賀麗陽(yáng) 劉代勇 鄧思濱 李道朋 黃海洋

中國(guó)電建集團(tuán) 中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 湖南 長(zhǎng)沙 410014

引言

水文工作是工程建設(shè)中一項(xiàng)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(yùn)用管理、水生態(tài)監(jiān)測(cè)、水文科學(xué)實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)等方面都有著重要的支撐作用，其中，流量測(cè)驗(yàn)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(cè)驗(yàn)中存在河流暴漲暴落、漂浮物多、流速大等特點(diǎn)，常規(guī)流量測(cè)驗(yàn)方式給人員、儀器帶來(lái)許多安全問(wèn)題[1]；同時(shí)在應(yīng)對(duì)突發(fā)性自然災(zāi)害和水污染等應(yīng)急測(cè)流中，常規(guī)測(cè)驗(yàn)方式無(wú)法滿足在惡劣環(huán)境中獲取實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確流量數(shù)據(jù)；近年來(lái)全國(guó)已加強(qiáng)中小河建設(shè)水文信息化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，而西藏地處偏遠(yuǎn)多數(shù)水文站點(diǎn)仍然采用傳統(tǒng)人工觀測(cè)測(cè)驗(yàn)的模式，而采用傳統(tǒng)的河道流量測(cè)驗(yàn)方法不方便進(jìn)行高洪測(cè)流、應(yīng)急測(cè)流和中小河流測(cè)流特別是偏遠(yuǎn)地區(qū)。

雷達(dá)波自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)便是應(yīng)運(yùn)而生的一種水文流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)，具有自動(dòng)監(jiān)測(cè)、傳輸、計(jì)算、展示功能，可以實(shí)現(xiàn)河道流量測(cè)驗(yàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)為防汛抗旱和水資源管理提供有力支撐[2]。移動(dòng)式雷達(dá)波自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)由站點(diǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控設(shè)備、本地測(cè)流軟件、數(shù)據(jù)中心管理軟件組成，系統(tǒng)自動(dòng)控制所有設(shè)備協(xié)同工作，雷達(dá)波測(cè)速儀借助跨河簡(jiǎn)易水文纜道獲取各垂線位置流速，水雨情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)記錄不同時(shí)間下的水位并判定設(shè)定時(shí)間的水位變幅，可根據(jù)設(shè)定時(shí)間或水位變幅自動(dòng)啟動(dòng)測(cè)流過(guò)程，測(cè)流結(jié)束后根據(jù)實(shí)測(cè)水位、水面流速率定的實(shí)時(shí)流速以及測(cè)定的斷面資料計(jì)算出斷面測(cè)流量，數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)河道流量自動(dòng)測(cè)驗(yàn)[3]。

針對(duì)西藏地區(qū)水文監(jiān)系統(tǒng)點(diǎn)偏遠(yuǎn)、無(wú)法提供交流電的情況，牽引式雷達(dá)波自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)行，而自驅(qū)式雷達(dá)波測(cè)流機(jī)器人可以很好地解決供電問(wèn)題。測(cè)流機(jī)器人體積小、重量輕，現(xiàn)場(chǎng)安裝非常方便，系統(tǒng)采用太陽(yáng)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(cè)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(wú)法入水測(cè)驗(yàn)情況下的較大洪水流量測(cè)驗(yàn)，也適用于日常巡測(cè)和常規(guī)性流量比測(cè)[4]。

在當(dāng)前全球氣候顯著變化，我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(shí)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(guó)家積極推進(jìn)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(qiáng)水文基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、提高水文監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)能力。本項(xiàng)目采用全自動(dòng)遙感系統(tǒng)，提高水文信息采集傳輸自動(dòng)化、現(xiàn)代化水平，為實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)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(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(dá)波測(cè)流系統(tǒng)的詳細(xì)介紹；第2部分對(duì)其工程應(yīng)用情況進(jìn)行了闡述；第3部分總結(jié)了全文。

1 自驅(qū)式雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)總體功能

相比以往的自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)采用測(cè)流計(jì)算機(jī)上部署本地測(cè)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(cè)流時(shí)間自動(dòng)喚醒測(cè)流計(jì)算機(jī)運(yùn)行測(cè)流軟件進(jìn)行測(cè)流。測(cè)流計(jì)算機(jī)向機(jī)器人發(fā)送測(cè)流指令，測(cè)流機(jī)器人采用流量自動(dòng)測(cè)驗(yàn)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)集成可在單纜道上自行驅(qū)動(dòng)至設(shè)定的垂線水面上方，雷達(dá)波測(cè)速儀傳感器獲取垂線水面流速發(fā)送至測(cè)流計(jì)算機(jī)，測(cè)流軟件實(shí)現(xiàn)水位、流速、斷面流量的計(jì)算并根據(jù)需求可將監(jiān)測(cè)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(tái)的遠(yuǎn)程控制，系統(tǒng)具備故障自動(dòng)診斷、異常自動(dòng)告警功能，其輸出成果滿足水文資料測(cè)驗(yàn)和整編要求。

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

系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行：系統(tǒng)按照設(shè)定的運(yùn)行方式自動(dòng)控制各設(shè)備運(yùn)行，全天候工作，無(wú)人值守；

實(shí)時(shí)自動(dòng)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(dòng)報(bào)送：監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)定時(shí)、增量自動(dòng)向數(shù)據(jù)接收平臺(tái)傳輸；

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

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

太陽(yáng)能浮充供電：對(duì)太陽(yáng)能蓄電池智能充電控制；

防雷擊、抗低溫能力強(qiáng)；

通信智能控制：水雨情信息采用主信道與備用信道自動(dòng)切換；

監(jiān)測(cè)信息告警：監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)告警設(shè)置，超限告警；

設(shè)備工況監(jiān)測(cè)：系統(tǒng)設(shè)備電壓檢測(cè)、欠壓告警、欠壓保護(hù)，設(shè)備工況自動(dòng)數(shù)據(jù)接收平臺(tái)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(cè)流軟件的控制下，傳感器按照設(shè)定的要求自動(dòng)采集水文氣象要素，通信設(shè)備將采集的數(shù)據(jù)自動(dòng)傳送到中心數(shù)據(jù)接收平臺(tái)并本地存儲(chǔ)，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(cè)流機(jī)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(cè)流計(jì)算機(jī)，通過(guò)系統(tǒng)主控器來(lái)觸發(fā)喚醒測(cè)流計(jì)算運(yùn)行測(cè)流軟件，雷達(dá)波測(cè)流機(jī)器人與測(cè)流計(jì)算機(jī)通過(guò)無(wú)線模塊連接，實(shí)現(xiàn)指令下達(dá)和信息交互，測(cè)流軟件測(cè)完成流數(shù)據(jù)的接收、處理和入庫(kù)，并由系統(tǒng)主控器檢測(cè)、處理各類異常信息并及時(shí)上報(bào)監(jiān)控中心。

（2）測(cè)流機(jī)器人：主要由PLC控制系統(tǒng)、電源智能控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、無(wú)線通信模塊、雷達(dá)波測(cè)速儀、溫度/傾角傳感器、充電槽、極近極遠(yuǎn)限位開(kāi)關(guān)等組成，負(fù)責(zé)水面流速測(cè)驗(yàn)、遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置、機(jī)器人狀態(tài)檢測(cè)，并通過(guò)無(wú)線通信模塊將流速數(shù)據(jù)發(fā)回室內(nèi)測(cè)流計(jì)算機(jī)。

（3）水雨情、氣象信息采集部分：主要由遙測(cè)終端機(jī)、水位計(jì)、雨量計(jì)、風(fēng)速儀、氣壓計(jì)、GPRS及北斗通信模塊、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)等組成，負(fù)責(zé)河道水雨情、氣象信息的實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)，并能響應(yīng)控制中心的召測(cè)指令實(shí)時(shí)發(fā)送水位數(shù)據(jù)?？紤]到河面長(zhǎng)期冰凍的情況，本次水位監(jiān)測(cè)采用河道雷達(dá)式水位計(jì)、境內(nèi)浮子式水位計(jì)兩種方式并用。

（4）電源部分：整套系統(tǒng)太陽(yáng)能浮充供電的方式，包括太陽(yáng)能光板、免維護(hù)蓄電池組、充電控制器、機(jī)器人充電樁等。系統(tǒng)由免維護(hù)蓄電池組進(jìn)行供電，利用太陽(yáng)能光板進(jìn)行充電，欠壓時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警并進(jìn)入保護(hù)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(dòng)切換；測(cè)站圖像傳輸采用GPRS通信。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.3 測(cè)流機(jī)器人

（1）外形結(jié)構(gòu)

圖2 測(cè)流機(jī)器人正面視圖

該機(jī)器人懸掛于單纜道不銹鋼索上，電機(jī)安裝于機(jī)器人內(nèi)部，動(dòng)力通過(guò)鏈條由主動(dòng)輪傳給從動(dòng)輪，從而帶動(dòng)行走輪轉(zhuǎn)動(dòng)，控制測(cè)流機(jī)箱前進(jìn)或后退至指定測(cè)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(dòng)，防止因某一個(gè)行走輪打滑造成整個(gè)機(jī)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(jī)箱打滑的可能性減小。同時(shí)裝有前后限位開(kāi)關(guān)，碰撞時(shí)及時(shí)停止，防止撞壞設(shè)備。內(nèi)部PLC控制系統(tǒng)與無(wú)線電臺(tái)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接，雷達(dá)波流速計(jì)安裝在機(jī)箱一側(cè)，鋰電池通過(guò)充電控制器、充電裝置實(shí)現(xiàn)與外部補(bǔ)充電源的連接；鋰電池為PLC控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、雷達(dá)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(gè)限位開(kāi)關(guān)，為機(jī)器人運(yùn)行的極近（站房側(cè)）、極遠(yuǎn)（立柱側(cè)）限位檢測(cè)開(kāi)關(guān)，極近限位同時(shí)用作補(bǔ)電（接收端）的感應(yīng)開(kāi)關(guān)。極近（立柱側(cè)）限位開(kāi)關(guān)下部同時(shí)安裝有充電裝置（接收端），當(dāng)設(shè)備欠壓時(shí)機(jī)器人自動(dòng)對(duì)零回到站房?jī)?nèi)由貯備電源給鋰電池補(bǔ)電。

（2）內(nèi)部結(jié)構(gòu)

機(jī)器人內(nèi)部主要由PLC控制系統(tǒng)、智能電源控制系統(tǒng)、無(wú)線傳輸模塊和外圍傳感器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(duì)機(jī)器人狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、和中心站通訊，而且控制機(jī)器人整個(gè)測(cè)流流程。PLC接收中心站指令，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)精確計(jì)量運(yùn)行距離，判斷流速儀上電并初始化完成之后控制電機(jī)前進(jìn)、后退、加速、減速、停止，若測(cè)流垂線位置與實(shí)際位置的差值大于5米，運(yùn)行速度加速到最大速度；若測(cè)流垂線位置與實(shí)際位置的差值小于5米，運(yùn)行速度減速到最小速度，到達(dá)垂線位置后停止，開(kāi)始后續(xù)的測(cè)流工作。無(wú)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(cè)流數(shù)據(jù)包后將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至中心站，同時(shí)接受中心站的指令，完成相應(yīng)工作。雷達(dá)波流速儀接受控制指令，對(duì)水面流速進(jìn)行測(cè)量。儀器箱電源系統(tǒng)包括太陽(yáng)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(jī)器人的“心臟”，動(dòng)力之源。機(jī)器人運(yùn)行時(shí)電機(jī)功耗很大，因此保證充足的電量是設(shè)計(jì)中非常重要的任務(wù)。本系統(tǒng)使用對(duì)插接觸式充電，針對(duì)在戶外且無(wú)人值守的情況下對(duì)插接觸式充電在大風(fēng)工況下容易錯(cuò)位導(dǎo)致接觸不良的問(wèn)題，機(jī)器人電源智能控制系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)到電壓值低于設(shè)定的閾值的時(shí)候可以喚醒機(jī)器人自動(dòng)對(duì)零，回到充電位置。

圖3 機(jī)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(dá)波自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)利用測(cè)流機(jī)器人自行驅(qū)動(dòng)移動(dòng)到代表垂線處，采用雷達(dá)波測(cè)速儀作獲取垂線水面流速，然后測(cè)流計(jì)算機(jī)通過(guò)無(wú)線通信模塊獲取雷達(dá)波測(cè)速儀測(cè)量并接收測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)測(cè)流計(jì)算機(jī)與水雨情系統(tǒng)通過(guò)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(jì)算模型計(jì)算流量。流量測(cè)驗(yàn)完成后，測(cè)流軟件將原始流量測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)和流量計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)在測(cè)流計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)通過(guò)無(wú)線通信模塊將測(cè)流信息發(fā)送至數(shù)據(jù)中心管理平臺(tái)[5]。

首先通過(guò)測(cè)流計(jì)算機(jī)上本地測(cè)流軟件或WEB端管理平臺(tái)輸入勘定的斷面數(shù)據(jù)、設(shè)定測(cè)流垂線位置及個(gè)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(cè)流時(shí)間自動(dòng)喚醒測(cè)流計(jì)算機(jī)運(yùn)行測(cè)流軟件進(jìn)行測(cè)流，也可通過(guò)本地操作測(cè)流計(jì)算機(jī)施測(cè)。系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)流模式下采用低功耗系統(tǒng)主控器（RTU）進(jìn)行值班，由系統(tǒng)主控器喚醒測(cè)流計(jì)算機(jī)，測(cè)流計(jì)算機(jī)上的測(cè)流軟件在自動(dòng)測(cè)流過(guò)程中擔(dān)負(fù)測(cè)流過(guò)程控制任務(wù)，測(cè)流全過(guò)程實(shí)行自動(dòng)控制，由于測(cè)流計(jì)算機(jī)長(zhǎng)時(shí)間上電耗電量較大且測(cè)站偏遠(yuǎn)不具備拉市電的條件，每次測(cè)流完畢后測(cè)流機(jī)器人自動(dòng)返回停泊點(diǎn)充電、測(cè)流軟件會(huì)和系統(tǒng)主控器預(yù)約下一次測(cè)流的時(shí)間，預(yù)約完后計(jì)算機(jī)自動(dòng)關(guān)閉，至預(yù)約時(shí)間（或接收到中心測(cè)流指令）時(shí)系統(tǒng)主控器自動(dòng)喚醒測(cè)流計(jì)算機(jī)開(kāi)始測(cè)流任務(wù)，其具體工作流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)流模式下測(cè)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(cè)系統(tǒng)建設(shè)工程二期項(xiàng)目（第一批）施工二標(biāo)段”項(xiàng)目中得到了應(yīng)用。其中，建設(shè)地點(diǎn)主要位于阿里、日喀則、昌都等地區(qū)（市）的8處水文站站點(diǎn)，項(xiàng)目在2020年4月底通過(guò)了項(xiàng)目驗(yàn)收與交付。

數(shù)據(jù)中心通過(guò)部署管理軟件接收來(lái)自各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)發(fā)回的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，可監(jiān)視查看各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的設(shè)備、水情、測(cè)流等站點(diǎn)情況；可修改測(cè)流參數(shù)、設(shè)置設(shè)備參數(shù)、遠(yuǎn)程控制測(cè)流；可查看設(shè)備工況信息系統(tǒng)運(yùn)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(dòng)進(jìn)行測(cè)流，并將測(cè)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(huì)記錄下來(lái)，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(guò)看門狗技術(shù)對(duì)機(jī)器人自身的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，出現(xiàn)特殊情況可以自動(dòng)報(bào)警并回位，如圖6，系統(tǒng)建設(shè)后經(jīng)歷了一個(gè)冬季的應(yīng)用各項(xiàng)基本功能都達(dá)到了要求。

圖5 系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)

圖6 中心站監(jiān)控平臺(tái)

3 結(jié)束語(yǔ)

自驅(qū)式雷達(dá)波測(cè)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(wú)市電、無(wú)人值守條件下大江大河河道流量自動(dòng)測(cè)驗(yàn)難題。整套系統(tǒng)采用太陽(yáng)能浮充供電，安裝使用方便，整個(gè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)無(wú)須人工干預(yù)，實(shí)現(xiàn)河道流量測(cè)驗(yàn)的全自動(dòng)化和信息化，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)監(jiān)控、低功耗等功能的優(yōu)點(diǎn)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(qiáng)、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(jìn)行自動(dòng)水文流量測(cè)驗(yàn)。