一种明渠流量监测装置、方法及系统与流程

本发明涉及流量测量，具体涉及一种明渠流量监测装置、方法及系统。

背景技术：

1、明渠流量监测是水资源管理、灌区计量及城市防洪排涝中的关键环节。目前，行业内广泛采用单站非接触式监测方案，即通过雷达水位计测量水位，配合雷达流速仪测量表面流速，进而推算断面流量。该方案相较于水下接触式设备，具有维护成本低、不受泥沙淤积影响等优势。

2、然而，单站非接触式方案在流量计算上存在固有的局限性。常规方法通常基于曼宁公式或经验关系，假设渠道流态为恒定均匀流，从而使用固定的流速分布系数将表面流速折算为断面平均流速。但在实际工况中，特别是当渠道下游存在闸门截流、支流顶托或遭遇洪水快速涨落时，水流处于显著的非恒定状态。此时，渠道断面的水力坡度与底坡不再一致，导致流速分布剖面发生畸变（例如回水顶托导致流速剖面变平），固定的折算系数不再适用，计算出的流量与真实流量存在较大偏差。

技术实现思路

1、为了解决在非恒定水流工况中，单站非接触式方案固定的折算系数不再适用，无法精准计算真实流量的技术问题，本发明的目的在于提供一种明渠流量监测装置、方法及系统，所采用的技术方案具体如下：

2、本发明提出了一种明渠流量监测方法，所述方法包括：

3、获取每个时刻通过非接触式传感器实时采样的水位值和表面流速值，根据所述水位值和表面流速值，获得基准参考坡度；

4、在每个时刻，将历史时刻数据映射至二维坐标系中，获得特征点集；所述二维坐标系的维度为：每个时刻下所述水位值的变化率，和预设的平均底坡与所述基准参考坡度之间的坡度偏差；构建特征点集的最小包围多边形，并获得最小包围多边形的面积值和几何中心坡度偏差；根据所述面积值获得每个时刻的递归更新权重，根据递归更新权重和所述几何中心坡度偏差对每个时刻的流态评估指数进行递归更新；

5、根据所述流态评估指数判断工况，所述工况包括回水顶托工况和冲刷加速工况；在不同工况下，结合流态评估指数对预设的流态评估校正指数进行调整，获得每个时刻的实时流速折算系数；根据所述实时流速折算系数，结合所述水位值和表面流速值，获得每个时刻的实时流量值；将每个时刻的实时流量值和实时流速折算系数作为结果输出。

6、进一步地，根据所述水位值和表面流速值，获得基准参考坡度，包括：

7、将所述水位值减去底板高程，得到有效水深值，结合明渠断面几何公式，计算过流面积和湿周；将过流面积与湿周的比值作为水力半径；

8、将所述表面流速值与预设的基准流速分布系数相乘，得到基准断面平均流速；

9、根据水力半径和基准断面平均流速，利用曼宁公式的变形形式，计算基准参考坡度。

10、进一步地，所述二维坐标系的维度为：每个时刻下所述水位值的变化率，和预设的平均底坡与所述基准参考坡度之间的坡度偏差，包括：

11、将每个时刻下所述水位值的变化率作为二维坐标系的x轴；将每个时刻下预设的平均底坡与所述基准参考坡度的差值作为二维坐标系的y轴。

12、进一步地，构建特征点集的最小包围多边形之前，还包括：

13、维护一个固定容量的时间滑动窗口集合，始终保留每个时刻及其所有历史时刻的特征点序列，只有集合内的特征点数量大于等于设定的固定容量时，才进行后续的几何分析流程，否则保持静默。

14、进一步地，根据所述面积值获得每个时刻的递归更新权重，根据递归更新权重和所述几何中心坡度偏差对每个时刻的流态评估指数进行递归更新，包括：

15、将所述面积值进行负相关映射并归一化，得到每个时刻的递归更新权重；构建保留权重，所述保留权重与所述递归更新权重的和值为正整数1；将所述递归更新权重作为每个时刻的所述几何中心坡度偏差的权重，将保留权重作为历史相邻时刻的流态评估指数的权重，进行加权融合，获得每个时刻的流态评估指数。

16、进一步地，根据所述流态评估指数判断工况，包括：

17、若流态评估指数大于0，则判断为回水顶托工况；若流态评估指数小于等于0，则判断为冲刷加速工况。

18、进一步地，在不同工况下，结合流态评估指数对预设的流态评估校正指数进行调整，包括：

19、若流态评估指数大于0，即回水顶托工况，则将预设的第一系数与流态评估指数相乘得到回水修正系数，将正整数1减去所述回水修正系数，得到衰减系数，利用衰减系数对预设的流态评估校正指数进行衰减；

20、若流态评估指数小于等于0，即冲刷加速工况，则将预设的第二系数与流态评估指数相乘得到冲刷修正系数；将正整数1减去所述冲刷修正系数，得到增益系数，利用增益系数对预设的流态评估校正指数进行增益。

21、进一步地，根据所述实时流速折算系数，结合所述水位值和表面流速值，获得每个时刻的实时流量值，包括：

22、根据每个时刻的水位值，结合预置的断面几何参数，计算每个时刻的有效过流面积；将每个时刻的实时流速折算系数，有效过流面积与表面流速值的乘积，作为每个时刻的实时流量值。

23、本发明还提了一种明渠流量监测装置，所述装置包括：

24、数据采集与预处理模块，用于获取每个时刻通过非接触式传感器实时采样的水位值和表面流速值，根据所述水位值和表面流速值，获得基准参考坡度；

25、流态特征提取与分析模块，用于在每个时刻，将历史时刻数据映射至二维坐标系中，获得特征点集；所述二维坐标系的维度为：每个时刻下所述水位值的变化率，和预设的平均底坡与所述基准参考坡度之间的坡度偏差；构建特征点集的最小包围多边形，并获得最小包围多边形的面积值和几何中心坡度偏差；根据所述面积值获得每个时刻的递归更新权重，根据递归更新权重和所述几何中心坡度偏差对每个时刻的流态评估指数进行递归更新；

26、流量积算与输出模块，用于根据所述流态评估指数判断工况，所述工况包括回水顶托工况和冲刷加速工况；在不同工况下，结合流态评估指数对预设的流态评估校正指数进行调整，获得每个时刻的实时流速折算系数；根据所述实时流速折算系数，结合所述水位值和表面流速值，获得每个时刻的实时流量值；将每个时刻的实时流量值和实时流速折算系数作为结果输出。

27、本发明还提出了一种明渠流量监测系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现任意一项所述一种明渠流量监测方法的步骤。

28、本发明具有如下有益效果：

29、本发明通过采样明渠的实时水位值和表面流速值，计算每个时刻的基准参考坡度，将流速维度的变化转化为坡度维度的偏差信号，为后续分析提供了坡度维度的参考基准。基于每个时刻下水位值的变化率，和预设的平均底坡与所述基准参考坡度之间的坡度偏差，构建每个时刻的二维坐标系。将一维的时序点列转化为二维的几何特征，实现对水流系统的信息解耦与特征提取。根据二维坐标系中每个时刻以及所有历史时刻数据构成的特征点集构建最小包围多边形，利用最小包围多边形的面积量化流态稳定性，利用最小包围多边形的几何中心坡度偏差量化回水偏差程度。这种几何化处理实现了对流态稳定性和回水偏差特征的有效分离。根据每个时刻最小包围多边形的面积和几何中心坡度偏差对每个时刻的流态评估指数进行递归更新。在面积过大，流态极不稳定时，降低递归更新权重并保持上一时刻的流态评估指数不变；仅在面积收敛，流态稳定时，才采纳此时的几何中心坡度偏差进行参数修正。有效剔除了高含沙水流、瞬时风浪、电子干扰等因素的影响。

30、基于每个时刻的流态评估指数判断明渠的工况并对实时流速折算系数进行动态调整，消除了固定系数模型在单站式明渠下对回水顶托工况和冲刷加速工况的流量计算误差。根据每个时刻的实时流速折算系数，水位值和表面流速值，获得每个时刻反映真实水力状态的实时流量值。最后将每个时刻的实时流量值和实时流速折算系数进行存储并上传至远程中心。

31、本发明利用几何算法从单站数据中解耦出流态稳定性与回水偏差特征，并据此建立抗干扰的参数修正机制，实现了低成本单站系统对复杂流态的高精度、高稳定性监测。