劉 偉 ，王吉星 ，王少華 ，耿彬彬

（1. 水利部南京水利水文自動華研究所，江蘇 南京 210012；2. 南京揚子水利自動化技術開發(fā)總公司，江蘇 南京 210012）

0 引言

我國湖泊總面積為 81 414.6 km2，約占全國國土面積的 0.9%。作為流域物質(zhì)的重要儲存庫，湖泊水文信息與人類生存及發(fā)展密切相關。湖泊本身具有面積大、難以建設觀測站點等制約因素，不易采用常規(guī)河道監(jiān)測手段。

常規(guī)水文浮標站可以裝載多種水文儀器，具有免建站等優(yōu)點[1]。由于常規(guī)的浮標系統(tǒng)（以下簡稱浮標）體積大、成本高，因此在湖泊中還沒有典型應用和監(jiān)控系統(tǒng)。結(jié)合國內(nèi)外浮標發(fā)展情況，將浮標小型化，采用高強度成型聚酯泡沫為主支撐體，整個浮標具有質(zhì)量輕、投放方便、提供浮力大及抗沖擊等優(yōu)點。在小型化浮標基礎上，結(jié)合水文自動遙測系統(tǒng)，設計開發(fā)了湖泊水文浮標站應急監(jiān)測裝置。

水文浮標站應急監(jiān)測裝置示范點設置在江西省鄱陽湖水文局棠蔭水文站的蛇山水量水質(zhì)水生態(tài)自動監(jiān)測站。由于棠蔭島遠離湖岸，水位、水質(zhì)監(jiān)測不易受周邊環(huán)境影響，研究鄱陽湖，該站點的水文資料極有代表性。棠蔭是鄱陽湖水質(zhì)監(jiān)測最靈敏的“傳感器”，每次鄱陽湖漲洪水，棠蔭站收集的水文資料便成為水利部門準確決策的一桿重要標尺。

本文以鄱陽湖水文水生態(tài)信息作為研究對象，以浮標作為數(shù)據(jù)采集裝置的載體，研究浮標作為湖泊或者海洋入?？诘刃滦蛿?shù)據(jù)采集載體的關鍵技術，為水資源管理及應急搶險、災害評估、風險預防、指揮調(diào)度等提供及時可靠的數(shù)據(jù)支持。

1 浮標系統(tǒng)設計

1.1 浮標系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

浮標系統(tǒng)由浮標體、傳感器組、通訊設備、供電系統(tǒng)、錨系等組成。其中浮標體為監(jiān)測系統(tǒng)的裝載裝置，為其提供環(huán)境相對穩(wěn)定的工作平臺，浮標體直徑只有 1.2 m，總質(zhì)量為 100 kg，不需要配備大型船只和重型起重設備，減少了安裝成本；可搭載各種水文傳感器進行水文監(jiān)測，按照設定的時間將采集的水文數(shù)據(jù)傳送至中心站；采用 GPRS，CDMA，電臺或者衛(wèi)星等陸地常用通訊設備進行通信；采用小型太陽能板與蓄電池混合供電，保證浮標長期在位運行的供電需要。

1.2 浮標體結(jié)構(gòu)

浮標體是基于造波水池綜合測試得出的動態(tài)響應與穩(wěn)定性要求而設計的[2]，主要由上層支架、內(nèi)殼體、彈性浮體、系留支架、系留錨系等組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1 所示。

圖1 浮標體結(jié)構(gòu)和安裝示意圖

浮標體主體為彈性塑料浮體，選用高強度閉孔發(fā)泡技術制作，表層噴涂高耐磨彈性保護層。彈性浮體相對于傳統(tǒng)鋼制浮體，不僅可提供更大的浮力，而且可提高小浮標抗沖擊、碰撞的性能；且由于浮體較輕，因此浮標的重心較低，極大增強了抗惡劣環(huán)境的能力。

浮標內(nèi)殼體及支架等全部采用不銹鋼材料，用于安裝電池、遙測終端、通訊設備、避雷針等。通過密封圈、螺絲等密封措施，構(gòu)建 1 個封閉的內(nèi)殼體環(huán)境，能有效地防止內(nèi)部設備受到環(huán)境的破壞，以及盜竊和破壞。

上層支架為不銹鋼支架，實物圖如圖 2 所示，底部的圓盤為浮標內(nèi)殼體的蓋，支架上安裝太陽能電池、通訊天線、錨燈、GPS 定位系統(tǒng)等設備；下層浮標底部的系留支架，用于安裝水下接觸式傳感器，一般具備 3 套以上設備的安裝位置。

圖2 浮標體上層支架

系留錨系由丙綸纜繩、錨鏈、錨及浮球組成。丙綸纜繩密度比水小，可漂浮在水中，減少纜繩與水底摩擦的機會，從而延長纜繩的使用壽命。錨鏈和錨固定在水底，起到固定浮標的作用。

但當最終的強制購物降臨到自己頭上時，旅游者通常也會默認接受。為什么呢？因為游客的低價行為本來就有投機的成分，由于社會價值觀和道德力量的約束，參與不合理低價游的旅游者通常知曉這種不合理低價不符合市場價值規(guī)律，不足以彌補旅行社的經(jīng)營成本，會給旅行社帶來利益上的損失，因此會產(chǎn)生內(nèi)疚的心理。為了修復內(nèi)疚心理，旅游者會在被強制購物時，在心理上將用于購物的費用看成是低價節(jié)省下來的，以此當作是對旅行社收益上的彌補。所以，我們把旅游者在不合理低價游活動中的購物行為當作是對旅行社的默認補償。

2 監(jiān)測儀器的選用

常用的測量流速的儀器較多，有轉(zhuǎn)子式流速儀、聲學多普勒點流速儀、電磁流速儀、電波流速儀、畢托管、聲學多普勒剖面流速儀（ADCP 或稱為ADP）、聲學時差法流速儀、電磁剖面流速儀等[3]。經(jīng)過比對，選用電磁流速儀[4]。

2.1 電磁流速儀工作原理

電磁流速儀是基于法拉第電磁感應定律工作的[5]，可用來測量多種導電液體的流速。電磁流速儀測速原理圖如圖 3 所示。

圖3 電磁流速儀測速原理圖

在與測量水流斷面和磁力線相垂直的水流兩邊安裝 1 對距離為 D 的檢測電極。當水流（電導率 ＞5 us/cm）以流速ν流動時，水流切割磁力線產(chǎn)生感應電動勢 E。E 由 2 個檢測電極檢出，數(shù)值大小與流速成正比，即：E = k B Dν，

式中：B 為磁場強度；ν為水流斷面平均速度；k 為系數(shù)。根據(jù)公式可知，已知 D 和外加磁場 B，測得 E，由經(jīng)過率定得到的 k 可計算出ν[4]。

2.2 電磁流速儀組成

電磁流速儀由傳感器和控制測量儀組成，在貼近傳感器的表面產(chǎn)生人造磁場，測量感應電動勢的電極出露在磁場內(nèi)，測量流速[6]；控制部分通過傳感器部分測得兩極間的感應電動勢，換算成流速，并通過標準接口輸出，用于與遙測終端或 PC 機通信傳輸。

2.3 電磁流速傳感器

通過對國內(nèi)外一些流速傳感器進行現(xiàn)場比對測試，采用 AEM-RS 流速傳感器，該傳感器可測出湖泊水文的重要參數(shù)：流速、流向和水溫，采用compact 格式，RS-232 通訊，波特率為 9 600[7-8]。

AEM-RS 流速傳感器做成球形，外圓上有 6 個以上的測速點[7]，測速點附近有人造磁場，組成示意圖如圖 4 所示。球形及以下部分為傳感器部分，以上的圓柱部分為控制部分。流速傳感器懸吊或懸浮在水體中時，可同時測得 6 個流速分量，再合成相對于儀器本身坐標的流速矢量。儀器內(nèi)裝有自動羅盤和傾斜儀，根據(jù)自動測得的方向和傾斜，將基于儀器的流速矢量轉(zhuǎn)換成地球坐標的流速矢量。該產(chǎn)品為單點測流傳感器，體積小，靈敏度高，測量快速方便[7]，無需刷洗，并提供自動羅盤校正功能。

圖4 AEM-RS 流速儀組成示意圖

AEM-RS 流速傳感器測速技術性能如下：測速范圍為 0～±500 cm/s；速度分辨率為 0.02 cm/s；方向范圍為 0～360°，分辨率 0.01°；水溫范圍為 -5～40 °C，分辨率為 0.001 °C[7]。

3 浮標遙測終端設計

浮標遙測終端是浮標監(jiān)測系統(tǒng)采集和傳輸數(shù)據(jù)的關鍵部件，由于安裝地點和方式的特殊性，高穩(wěn)定性和低功耗便成為最重要的 2 個性能指標。穩(wěn)定性通過糾錯機制和硬件看門狗復位電路等方式實現(xiàn)；低功耗主要通過對系統(tǒng)的外圍設備采取控電的方式，休眠狀態(tài)時 CPU 處于停止狀態(tài)，振蕩器仍然工作，但大部分系統(tǒng)停止工作，靜態(tài)功耗達到 0.3 mA。為了推廣浮標，必須增強通用性，能夠適應不同的環(huán)境和通訊方式，因此采用模塊化和面向?qū)ο蟮乃枷朐O計。遙測終端硬件結(jié)構(gòu)圖如圖 5 所示。

圖5 遙測終端硬件結(jié)構(gòu)示意圖

主控芯片采用 S12 系列芯片，該芯片為軍用級芯片[9-10]。遙測終端主要包含處理器、值守電源電路、傳感器組、GPS 定位系統(tǒng)、存儲器電路、通訊電路等。通信電路采用外接模塊的方式，與主控芯片為串口（RS-232），能滿足 GPRS，CDMA，GSM和超短波電臺等多種通信方式，可以根據(jù)不同應用場合選用最優(yōu)的通信方式進行通信組網(wǎng)設計。研究區(qū)地屬偏僻地區(qū)，移動網(wǎng)絡信號弱，而浮標安裝地點離岸邊只有 30 m，結(jié)合現(xiàn)場情況，采用超短波電臺的方式。優(yōu)點是性能可靠，費用低，不受移動網(wǎng)絡影響，主要適用于近距離傳輸。

遙測終端與傳感器組通信采用 RS-232 方式，AEM-RS 流速傳感器容易受到周圍磁場干擾。且通信設備采用超短波模式，發(fā)送方法采用即采即發(fā)的方式，通過實驗對比發(fā)現(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)時會對測速儀的采集產(chǎn)生干擾，因此遙測終端采用兩者分離的方式，即在采集數(shù)據(jù)時，將電臺斷電，既減少功耗，又增強數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和正確性。在數(shù)據(jù)處理時，采用每秒采集 1 次數(shù)據(jù)，采集 50 次，通過相關公式計算出流速，去掉最大和最小的數(shù)值各 10 個，剩余 30 個數(shù)據(jù)求平均值的方式，表 1 給出了 2013 年 1 月 13 日 10 點組 50 個數(shù)據(jù)中的部分實驗數(shù)據(jù)（CH1～CH16 為傳感器 6 個測速點測出的數(shù)據(jù)碼），得到的數(shù)據(jù)經(jīng)實驗證明穩(wěn)定，有效可靠。

4 應用效果與推廣

通過 2012—2013 年的實驗與示范，水文浮標站應急監(jiān)測裝置研究取得了以下一些成果：

1）完成了進口傳感器組的引進、消化與吸收，使得小型浮標國產(chǎn)化，并建立了研發(fā)基地。

表1 實驗數(shù)據(jù)

2）采集鄱陽湖水生態(tài)數(shù)據(jù)，為生態(tài)監(jiān)測提供了數(shù)據(jù)依據(jù)；還及時采集與傳輸湖泊水文水資源監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3）節(jié)約人工，測驗時無需動用水文測船，避免惡劣天氣和夜間無法施測，數(shù)據(jù)缺失等問題，保障了水文測工的人身安全；節(jié)約時間，浮標測驗即測即得，效率大大提高。

4）浮標應急監(jiān)測系統(tǒng)免建站，系統(tǒng)功耗小。研發(fā)了適應于水體環(huán)境的監(jiān)測遙測終端，實現(xiàn)了低功耗、可靠性高的目標。

通過項目實施，建立了水文浮標站應急監(jiān)測裝置生產(chǎn)研發(fā)基地，以江西省鄱陽湖水文局研究基地為應用示范基地，實現(xiàn)產(chǎn)品熟化和批量試生產(chǎn)，逐步推廣應用于江河湖泊、水庫、入?？?、近海水文信息應急采集與傳輸，實現(xiàn)水上水文參數(shù)自動化采集與傳輸，便于國內(nèi)水上應急建站，為應急決策和指揮調(diào)度服務，擴大應用需求。

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