自驅(qū)式雷達波測流系統(tǒng)在西藏大江大河中的應(yīng)用探討

賀麗陽 劉代勇 鄧思濱 李道朋 黃海洋

中國電建集團 中南勘測設(shè)計研究院有限公司 湖南 長沙 410014

引言

水文工作是工程建設(shè)中一項重要的前期工作和基礎(chǔ)性工作，在水文基本規(guī)律探索、水資源管理、防汛、抗旱、水土保持、水利工程運用管理、水生態(tài)監(jiān)測、水文科學(xué)實驗監(jiān)測等方面都有著重要的支撐作用，其中，流量測驗是河道水文工作的非常重要組成部分。

當(dāng)前水文站在高洪流量測驗中存在河流暴漲暴落、漂浮物多、流速大等特點，常規(guī)流量測驗方式給人員、儀器帶來許多安全問題[1]；同時在應(yīng)對突發(fā)性自然災(zāi)害和水污染等應(yīng)急測流中，常規(guī)測驗方式無法滿足在惡劣環(huán)境中獲取實時、準(zhǔn)確流量數(shù)據(jù)；近年來全國已加強中小河建設(shè)水文信息化監(jiān)測系統(tǒng)，而西藏地處偏遠(yuǎn)多數(shù)水文站點仍然采用傳統(tǒng)人工觀測測驗的模式，而采用傳統(tǒng)的河道流量測驗方法不方便進行高洪測流、應(yīng)急測流和中小河流測流特別是偏遠(yuǎn)地區(qū)。

雷達波自動測流系統(tǒng)便是應(yīng)運而生的一種水文流量測驗系統(tǒng)，具有自動監(jiān)測、傳輸、計算、展示功能，可以實現(xiàn)河道流量測驗自動監(jiān)測為防汛抗旱和水資源管理提供有力支撐[2]。移動式雷達波自動測流系統(tǒng)由站點監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備、本地測流軟件、數(shù)據(jù)中心管理軟件組成，系統(tǒng)自動控制所有設(shè)備協(xié)同工作，雷達波測速儀借助跨河簡易水文纜道獲取各垂線位置流速，水雨情監(jiān)測系統(tǒng)記錄不同時間下的水位并判定設(shè)定時間的水位變幅，可根據(jù)設(shè)定時間或水位變幅自動啟動測流過程，測流結(jié)束后根據(jù)實測水位、水面流速率定的實時流速以及測定的斷面資料計算出斷面測流量，數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，實現(xiàn)河道流量自動測驗[3]。

針對西藏地區(qū)水文監(jiān)系統(tǒng)點偏遠(yuǎn)、無法提供交流電的情況，牽引式雷達波自動測流系統(tǒng)無法長時間正常運行，而自驅(qū)式雷達波測流機器人可以很好地解決供電問題。測流機器人體積小、重量輕，現(xiàn)場安裝非常方便，系統(tǒng)采用太陽能光板浮充蓄電池供電，數(shù)據(jù)中心人員遠(yuǎn)程可以遙控測流，主要用于高流速、水浪，以及多漂浮物常規(guī)轉(zhuǎn)子流速儀或ADCP無法入水測驗情況下的較大洪水流量測驗，也適用于日常巡測和常規(guī)性流量比測[4]。

在當(dāng)前全球氣候顯著變化，我國社會經(jīng)濟整體快速發(fā)展與水資源規(guī)劃管理矛盾日益凸顯的關(guān)鍵時期，水文承擔(dān)的任務(wù)更加重要艱巨繁重，水文的基礎(chǔ)支撐作用更加突出。由于歷史原因以及資金、技術(shù)投入不足，西藏水文工作整體建設(shè)與國家積極推進的現(xiàn)代化、信息化建設(shè)還存在較大差距，急需完善水文站網(wǎng)規(guī)劃、加強水文基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、提高水文監(jiān)測預(yù)測預(yù)報能力。本項目采用全自動遙感系統(tǒng)，提高水文信息采集傳輸自動化、現(xiàn)代化水平，為實現(xiàn)更精準(zhǔn)的監(jiān)測西藏自治區(qū)水資源狀況提供可靠支撐，為水資源規(guī)劃管理、城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、防災(zāi)減災(zāi)等各類涉水事務(wù)在推動經(jīng)濟社會發(fā)展中提供更加優(yōu)質(zhì)、全面的水文服務(wù)。

本文主要內(nèi)容安排如下：第1部分給出了自驅(qū)式雷達波測流系統(tǒng)的詳細(xì)介紹；第2部分對其工程應(yīng)用情況進行了闡述；第3部分總結(jié)了全文。

1 自驅(qū)式雷達波測流系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)總體功能

相比以往的自動測流系統(tǒng)采用測流計算機上部署本地測流軟件值班，本系統(tǒng)采用低功耗系統(tǒng)主控器（RTU）值班，系統(tǒng)主控器按照觸發(fā)條件（水位漲幅）或者設(shè)定的測流時間自動喚醒測流計算機運行測流軟件進行測流。測流計算機向機器人發(fā)送測流指令，測流機器人采用流量自動測驗技術(shù)、自動控制技術(shù)、無線通信技術(shù)集成可在單纜道上自行驅(qū)動至設(shè)定的垂線水面上方，雷達波測速儀傳感器獲取垂線水面流速發(fā)送至測流計算機，測流軟件實現(xiàn)水位、流速、斷面流量的計算并根據(jù)需求可將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)中心，并接收數(shù)據(jù)中心軟件平臺的遠(yuǎn)程控制，系統(tǒng)具備故障自動診斷、異常自動告警功能，其輸出成果滿足水文資料測驗和整編要求。

為了充分發(fā)揮系統(tǒng)作用、保證系統(tǒng)運行可靠的有效性，系統(tǒng)設(shè)備充分采用當(dāng)前水文自動監(jiān)測監(jiān)控的先進技術(shù)，設(shè)備應(yīng)具有如下總體功能：

系統(tǒng)自動運行：系統(tǒng)按照設(shè)定的運行方式自動控制各設(shè)備運行，全天候工作，無人值守；

實時自動采集水文要素：流量站采集流量、水位；水位雨量站采集水位、雨量；水位站采集水位；

信息自動報送：監(jiān)測數(shù)據(jù)定時、增量自動向數(shù)據(jù)接收平臺傳輸；

系統(tǒng)具有圖像監(jiān)控能力：系統(tǒng)監(jiān)控圖像定時自動向中心數(shù)據(jù)接收平臺傳輸；

現(xiàn)地存儲功能：采集數(shù)據(jù)系統(tǒng)存儲一年以上；

太陽能浮充供電：對太陽能蓄電池智能充電控制；

防雷擊、抗低溫能力強；

通信智能控制：水雨情信息采用主信道與備用信道自動切換；

監(jiān)測信息告警：監(jiān)測數(shù)據(jù)告警設(shè)置，超限告警；

設(shè)備工況監(jiān)測：系統(tǒng)設(shè)備電壓檢測、欠壓告警、欠壓保護，設(shè)備工況自動數(shù)據(jù)接收平臺傳輸。

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)工作原理是在系統(tǒng)主控器及測流軟件的控制下，傳感器按照設(shè)定的要求自動采集水文氣象要素，通信設(shè)備將采集的數(shù)據(jù)自動傳送到中心數(shù)據(jù)接收平臺并本地存儲，數(shù)據(jù)接收中心負(fù)責(zé)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的各種處理和應(yīng)用。

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)由六部分組成，包括核心控制部分、測流機器人、水雨情、氣象信息采集部分、電源部分、通信部分。

（1）核心控制部分：主要包括系統(tǒng)主控器以及測流計算機，通過系統(tǒng)主控器來觸發(fā)喚醒測流計算運行測流軟件，雷達波測流機器人與測流計算機通過無線模塊連接，實現(xiàn)指令下達和信息交互，測流軟件測完成流數(shù)據(jù)的接收、處理和入庫，并由系統(tǒng)主控器檢測、處理各類異常信息并及時上報監(jiān)控中心。

（2）測流機器人：主要由PLC控制系統(tǒng)、電源智能控制系統(tǒng)、驅(qū)動電機、無線通信模塊、雷達波測速儀、溫度/傾角傳感器、充電槽、極近極遠(yuǎn)限位開關(guān)等組成，負(fù)責(zé)水面流速測驗、遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置、機器人狀態(tài)檢測，并通過無線通信模塊將流速數(shù)據(jù)發(fā)回室內(nèi)測流計算機。

（3）水雨情、氣象信息采集部分：主要由遙測終端機、水位計、雨量計、風(fēng)速儀、氣壓計、GPRS及北斗通信模塊、太陽能供電系統(tǒng)等組成，負(fù)責(zé)河道水雨情、氣象信息的實時采集、存儲，并能響應(yīng)控制中心的召測指令實時發(fā)送水位數(shù)據(jù)。考慮到河面長期冰凍的情況，本次水位監(jiān)測采用河道雷達式水位計、境內(nèi)浮子式水位計兩種方式并用。

（4）電源部分：整套系統(tǒng)太陽能浮充供電的方式，包括太陽能光板、免維護蓄電池組、充電控制器、機器人充電樁等。系統(tǒng)由免維護蓄電池組進行供電，利用太陽能光板進行充電，欠壓時系統(tǒng)會自動報警并進入保護狀態(tài)。

（5）通信部分：系統(tǒng)均采用GPRS/GSM為主信道，北斗衛(wèi)星作為備用信道，主備信道可自動切換；測站圖像傳輸采用GPRS通信。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框見圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.3 測流機器人

（1）外形結(jié)構(gòu)

圖2 測流機器人正面視圖

該機器人懸掛于單纜道不銹鋼索上，電機安裝于機器人內(nèi)部，動力通過鏈條由主動輪傳給從動輪，從而帶動行走輪轉(zhuǎn)動，控制測流機箱前進或后退至指定測流垂線。正面圖如圖2所示。行走前輪與行走后輪之間配有同步輪，使行走前輪和行走后輪同步轉(zhuǎn)動，防止因某一個行走輪打滑造成整個機箱行走打滑。纜道方向兩側(cè)分別裝有防滑滑輪，滑輪帶有彈性底座可將滑輪頂高緊緊貼住纜道以增大摩擦力，使機箱打滑的可能性減小。同時裝有前后限位開關(guān)，碰撞時及時停止，防止撞壞設(shè)備。內(nèi)部PLC控制系統(tǒng)與無線電臺、驅(qū)動電機連接，雷達波流速計安裝在機箱一側(cè)，鋰電池通過充電控制器、充電裝置實現(xiàn)與外部補充電源的連接；鋰電池為PLC控制系統(tǒng)、驅(qū)動電機、雷達波流速儀及其他傳感器設(shè)備提供工作電源。橫向二側(cè)安裝有2個限位開關(guān)，為機器人運行的極近（站房側(cè)）、極遠(yuǎn)（立柱側(cè)）限位檢測開關(guān)，極近限位同時用作補電（接收端）的感應(yīng)開關(guān)。極近（立柱側(cè)）限位開關(guān)下部同時安裝有充電裝置（接收端），當(dāng)設(shè)備欠壓時機器人自動對零回到站房內(nèi)由貯備電源給鋰電池補電。

（2）內(nèi)部結(jié)構(gòu)

機器人內(nèi)部主要由PLC控制系統(tǒng)、智能電源控制系統(tǒng)、無線傳輸模塊和外圍傳感器、驅(qū)動電機組成。PLC控制系統(tǒng)是設(shè)備的核心控制部分，不僅負(fù)責(zé)對機器人狀態(tài)進行監(jiān)測、和中心站通訊，而且控制機器人整個測流流程。PLC接收中心站指令，控制電機轉(zhuǎn)動，同時精確計量運行距離，判斷流速儀上電并初始化完成之后控制電機前進、后退、加速、減速、停止，若測流垂線位置與實際位置的差值大于5米，運行速度加速到最大速度；若測流垂線位置與實際位置的差值小于5米，運行速度減速到最小速度，到達垂線位置后停止，開始后續(xù)的測流工作。無線通信模塊為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信設(shè)備，在采集完指定組數(shù)的測流數(shù)據(jù)包后將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時發(fā)送至中心站，同時接受中心站的指令，完成相應(yīng)工作。雷達波流速儀接受控制指令，對水面流速進行測量。儀器箱電源系統(tǒng)包括太陽能光板、充電控制器、鋰電池，負(fù)責(zé)給設(shè)備提供電源。

電源是機器人的“心臟”，動力之源。機器人運行時電機功耗很大，因此保證充足的電量是設(shè)計中非常重要的任務(wù)。本系統(tǒng)使用對插接觸式充電，針對在戶外且無人值守的情況下對插接觸式充電在大風(fēng)工況下容易錯位導(dǎo)致接觸不良的問題，機器人電源智能控制系統(tǒng)在監(jiān)測到電壓值低于設(shè)定的閾值的時候可以喚醒機器人自動對零，回到充電位置。

圖3 機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.4 系統(tǒng)工作流程

自驅(qū)式雷達波自動測流系統(tǒng)利用測流機器人自行驅(qū)動移動到代表垂線處，采用雷達波測速儀作獲取垂線水面流速，然后測流計算機通過無線通信模塊獲取雷達波測速儀測量并接收測驗數(shù)據(jù)，同時測流計算機與水雨情系統(tǒng)通過RS485串口相連采集水位，根據(jù)勘定的斷面資料與率定的流量計算模型計算流量。流量測驗完成后，測流軟件將原始流量測驗數(shù)據(jù)和流量計算結(jié)果存儲在測流計算機數(shù)據(jù)庫中，同時通過無線通信模塊將測流信息發(fā)送至數(shù)據(jù)中心管理平臺[5]。

首先通過測流計算機上本地測流軟件或WEB端管理平臺輸入勘定的斷面數(shù)據(jù)、設(shè)定測流垂線位置及個數(shù)、水面系數(shù)等參數(shù)并保存[6]。系統(tǒng)主控器按照觸發(fā)條件（水位漲幅）或者設(shè)定的測流時間自動喚醒測流計算機運行測流軟件進行測流，也可通過本地操作測流計算機施測。系統(tǒng)自動測流模式下采用低功耗系統(tǒng)主控器（RTU）進行值班，由系統(tǒng)主控器喚醒測流計算機，測流計算機上的測流軟件在自動測流過程中擔(dān)負(fù)測流過程控制任務(wù)，測流全過程實行自動控制，由于測流計算機長時間上電耗電量較大且測站偏遠(yuǎn)不具備拉市電的條件，每次測流完畢后測流機器人自動返回停泊點充電、測流軟件會和系統(tǒng)主控器預(yù)約下一次測流的時間，預(yù)約完后計算機自動關(guān)閉，至預(yù)約時間（或接收到中心測流指令）時系統(tǒng)主控器自動喚醒測流計算機開始測流任務(wù)，其具體工作流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)自動測流模式下測流工作流程圖

2 工程應(yīng)用情況

上述系統(tǒng)成果在“西藏自治區(qū)大江大河水文監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)工程二期項目（第一批）施工二標(biāo)段”項目中得到了應(yīng)用。其中，建設(shè)地點主要位于阿里、日喀則、昌都等地區(qū)（市）的8處水文站站點，項目在2020年4月底通過了項目驗收與交付。

數(shù)據(jù)中心通過部署管理軟件接收來自各監(jiān)測站點發(fā)回的各項數(shù)據(jù)，可監(jiān)視查看各監(jiān)測站點的設(shè)備、水情、測流等站點情況；可修改測流參數(shù)、設(shè)置設(shè)備參數(shù)、遠(yuǎn)程控制測流；可查看設(shè)備工況信息系統(tǒng)運行日志、數(shù)據(jù)查詢及分析。系統(tǒng)安裝好后可以接收遠(yuǎn)程管理軟件指令自動進行測流，并將測流數(shù)據(jù)發(fā)至數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一管理。如圖5，水位、河道流量、流速及其他相關(guān)參數(shù)都會記錄下來，并可以以excel的形式導(dǎo)出，保存和處理數(shù)據(jù)都非常方便。此外，通過看門狗技術(shù)對機器人自身的工作狀態(tài)進行監(jiān)測，出現(xiàn)特殊情況可以自動報警并回位，如圖6，系統(tǒng)建設(shè)后經(jīng)歷了一個冬季的應(yīng)用各項基本功能都達到了要求。

圖5 系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)場

圖6 中心站監(jiān)控平臺

3 結(jié)束語

自驅(qū)式雷達波測流系統(tǒng)在西藏大江大河中的應(yīng)用，有效地解決西藏高海拔極寒、無市電、無人值守條件下大江大河河道流量自動測驗難題。整套系統(tǒng)采用太陽能浮充供電，安裝使用方便，整個過程現(xiàn)場無須人工干預(yù)，實現(xiàn)河道流量測驗的全自動化和信息化，遠(yuǎn)程監(jiān)測監(jiān)控、低功耗等功能的優(yōu)點正是西藏地區(qū)水文工作發(fā)展的新要求、新方向，該系統(tǒng)可操作性強、穩(wěn)定性高，在藏區(qū)這種偏遠(yuǎn)地區(qū)特別適合采用該方式進行自動水文流量測驗。