雷達流量站在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

屠佳佳，李 莎，劉 鋒，金浪濱，黃小彬

（1.浙江機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣電子技術(shù)系，浙江 杭州 310053；2.杭州定川信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310020；3.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

1 問題的提出

近幾年，國家對中小河流、渠道的水文監(jiān)測需求不斷提高，很多中小河流開始逐步建立水情測報系統(tǒng)。然而由于中小河流水文站分布廣、地域?qū)?、站點多，特別是山溪性河流匯流速度快，洪水陡漲陡落等特點[1]，以及很多河流、渠道存在間歇性斷流的情況，而現(xiàn)有的傳統(tǒng)水文測驗方式已很難滿足水文自動化、信息化等的要求。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，各類水文自動測報系統(tǒng)已經(jīng)在不同地域和環(huán)境中得到應(yīng)用，傳感器設(shè)備也由早期的簡單、單一型發(fā)展為數(shù)字、智能型[2]。雷達流速儀和雷達水位計就是近幾年從國外引進的水文測量設(shè)備。雷達類測量設(shè)備技術(shù)成熟，安裝方便，測量精度高，采用非接觸式的測量方法不受環(huán)境、地理的限制，因此被許多的水情自動測報系統(tǒng)所采用[3-4]。本文根據(jù)流量測量和信息化系統(tǒng)基本原理，設(shè)計了一套適用于中小河流、渠道等在線流量監(jiān)測的雷達流量站系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

雷達流量站在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心、雷達流量站、傳輸網(wǎng)絡(luò)等組成。其中軟件平臺和數(shù)據(jù)接收軟件安裝在監(jiān)控中心服務(wù)器中，所有數(shù)據(jù)被接收軟件接收后保存在數(shù)據(jù)庫中，為了保證數(shù)據(jù)安全加裝了防火墻；雷達流量站安裝于河流、渠道現(xiàn)場，主要包括雷達流速儀、雷達水位計和遙測終端等設(shè)備，遙測終端采集到流速、水位數(shù)據(jù)后通過運營商網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控中心；采用運營商網(wǎng)絡(luò)作為傳輸網(wǎng)絡(luò)可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和安全性，使用方便、費用低[5-6]。流量在線監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 流量在線監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2.2 雷達流量站

雷達流量站由供電電源和儀器設(shè)備2部分組成，雷達流量站結(jié)構(gòu)見圖2。系統(tǒng)支持太陽能電池和市電作為供電電源，在無市電的野外環(huán)境中采用單一的太陽能電池供電，在有市電的場所采用市電與蓄電池配合供電，可以有效防止臨時斷電時系統(tǒng)無電的情況，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。儀器設(shè)備主要包括遙測終端、雷達流速儀、雷達水位計和無線通信模塊等，遙測終端通過RS485轉(zhuǎn)換模塊與雷達流速儀、雷達水位計相連，采集到的各項數(shù)據(jù)通過GPRS/CDMA無線通信模塊實時傳輸至監(jiān)控中心服務(wù)器中。

圖2 雷達流量站結(jié)構(gòu)圖

3 硬件選型

3.1 遙測終端

遙測終端采用浙江省水文局開發(fā)的語潤YR - 3000型設(shè)備，該設(shè)備不僅能將數(shù)據(jù)自動上報至省水文局?jǐn)?shù)據(jù)平臺，還配備了液晶顯示模塊，可以在雷達流量站現(xiàn)場實時查詢流速和水位數(shù)據(jù)。語潤YR - 3000主要功能見表1。

表1 語潤YR - 3000主要功能表

3.2 雷達流速儀

雷達測速儀選用 Sommer RG 30非接觸雷達流量監(jiān)測遙測系統(tǒng)產(chǎn)品。非接觸式雷達測流系統(tǒng)具有土建簡單，測量范圍廣，便于隨時維護，少受水毀影響，不受污水腐蝕，不受泥沙影響等特點，能保障設(shè)備穩(wěn)定、安全運行。RG - 30具體性能指標(biāo)見表2。雷達流速儀RG30的精度為1.0%，比一般的旋槳式流速儀的精度高（例如MT - D旋槳式流速儀精度為1.5%），完全可以滿足實際渠道流量測量的需求。

表2 RG - 30性能指標(biāo)表

3.3 雷達水位計

雷達水位計采用德國進口的型號為VEGAPULS WL 61設(shè)備，是測量水和污水物位的理想設(shè)備，特別適合用于水處理過程、泵站、以及溢出池、開放式水槽的流量測量和監(jiān)控。VEGAPULS WL61經(jīng)濟實用、安裝簡單靈活，采用防水外殼，永久免維護。VEGAPULS WL61主要性能見表3。

表3 VEGAPULS WL61性能指標(biāo)表

4 現(xiàn)場測試

雷達流量站在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計完成后，在象山縣隔溪張水庫下游渠道選取合適的斷面位置進行安裝試驗，雷達流量站實物見圖3。由于測試渠道寬度較小，因此采用橫跨式支架安裝雷達流速儀和雷達水位計，以保證設(shè)備穩(wěn)定、安全。遙測終端、充放電控制器和蓄電池等設(shè)備安裝于落地柜中。雷達流量站設(shè)備安裝過程中應(yīng)注意渠道兩邊的混凝土基礎(chǔ)必須保持水平，安裝雷達流量計時保持發(fā)射面處于上游方向，并與水面成45°，安裝雷達水位計時保持發(fā)射面與水面平行，雷達探頭距離水面距離范圍可達0.5 m到30.0 m。

該雷達流量站點處于野外，因此采用單一太陽能電池供電，太陽能電池板安裝角度約為30°左右，固定于落地柜頂板上方，以保證接收充足的太陽光照。系統(tǒng)運行于低功耗模式，每隔5 min采集1次流速、水位數(shù)據(jù)，并通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)實時上報至監(jiān)控中心保存、處理，數(shù)據(jù)采集傳輸完成后立即進入休眠模式。

圖3 雷達流量站實物圖

數(shù)據(jù)上傳后保存在浙江省水文局?jǐn)?shù)據(jù)平臺中，通過客戶端軟件讀取數(shù)據(jù)并計算獲得流量數(shù)據(jù)，顯示軟件采用Excel進行編程，安裝于監(jiān)控中心服務(wù)器上，軟件界面結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，具有實時數(shù)據(jù)、累計數(shù)據(jù)、流量曲線查看功能。系統(tǒng)根據(jù)遙測終端上傳的水位、流速數(shù)據(jù)和渠道實際斷面參數(shù)計算得到流量數(shù)據(jù)，軟件界面中顯示為每5 min的流量數(shù)據(jù)。其中數(shù)據(jù)查詢菜單中可以查看歷史數(shù)據(jù)，并支持導(dǎo)出功能。

使用水位 — 流速法測量明渠的流量時，按照明渠斷面流速分布的經(jīng)驗公式，需先將測流斷面進行n 等分，計算出各個分區(qū)的流量值，并對它們進行求和，即可得出該明渠斷面的總流量值。本試驗渠道為標(biāo)準(zhǔn)梯形渠道，根據(jù)明渠均勻流的流量進行計算，具體公式為：

根據(jù)流速計算的流量數(shù)據(jù)與根據(jù)水位數(shù)據(jù)計算的流量數(shù)據(jù)非常接近，驗證該雷達流量站系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，而且測算結(jié)果能夠滿足業(yè)主的精度需求。

5 結(jié) 語

雷達流量站系統(tǒng)在象山縣隔溪張水庫下游渠道安裝后，實現(xiàn)水庫對渠道水位和流量的實時、在線監(jiān)控，數(shù)據(jù)經(jīng)過專業(yè)率定，準(zhǔn)確度高，可以為水庫管理人員的決策提供數(shù)據(jù)支撐。雷達流量站安裝方便，基本免維護，可以有效解決水利工程經(jīng)常處于野外山區(qū)，而且面臨間斷性供水、岸邊不易建井且地勢復(fù)雜等情況，具有良好的推廣價值。