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        雙軌循環(huán)式雷達波在線測流系統(tǒng)設(shè)計

        2024-07-06 16:13:30左念徐典范亮
        人民長江 2024年13期
        關(guān)鍵詞:雷達

        左念 徐典 范亮

        摘要:利用現(xiàn)有流量測驗設(shè)備(水文纜道、拖曳式ADCP)在對流速快、陡漲陡落的山溪性河流進行監(jiān)測時操作極為困難且歷時不可控??紤]到移動雷達波不直接接觸和擾動(或破壞)水流結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)自動精確監(jiān)測,研究設(shè)計了一種雙軌循環(huán)式雷達波在線測流系統(tǒng)。該測流方式安全快捷,尤其適用于河道高洪流量測驗,可實現(xiàn)水文斷面流量的即時、穩(wěn)定在線監(jiān)測,能夠解決水文測站人員不足、工作強度大、高洪期間測驗工作較為危險等問題。

        關(guān)鍵詞:在線流量監(jiān)測; 雷達; 雙軌循環(huán); 非接觸測流

        中圖法分類號: P332.4

        文獻標(biāo)志碼: A

        DOI:10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.009

        0引 言

        中國流域面積在200 km2以上有防洪任務(wù)的中小河流有9 000多條。近年來極端天氣事件多發(fā),中小河流洪水災(zāi)害頻繁發(fā)生,多地發(fā)生洪澇地質(zhì)災(zāi)害,造成較為嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失,中小河流在線流量監(jiān)測重要性更顯突出[1]。河流在線流量監(jiān)測可實時掌握可用水資源,可通過水閘水庫等調(diào)配流域水量,了解水資源走向,為水資源調(diào)度提供決策依據(jù)。

        目前,國內(nèi)外流量在線監(jiān)測主要采用時差法、二線坡能法、ADCP、非接觸雷達波在線測流法等,雖各方法在特定斷面成功應(yīng)用,但都存在固有邊界條件。其中,非接觸雷達波是通過電磁波多普勒頻移探測表面流速,借用大斷面數(shù)據(jù)與實時水位,反演斷面流量。有學(xué)者提到利用簡易雙軌纜道搭載雷達波流速儀[2],但未考慮風(fēng)速風(fēng)向?qū)走_波探頭的影響。

        本文設(shè)計了一套雙軌循環(huán)式纜道雷達波在線測流系統(tǒng),該系統(tǒng)摒除固定式雷達波系統(tǒng)多探頭、需要依賴橋梁等弊端,采用自驅(qū)移動式探頭掃測測驗斷面并耦合了多種環(huán)境及系統(tǒng)干擾因素,可以有效提高水文流量監(jiān)測獲取水平。

        1雙軌循環(huán)式雷達波在線測流系統(tǒng)簡介

        雙軌循環(huán)式纜道雷達波在線測流系統(tǒng)設(shè)計遵循無人值守、簡單可靠、方便維護、功能完善的原則,采用雷達波施測多條垂線測速,同步采集相應(yīng)水位,結(jié)合借用斷面數(shù)據(jù),按部分面積法計算流量,實現(xiàn)流量自動監(jiān)測。

        支持遠程手動測流和遠程遙測等功能:河道的斷面、垂線、水位計高程、測流歷時、低水停測、低溫停測、大風(fēng)停測、加報段制、加報水位及加報變幅等。通過遠程監(jiān)測并記錄雷達多普勒流速傳感器信號頻譜分布,進而優(yōu)選優(yōu)化測流參數(shù),顯著提高了流速測量質(zhì)量,做到了流速測量可溯源、可選擇。

        系統(tǒng)架設(shè)渡河平行鋼絞循環(huán)索,索上固定智能移動小車,小車隱藏安裝有雷達多普勒流速傳感器及無線設(shè)備,循環(huán)索由安裝于岸邊的直流電機控制行進,從而進行不同垂線的流速測量??刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        1.1雷達波測流原理

        雷達波測流是利用多普勒效應(yīng)原理實現(xiàn)。工作時向水面發(fā)射電磁波,電磁波遇到運動的水面會發(fā)生散射,并構(gòu)成回波,由于接收到的回波頻率相對于發(fā)射頻率發(fā)生一定偏移,由多普勒頻率方程可求得水面流速。一個運動目標(biāo)會在雷達傳感器產(chǎn)生一個低頻輸出信號。這個信號的頻率取決于移動速度,幅度取決于安裝的距離、反射率和運動目標(biāo)的尺寸大小。其中多普勒頻率F和運動速度成正比關(guān)系[3-6]。

        1.2數(shù)據(jù)處理模型

        雙軌循環(huán)式雷達波測流系統(tǒng)中包括多普勒流速儀瞬時姿態(tài)、水體表面風(fēng)速、水體表面流速耦合模型,解決了流體表面流速采集精度難題;行進式掃射斷面方法,實現(xiàn)了斷面流態(tài)全覆蓋探測,解決了大跨度河道斷面多頻次測量難題;實時監(jiān)控流速信號頻譜分布分析方法,可智能分析流速信號質(zhì)量并復(fù)測。與傳統(tǒng)移動式雷達測流設(shè)備對比,該系統(tǒng)運行更為平穩(wěn)可靠,耦合了多種環(huán)境及系統(tǒng)干擾因素,流速計算更為精準(zhǔn)可靠。

        2結(jié)構(gòu)功能設(shè)計

        大跨度雙軌循環(huán)式雷達波在線測流系統(tǒng)包括主控箱、岸基塔頂和智能測速小車。主控箱包括主控系統(tǒng),該系統(tǒng)控制觸控大屏、水雨情采集子系統(tǒng)、電力蓄控和通信模塊,通信模塊為Lora無線通信模塊、GPRS/GSM通信模塊和串行通信模塊;岸基塔頂包括動力控制模塊,該模塊控制直流電機和編碼計數(shù)模塊,岸基塔頂還設(shè)有雙規(guī)循環(huán)式纜道;智能測速小車包括小車智能測速系統(tǒng),該系統(tǒng)連接Lora無線通信模塊、電子陀螺儀、超聲波風(fēng)速儀、雷達波測速儀和動能模塊,動能模塊包括太陽能電板、充電控制器和免維護蓄電池[2]。

        2.1主控系統(tǒng)

        為適應(yīng)水文行業(yè)對穩(wěn)定性的超高要求,本文設(shè)計的主控系統(tǒng)采用TI低功耗32位MCU作為主控芯片,配置低漂移RTC、高精度差分AD轉(zhuǎn)換電路、大電流可控電源以及固態(tài)存儲芯片,并預(yù)留擴展I/O口用于更新系統(tǒng)功能。該系統(tǒng)采用工業(yè)級芯片,正常工作溫度在-40~80 ℃之間,滿足國內(nèi)所有地區(qū)的使用條件[7]。

        主控系統(tǒng)控制智能小車與驅(qū)動模塊采集并分析探頭縱橫搖、水面流速、信號強度、信號質(zhì)量、測流位置、設(shè)備電壓、氣象參數(shù)等要素,進而反演測驗斷面流量。該系統(tǒng)可提供實時測流、遠程測流、自動測流、手動測流等多種方式。

        為充分利用該系統(tǒng)可以在斷面上隨意移動的特點,設(shè)計了蠕動式的斷面全覆蓋流域探測,不再采用在某點停頓的測量方式,而是在當(dāng)前位置發(fā)射雷達波束之后,不做停頓,直接運動至前方來接收斜射回來的雷達波束,這樣即可完成動態(tài)的全斷面流速測量。同時,在測流時可以導(dǎo)入本斷面的歷史資料,可以使該系統(tǒng)能夠迅速測完死水區(qū),而在大流速的測點可以放慢行進速度,以此保證測量精確度。蠕動式的雷達波測流系統(tǒng)相比于走航式雷達波測流系統(tǒng)測流范圍更廣,精度更高,速率更快。

        2.2驅(qū)動控制

        通過兩岸的直流電機自動控制小車行進速度,根據(jù)目標(biāo)垂線與當(dāng)前位置距離自動生成變速曲線,使得啟動時以及接近目標(biāo)垂線時速度自動變化,提高了位置精度,并減少對纜道的沖擊。計米輪直接測量循環(huán)索行進距離,同時輔助采用電機圈數(shù)計數(shù),二者相互比較,以消除打滑、失步等帶來的距離計數(shù)誤差。

        電機轉(zhuǎn)速對應(yīng)的循環(huán)索速度為V1,計米輪計數(shù)對應(yīng)的循環(huán)索速度為V2,ΔV=V1-V2;實際速度為V=f(V2,ΔV),其中f為卡曼濾波。

        2.3智能測速小車

        智能測速小車由Lora無線通信模塊、太陽能供電系統(tǒng)、電子陀螺儀、超聲波風(fēng)速儀、雷達波測速儀組成,小車智能測速系統(tǒng)從Lora通信模塊接收控制指,令采集測點表面流速、風(fēng)速風(fēng)向及小車當(dāng)前橫縱搖姿態(tài)(圖2)。

        智能測速小車通過內(nèi)部隱藏安裝的雷達多普勒流速傳感器來獲取下方水面流速。通過小車上安裝的Lora無線通信模塊,將測量的流速數(shù)據(jù)同步傳輸至主控系統(tǒng),并接受主控系統(tǒng)的反饋指令來完成之后的測流動作。

        為了確保智能測速小車反饋的測量結(jié)果的精確性,在小車上加裝了電子陀螺儀與超聲波風(fēng)速儀。通過電子陀螺儀能夠獲取小車X、Y、Z軸的數(shù)據(jù)變化,從而推斷出小車當(dāng)前姿態(tài),考慮到姿態(tài)數(shù)據(jù)處理的延時性在計算時引入PID算法,對于小車未來姿態(tài)也進行判斷以此得到更加精準(zhǔn)的姿態(tài)數(shù)據(jù)。而超聲波風(fēng)速儀可以獲取當(dāng)前斷面風(fēng)速,通過耦合上述數(shù)據(jù)可以建立瞬時姿態(tài)、水表風(fēng)速、水表流速耦合模型,以此消除水表風(fēng)速與小車姿態(tài)對于流量測驗精度的影響。

        3流量反演

        天然河流受邊界條件的影響,過流斷面流速分布不均,各測速垂線位置的流速并不相同,因此采用部分面積法計算流量。將斷面按照雷達距離分辨率劃分為n個面積單元,分別計算各個面積單元的部分流量,然后累加出斷面總流量。則斷面流量Q為

        Q=ni=1Qi

        (1)

        式中:Qi為部分流量,Qi與部分面積Ai、平均流速Vi的關(guān)系為Qi=AiVi。

        在垂線間隔無限縮小的情況下,可以認為其表面流速與河底高程恒定,其平均流速計算公式為

        V=1hmax∫h max0V(h,V0)dh

        (2)

        式中:hmax為最大水深。

        拋物線模型流速分布關(guān)系為

        V(h,V0)=V0-(hmax-h)22P

        (3)

        式中:P為焦參數(shù)。

        將上式代入得出斷面流量為

        Q=ni=1AiV0i-h2maxi6P

        (4)

        考慮其平均流速計算的先決條件:在垂線間隔無限縮小的情況下,可以認為其表面流速與河底高程恒定。在實際斷面測驗過程中,應(yīng)利用移動式測速探頭的便捷性,對相鄰流速變化較大或河底起伏較大區(qū)域適當(dāng)增加垂線測量密度。

        4遠程測流模式

        為了保證該系統(tǒng)能夠跟上水文現(xiàn)代化的發(fā)展,圍繞這個系統(tǒng)設(shè)計了數(shù)據(jù)在線接收管理計算服務(wù)軟件和雷達原創(chuàng)在線系統(tǒng)。

        4.1數(shù)據(jù)在線接收管理計算服務(wù)

        數(shù)據(jù)在線接收管理服務(wù)程序部署運行后,必須考慮未來大量終端數(shù)據(jù)接入情況,因此需對高并發(fā)請求進行妥善處理。數(shù)據(jù)在線接收管理服務(wù)程序接收處理遠程終端數(shù)據(jù)請求過程如圖3所示。

        處理過程包括3個部分:

        (1) 完成端口(存放重疊的I/O請求)、客戶端請求的處理,等待者線程隊列(即一定數(shù)量的工作者線程,一般采用CPU×2個)。

        (2) 完成端口中的[端口]為一個通知隊列,由操作系統(tǒng)把已經(jīng)完成的重疊I/O請求的通知放入其中。當(dāng)某項I/O操作一旦完成,某個可以對該操作結(jié)果進行處理的工作者線程就會收到一則通知。

        (3) 通常情況下,創(chuàng)建一定數(shù)量的工作者線程來處理這些通知,為避免頻繁地打開、關(guān)閉線程,進而提高線程的利用率(因為線程是不斷地再循環(huán)獲取完成端口上的請求,理論上說只要完成端口的請求不為空,線程的利用率就是100%),故而采取線程池進行管理。線程數(shù)量取決于應(yīng)用程序的特定需要。理想的情況是,線程數(shù)量等于處理器的數(shù)量,不過這也要求任何線程都不應(yīng)該執(zhí)行諸如同步讀寫、等待事件通知等阻塞型的操作,以免線程阻塞。每個線程都將分到一定的CPU時間,在此期間該線程可以運行,然后另一個線程將分到一個時間片并開始執(zhí)行。如果某個線程執(zhí)行了阻塞型的操作,操作系統(tǒng)將剝奪其未使用的剩余時間片并讓其他線程開始執(zhí)行。也就是說,當(dāng)前一個線程沒有充分使用其時間片時,應(yīng)用程序應(yīng)該準(zhǔn)備其他線程來充分利用這些時間片[8-10]。

        4.2雷達遠程在線系統(tǒng)

        雷達遠程在線系統(tǒng)是一套基于SpringMVC開發(fā)的雷達數(shù)據(jù)信息展示系統(tǒng),SpringMVC的工作流程如圖4所示。

        (1) DispatcherServlet是一種前端控制器,由框架提供,統(tǒng)一處理請求和響應(yīng)。除此之外還是整個流程控制的中心,由DispatcherServlet來調(diào)用其他組件,處理用戶的請求[11]。

        (2) HandlerMapping是處理器映射器,由框架提供。根據(jù)請求的url、method等信息來查找具體的Handler(一般來講是Controller)。

        (3) Handler(一般來講是Controller)是處理器,在DispatcherServlet的控制下,Handler對具體的用戶請求進行處理。

        (4) HandlerAdapter是處理器適配器,由框架提供。根據(jù)映射器找到的處理器Handler信息,按照特定的規(guī)則去執(zhí)行相關(guān)的處理器Handler[12-14]。

        (5) ViewResolver是視圖解析器,由框架提供。ViewResolver負責(zé)將處理結(jié)果生成View視圖。ViewResolver首先根據(jù)邏輯視圖名解析成物理圖名,即具體的頁面地址,再生成View視圖對象,最后對View進行渲染,將處理結(jié)果通過頁面展示給用戶。

        (6) View為視圖,View接口的職責(zé)就是接收model對象、Request對象、Response對象,并渲染輸出結(jié)果給Response對象。雷達遠程在線系統(tǒng)主要用于對基于在線雷達系統(tǒng)的控制、查詢、展示,系統(tǒng)主要分為以下幾個模塊:登錄、首頁、流速查詢、流量查詢、大斷面信息、流速系數(shù)及系統(tǒng)日志等功能模塊。

        5結(jié) 語

        本文設(shè)計并實現(xiàn)了雙軌循環(huán)式雷達波纜道在線測流系統(tǒng),有利于實現(xiàn)測驗工作和流程的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)

        化、數(shù)字化管理,對于具有暴漲暴落特征的山溪性河流、漂浮物較多的水文斷面效果尤為顯著。雙軌循環(huán)式雷達波纜道在線測流系統(tǒng)為水文測站的正常運行與生產(chǎn)管理提供技術(shù)保障,經(jīng)過現(xiàn)場測試,證實了該系統(tǒng)的實用性,具有一定的應(yīng)用價值。

        但是也存在一定問題:① 與傳統(tǒng)雷達波流速一樣,該系統(tǒng)低流速測量精度不高,但惡劣天氣對流速測量的影響較小,還需要持續(xù)關(guān)注雷達波技術(shù)的發(fā)展,選取合適的雷達波探頭進行升級換代。

        ② 對于雷達波數(shù)據(jù)的處理還需要進一步優(yōu)化,可以嘗試其他不同的處理方法,對于測算結(jié)果進行比較,選擇最適合雷達波測流的算法。

        ③ 對于操作平臺目前還只能在固定的環(huán)境下進行使用,操作起來不夠便利,不該拘泥于一種模式,后續(xù)將推出兼容Android、ios以及Harmony等多平臺的控制系統(tǒng)。

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        (編輯:謝玲嫻)

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