超声波由目标换能器aj传递至目标换能器bi对应的超声波传递时间，以及，超声波由目标换能器aj传递至目标换能器bj对应的超声波传递时间；
控制目标换能器bj发射超声波，并控制目标换能器ai和目标换能器aj接收超声波，相应的，获取超声波由目标换能器bj传递至目标换能器ai对应的超声波传递时间，以及，超声波由目标换能器bj和目标换能器aj对应的超声波传递时间。
在上述内容中，i∈[1，m-1]，j∈[1，m]，m为目标换能器的总数量，并且目标换能器ai和目标换能器bi处于同一水层内，目标换能器aj和目标换能器bj处于同一水层内，目标换能器aj与目标换能器ai相邻设置，位于同一换能器组内，且目标换能器aj位于目标换能器ai上方，即目标换能器aj更靠近水面，相应的，目标换能器bj与目标换能器bi相邻设置，位于同一换能器组内，且目标换能器bj位于目标换能器bi上方，即目标换能器bj更靠近水面。
需要说明的是，在计算目标换能器ai和目标换能器bi所处水层的平均流速时，需要的是超声波在目标换能器ai和目标换能器bi之间的超声波传递时间，在计算目标换能器ai和目标换能器aj各自所处水层之间的等效流速时，需要的是目标换能器ai和目标换能器bj之间的超声波传递时间，以及目标换能器bi和目标换能器aj之间的超声波传递时间，并不需要目标换能器aj和目标换能器bj之间的超声波传递时间，在上述内容中同步获得目标换能器aj和目标换能器bj之间的超声波传递时间，可以有效降低控制过程的复杂程度，并且可将所得结果用于目标换能器aj和目标换能器bj所处水层的平均流速的计算。
还需要说明的是，对于目标换能器am和目标换能器bm所处水层，只能获取得到二者之间的超声波传递时间，由于不存在目标换能器am+1和目标换能器bm+1，因此，在具体计算时，可以将目标换能器am和目标换能器bm+1，以及目标换能器bm和目标换能器am+1之间的超声波传递时间按照零计算。
S120、根据超声波传递时间，计算各水层的平均流速和任意两个相邻水层之间的等效流速。
可选的，针对每一水层，按照如下内容计算该水层的平均流速：
其中，vi为目标换能器ai所处水层的平均流速；
C为超声波在水中的传播速度；
D为目标水渠的水渠宽度；
θ为超声波传播方向与水流方向在投影平面上的夹角；
tai，bi为超声波从目标换能器ai传递至目标换能器bi的超声波传递时间；
tbi，ai为超声波从目标换能器bi传递至目标换能器ai的超声波传递时间；
如前所述，目标换能器ai和目标换能器bi处于同一水层内。
进一步的，按照如下公式计算任意两个相邻水层对应的等效流速：
目标换能器ai与目标换能器bj相互发送超声波时，可得到第一等效流速：
其中，tai，bi为超声波从目标换能器ai传播到目标换能器bj对应的超声波传递时间，tbi，ai为超声波从目标换能器bj传播到目标换能器ai对应的超声波传递时间。
目标换能器aj与目标换能器bi相互发送超声波时，可得到第二等效流速：
其中，tai，bi为超声波从目标换能器aj传播到目标换能器bi对应的超声波传递时间，tbi，ai为超声波从目标换能器bi传播到目标换能器aj对应的超声波传递时间。
为了消除纵向水流波动的影响，可以将上述所得第一等效流速和第二等效流速的平均值作为最终的等效流速vij，即
在本发明实施例提供的计算方法中，对相邻水层处于交叉反向的两对换能器，将其计算得到的第一等效流速和第二等效流速取平均值，作为最终的等效流速，可以消除纵向水流波动的影响，使得计算结果更为准确。
S130、将当前水位、各水层的平均流速和等效流速输入流速计算模型，得到目标水渠中待测水体的平均流速。
如前所述，现有技术中用于计算待测水体平均流速的数学模式是基于水渠的理论设计结构参数构建的，随着水渠内泥沙的堆积，水渠的实际结构发生改变，将导致最终所得的计算结果不再准确。
为克服这一问题，本发明实施例提供一种基于神经网络训练得到的流速计算模型，该流速计算模型以水体的水位、各水层的平均流速以及相邻水层之间的等效流速为输入，以水体的平均流速为输出。由于流速计算模型的构建并未依赖于水渠的结构参数，因而可以解决现有技术存在的问题。
在具体训练时，可以选用BP神经网络实现，BP神经网络是一种基于误差反向传播训练算法的神经网络，其优势在于，在隐含层和节点数足够多的情况下，它可以逼近任意的非线性映射关系，且具有较好的泛化能力。BP神经网络包括输入层、隐含层和输出层。隐含层节点数量可取为ρ可取1～10之间的整数。采用已知的历史数据，即样本水渠的各水层平均流速，以及相邻水层之前的等效流速，水位、以及样本水体的平均流速，作为样本集对BP神经网络进行训练后，得到流速计算模型。
在具体应用时，将目标水渠中待测水体的当前水位、各水层的平均流速和等效流速输入流速计算模型，即可得到目标水渠中待测水体的平均流速。
S140、根据待测水体的平均流速和目标水渠的水渠宽度，计算待测水体的当前流量。
可选的，可按照如下公式计算得到待测水体的当前流量Q：
Q＝DhV
其中，V表示待测水体的平均流速；
D表示目标水渠的水渠宽度。
综上所述，本发明提供的流量测量方法，流速计算模型是以水体的水位、各水层的平均流速以及相邻水层之间的等效流速为输入，以水体的平均流速为输出，训练神经网络得到，并未涉及水渠的具体结构参数，相对于现有技术而言，计算结果与水渠实际结构之间的关联已经降到最低，有助于提高流量计算结果的准确性。
进一步的，与现有技术相比，本发明提供的方法不仅计算各个水层对应的平均流速，还综合了相邻水层之间的等效流速，用于计算水体的平均流速的流速信息更为全面，同样有助于提高计算结果的准确性。
下面对本发明实施例提供的流量测量装置进行介绍，下文描述的流量测量装置可以认为是为实现本发明实施例提供的流量测量方法，在中央设备中需设置的功能模块架构；下文描述内容可与上文相互参照。
参见图3，图3为本发明实施例提供的一种流量测量装置的结构框图，该装置可以包括：
获取单元10，用于获取目标水渠的当前水位；
控制单元20，用于按预设规则控制所述流量测量设备中的目标换能器工作，并获取各所述目标换能器工作过程中对应的超声波传递时间；
第一计算单元30，用于根据所述超声波传递时间，计算各水层的平均流速和任意两个相邻水层之间的等效流速；
第二计算单元40，用于将所述当前水位、各水层的平均流速和所述等效流速输入流速计算模型，得到所述目标水渠中待测水体的平均流速；
其中，所述流速计算模型以水体的水位、各水层的平均流速以及相邻水层之间的等效流速为输入，以水体的平均流速为输出，训练神经网络得到；
第三计算单元50，用于根据所述待测水体的平均流速和所述目标水渠的水渠宽度，计算所述待测水体的当前流量。
可选的，所述控制单元20，用于按预设规则控制所述流量测量设备中的目标换能器工作时，包括：
将所述流量测量设备中，处于所述当前水位以下的多个换能器作为目标换能器；
按如下预设规则控制各所述目标换能器工作：
控制目标换能器ai发射超声波，并控制目标换能器bi和目标换能器bj接收超声波；
控制目标换能器bi发射超声波，并控制目标换能器ai和目标换能器aj接收超声波；
控制目标换能器aj发射超声波，并控制目标换能器bi和目标换能器bj接收超声波；
控制目标换能器bj发射超声波，并控制目标换能器ai和目标换能器aj接收超声波；
其中，i∈[1，m-1]，j∈[1，m]，m为目标换能器的总数量；
目标换能器ai和目标换能器bi处于同一水层内；
目标换能器aj和目标换能器bj处于同一水层内；
目标换能器aj与目标换能器ai相邻设置，且目标换能器aj靠近水面。
可选的，所述控制单元20，用于获取各所述目标换能器工作过程中对应的超声波传递时间时，包括：
针对每一所述目标换能器，
在目标换能器ai发射超声波的情况下，获取超声波由目标换能器ai传递至目标换能器bi对应的超声波传递时间，以及，超声波由目标换能器ai传递至目标换能器bj对应的超声波传递时间；
在目标换能器bi发射超声波的情况下，获取超声波由目标换能器bi传递至目标换能器ai对应的超声波传递时间，以及，超声波由目标换能器bi和目标换能器aj对应的超声波传递时间；
在目标换能器aj发射超声波的情况下，获取超声波由目标换能器aj传递至目标换能器bi对应的超声波传递时间，以及，超声波由目标换能器aj传递至目标换能器bj对应的超声波传递时间；
在目标换能器bj发射超声波的情况下，获取超声波由目标换能器bj传递至目标换能器ai对应的超声波传递时间，以及，超声波由目标换能器bj和目标换能器aj对应的超声波传递时间。
可选的，所述第一计算单元30，用于根据所述超声波传递时间，计算各水层的平均流速时，包括：
针对每一水层，按照如下公式计算所述水层的平均流速：
其中，vi为目标换能器ai所处水层的平均流速；
C为超声波在水中的传播速度；
D为所述目标水渠的水渠宽度；
θ为超声波传播方向与水流方向在投影平面上的夹角；
tai，bi为超声波从目标换能器ai传递至目标换能器bi的超声波传递时间；
tbi，ai为超声波从目标换能器bi传递至目标换能器ai的超声波传递时间；
目标换能器ai和目标换能器bi处于同一水层内。
可选的，所述第一计算单元30，用于根据所述超声波传递时间，计算任意两个相邻水层之间的等效流速时，包括：
针对任意两个相邻水层，按照如下公式计算相应的等效流速：
其中，vij为任意两个相邻水层之间的等效流速；
C为超声波在水中的传播速度；
D为所述目标水渠的水渠宽度；
θ为超声波传播方向与水流方向在投影平面上的夹角；
tai,bj为超声波由目标换能器ai传递至目标换能器bj对应的超声波传递时间；
taj,bi为超声波由目标换能器aj传递至目标换能器bi对应的超声波传递时间；
tbj,ai为超声波由目标换能器bj传递至目标换能器ai对应的超声波传递时间；
tbi,aj为超声波由目标换能器bi递至目标换能器aj对应的超声波传递时间。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的核心思想或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种流量测量方法，其特征在于，应用于流量测量设备，所述方法包括：
获取目标水渠的当前水位；
按预设规则控制所述流量测量设备中的目标换能器工作，并获取各所述目标换能器工作过程中对应的超声波传递时间；
根据所述超声波传递时间，计算各水层的平均流速和任意两个相邻水层之间的等效流速；
将所述当前水位、各水层的平均流速和所述等效流速输入流速计算模型，得到所述目标水渠中待测水体的平均流速；
其中，所述流速计算模型以水体的水位、各水层的平均流速以及相邻水层之间的等效流速为输入，以水体的平均流速为输出，训练神经网络得到；
根据所述待测水体的平均流速和所述目标水渠的水渠宽度，计算所述待测水体的当前流量。
2.根据权利要求1所述的流量测量方法，其特征在于，所述按预设规则控制所述流量测量设备中的目标换能器工作，包括：
将所述流量测量设备中，处于所述当前水位以下的多个换能器作为目标换能器；
按如下预设规则控制各所述目标换能器工作：
控制目标换能器ai发射超声波，并控制目标换能器bi和目标换能器bj接收超声波；
控制目标换能器bi发射超声波，并控制目标换能器ai和目标换能器aj接收超声波；
控制目标换能器aj发射超声波，并控制目标换能器bi和目标换能器bj接收超声波；
控制目标换能器bj发射超声波，并控制目标换能器ai和目标换能器aj接收超声波；
其中，i∈[1，m-1]，j∈[1，m]，m为目标换能器的总数量；
目标换能器ai和目标换能器bi处于同一水层内；
目标换能器aj和目标换能器bj处于同一水层内；
目标换能器aj与目标换能器ai相邻设置，且目标换能器aj靠近水面。
3.根据权利要求2所述的流量测量方法，其特征在于，所述获取各所述目标换能器工作过程中对应的超声波传递时间，包括：
针对每一所述目标换能器，
在目标换能器ai发射超声波的情况下，获取超声波由目标换能器ai传递至目标换能器bi对应的超声波传递时间，以及，超声波由目标换能器ai传递至目标换能器bj对应的超声波传递时间；
在目标换能器bi发射超声波的情况下，获取超声波由目标换能器bi传递至目标换能器ai对应的超声波传递时间，以及，超声波由目标换能器bi传递至目标换能器aj对应的超声波传递时间；
在目标换能器aj发射超声波的情况下，获取超声波由目标换能器aj传递至目标换能器bi对应的超声波传递时间，以及，超声波由目标换能器aj传递至目标换能器bj对应的超声波传递时间；
在目标换能器bj发射超声波的情况下，获取超声波由目标换能器bj传递至目标换能器ai对应的超声波传递时间，以及，超声波由目标换能器bj传递至目标换能器aj对应的超声波传递时间。
4.根据权利要求1所述的流量测量方法，其特征在于，所述根据所述超声波传递时间，计算各水层的平均流速，包括：
针对每一水层，按照如下公式计算所述水层的平均流速：
其中，vi为目标换能器ai所处水层的平均流速；
C为超声波在水中的传播速度；
D为所述目标水渠的水渠宽度；
θ为超声波传播方向与水流方向在投影平面上的夹角；
tai,bi为超声波从目标换能器ai传递至目标换能器bi的超声波传递时间；
tbi,ai为超声波从目标换能器bi传递至目标换能器ai的超声波传递时间；
目标换能器ai和目标换能器bi处于同一水层内。
5.根据权利要求1所述的流量测量方法，其特征在于，根据所述超声波传递时间，计算任意两个相邻水层之间的等效流速的过程，包括：
针对任意两个相邻水层，按照如下公式计算相应的等效流速：
其中，vij为任意两个相邻水层之间的等效流速；
C为超声波在水中的传播速度；
D为所述目标水渠的水渠宽度；
θ为超声波传播方向与水流方向在投影平面上的夹角；
tai,bj为超声波由目标换能器ai传递至目标换能器bj对应的超声波传递时间；
taj,bi为超声波由目标换能器aj传递至目标换能器bi对应的超声波传递时间；
tbj,ai为超声波由目标换能器bj传递至目标换能器ai对应的超声波传递时间；
tbi,aj为超声波由目标换能器bi传递至目标换能器aj对应的超声波传递时间。
6.一种流量测量装置，其特征在于，应用于流量测量设备，所述装置包括：
获取单元，用于获取目标水渠的当前水位；
控制单元，用于按预设规则控制所述流量测量设备中的目标换能器工作，并获取各所述目标换能器工作过程中对应的超声波传递时间；
第一计算单元，用于根据所述超声波传递时间，计算各水层的平均流速和任意两个相邻水层之间的等效流速；
第二计算单元，用于将所述当前水位、各水层的平均流速和所述等效流速输入流速计算模型，得到所述目标水渠中待测水体的平均流速；
其中，所述流速计算模型以水体的水位、各水层的平均流速以及相邻水层之间的等效流速为输入，以水体的平均流速为输出，训练神经网络得到；
第三计算单元，用于根据所述待测水体的平均流速和所述目标水渠的水渠宽度，计算所述待测水体的当前流量。
7.根据权利要求6所述的流量测量装置，其特征在于，所述控制单元，用于按预设规则控制所述流量测量设备中的目标换能器工作时，包括：
将所述流量测量设备中，处于所述当前水位以下的多个换能器作为目标换能器；
按如下预设规则控制各所述目标换能器工作：
控制目标换能器ai发射超声波，并控制目标换能器bi和目标换能器bj接收超声波；
控制目标换能器bi发射超声波，并控制目标换能器ai和目标换能器aj接收超声波；
控制目标换能器aj发射超声波，并控制目标换能器bi和目标换能器bj接收超声波；
控制目标换能器bj发射超声波，并控制目标换能器ai和目标换能器aj接收超声波；
其中，i∈[1，m-1]，j∈[1，m]，m为目标换能器的总数量；
目标换能器ai和目标换能器bi处于同一水层内；
目标换能器aj和目标换能器bj处于同一水层内；
目标换能器aj与目标换能器ai相邻设置，且目标换能器aj靠近水面。
8.根据权利要求7所述的流量测量装置，其特征在于，所述控制单元，用于获取各所述目标换能器工作过程中对应的超声波传递时间时，包括：
针对每一所述目标换能器，
在目标换能器ai发射超声波的情况下，获取超声波由目标换能器ai传递至目标换能器bi对应的超声波传递时间，以及，超声波由目标换能器ai传递至目标换能器bj对应的超声波传递时间；
在目标换能器bi发射超声波的情况下，获取超声波由目标换能器bi传递至目标换能器ai对应的超声波传递时间，以及，超声波由目标换能器bi传递至目标换能器aj对应的超声波传递时间；
在目标换能器aj发射超声波的情况下，获取超声波由目标换能器aj传递至目标换能器bi对应的超声波传递时间，以及，超声波由目标换能器aj传递至目标换能器bj对应的超声波传递时间；
在目标换能器bj发射超声波的情况下，获取超声波由目标换能器bj传递至目标换能器ai对应的超声波传递时间，以及，超声波由目标换能器bj传递至目标换能器aj对应的超声波传递时间。
9.根据权利要求6所述的流量测量装置，其特征在于，所述第一计算单元，用于根据所述超声波传递时间，计算各水层的平均流速时，包括：
针对每一水层，按照如下公式计算所述水层的平均流速：
其中，vi为目标换能器ai所处水层的平均流速；
C为超声波在水中的传播速度；
D为所述目标水渠的水渠宽度；
θ为超声波传播方向与水流方向在投影平面上的夹角；
tai,bi为超声波从目标换能器ai传递至目标换能器bi的超声波传递时间；
tbi,ai为超声波从目标换能器bi传递至目标换能器ai的超声波传递时间；
目标换能器ai和目标换能器bi处于同一水层内。
10.根据权利要求6所述的流量测量装置，其特征在于，所述第一计算单元，用于根据所述超声波传递时间，计算任意两个相邻水层之间的等效流速时，包括：
针对任意两个相邻水层，按照如下公式计算相应的等效流速：
其中，vij为任意两个相邻水层之间的等效流速；
C为超声波在水中的传播速度；
D为所述目标水渠的水渠宽度；
θ为超声波传播方向与水流方向在投影平面上的夹角；
tai,bj为超声波由目标换能器ai传递至目标换能器bj对应的超声波传递时间；
taj,bi为超声波由目标换能器aj传递至目标换能器bi对应的超声波传递时间；
tbj,ai为超声波由目标换能器bj传递至目标换能器ai对应的超声波传递时间；
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