虛擬儀器技術在水利測量中的應用

刁　凱，王東亮

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080)

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虛擬儀器技術在水利測量中的應用

刁凱，王東亮

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080)

隨著經濟的快速發展，虛擬技術作為一種新型的PC技術得到了進一步的發展與應用。虛擬技術指的是測試技術及多種功能軟件綜合的應用型技術，在許多方面都得到了廣泛的應用，特別是在水利測量領域，虛擬儀器發揮著重要作用。在虛擬儀器技術的輔助下，水利測量快速發展進入到更為精確、自動化的發展階段。文章對虛擬儀器技術的基本理論及組成進行了介紹，并對虛擬儀器技術在水利測量中的應用進行了分析。

虛擬儀器技術；水利測量；水利工程；應用；分析

傳統的水利測量儀器普遍存在開發周期長、功能單一、精確度低的問題，無法對流體進行實時測量。隨著水利工程的發展，傳統的水利測量系統已無法滿足水利測量的要求，現代水利測量系統需要在保證測量結果準確性的前提下，提高水利測量系統的系統性、實時性與集成化，因此，需要進一步改進水利測量工具與技術。虛擬儀器技術是儀器開發設計領域的新技術能夠滿足水利測量儀器的發展需要，近幾年在水利測量中得到了廣泛的應用。

1　虛擬儀器技術

1.1虛擬儀器技術的基本理論

虛擬儀器是在傳統儀器基礎上的進一步發展，是測試技術及多種儀器系統技術的綜合產物，虛擬儀器以最新的PC技術與測試技術為依托，是在計算機技術的基礎上研發而成的。美國國家儀器公司最早提出了計算機技術的虛擬儀器概念，并研發推出了以總線系統為基礎的虛擬儀器，應用到多個領域。傳統的儀器技術往往存在精確度低、實時性差的問題，無法滿足現階段對儀器技術的要求，虛擬儀器技術應運而生[1]。虛擬儀器技術是以擁有數據采集設備的通用計算機平臺為基礎，在此技術上根據實際需要構建不同的系統，這在很大程度上突破了傳統儀器技術廠家定義、用戶無法修改的模式，在虛擬儀器的輔助下，用戶可以根據自己的實際需要構建具有自身特色的自動測試系統，準確性與工作效率較傳統儀器技術更高。

虛擬儀器中的硬件為通用型，是計算機平臺與數據采集設備，而虛擬儀器的軟件由使用者根據實際需要編寫，能夠充分發揮計算機的能力，可以快速地進行數據處理并創造出功能更多樣的儀器。因此，不同的虛擬儀器在軟件上存在較大的差異性。虛擬儀器技術與傳統的儀器技術相比，其優勢主要體現在虛擬儀器能夠由用戶定義軟件，構建專用的儀器系統，功能更為靈活，使虛擬儀器的使用更具針對性。因此，虛擬儀器技術在各領域擁有更為廣泛的應用。

近幾年，硬件軟件化成為新興的發展趨勢，虛擬儀器技術便契合這一發展趨勢，因此，虛擬儀器也被稱作為“軟件儀器”。虛擬儀器風格簡約，操作靈活，擁有完全圖形化界面，這樣更易被使用者接受，操作也更加的便捷。虛擬儀器技術作為新一代的儀器測試技術，集計算機技術、通信技術與測試技術于一體，具有高精確度、自動化與網絡化的優勢，是未來測試領域的重要技術。

1.2虛擬儀器的構成

傳統的儀器主要由被測信號的采集與控制、信號分析與處理、測試結果輸出這3大功能模塊組成，這些功能模塊主要以硬件為儲存形式，難以改變，因此，傳統的儀器通用性較低。如果將這些功能集中到計算機上，在計算機上安裝數據采集卡與數模轉換器，通過軟件使計算機屏幕成為儀器面板，使其可以快速地進行信號的分析與處理，這樣就會計算機成為一臺簡單的虛擬儀器。簡單地說，虛擬儀器就是通過虛擬儀器技術開發的示波器面板，具有所有的測量功能。

在虛擬儀器系統中主要由硬件與軟件構成，硬件主要用于信號的輸入輸出與轉換，軟件則承擔著整個儀器系統的主要控制功能，是整個儀器系統的核心[2]。

儀器使用者可以通過修改軟件，改變、增減儀器系統的功能，使其具有一定的針對性，這在一定程度上提高了儀器測量的精確度與測量效率，因此，軟件是虛擬儀器系統的關鍵組成。

2　虛擬儀器技術在水利測量中的應用

隨著計算機技術、3S在水利工程中的廣泛應用，水利測量快速發展。在針對江河湖等大尺度客體進行水利測量時，常會受到多重因素影響，且測量過程的內部運行規律難以確定，這時就需要采用水文水質儀器進行自動測量。

水利測量中流速、流量與壓力等參數會對測量結果產生極大的影響，只有精確測量這些參數才可以對流體特征有一個整體的把握，這對于實驗研究與規律的掌握是極具意義的。

2.1提高水利測量的效率與準確度

虛擬儀器技術在水利測量中可以快速地改造常規的水利測量儀器，使其功能更加的多樣化，提高水利測量的效率。

常規的水利測量儀器包括水位儀、電磁流量計、旋槳等，如果可以將這些常規的水利測量儀器與虛擬儀器技術結合，那么水利測量的準確度與效率都將得到明顯的提升。

常規的水利測量儀器可以通過接口轉換卡轉換為滿足虛擬儀器總線標準的設備，使其可以集成到虛擬測控系統中，這樣一來，在進行水利測量時只需要控制一臺計算機，便可以實現多臺測量儀器的控制，極大程度地提高了水利測量的效率。

同時，控制人員也可以在計算機上插入滿足實際水利測量要求的板卡形成一個獨立的測控系統，使其可以對部分對象進行動態監控。虛擬儀器技術能夠對軟件進行簡單的編程，測控系統在控制界面的內容將會更加的豐富，在實際控制操作上也會更加的便捷。

通過虛擬儀器技術，設計得到的儀器軟件可以進一步優化水利測量儀器，提高水利測量的效率與準確度。

基于虛擬儀器技術發展而來的流場流速測量技術在水利測量中有著廣泛的應用，如粒子圖像測速儀、三維熱絲風速儀等在開發過程中需要多臺測量裝置的實時同步控制，將測量所獲的數據與圖像相匹配并分析處理，這就對水利測控系統提出了較高的要求，如果沿用傳統的儀器控制系統，那么水利測量的工作量就會增加。如果應用虛擬儀器技術，流場流速測量技術的開發周期與難度就會大大降低，數據與圖像可以快速匹配，得到的大量數據可以圖形化，這在一定程度上提高了數據處理的效率，此外，得到的數據與圖像也可以在其他軟件平臺進行數據交換，實現了數據的共享。

2.2遠程現場在線測控

虛擬儀器的網絡功能可以使水利測量的遠程現場在線測控成為可能，測控數據通過網絡傳輸，這樣測控人員只需在室內便可以觀測到水域現場，對水域進行準確的測量，這在很大程度上提高了水利測量的效率，節省了大量的人力物力。虛擬儀器可以對大面積水域環境進行動態監測，將接受得到的遙感圖片進行定量描述，實現快速準確的數據采集，為水利相關的學科研究提供重要的科學參考依據。

同時，在虛擬儀器網絡功能的輔助下，無人值守的水文觀測站的構建也成為可能。虛擬儀器測控系統中的INTERNET工具箱增加了電子郵箱、WEB功能，可以通過計算機系統，快速地開發網絡應用程序，遠程地對水利測量現場進行測控，使數據自動傳輸到數據庫進行數據的處理與分析[3]。同時，虛擬儀器的網絡功能也可以將水情等固定的觀測站聯系起來組成網絡，并將水利測量得到的數據通過網絡傳輸到流域信息中心，為水利調度、水文預報等提供科學依據。

3　結　語

1)虛擬儀器技術在水利測量中的應用不僅可以提高水利測量的效率與準確度，也可以實現水利測控的遠程現場在線測控，這對于水利工程的發展具有積極意義。

2)水利測量的相關部門需要提高對虛擬儀器技術的重視程度，加大對虛擬儀器的投入，研發出功能更加多樣、性能更加優良的軟件系統，應用到水利測量中，促進水利工程的進一步發展。

3)虛擬儀器技術改善了傳統水利測量的不足，其未來發展前景廣闊，將會引領水利測量進入到更為精確、自動化的發展階段，為水利研究提供重要的科學依據。

[1]司環宇,文恒,苗恒錄,等.LabVIEW虛擬儀器技術在水利測量中的應用研究[J].內蒙古水利,2010(03):69-71.

[2]張偉,魏占清,苗秀玲.虛擬儀器技術在水利測量中的應用[J].內蒙古水利,2012(01):59-60.

[3]陳瑞，王興奎.虛擬儀器技術在水利測量中的應用研究[J].水利水電技術，2004(04)：59-60.

Application of Virtual Instrument Technology in Hydraulic Survey

DIAO Kai and WANG Dong-liang

(Heilongjiang Provincial Water Conservancy & Hydroelectric Power Investigation，Design and Research Institute，Harbin 150080，China)

With the rapid development of economy，as a kind of new PC technique，virtual technology is developed and applied in further.The virtual technology refers to the test technique and comprehensive application-style technology with multi-functional software，which are applied widely in many respects，and the virtual instrument takes important roles especially in the range of hydraulic survey.Aided by the virtual instrument technology，hydraulic survey is developed quickly and steps into a more accurate and automation development stage.The paper introduces basic theory and composition of virtual instrument and analyzes the application of virtual instrument in hydraulic survey.

virtual instrument technology；hydraulic survey；water conservancy project；application；analysis

1007-7596(2016)05-0107-03

2016-03-15

刁凱(1989-)，男，黑龍江安達人，助理工程師；王東亮(1987-)，男，黑龍江富裕人，助理工程師。

TV221.1

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