左念 徐典 范亮

摘要：利用現(xiàn)有流量測驗(yàn)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(jìn)行監(jiān)測時操作極為困難且歷時不可控?？紤]到移動雷達(dá)波不直接接觸和擾動（或破壞）水流結(jié)構(gòu)可以實(shí)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(dá)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(yàn)，可實(shí)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(qiáng)度大、高洪期間測驗(yàn)工作較為危險等問題。

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

中圖法分類號： P332.4

文獻(xiàn)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(yán)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(shí)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(dá)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(dá)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(shí)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(dá)波流速儀［2］，但未考慮風(fēng)速風(fēng)向?qū)走_(dá)波探頭的影響。

本文設(shè)計了一套雙軌循環(huán)式纜道雷達(dá)波在線測流系統(tǒng)，該系統(tǒng)摒除固定式雷達(dá)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(yàn)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(dá)波在線測流系統(tǒng)簡介

雙軌循環(huán)式纜道雷達(dá)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(hù)、功能完善的原則，采用雷達(dá)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(shí)現(xiàn)流量自動監(jiān)測。

支持遠(yuǎn)程手動測流和遠(yuǎn)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(yuǎn)程監(jiān)測并記錄雷達(dá)多普勒流速傳感器信號頻譜分布，進(jìn)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(dá)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(jī)控制行進(jìn)，從而進(jìn)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(dá)波測流原理

雷達(dá)波測流是利用多普勒效應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)。工作時向水面發(fā)射電磁波，電磁波遇到運(yùn)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(yùn)動目標(biāo)會在雷達(dá)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(yùn)動目標(biāo)的尺寸大小。其中多普勒頻率F和運(yùn)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(dá)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(jìn)式掃射斷面方法，實(shí)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(shí)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(dá)測流設(shè)備對比，該系統(tǒng)運(yùn)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(dá)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(jī)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(dá)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(hù)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(kuò)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(qiáng)度、信號質(zhì)量、測流位置、設(shè)備電壓、氣象參數(shù)等要素，進(jìn)而反演測驗(yàn)斷面流量。該系統(tǒng)可提供實(shí)時測流、遠(yuǎn)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(diǎn)，設(shè)計了蠕動式的斷面全覆蓋流域探測，不再采用在某點(diǎn)停頓的測量方式，而是在當(dāng)前位置發(fā)射雷達(dá)波束之后，不做停頓，直接運(yùn)動至前方來接收斜射回來的雷達(dá)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(diǎn)可以放慢行進(jìn)速度，以此保證測量精確度。蠕動式的雷達(dá)波測流系統(tǒng)相比于走航式雷達(dá)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(jī)自動控制小車行進(jìn)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(jìn)距離，同時輔助采用電機(jī)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(jī)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(shí)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(dá)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(diǎn)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(dá)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(jìn)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(yàn)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(dá)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(rèn)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(rèn)為其表面流速與河底高程恒定。在實(shí)際斷面測驗(yàn)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(yuǎn)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(dá)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(yùn)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(jìn)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(yuǎn)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(duì)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(duì)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(xiàng)I/O操作一旦完成，某個可以對該操作結(jié)果進(jìn)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(jìn)而提高線程的利用率（因?yàn)榫€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(jìn)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(yùn)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(dá)遠(yuǎn)程在線系統(tǒng)

雷達(dá)遠(yuǎn)程在線系統(tǒng)是一套基于SpringMVC開發(fā)的雷達(dá)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(jìn)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(fù)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(jìn)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(dá)遠(yuǎn)程在線系統(tǒng)主要用于對基于在線雷達(dá)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(shí)現(xiàn)了雙軌循環(huán)式雷達(dá)波纜道在線測流系統(tǒng)，有利于實(shí)現(xiàn)測驗(yàn)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(dá)波纜道在線測流系統(tǒng)為水文測站的正常運(yùn)行與生產(chǎn)管理提供技術(shù)保障，經(jīng)過現(xiàn)場測試，證實(shí)了該系統(tǒng)的實(shí)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(dá)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(dá)波技術(shù)的發(fā)展，選取合適的雷達(dá)波探頭進(jìn)行升級換代。

② 對于雷達(dá)波數(shù)據(jù)的處理還需要進(jìn)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(jìn)行比較，選擇最適合雷達(dá)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(jìn)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）