河床地形實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)及其應(yīng)用

， ，，

(1.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 水利工程系，廣州 510635；2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京 210098)

河床地形實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)及其應(yīng)用

晏成明1，陳紅2，吳嚴(yán)君2，張軍1

(1.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 水利工程系，廣州 510635；2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京 210098)

2017,34(12):130-132，154

實(shí)時(shí)地形數(shù)據(jù)有利于河床演變分析和工程評(píng)估?；诔暡?、4G無(wú)線傳輸、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)，研發(fā)了河床地形實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。為消除溫度、鹽度等因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，設(shè)計(jì)了超聲波聲速校核裝置:利用固定校核面反射超聲波信號(hào)，通過(guò)計(jì)時(shí)器獲取超聲波發(fā)射和反射信號(hào)時(shí)間間隔，從而反演超聲波聲速，實(shí)現(xiàn)對(duì)聲速的實(shí)時(shí)校正。系統(tǒng)應(yīng)用到姚江大閘下游河床地形監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)河床地形淤積了0.041 m，對(duì)應(yīng)時(shí)段內(nèi)GPS-RTK測(cè)量結(jié)果為河床地形淤積了0.050 m，2種方法測(cè)量結(jié)果基本一致。實(shí)踐應(yīng)用結(jié)果表明本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠，能用于地形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中。

河床地形；實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)； 4G無(wú)線技術(shù)；Winsock；聲速校核

1 研究背景

河床地形數(shù)據(jù)是河流開發(fā)、航道整治、河床演變分析的基礎(chǔ)資料，可用于航道回淤、水沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律等研究。陳輝等[1]應(yīng)用地形數(shù)據(jù)評(píng)估了長(zhǎng)江沉排護(hù)岸工程運(yùn)行狀況；劉杰等[2]通過(guò)對(duì)地形資料的分析，獲取了長(zhǎng)江口九段沙近期演變及北槽航道回淤情況；黃建成等[3]根據(jù)地形資料研究了三峽工程地下電站引水區(qū)泥沙沖淤變化，獲取了泥沙淤積量，為排沙方案的制定提供技術(shù)支持。顯然，地形數(shù)據(jù)對(duì)于水沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究及水利工程設(shè)計(jì)、建設(shè)及后期評(píng)估非常重要。

河床地形測(cè)量主要分為典型斷面和河段地形測(cè)量，典型斷面主要采用走航式Acoustic Doppler Current Profilers(簡(jiǎn)稱ADCP)測(cè)量，河段地形主要采用測(cè)深儀和GPS-RTK組合方式進(jìn)行測(cè)量。ADCP和GPS-RTK測(cè)量方法均無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，只能定期測(cè)量。受水流流態(tài)及運(yùn)行成本限制，定期測(cè)量時(shí)間間隔一般較大，無(wú)法及時(shí)評(píng)估河床演變，妨礙了對(duì)水沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律及工程影響的準(zhǔn)確分析。因此，迫切需要一種河床地形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)。

超聲波測(cè)量技術(shù)具有測(cè)量精度高、測(cè)量范圍大等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于水下地形測(cè)量。然而，因水溫、鹽度、壓力對(duì)超聲波傳播速度存在影響，雖然已有研究者[4-6]建立了相應(yīng)校核計(jì)算模型，通過(guò)理論計(jì)算修正超聲波傳播速度，但現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境極其復(fù)雜，理論計(jì)算的超聲波傳播速度與實(shí)際情況存在一定偏差。對(duì)于長(zhǎng)期實(shí)時(shí)在線觀測(cè)的超聲波測(cè)試系統(tǒng)，應(yīng)建立一種新的聲速實(shí)時(shí)校核方法。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括超聲波測(cè)量探頭、無(wú)線傳輸模塊、服務(wù)器、手機(jī)移動(dòng)終端和電腦終端等設(shè)備。超聲波探頭頻率為200 kHz，測(cè)量范圍為0.4～200 m，其中聲學(xué)傳感器和數(shù)字收發(fā)電路集成一體，采用RS485進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。超聲波測(cè)量探頭收到采集命令后，啟動(dòng)測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)RS485傳輸至無(wú)線模塊，無(wú)線傳輸模塊利用4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絀nternet網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，經(jīng)分析校核存入數(shù)據(jù)庫(kù)。電腦或手機(jī)等終端設(shè)備通過(guò)瀏覽器訪問數(shù)據(jù)庫(kù)讀取相應(yīng)地形數(shù)據(jù)。

圖2 聲速校核裝置

2.2 聲速校核

目前河床地形測(cè)量主

要采用超聲波技術(shù)，其測(cè)量原理如圖2所示。超聲波探頭P1發(fā)射超聲波，到達(dá)河床床面發(fā)生反射，經(jīng)時(shí)間t后探頭P1再次接收超聲波反射信號(hào)。已知超聲波傳播速度V，則超聲波探頭至河床界面的距離H1為

H1=Vt/2 。

(1)

超聲波在水中傳播速度V受水溫等因素影響，雖然已有研究者建立傳播速度與溫度之間關(guān)系[6-7],然而，實(shí)際中超聲波傳播速度還受到鹽度、壓力等多種因素影響，僅依靠理論公式難以精確獲取聲速。因而，設(shè)計(jì)了超聲波傳播速度校核裝置(如圖2所示)，在安裝承臺(tái)上設(shè)立固定校核面，其中超聲波校核探頭P0至固定校核面的距離為H0，通過(guò)監(jiān)測(cè)電路獲取探頭P0發(fā)射至接收超聲波反射信號(hào)的時(shí)間為t0，則聲速V0為

V0=2H0/t0。

(2)

將V0代入式(1)，即可準(zhǔn)確獲取H1。

3 系統(tǒng)開發(fā)

系統(tǒng)采用Visual Basic語(yǔ)言開發(fā)，數(shù)據(jù)庫(kù)為SQL Server。服務(wù)器一直處于監(jiān)聽狀態(tài)，超聲波探頭測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)器，服務(wù)器利用Winsock接收數(shù)據(jù)，并存入SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.1 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽

Winsock_listen.LocalPort=1000

Winsock_listen.Listen

監(jiān)聽模塊啟動(dòng)前應(yīng)先設(shè)置網(wǎng)絡(luò)號(hào)，應(yīng)與4G無(wú)線模塊網(wǎng)絡(luò)號(hào)一致，再開啟Winsock監(jiān)聽功能。

3.2 數(shù)據(jù)接收

當(dāng)Winsock監(jiān)聽到網(wǎng)絡(luò)端口連接請(qǐng)求時(shí)，觸發(fā)Listener_ConnectionRequest(ByVal requestID As Long)函數(shù)，系統(tǒng)自動(dòng)尋找空閑Socket建立相應(yīng)連接。相應(yīng)的代碼為

Sock(SockIndex).Accept (requestNum)

連接建立后，網(wǎng)絡(luò)端口收到數(shù)據(jù)將觸發(fā)Sock_DataArrival(Index As Integer, ByVal bytesTotal As Long)函數(shù)，其以字符串格式讀取端口數(shù)據(jù)，賦值給變量m_information。代碼為

Sock(Index).GetData m_information, vbString

3.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

運(yùn)用ODBC方式連接SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)[8]，將數(shù)據(jù)源名稱設(shè)置為“Demdata_DB”，則與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接代碼為：

Set Datasorc=Server.CreateObject(“ADODB.Connection”)

Datasorc.open “dsn=Demdata_DB”

Set Dem_rs=Server.CreateObject(“ADODB.Recordset”)

contstr=“select * from DEMdata”

Dem_rs.open contstr,Datasorc,1,3

地形數(shù)據(jù)表名稱為DEMdata ，包含時(shí)間、實(shí)測(cè)地形、溫度、超聲波校核速度等字段。

4 實(shí)踐應(yīng)用

姚江自源頭在三江口與奉化江匯流形成甬江，全長(zhǎng)107.4 km，流域面積(東排面積)1 479.2 km2。姚江原為感潮河段，1959年在距離河口3.3 km處修建了姚江大閘，潮流受閘控作用無(wú)法上溯，僅閘下3.3 km河段為感潮區(qū)間，導(dǎo)致潮波變形嚴(yán)重，破壞了原有水沙平衡，閘下游發(fā)生嚴(yán)重淤積[9]。姚江大閘下游建閘前平均水深為6.2 m，建閘后水深減小至4 m[10-11]，嚴(yán)重影響通航。另外，姚江大閘建成后8 a內(nèi)，河床淤積了368 萬(wàn)m3，大閘排水能力由設(shè)計(jì)流量725 m3/s減小到450 m3/s[9]，嚴(yán)重削弱了河道行洪能力。

2010年恢復(fù)性清淤完成，對(duì)姚江三江口、解放橋下、寧波圖書館及寧波大劇院斷面進(jìn)行了地形監(jiān)測(cè)，斷面面積分別為543.7，849.4，811.0，1 024.2 m2；2013年再次對(duì)相應(yīng)斷面進(jìn)行了地形測(cè)量，對(duì)應(yīng)面積分別為519.6，510.0，486.1，834 m2。數(shù)據(jù)表明姚江大閘下游過(guò)流斷面面積大幅減小，河床回淤嚴(yán)重。為維持姚江通航和行洪能力，每年航運(yùn)、水利等部門均需要對(duì)姚江河道進(jìn)行清淤。然而，姚江河床沖淤變化受到甬江潮位、含沙量、徑流等多種因素影響，回淤量在時(shí)間上極為不平衡，只有通過(guò)在線監(jiān)測(cè)分析評(píng)估河床地形實(shí)時(shí)變化情況，才能制定科學(xué)合理的姚江大閘調(diào)度及清淤方案。因此，將本系統(tǒng)應(yīng)用到姚江大閘下游河床地形監(jiān)測(cè)。

選取解放橋下游100 m、離右岸100 m處安裝監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，自2013年6月15日對(duì)河道地形進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采樣時(shí)間間隔為1 h，連續(xù)測(cè)量了32 d，河床高程變化如圖3所示。

圖3 河床高程變化Fig．3 Changesofriverbedelevation

圖3(a)為2013年6月24日逐時(shí)河床高程變化，河床高程在24 h內(nèi)有沖有淤。查詢姚江大閘放水過(guò)程，6月24日9：00—11:00和13:00—22:00，姚江大閘均有泄流。因而，24日河床總體上呈現(xiàn)微沖，由于姚江大閘上下游水位變化不大，沖刷效果不明顯，其沖淤趨勢(shì)符合實(shí)際規(guī)律。

圖3(b)為2013年6月15日—7月16日逐日河床高程變化，河床總體上呈緩慢淤積態(tài)勢(shì)，局部時(shí)段姚江大閘泄流，流速有所增加，河床表現(xiàn)沖刷狀態(tài)。6月15日—7月16日河床總體上呈淤積趨勢(shì)，淤積厚度為0.041 m。對(duì)比6月10日、7月28日的GPS-RTK監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)表明該點(diǎn)在此期間淤積了0.050 m，與本套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)基本一致。實(shí)踐應(yīng)用結(jié)果表明本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠，能用于地形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中。

5 結(jié) 語(yǔ)

為獲取河床地形變化實(shí)時(shí)概況，基于超聲波測(cè)深技術(shù)研發(fā)了河床地形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：①設(shè)計(jì)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，搭建了地形測(cè)量、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能模塊；②構(gòu)建了超聲波傳播速度實(shí)時(shí)矯正裝置，實(shí)現(xiàn)了聲速的實(shí)時(shí)校核，提高了河床地形測(cè)量精度；③基于Winsock控件開發(fā)了數(shù)據(jù)采集模塊，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽、網(wǎng)絡(luò)連接等過(guò)程，完成了河床地形數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ)；④將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于姚江解放橋下游河床地形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，測(cè)量數(shù)據(jù)與GPS-RTK監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致，表明本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠。

當(dāng)前監(jiān)測(cè)系統(tǒng)僅為單點(diǎn)測(cè)量，難以反映河床整體變化趨勢(shì)，需要進(jìn)一步增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)；同時(shí)，由于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安裝對(duì)航道產(chǎn)生了一定影響，下一步應(yīng)優(yōu)化安裝方式，減小對(duì)航運(yùn)的影響。

[1] 陳 輝，吳 杰，趙 鋼，等.多波束測(cè)深系統(tǒng)在長(zhǎng)江沉排護(hù)岸工程運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2009,26(7):14-16.

[2] 劉 杰，趙德招，程海峰.長(zhǎng)江口九段沙近期演變及其對(duì)北槽航道回淤的影響[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2010,27(7):1-5.

[3] 黃建成，金中武，陳義武.三峽工程地下電站引水區(qū)泥沙沖淤變化研究[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2012, 29(10):16-20.

[4] 潘天放.高精度超聲波液位計(jì)的研究[J].南京：南京理工大學(xué)，2010.

[5] 張振生.基于溫度補(bǔ)償?shù)某暡y(cè)距系統(tǒng)的研究[J].天津：天津大學(xué)，2011.

[6] 張攀峰,王玉萍,張 健,等.帶有溫度補(bǔ)償?shù)某暡y(cè)距儀的設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2012,20(6):1717-1719.

[7] 趙玉剛,王桂榮,郭淑珍,等. SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)[M]. 北京:清華大學(xué)出版社,2012 .

[8] 柳 玲，徐 玲，王志平，等.數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[9] 嚴(yán)文武.寧波三江河道水沙特性及沖淤變化規(guī)律[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2011，(4):143-148.

[10] 袁美琦.甬江河道淤積問題的分析[J].水道港口，1982，(2): 11-14.

[11] 沈承烈.甬江的沖淤規(guī)律及其影響因素[J].杭州大學(xué)學(xué)報(bào)，1983， 10(4) : 534-544.

Development and Application of a Real-timeMonitoring System for River Terrain

YAN Cheng-ming1, CHEN Hong2, WU Yan-jun2, ZHANG Jun1

(1.Department of Water Conservancy, Guangdong Technical College of Water Resources and Electric Engineering, Guangzhou 510635, China; 2.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

Real-time topographic data are useful for river bed evolution analysis and engineering assessment. In this article, a real-time online monitoring system for riverbed terrain is developed based on ultrasonic technology, 4G wireless transmission and network database. An ultrasonic sound speed calibration device is presented to eliminate the influence of temperature and salinity on measurement results. The sound speed is obtained by inversion and is calibrated in real time according to the time intervals of ultrasonic transmission and reflection signal acquired by timer. The system is applied to the terrain monitoring in the downstream of Yaojiang Gate. In monitoring period, the river bed silted by 0.041 m, while the GPS-RTK observation result is 0.050 m, consistent with each other in general. Practice has shown that the presented system is reliable and feasible in real-time monitoring of river terrain.

riverbed terrain; real-time online monitoring; 4G wireless technology; Winsock; sound speed calibration

2016-09-18；

2016-11-08

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51309083)；廣東水利科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2016-03)；重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)(2011YQ070055)

晏成明(1976-)，女，湖南華容人，副教授，博士，主要從事水利工程技術(shù)、河道整治等研究工作，(電話)020-87993743(電子信箱)1006680625@qq.com。

陳 紅(1981-)，男，重慶人，高級(jí)工程師，博士，主要從事現(xiàn)代流體測(cè)試、河流模擬、水利信息化等研究工作，(電話)025-58099169(電子信箱)496443687@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160960

TV14

A

1001-5485(2017)12-0130-03

Winsock控件，用于監(jiān)聽和響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互請(qǐng)求，Winsock控件數(shù)量應(yīng)多于網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)量。監(jiān)聽模塊代碼如下：

(編輯：羅 娟)