自驅式雷達波測流系統在西藏大江大河中的應用探討

賀麗陽 劉代勇 鄧思濱 李道朋 黃海洋

中國電建集團 中南勘測設計研究院有限公司 湖南 長沙 410014

引言

水文工作是工程建設中一項重要的前期工作和基礎性工作，在水文基本規律探索、水資源管理、防汛、抗旱、水土保持、水利工程運用管理、水生態監測、水文科學實驗監測等方面都有著重要的支撐作用，其中，流量測驗是河道水文工作的非常重要組成部分。

當前水文站在高洪流量測驗中存在河流暴漲暴落、漂浮物多、流速大等特點，常規流量測驗方式給人員、儀器帶來許多安全問題[1]；同時在應對突發性自然災害和水污染等應急測流中，常規測驗方式無法滿足在惡劣環境中獲取實時、準確流量數據；近年來全國已加強中小河建設水文信息化監測系統，而西藏地處偏遠多數水文站點仍然采用傳統人工觀測測驗的模式，而采用傳統的河道流量測驗方法不方便進行高洪測流、應急測流和中小河流測流特別是偏遠地區。

雷達波自動測流系統便是應運而生的一種水文流量測驗系統，具有自動監測、傳輸、計算、展示功能，可以實現河道流量測驗自動監測為防汛抗旱和水資源管理提供有力支撐[2]。移動式雷達波自動測流系統由站點監測監控設備、本地測流軟件、數據中心管理軟件組成，系統自動控制所有設備協同工作，雷達波測速儀借助跨河簡易水文纜道獲取各垂線位置流速，水雨情監測系統記錄不同時間下的水位并判定設定時間的水位變幅，可根據設定時間或水位變幅自動啟動測流過程，測流結束后根據實測水位、水面流速率定的實時流速以及測定的斷面資料計算出斷面測流量，數據通過無線網絡傳輸到數據中心，實現河道流量自動測驗[3]。

針對西藏地區水文監系統點偏遠、無法提供交流電的情況，牽引式雷達波自動測流系統無法長時間正常運行，而自驅式雷達波測流機器人可以很好地解決供電問題。測流機器人體積小、重量輕，現場安裝非常方便，系統采用太陽能光板浮充蓄電池供電，數據中心人員遠程可以遙控測流，主要用于高流速、水浪，以及多漂浮物常規轉子流速儀或ADCP無法入水測驗情況下的較大洪水流量測驗，也適用于日常巡測和常規性流量比測[4]。

在當前全球氣候顯著變化，我國社會經濟整體快速發展與水資源規劃管理矛盾日益凸顯的關鍵時期，水文承擔的任務更加重要艱巨繁重，水文的基礎支撐作用更加突出。由于歷史原因以及資金、技術投入不足，西藏水文工作整體建設與國家積極推進的現代化、信息化建設還存在較大差距，急需完善水文站網規劃、加強水文基礎設施建設、提高水文監測預測預報能力。本項目采用全自動遙感系統，提高水文信息采集傳輸自動化、現代化水平，為實現更精準的監測西藏自治區水資源狀況提供可靠支撐，為水資源規劃管理、城市基礎設施建設、防災減災等各類涉水事務在推動經濟社會發展中提供更加優質、全面的水文服務。

本文主要內容安排如下：第1部分給出了自驅式雷達波測流系統的詳細介紹；第2部分對其工程應用情況進行了闡述；第3部分總結了全文。

1 自驅式雷達波測流系統

1.1 系統總體功能

相比以往的自動測流系統采用測流計算機上部署本地測流軟件值班，本系統采用低功耗系統主控器（RTU）值班，系統主控器按照觸發條件（水位漲幅）或者設定的測流時間自動喚醒測流計算機運行測流軟件進行測流。測流計算機向機器人發送測流指令，測流機器人采用流量自動測驗技術、自動控制技術、無線通信技術集成可在單纜道上自行驅動至設定的垂線水面上方，雷達波測速儀傳感器獲取垂線水面流速發送至測流計算機，測流軟件實現水位、流速、斷面流量的計算并根據需求可將監測數據上傳至數據中心，并接收數據中心軟件平臺的遠程控制，系統具備故障自動診斷、異常自動告警功能，其輸出成果滿足水文資料測驗和整編要求。

為了充分發揮系統作用、保證系統運行可靠的有效性，系統設備充分采用當前水文自動監測監控的先進技術，設備應具有如下總體功能：

系統自動運行：系統按照設定的運行方式自動控制各設備運行，全天候工作，無人值守；

實時自動采集水文要素：流量站采集流量、水位；水位雨量站采集水位、雨量；水位站采集水位；

信息自動報送：監測數據定時、增量自動向數據接收平臺傳輸；

系統具有圖像監控能力：系統監控圖像定時自動向中心數據接收平臺傳輸；

現地存儲功能：采集數據系統存儲一年以上；

太陽能浮充供電：對太陽能蓄電池智能充電控制；

防雷擊、抗低溫能力強；

通信智能控制：水雨情信息采用主信道與備用信道自動切換；

監測信息告警：監測數據告警設置，超限告警；

設備工況監測：系統設備電壓檢測、欠壓告警、欠壓保護，設備工況自動數據接收平臺傳輸。

1.2 系統總體結構

系統工作原理是在系統主控器及測流軟件的控制下，傳感器按照設定的要求自動采集水文氣象要素，通信設備將采集的數據自動傳送到中心數據接收平臺并本地存儲，數據接收中心負責系統數據的各種處理和應用。

系統整體結構由六部分組成，包括核心控制部分、測流機器人、水雨情、氣象信息采集部分、電源部分、通信部分。

（1）核心控制部分：主要包括系統主控器以及測流計算機，通過系統主控器來觸發喚醒測流計算運行測流軟件，雷達波測流機器人與測流計算機通過無線模塊連接，實現指令下達和信息交互，測流軟件測完成流數據的接收、處理和入庫，并由系統主控器檢測、處理各類異常信息并及時上報監控中心。

（2）測流機器人：主要由PLC控制系統、電源智能控制系統、驅動電機、無線通信模塊、雷達波測速儀、溫度/傾角傳感器、充電槽、極近極遠限位開關等組成，負責水面流速測驗、遠程參數設置、機器人狀態檢測，并通過無線通信模塊將流速數據發回室內測流計算機。

（3）水雨情、氣象信息采集部分：主要由遙測終端機、水位計、雨量計、風速儀、氣壓計、GPRS及北斗通信模塊、太陽能供電系統等組成，負責河道水雨情、氣象信息的實時采集、存儲，并能響應控制中心的召測指令實時發送水位數據?？紤]到河面長期冰凍的情況，本次水位監測采用河道雷達式水位計、境內浮子式水位計兩種方式并用。

（4）電源部分：整套系統太陽能浮充供電的方式，包括太陽能光板、免維護蓄電池組、充電控制器、機器人充電樁等。系統由免維護蓄電池組進行供電，利用太陽能光板進行充電，欠壓時系統會自動報警并進入保護狀態。

（5）通信部分：系統均采用GPRS/GSM為主信道，北斗衛星作為備用信道，主備信道可自動切換；測站圖像傳輸采用GPRS通信。

系統結構框見圖1。

圖1 系統結構框圖

1.3 測流機器人

（1）外形結構

圖2 測流機器人正面視圖

該機器人懸掛于單纜道不銹鋼索上，電機安裝于機器人內部，動力通過鏈條由主動輪傳給從動輪，從而帶動行走輪轉動，控制測流機箱前進或后退至指定測流垂線。正面圖如圖2所示。行走前輪與行走后輪之間配有同步輪，使行走前輪和行走后輪同步轉動，防止因某一個行走輪打滑造成整個機箱行走打滑。纜道方向兩側分別裝有防滑滑輪，滑輪帶有彈性底座可將滑輪頂高緊緊貼住纜道以增大摩擦力，使機箱打滑的可能性減小。同時裝有前后限位開關，碰撞時及時停止，防止撞壞設備。內部PLC控制系統與無線電臺、驅動電機連接，雷達波流速計安裝在機箱一側，鋰電池通過充電控制器、充電裝置實現與外部補充電源的連接；鋰電池為PLC控制系統、驅動電機、雷達波流速儀及其他傳感器設備提供工作電源。橫向二側安裝有2個限位開關，為機器人運行的極近（站房側）、極遠（立柱側）限位檢測開關，極近限位同時用作補電（接收端）的感應開關。極近（立柱側）限位開關下部同時安裝有充電裝置（接收端），當設備欠壓時機器人自動對零回到站房內由貯備電源給鋰電池補電。

（2）內部結構

機器人內部主要由PLC控制系統、智能電源控制系統、無線傳輸模塊和外圍傳感器、驅動電機組成。PLC控制系統是設備的核心控制部分，不僅負責對機器人狀態進行監測、和中心站通訊，而且控制機器人整個測流流程。PLC接收中心站指令，控制電機轉動，同時精確計量運行距離，判斷流速儀上電并初始化完成之后控制電機前進、后退、加速、減速、停止，若測流垂線位置與實際位置的差值大于5米，運行速度加速到最大速度；若測流垂線位置與實際位置的差值小于5米，運行速度減速到最小速度，到達垂線位置后停止，開始后續的測流工作。無線通信模塊為遠程數據通信設備，在采集完指定組數的測流數據包后將監測數據實時發送至中心站，同時接受中心站的指令，完成相應工作。雷達波流速儀接受控制指令，對水面流速進行測量。儀器箱電源系統包括太陽能光板、充電控制器、鋰電池，負責給設備提供電源。

電源是機器人的“心臟”，動力之源。機器人運行時電機功耗很大，因此保證充足的電量是設計中非常重要的任務。本系統使用對插接觸式充電，針對在戶外且無人值守的情況下對插接觸式充電在大風工況下容易錯位導致接觸不良的問題，機器人電源智能控制系統在監測到電壓值低于設定的閾值的時候可以喚醒機器人自動對零，回到充電位置。

圖3 機器人系統結構圖

1.4 系統工作流程

自驅式雷達波自動測流系統利用測流機器人自行驅動移動到代表垂線處，采用雷達波測速儀作獲取垂線水面流速，然后測流計算機通過無線通信模塊獲取雷達波測速儀測量并接收測驗數據，同時測流計算機與水雨情系統通過RS485串口相連采集水位，根據勘定的斷面資料與率定的流量計算模型計算流量。流量測驗完成后，測流軟件將原始流量測驗數據和流量計算結果存儲在測流計算機數據庫中，同時通過無線通信模塊將測流信息發送至數據中心管理平臺[5]。

首先通過測流計算機上本地測流軟件或WEB端管理平臺輸入勘定的斷面數據、設定測流垂線位置及個數、水面系數等參數并保存[6]。系統主控器按照觸發條件（水位漲幅）或者設定的測流時間自動喚醒測流計算機運行測流軟件進行測流，也可通過本地操作測流計算機施測。系統自動測流模式下采用低功耗系統主控器（RTU）進行值班，由系統主控器喚醒測流計算機，測流計算機上的測流軟件在自動測流過程中擔負測流過程控制任務，測流全過程實行自動控制，由于測流計算機長時間上電耗電量較大且測站偏遠不具備拉市電的條件，每次測流完畢后測流機器人自動返回停泊點充電、測流軟件會和系統主控器預約下一次測流的時間，預約完后計算機自動關閉，至預約時間（或接收到中心測流指令）時系統主控器自動喚醒測流計算機開始測流任務，其具體工作流程如圖4所示。

圖4 系統自動測流模式下測流工作流程圖

2 工程應用情況

上述系統成果在“西藏自治區大江大河水文監測系統建設工程二期項目（第一批）施工二標段”項目中得到了應用。其中，建設地點主要位于阿里、日喀則、昌都等地區（市）的8處水文站站點，項目在2020年4月底通過了項目驗收與交付。

數據中心通過部署管理軟件接收來自各監測站點發回的各項數據，可監視查看各監測站點的設備、水情、測流等站點情況；可修改測流參數、設置設備參數、遠程控制測流；可查看設備工況信息系統運行日志、數據查詢及分析。系統安裝好后可以接收遠程管理軟件指令自動進行測流，并將測流數據發至數據中心統一管理。如圖5，水位、河道流量、流速及其他相關參數都會記錄下來，并可以以excel的形式導出，保存和處理數據都非常方便。此外，通過看門狗技術對機器人自身的工作狀態進行監測，出現特殊情況可以自動報警并回位，如圖6，系統建設后經歷了一個冬季的應用各項基本功能都達到了要求。

圖5 系統應用現場

圖6 中心站監控平臺

3 結束語

自驅式雷達波測流系統在西藏大江大河中的應用，有效地解決西藏高海拔極寒、無市電、無人值守條件下大江大河河道流量自動測驗難題。整套系統采用太陽能浮充供電，安裝使用方便，整個過程現場無須人工干預，實現河道流量測驗的全自動化和信息化，遠程監測監控、低功耗等功能的優點正是西藏地區水文工作發展的新要求、新方向，該系統可操作性強、穩定性高，在藏區這種偏遠地區特別適合采用該方式進行自動水文流量測驗。