移动式雷达波在线测流系统在水文中的应用

移动式雷达波在线测流系统在水文中的应用

马强  

云南省水文水资源局大理分局  云南 大理  674400

摘要：本文主要围绕移动式雷达波在线测流系统展开研究，详细论述系统的设备组成、运行流程、软件管理。在水文环境中应用在线测流系统，能够自动测验河流流量，测验结果的准确率高，值得推广应用。

关键词：移动式雷达波；在线测流系统；水文应用

在开展水文监测工作时，面临水文测站多、洪水期测流隐患大、高洪流量测验时效性不足问题，所以要开发自动在线测流系统，减少流量测验工作量，实现自动化水文测验工作。水文自动测报系统的建设，可以全面采集和分析雨水情数据，实现远程传输，从而指挥防汛抗旱工作。然而，技术人员多针对重要流域设置站点，部分河流的位置偏远，测验难度高，因此很难设置测点，也无法获取流域数据，影响雨水情数据的准确性。在防汛抗旱指挥工作中，为了提供准确的数据参考，要采用移动式雷达波在线测流系统。通过长期系统运行实践发现，雷达波在线测流系统不仅能够自动检测水文数据，还可以保证数据结果的准确性，应用优势显著。

1、系统运行流程

雷达波测流系统运行时，水面流速测量多采用雷达波探头实现，以轨道吊挂仪器，通过测流计算机为缆道控制箱提供电能，对缆道系统的悬吊仪移动予以控制。测流计算机可以无线控制雷达波探头，测量和接收数据。同时可采集水位数据，利用断面资料、率定流量计算模型，保证流量数据计算的准确性。测验流量后，将原始数据、流量计算数据均存储到数据库内，通过GPRS/GSM 模块，将潮流信息发送至在线测流中心。此外，该测流系统能够实现单根、多根垂线的测流任务。

第一，系统的主控器、蓄电池组、测流计算机、通讯模块、缆道控制箱，均设置在水文测站仪器房。缆道钢丝绳与仪器房直接相连。雷达测速探头、钢丝网悬挂机箱，也能够连接到仪器房内。仪器房采用敞开式结构，并且朝向测流断面，确保雷达波测速探头的灵活使用。

第二，野外机箱内部，主要安装温度传感器、太阳能电池板、数传终端、蓄电池。机箱下方，主要安装雷达波测速探头。针对野外机箱的内部设备，采用电路板控制供电模式，接收测流任务后，电路板能够为设备提供电能。测流任务结束后，电路板可以直接断电。

第三，通过采集和计算缆道驱动轮轴的光栅编码器信号，能够利用缆道控制箱，控制雷达波测速探头的位移情况。按照光栅编码器的脉冲信号，准确计算驱动轮的旋转圈数。

第四，在系统主控器、测流计算机内，设置流量测量模式参数，可以按照实际需求进行修改。测流之前，系统主控器具采集水位数据，掌握施测垂线的数量、起点距离。测算流量后，现场测流计算机参考流速模型、断面成果表，准确计算断面的实测流量数据，向测站雨水情信息采集系统传送水位、流量等信息。对于垂线流速信息，则发送到省级在线测流中心。

2、设备组成

系统设备组成如下：

第一，雷达波测速仪，负责测验流量。

第二，数传终端，自动采集雷达测速仪的流量数据，负责传输控制任务。

第三，雷达波控制器，负责无线数据传输。

第四，限位开关，负责控制工作机械的极限位置。

第五，太阳能电池板，负责将太阳能转化为电能，输出直流电并且存储到蓄电池内。

第六，太阳能充电控制器，负责保护蓄电池，以免蓄电池过充足。

第七，免维护蓄电池，为设备提供电能。

第八，测流计算机，负责值班任务，用户能够随时查阅历史信息，便于管理测站。

第九，直流简易缆道控制箱，控制测验探头的定位、运动；监控回限位开关、继电器、光栅编码器部件的运行状态，如果发现异常情况，能够自动报警，同时投入冗余处理方案，保证系统运行安全性。

第十，GPRS 通信模块，向省级在线测流中心传送数据。

3、软件管理

监管软件运行在工控机上，承担值班任务，涉及到控制测流过程、实时告警、成果输出等多种应用功能。监管软件具备较强的通用性，重视多样化的测量模式、数学计算模型，满足不同水文站的工作需求。

3.1控制测流过程

在全自动测流系统中，监管软件为重要核心，自动控制设备的协同工作，详细记录各时间段的水位状态，准确判断水位变幅。如果水位上升、下降时，则自动启动雷达波测速传感器测流过程。在设定时间段内，也可以自动雷达波测速传感器测流过程。测流时，系统软件可以自动控制水文缆道运行与停车、测流探头启动、限位检测、故障消息发送等。

3.2通信监测

参考不同通信方式，软件可生成显示窗口，不同窗口均能显示通信数据、通信事件，有助于系统运行状态、通信状态的分析。

3.3实时接收信息

软件可以实时接收雷达波测速仪、看门狗、电测表、水位的数据，做好数据分析与处理工作。

3.4数据解码

工控机要编码处理不同测站的原始信息，做好解码还原处理，掌握相关信息。通过解码模块，能够对数据进行解码处理。软件支持变长、定长的编码方式，同时支持多种编码方案，可扩展性较强。

3.5计算流量

软件解析雷达波测速传感器的原始数据，利用多组数据计算，表示垂线平均流速，评估误差。按照率定垂线流速、断面平均流速关系，计算断面平均流速。通过水位面积关系，准确计算过水面积，获得平均流量。

3.6查询数据

软件支持多元数据查询方式，比如数据表、过程线，数据表可以自动刷新，实时性、动态性特点明显。

3.7数据编辑

系统的数据编辑功能较强，能够实时修改某一时间段的数据、实时数据，更正人工校调仪器的数据。修改数据之后，还要勾选可编辑数据功能，才可以将数据存储到数据库内，防止键盘修改数据。

3.8成果输出

软件提交成果表、实测流量分析图，提供数据图形浏览方式，全面满足水文规范要求。

3.9数据转发

软件具备数据转发功能，完成测流之后，将水位、流量数据传输到测站的雨水情信息采集系统。针对垂线流速信息，则发送到省级在线测流中心，信息内容包括最大水深和流速、垂线起点距、水位、水面宽、过水面积、系统运行参数、水流量等。

3.10实时告警

系统实时告警功能，主要针对电池电压异常、实时数据错误、通信中断、水位超低超高、数据异常变化的告警功能。分类不同的异常告警情况，记录到日志文件中。针对严重告警信息，则以短信方式通知管理人员。

4、应用情况

在中小流域站点测流工作中，为了验证雷达波在线测流系统的应用效果，提取支巴洛河拖顶站的试验数据，对比常规法、雷达波法测流的成果。结果提示，拖顶站缆道流速仪法断面流量与雷达波测流系统断面虚流量相关系数R=0.999，呈现出良好的线性关系，并将雷达波虚流量代入分析的流量相关方程线性关系，率定后流量接近常规测流法的流量，说明雷达波测流系统可用于该站流量测验。转子式流速仪与雷达波率定后测流系统流量进行定线检验相关分析后，各项检验结果（符号检验、适线检验、偏离数值检验、标准差统计）均符合水文规范要求。

表1  拖顶站缆道流速仪法与雷达波率定后流量相关系数误差统计表

雷达波在线测流系统，采用远程非接触测量流速方式，不会受到场地限制，且安全性、快捷性较高，可以自动控制测流全过程，差错控制能力、系统辅助管理能力较强，可以自动诊断故障问题。针对异常情况可以自动告警，输出实测流量成果，处理流量自动化监测的问题。当水质条件不佳、含砂量大、悬浮物较多时，也可以使用雷达波在线测流系统。在测量危险水情、高洪抢测、洪水监测工作中，雷达波在线测流系统的应用作用突出，有助于提升河流流量的自动化监测水平。

5、结束语

综上所述，雷达波在线测流系统的稳定性高、故障率低，应用无人值守测流模式，有效处理水文测站、高洪测验的问题，减轻测验人员的工作压力，带动水文技术、水利信息化发展，优化配置资源，提升水文测验效率，应用价值高。

参考文献

[1]冯万里,苏楚雄. 博白水文站双轨全自动雷达波在线测流系统比测分析[J]. 广西水利水电,2023,24(01):50-54.

[2]马世俊,李东武. 移动式雷达波在线测流系统流量系数比测试验分析[J]. 甘肃水利水电技术,2020,56(07):1-3+22.