CN115096275B - 水力一体化监测的使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水力一体化监测的使用方法，其包括水中流速采集装置（11），用于采集水中层流速Vi；水面流速采集装置，用于采集表层流速Vs实；本发明设计合理、结构紧凑且使用方便。
Description
技术领域
本发明涉及海洋洋流测速、海洋潮汐发电、河流测速等流体测速领域，尤其是涉及一种水力一体化监测装置、系统及方法。
背景技术
水流量测量在水资源调配(例如南水北调等工程)，洪涝与干旱灾情防治(例如根据上流洪峰，调度水库大坝的泄洪闸门开度)，污水处理，海洋监控，潮汐发电等方面有重要的作用。受制于河堤、河床等因素以及流体自身原因，河道各部分流速不相同。
现有测流方式包括接触式与非接触式，物理法测量、多普勒原理测量、超声波时差法测量等，但是任何一种独立的方法均无法一次性将同一断面各部流速直接测出，也不能直接测出平均流速，另外，面临复杂多变的外界环境等干扰因素，众多测流方式利弊参半。
为了提高测流的精准度，一般采用水下测流方式，
针对水下测流，常用的多普勒原理或超声波时差法原理，但是，当出现水中泥沙含量过大或气泡大量存在的情况时，测流效果会变差。多普勒原理或超声波时差法仅能测量有限层流速，无法进行表层流速的测量，需要根据水下流速测量曲线进行估测水表流速后，再计算平均水流，导致测量精度变差。在枯水期及汛期更会有部分的深度测量不精确。
为了提高对水表流速及平均流速的测定精度，本领域技术人员的惯性思维是不断的优化算法，提高采样精度，思维均是建立在估算基础上，例如，CN110274666A河流流量用途ADCP计量检定方法等。本发明申请人跳出传统设计思路，首先，将估算技术特征剔除，采用直接取样水表流速，这是现有技术所不具备；然后，直接取样水表流速的技术，采用了现有的水面测流技术，从而极大降低了研发成本；其次，对现有算法进行优化，从而提高测流曲线的精准率；在实际试验中，还发现取样水表的直接采样与估测相结合，可以实现测流装置之间的校准，及时发现故障装置，还可以实现对河道异常现象的采集，例如发生漏油污染、浮游生物泛滥等。
常规水面测流装置种类也很多，例如，置于水面上的雷达流量计，其受制于水流速、天气、水面冰冻、风速等诸多限制；视频流量计，其受制于水文、风力及光线影响，误差比较大；物理测试装置，例如流速仪等，其受制于本身结构需要定期维护，不可以长时间使用，只能临时使用。另外，上述流量计只能进行水面流速测试，无法直接测量到而需要估测表面流速与平均流速的关系。例如，CN102564508A基于视频图像的河流流量在线测验实现方法、CN214667049U雷达流量测量系统、CN216348877U一种采集水流量数据的装置、CN112730879A一种智能河道流速测量装置及测量方法、CN114252111A基于雷达信号的河道流量测量方法等专利针对流量测速问题进行了改进，但是，其无法实现精准化、全天候的流量测量。
针对上述中的相关技术，发明人认为需要解决的问题是减少估值测量，优化算法，实现全天候测量，提高现有测量精准度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题总的来说是提供一种水力一体化监测装置、系统及方法。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：
为了实现全天候测流速监测，减少了外界因素的干扰，提供监测精准度与实时性，减少估值测算，本发明提供一种水力一体化监测装置、系统及方法。
本发明提供的一种采用如下的技术方案：
一种水力一体化监测装置，包括
水中流速采集装置，用于采集水中层流速Vi；
水面流速采集装置，用于采集表层流速Vs实。
作为上述技术方案的进一步改进：
作为组合和/或并联方案使用：
a)，表层流速Vs实与Vi作为水流量计算参数；
b)，通过水中流速采集装置得到的表层流速Vs估校验水面流速采集装置的精准度；
c)，表层流速Vs实作为水中流速采集装置计算水流量计算参数。
a)，水中流速采集装置，包括超声波流量计和/或多普勒流量计；
b)，水面流速采集装置，包括雷达流量计和/或视频流量计；
c)，在水面上安装有支撑架，用于安置水面流速采集装置。
一种水力一体化监测的校准方法，包括以下步骤；
S11a，通过超声波流量计测量水中设定层流速Vi，通过拟合曲线得到Vs实估，并根据经验值设定阈值k＝|Vs估-Vs实|/|Vs估|；S12，通过水面流速采集装置采集Vs实并与Vs估比较，通过阈值k预校准Vs实是否精准率；
和/或S11b，当采用多普勒流量计时，采用表层流速Vs实进行水流量计算。
一种水力一体化监测的使用方法包括以下步骤；
S21，若未超过阈值k，则认为精准，将Vs实替换Vs估来计算水流量Q，并至少将水流量Q与Vs实的对应关系存储到数据库作为预存数据，以便出现同样水文情况，实时调用；
若超过阈值k，则认为不精准，则替换新的水面流速采集装置，直到满足阈值k；
S22，根据通过超声波流量计及定位为精准的水面流速采集装置实时对河道进行测速，并计算水流量Q。
综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：
本发明通过水上流量测量装置与水下流量测量装置的组合使用：克服了各自单独使用存在的缺陷，可以实现全天候测量，减少了估算量，实现全数据的精准采集；避免了现有技术存在估算测量，导致计算水流平均流速不精准的问题；通过多维度的直接采集水流信息，从而增加了输入参数的可靠性，避免了单方法测量的失真，通过采集的流量信息，可以精准化测量水流流速，可以实现对测量数据的流量测量装置的排查，以确定其是否正常工作，还是需要更换。本发明实现了对数据的多维度的采集并存储，作为基准数据，当后期出现同样或相近的数据时，系统可以对应的直接调取原有数据，从而减少运算量，提高输出速度，随着，当地水文变化，可定期更新数据或修正系数等方式实现机器自学习。通过多数据的输入，剔除误差较大的输入，从而可以优化输出结果，预判其他流量计是否存在故障。结构紧凑、成本低廉、设计合理，省时省力，构思巧妙。实现远程数据输出，减少人工作业量。通过标定流量计定期检测是否故障。具有自动清理功能，避免被泥沙覆盖。根据水位变化，实时反馈信息。本发明设计合理、成本低廉、结实耐用、安全可靠、操作简单、省时省力、节约资金、结构紧凑且使用方便。
附图说明
图1是现有超声波时差法的截图。
图2是现有的多普勒流量计测量截图。
图3是水下测量拟合图表。
图4是布置流量计的优选示意图；
图5是布置图横截面的示意图；
图6是流量计现有示意图；
图7是流量计改进改进示意图。
图8是坡面示意图。
图9是清理船示意图。
图10是清理组件的示意图；
图11是数据处理流程示意图。
图12是数据处理流程示意图。
1、河道；2、河流中层；3、河流表层；4、河流底层；5、超声波流量计；6、多普勒流量计；7、支撑架；8、雷达流量计；9、视频流量计；10、风速计；11、水中流速采集装置；12、连接板体；13、滑块部；14、弹性卡位球；15、斜面导流块；16、预制锚固轨；17、轨工艺孔；18、船体；19、船板；20、支撑腿组I；21、连接杆组；22、支撑腿组II；23、第一摆动杆；24、第二摆动杆；25、摆动臂杆；26、翻转连接座；27、升降支腿；28、升降推杆；29、反向联动部；30、作业台；31、清理外套管；32、清理内旋转杆；33、清理螺旋翅片；34、割草刀片；35、抽水泵组；36、升降支撑部；37、尾部轴；38、存储网框；39、高压水枪；40、水枪端部支架；41、导流板。
具体实施方式
如图1-12，其中图1是根据以I SO748标准为计算数学模型,通过超声测流计算。
如图4-5，本发明涉及河道1的河流表层3及河流中层2；河道1具有坡面4，其角度不受到限制，可以是直角，在坡面4上安装在液面之下的超声波流量计5和/或多普勒流量计6等；在河道1的河岸上安装支撑架7，在支撑架7上安装雷达流量计8和/或视频流量计9等，当然水上测流装置安装可以是在水面上漂浮等扩展方式；本实施例包括河流中层2的水中流速采集装置11及河流表层3的水面流速采集装置；河流表层3一般是水表面，也可以本领域技术人员可以认为的水面设定深度，只要是可以直接采集表层流速Vs实的深度均可以。虽然是河道，也可以污水沟、灌渠、渡槽、堤坝泄洪口、海洋测流等。
水中流速采集装置11，包括置于水面之下的超声波流量计5和/或多普勒流量计6，用于采集水中设定层流速Vi；
水面流速采集装置，包括置于水面之上的雷达流量计8和/或视频流量计9，用于采集表层流速。
进一步，通过采集的水中设定层流速Vi与表层流速进行水平均流量计算，从而通过直接采集的表层流速Vs实替代I SO748中的估测的表层流速Vs即Vs估。
作为优选策略一，S11，通过超声波流量计5测量水中设定层(第i层)流速Vi(v1、v2、v3、v4、……)，通过拟合曲线得到Vs估，并根据经验值设定阈值k＝|Vs估-Vs实|/|Vs估|；S12，通过水面流速采集装置采集Vs实并与Vs估比较，通过阈值k预校准Vs实是否精准率；
作为优选策略二，S21，若未超过阈值k，则认为精准，将Vs实替换Vs估来计算水流量Q，并至少将水流量Q与Vs实的对应关系存储到数据库作为预存数据，从而实现自学习，以便当后期出现同样水文情况，进行可以实时调用，同样水文情况至少包括液面相同，风速风向对水表流速影响满足可接受的阈值范围内，例如微风；从而当出现雾霾或水面流速采集装置故障等情况时，在出现水中流速采集装置11等情况时，可直接调用数据库的预存数据，减少工作量，提高效率，避免外界因素影响，也可实现不超过设定风力情况下的估值计算；若超过阈值k，则认为不精准，则替换新的水面流速采集装置,直到满足阈值k；S22，通过超声波流量计5及定位为精准的水面流速采集装置实时对河道1进行测速，并计算水流量Q；
作为扩展，在实际测量中，当出现k小于|Vs估-Vs实|/|Vs估|时，忽略水面流速采集装置的数据，采用Vs估；k与|Vs估-Vs实|/|Vs估|比较判断方式，包括后台处理器定时计算或通过辅助传感器采集数据判断；
在支撑架7上还安装有辅助传感器，辅助传感器包括气象传感器，气象传感器包括温度传感器、能见度传感器、亮度传感器、影像传感器和/或风速计10，以便进行气象监控，当温度降低水面结冰、雾霾雨雪、夜里亮度过低、水面被浮游植物等漂浮物覆盖、风向变化且风力影响水面流速等情况时，认定为k小于|Vs估-Vs实|/|Vs估|。
作为扩展，在支撑架7上还安装有驱鸟器，避免鸟本身或堆积的粪便，干扰水面流速采集装置；
作为扩展，还配套有液位计，以便对液面高度进行实施监测。
本实施例的预存数据学习，一般可以无风状态以及微风情况下。
作为等同，超声波流量计5可以替换为多普勒流量计6；
作为优选，当采用多普勒流量计6时，可以直接采用表层流速Vs实进行水流量计算，优选多普勒流量计6采用测多点流速，从而进一步，提高测量。
如图6-8，在实际使用中，作为计算基准的水中流速采集装置11，存在被水草、杂物覆盖干扰情况，为此，CN205607466U一种内贴式水中流速采集装置11安装装置、CN206339272U、一种可调水下水中流速采集装置11均提供了解决方案，但是，无法实现解决杂物干扰问题，从而影响测速精度，如何进行进一步提高测速精度，减少干扰，申请人摒弃了上述两种方案的设计思路，进行以下研发并配套作业方案。
针对水中流速采集装置11，例如超声波流量计5，为了保证其正常测速，减少外界因素干扰，对其固定结构改进，改进前提是，减少装置对水流的影响与阻拦，所以不能添加大型自清理设备及固定装置。
监控系统包括
在河道1坡面上设置有预制锚固轨16，并通过锚固设置，作为流量计安装基准，从而替代传统的将水中流速采集装置11逐个固定的方案。
在预制锚固轨16的立面上分布有轨工艺孔17，同时作为卡位孔与过水孔，实现快捷安装与减少水阻力。
在水中流速采集装置11上设置有滑块部13，用于沿着预制锚固轨16斜向移动，滑块部13与预制锚固轨16配合，可以使燕尾槽轨、工字钢轨或其他结构，在水中流速采集装置11上设置有连接板体12，用于相邻的水中流速采集装置11之间刚性或柔性连接，优先为刚性，从而提高整体抗水流冲击能力，并可以通过顶部外连接固定架，进一步实现固定，作为等同，将滑块部13解释成为水中流速采集装置11的一部分也构成等同。在滑块部13上设置有弹性卡位球14，用于卡在轨工艺孔17，实现定位，轨工艺孔17可以根据设计要求配套调整高度，在确定不安装位置，开长槽，提高导流性。在滑块部13侧部设置有斜面导流块15，斜面导流块15的斜面上尖下宽，从而受到水流向下的分力，避免被顶起来。
当需要调节设备高度、维修更换设备、需要清理寄生物、缠绕物或杂物时，可以将其整体牵拉出来即可，安装时候，在河岸将预装后的设备整体插入即可，减少了二次布线的问题，保证了各个传感器之间的相对位置精确。
如图9-11，作为进一步配套改进，当河底沉淀物覆盖传感器或需要集中清理时，为了提高效率，作为以下改进，相比于传统，通过挖掘机沿着河岸清理污泥，本发明巧妙对清淤船改进，减少清淤船的体型，从而更加方便便捷，不易损伤传感器。由于采用了小型船体，本身载重小，当在激流河道中，停泊不方便，需要通过船锚两岸固定。
本发明的配套装置包括对称设置在船体18的船板19两侧且结构相同的支撑腿组I20与支撑腿组II22；
支撑腿组I20沿着船身方向至少两个，支撑腿组II22沿着船身方向至少两个，支撑腿组I20和/或支撑腿组II22分别通过对应的连接杆组21联动连接；
支撑腿组I20和/或支撑腿组II22包括设置在船板19上的铰接座，在铰接座上铰接有横向交错的第一摆动杆23的根部及第二摆动杆24的根部；
根部铰接在第一摆动杆23的头部的摆动臂杆25的腰部铰接在第二摆动杆24的头部，在摆动臂杆25的头部设置有翻转连接座26，在摆动臂杆25上设置有升降推杆28，在升降推杆28上设置有导向套，在导向套中设置有由升降推杆28牵引的升降支腿27，升降支腿27用于下降与河底接触支撑，从而使得船体18上升，减少浮力，增加对河底的压载力，使得船体18固定，相比于传统方式，更加稳定。
支撑腿组I20与支撑腿组II22通过反向联动部29反向联动，反向联动方式包括齿轮啮合或8字皮带轮；
不作业的时候，支撑腿组I20与支撑腿组II22上抬起收拢，增加压载，节约空间，使用的时候，通过反向联动部29联动，使得第一摆动杆23与第二摆动杆24带动摆动臂杆25下摆动，使得升降支腿27变为向下竖直状态，通过升降推杆28牵引升降支腿27进行下降，与河底接触支撑，从而使得船体18上升，减少浮力及河流冲击力，增加对河底的压载力；
在船体18中设置有作业台30，图中是示意图，其根据河道情况选配，利用清理水葫芦、清淤、清理杂草等，安装对应机械部及端头，在作业台30上通过机械臂根据所在河道选配，在机械臂上设置有清理外套管31，在清理外套管31内旋转有清理内旋转杆32，在清理内旋转杆32上设置有清理螺旋翅片33，在清理内旋转杆32的锥形端头可拆卸设置有割草刀片34和/或搅拌桨；在清理外套管31上部设置有升降支撑部36，升降支撑部36连接有抽水泵组35，升降支撑部36下部浸没于水中，抽水泵组35一侧设置有存储网框38，在抽水泵组35上设置有尾部轴37，用于连接机械臂；
当河道内存在的水草，已影响测速时，通过机械臂操控割草刀片34下降到设定位置，并可以配合水下摄像头，从而提高操纵的精准度。启动抽水泵组35及清理内旋转杆32将切割后的杂草上行输出，并通过人工或机械臂将杂草送到存储网框38中；当淤泥影响时，更换搅拌桨，通过抽水泵组35及清理螺旋翅片33实现了回收，相比于传统铲斗结构，更加精准方便，适用于局部小范围清理。
在作业台30通过机械臂连接有水枪端部支架40，在水枪端部支架40上设置有可调节的高压水枪39及导流板41；针对可清理的附着物，利用高压水枪39对传感器进行反水流方向清理，通过导流板41阻挡正向水流。
本发明充分描述是为了更加清楚的公开，而对于现有技术就不再一一列举。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；作为本领域技术人员对本发明的多个技术方案进行组合是显而易见的。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。本发明未详尽描述的技术内容均为公知技术。
Claims (6)
1. 一种水力一体化监测的使用方法，其特征在于：用于河流测速；该使用方法借助于水力一体化监测装置；
水力一体化监测装置包括
水中流速采集装置（11），用于采集水中层流速Vi；
水面流速采集装置，用于采集表层流速Vs实；
a）,表层流速Vs实与Vi作为水流量计算参数；
b),通过水中流速采集装置（11）得到的表层流速Vs估校验水面流速采集装置的精准度；
c），表层流速Vs实作为水中流速采集装置（11）计算水流量计算参数；水中流速采集装置（11），包括超声波流量计（5）和/或多普勒流量计（6）；
水面流速采集装置，包括雷达流量计（8）和/或视频流量计（9）；
该使用方法包括以下步骤；
S21，若未超过阈值k，则认为精准，将Vs实替换Vs估 来计算水流量Q，并至少将水流量Q与Vs实的对应关系存储到数据库作为预存数据，以便出现同样水文情况，实时调用；
若超过阈值k，则认为不精准，则替换新的水面流速采集装置,直到满足阈值k；
S22，根据通过超声波流量计（5）及定位为精准的水面流速采集装置实时对河道（1）进行测速，并计算水流量Q。
2.根据权利要求1所述的水力一体化监测的使用方法，其特征在于：同样水文情况至少包括液面相同和/或风速风向对水表流速影响满足设定的阈值范围内；
在实时测量中，当|Vs估-Vs实|/|Vs估|大于阈值k时，则采用Vs估；
通过连接的处理器定时计算或通过辅助传感器采集数据判断比较阈值k与|Vs估-Vs实|/|Vs实|。
3.根据权利要求1所述的水力一体化监测的使用方法，其特征在于：在步骤S21之前或步骤S22之后执行有校准方法，
校准方法包括以下步骤；
S11a，通过超声波流量计（5）测量水中设定层流速Vi，通过拟合曲线得到Vs估，并根据经验值设定阈值k=|Vs估-Vs实|/|Vs估|；S12，通过水面流速采集装置采集Vs实并与Vs估比较，通过阈值k预校准Vs实是否精准率；
和/或S11b，当采用多普勒流量计（6）时，采用表层流速Vs实进行水流量计算。
4.根据权利要求1所述的水力一体化监测的使用方法，其特征在于：辅助传感器包括气象传感器，气象传感器包括温度传感器、能见度传感器、亮度传感器、影像传感器和/或风速计（10），以便进行气象监控。
5.根据权利要求1所述的水力一体化监测的使用方法，其特征在于：在水面上安装有支撑架（7），用于安置水面流速采集装置。
6.根据权利要求1所述的水力一体化监测的使用方法，其特征在于：装置还包括液位计，以便对液面高度进行实施监测。
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