一种基于压差测量的河流流速监测装置、系统和方法与流程

1.本发明涉及一种基于压差测量的河流流速监测装置、系统和方法，是一种水文监测系统和方法，是一种不依赖公共无线通讯网络进行数据传输的监测系统和方法。


背景技术：

2.目前测定水体流速的原理基本是先确定参照物，例如岸边建筑物或树木等相对静止的物体为参照物，然后测量水体在单位时间内流经的距离，进而计算水体流速。目前水体流速监测方法有：浮漂法，基于多普勒原理的各种设备和仪器监测法。但不管哪种方法，都必须基于精确的定位，如果无法精确定位，就无法确定水体流经的距离。由于是测量流速，因此这里所述的定位必须是十分精确的工程定位，也就是说，如果是卫星定位就需要十分精确的厘米级工程定位数据(一般卫星定位误差在一米以上)，而精确的工程定位需要有地面标志配合。然而，在需要监测流速的河流上游，往往是高山峡谷的偏远地区，在这些人至罕见之地，很难设置地面标志，而在一些比较特殊的地区甚至根本无法设置地面标志，其卫星定位信号还经常受到干扰，无法对该地区的江河水文水资源进行正常测量，或测量数据不精确。进行江河水流监测的另一个问题是，如果将水流中漂浮的测量装置所测得的数据传输到地面。现在常用的方式是通过公共无线通讯网传输数据。但是在许多偏远地区，没有通常设立的无线通讯基站，或少量的无线通讯基站，致使无法将漂浮装置所获取的数据发送到数据处理中心。如何在无定位信号或者定位信号不稳定的情况下，以及没有公共无线通讯基站的情况下，对高原、山谷和特殊地区的河流进行水文水资源测量，是一个需要解决的问题。


技术实现要素：

3.为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种基于压差测量的河流流速监测装置、系统和方法。所述的监测系统和方法采用不依赖精确定位的压差测量装置测量水流流速，利用精度较低的卫星定位确定测量的位置，通过传递方式将测量数据传输至地面处理中心，实现了不依赖公共通讯网络的数据传输。
4.本发明的目的是这样实现的：一种基于压差测量的河流流速监测装置，包括：漂浮在水面的船体，所述的船体长宽比大于一，所述的船吃水以下的前端的迎水面和后端的背水面分别设置压力传感器，所述的船体中设有电子设备，所述的电子设备包括：与两个压力传感器连接的采集模块，所述的采集模块与带有存储器的数据处理模块连接，所述的数据处理模块与卫星定位模块和无线通讯模块连接；所述的数据处理模块中设有能够按如下公式进行船速计算的计算单元：
5.δv＝v
水
－v
船
[0006][0007]v船
＝av
水
－b。
[0008]
进一步的，所述的船体为前端尖头，后端平整的船体。
[0009]
进一步的，所述的船体为两端尖头的枣核形船体。
[0010]
进一步的，所述的无线通讯模块是4g或5g移动无线通信模块。
[0011]
进一步的，所述的无线通讯模块是物联网通信模块。
[0012]
进一步的，所述的物联网通信模块的通信协议是zigbee或polt。
[0013]
一种使用上述监测装置的基于压差测量的河流流速监测系统，包括，从河流上游按一定时间差放流的多个监测装置，所述的各个监测装置依放流次序传递组成无线通讯接力网，所述的无线通讯接力网与设置在地面的数据处理中心连接。
[0014]
一种使用上述系统的基于压差测量的河流流速监测方法，所述的方法包括如下步骤：
[0015]
步骤1，计算测量系数和构建关系式：在实验室中搭建模拟河流流道，模拟被测河流的水流状况，以各种水流的流速在模拟河流流道中放流监测装置，测量水流流速、装置流速、迎水面压力、背水面压力，通过公式计算测量系数c：
[0016][0017]
其中：p’迎
为模拟测量的迎水面压力；p’背
为模拟测量的背水面压力；v’水
为模拟测量的水流流速；v’船
为模拟测量的装置流速；
[0018]
构建水速和船速的关系式：以v
船
为纵坐标，v
水
为横坐标，代入v’水
、v’船
，构建v
水
和v
船
的函数关系曲线，进而推出v
水
、v
船
关系式：
[0019]v船
＝av
水
－b
[0020]
其中：a、b为线性回归系数；
[0021]
步骤2，启动：在河流上游选址设立基站，开启多个检测装置，建立各个监测装置以及数据处理中心之间的无线通讯网络；
[0022]
步骤3，放流：按一定时间间隔依次放流监测装置，并通过卫星定位确定各个监测装置的位置；
[0023]
步骤4，压力采样：按照一定的时间间隔进行压力采样，迎水面的压力传感器所测得的压力值为p
迎
，背水面的压力传感器所测得的压力值为：p
背
，同时记录采样点的卫星定位位置；
[0024]
步骤5，计算流速：计算单元按照如下公式计算流速：
[0025]
δv＝v
水
－v
船
[0026][0027]v船
＝av
水
－b；
[0028]
步骤6，传输：通过接力传递的方式即：第一个放流的监测装置将流速数据传给第二个放流的监测装置，第二个放流的监测装置将流速数据传给第三个放流的监测装置，直至将数据传输给地面上的数据处理中心；
[0029]
步骤7，记录和分析：数据处理中心收集各个监测装置发送的流速数据，根据各个监测数据中的定位确定各个流速数据在河流中的位置，以及采集时间，获取河流的整体流
速数据。
[0030]
本发明的优点和有益效果是：本发明利用漂流在水面的无动力测量船的船头和船尾的迎水面压力、背水面压力差测量出水流的流速，并通过无线通讯网将测量的数据传输至地面的数据处理中心。本发明可以在卫星定位信号和公共网络信号较差甚至没有的情况下，也能够测得水流数据，实现了不依赖卫星定位和公共通讯网络的数据传输。
附图说明
[0031]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0032]
图1是本发明实施例一所述检测装置的结构示意图；
[0033]
图2是本发明实施例一所述检测装置的原理框图；
[0034]
图3是本发明实施例二所述船体的形状示意图；
[0035]
图4是本发明实施例三所述船体的形状示意图；
[0036]
图5是本发明实施例七所述系统的示意图；
[0037]
图6是本发明实施例八所述方法的流程图；
[0038]
图7为本发明实施例八所述的图1船型的水速与船速的函数关系曲线。
具体实施方式
[0039]
实施例一：
[0040]
本实施例是一种基于压差测量的河流流速监测装置，如图1、2所示。本实施例包括：漂浮在水面的船体1，所述的船体长宽比大于一，所述的船吃水以下的前端的迎水面和后端的背水面分别设置压力传感器2、3，所述的船体中设有电子设备4，所述的电子设备包括：与两个压力传感器连接的采集模块，所述的采集模块与带有存储器的数据处理模块连接，所述的数据处理模块与卫星定位模块和无线通讯模块连接，所述的数据处理模块中设有能够按如下公式进行进行船速计算的计算单元：
[0041]
δv＝v
水
－v
船
[0042][0043]v船
＝av
水
－b。
[0044]
本实施例所述装置的主体是一个漂浮在水面的小船。小船的下半部分浸没在水中，上半部分露出水面，浸没在水中的船头和船尾分别设置测量水压的压力传感器。为了分出船头和船尾，本实施例所述的小船的船体形状是一种长条形的物体，也就是说，其长宽比大于一，这样才能保证船体在水中漂流时保持船体长方向与水流的方向一致。
[0045]
船体的形状可以是各种形状，如船体采用尖形船头，船尾平直，如图1所示，或者船头和船尾均为尖头的枣核型。为使船体能够较多的浸没在水中，可以在船体中设置压舱物，压舱物可以是容量较大的充电电池，为船体中安装的各种设备提供充足的电力。
[0046]
压力传感器应采用精度较高，较为灵敏的传感器，可以采用何种类型的压力传感器。
[0047]
本实施例采用的采集模块可以是各种类似的数据采集模块，或简单的采用数字压力传感器，并直接将数字压力信号输送给数据处理模块处理模块。
[0048]
卫星定位模块可以是北斗卫星定位或者是gps卫星定位模块。
[0049]
无线通讯模块可以是通用通讯模块，即使用公共无线通讯网的手机通讯模块，可以是2g、3g、4g、5g等各种通讯网络模块，视被监测河流当地无线通讯环境而确定。
[0050]
为解决当地没有无线通讯网络的问题，无线通讯模块可以采用现有物联网的自组网通讯模块，如：wifi、zigbee、polt等通讯模块，这样的无线通讯模块可以采用接力的方式，将几公里，甚至数十公里之外的信号传回地面的数据处理。
[0051]
本实施例所述的数据处理模块是一种具有存储和计算处理能力的电子设备，如：工业pc、单片机、mpu、soc等，其中设有能够按如下公式进行进行船速计算的计算单元，计算单元可以是软件，也可以是按如下公式专门设计的硬件芯片：
[0052]
δv＝v
水
－v
船
[0053][0054]v船
＝av
水
－b。
[0055]
实施例二：
[0056]
本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于船体的细化。本实施例所述的船体为前端尖头，后端平整的船体，如图3所示。
[0057]
本实施例所述船体是一种比较普通的船型，比较容易制造，特别是船舱较大，可以容纳较多的设备。另外，还可以在船的四周设置喷水器，这样在可以利用动力改变船的运动状态，由无动力的漂流变为能够调整船的运动方向，使小船能够按照预先设定的监测路线行驶。
[0058]
实施例三：
[0059]
本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于船体的细化。本实施例所述的船体为两端尖头的枣核形船体，如图4所示。
[0060]
本实施例的船体形状是一种在水流中阻力较小的形状，这样设置的目的是减少小船在水体中运动产生的紊流，干扰测量。
[0061]
实施例四：
[0062]
本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于无线通讯模块的细化。本实施例所述的无线通讯模块是4g或5g移动无线通讯模块。
[0063]
4g或5g移动无线通讯模块，即：手机蜂窝通讯所使用的公共无线通信网所使用通讯模块，这种模块通信通常需要手机运营商所提供的sim卡，相当于一部手机，或手机运营商所提供的专门数据通道。这种通讯模块链接方便，信号通常比较强，不易丢失数据，饭功率较大，耗能也较大，并且依赖公共通讯网络，在一些经济发达地区较为适用。
[0064]
实施例五：
[0065]
本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于无线通讯模块的细化。本实施例所述的无线通讯模块是物联网通信模块。
[0066]
物联网通讯模块有多种通讯协议，需要专门的硬件，而不依赖与公共通讯网络，自己就可以组网，并且具有较高的抗干扰能够，能够准确的进行数据传输，如果在加上一些在传输中特殊的收发方式，只要不是长时间断网，基本不用担心丢掉数据的问题。
[0067]
不依赖公共通讯网的物联网通讯协议常用的有：wifi、zigbee、plot等。
[0068]
实施例六：
[0069]
本实施例是实施例五的改进，是实施例五关于物联网通讯模块的细化。本实施例所述的物联网通信模块的通信协议是zigbee或polt。
[0070]
zigbee或polt是两种低功耗，远距离的数据传输协议，是一种窄带的简单数据传输协议。这两种协议需要配置专门的硬件设施，完全不依赖公共移动通信网络，特别适用于人烟稀少的偏远地区，
[0071]
实施例七：
[0072]
本实施例是一种使用实施例六所述监测装置的基于压差测量的河流流速监测系统，如图5所示。本实施例包括，从河流01上游按一定时间差放流的多个监测装置02，所述的各个监测装置依放流次序传递组成无线通讯接力网03，所述的无线通讯接力网与设置在地面的数据处理中心连接04。
[0073]
本实施例所述的系统是一种不依赖公共通讯网进行数据传输的系统，可以利用自身的通讯模块通过接力的方式将信号从前端发送到后端并连接到地面的数据处理中心。
[0074]
所述的数据处理中心可以是一个或几个服务器，并带有存储大量数据的存储器，如盘阵等大型存储器。数据处理中心通常要安装数字地图，至少应当有被监测河流的数字地图，以便将各个小船所发出的精确位置标注在数字地图中，同时通过数字地图确定小船是在需要进行水流流速监测的位置，如河流的中心线位置。如果没有需要测量流速的位置，可以通过启动喷水器人为的改变小船的运动，使其达到需要的测量位置。
[0075]
实施例八：
[0076]
本实施例是一种使用实施例七所述系统的基于压差测量的河流流速监测方法。所述河流流速监测方法的主要过程是，首先在实验室中确定测量系数，这个测量系数与小船的形状有关，因此可以在实验室中进行检测和计算，之后在被监测河流上游设置进行监测的基站，在将多个监测装置(小船)组网，组网后即将小船以此放流，使多个小船按照一定的间隔向下游漂流，漂流过程中案一定的步长进行水压参数取样，并计算出流速，之后由卫星进行定位，确定取样点，再将这些数据通过由下游到上游的无线通信网进行接力传递，达到设置在地面的数据处理中心，经过数据处理中心的处理之后，就可以得到整条河流的流速情况。通过这个方式即可以不达到下游地区，也能够得到下游地区的河流流速分布。
[0077]
本实施例所述的方法具体包括如下步骤，流程如图6所示：
[0078]
步骤1，计算测量系数和构建关系式：在实验室中搭建模拟河流流道，模拟被测河流的水流状况，以各种水流的流速在模拟河流流道中放流监测装置，测量水流流速、装置流速、迎水面压力、背水面压力，通过公式计算测量系数c：
[0079][0080]
其中：p’迎
为模拟测量的迎水面压力；p’背
为模拟测量的背水面压力；v’水
为模拟测量的水流流速；v’船
为模拟测量的装置流速。带有
“’”
的含义是在模拟实验时所计算的测量参数。
[0081]
首先，在实验室中搭建与被测河流相似的模拟流道，以模拟真实的河流流道，包括流量、各种流速，水流的流动状况。使用模拟流道的理论基础是，使用压力进行流速测量主
要与小船(监测装置)的外形有关，与流道关系不大。因此可以使用模拟流道进行关键的测量系数c的测量。
[0082]
公式的推导：
[0083]
1.当为匀速状态时，船的受力平衡：
[0084]
p
背a阻
f
摩-p
迎a阻
＝0
[0085]f摩
＝τ
摩a摩
[0086]
其中：a
阻
为船在垂直于流速方向上的阻水投影面积；a
摩
为船在沿流速方向与水的摩擦面积；
[0087]
τ
摩
为在沿水流方向上切应力。
[0088]
2.根据流体对边界的切应力计算公式：
[0089][0090]
以船为参考系，水相对于船的流速为：
[0091]
δv＝v
水
—v
船
[0092]
其中f为阻力系数，在水处于紊流状态，f为待定常数。
[0093][0094]
令：
[0095]
则有：
[0096][0097]
c为测量系数。
[0098]
其次：构建水速和船速的关系式：以v
船
为纵坐标，v
水
为横坐标，代入v’水
、v’船
，构建v
水
和v
船
的函数关系曲线，进而推出v
水
、v
船
关系式：
[0099]v船
＝av
水
－b
[0100]
其中：a、b为线性回归系数。
[0101]
如图7所示，为图1船型的水速与船速的函数关系曲线，经线性回归后得到公式：
[0102]v船
＝0.7811v
水-0.0047。
[0103]
步骤2，启动：在河流上游选址设立基站，开启多个检测装置，建立各个监测装置以及数据处理中心之间的无线通讯网络。
[0104]
组网可以在小船下水前进行，以便测试信号的强度，以及实现数据传输的时效性。小船通常可以按照放流的顺序进行编号，以便通过编号确定小船的身份，达到精确测量的目的。
[0105]
步骤3，放流：按一定时间间隔依次放流监测装置，并通过卫星定位确定各个监测装置的位置。
[0106]
放流通常需要一定的时间间隔，这一间隔主要根据小船下水时河流的流速，流速越快小船下水的时间间隔越短，反之越长。两只小船之间的距离应维持在几百米，太远则会
失去联系，太近这需要较多的小船，增加成本。
[0107]
步骤4，压力采样：按照一定的时间间隔进行压力采样，迎水面的压力传感器所测得的压力值为p
迎
，背水面的压力传感器所测得的压力值为：p
背
，同时记录采样点的卫星定位位置。
[0108]
采样的时间间隔通常根据测量的需要，取样的时间间隔越短的数据量越大，所需要的运算资源越多，成本越高。因此，所设定的采样时间间隔通常要考虑数据的精确性，同时考虑运算资源和成本。
[0109]
对应个各个采样点，需要进行位置确定，即使用卫星定位的方式，将各个压力采样点进行定位，以便确定所测得的流速数据的位置，并标注在数字地图中。
[0110]
步骤5，计算流速：计算单元按照如下公式计算流速：
[0111]
δv＝v
水
－v
船
[0112][0113]v船
＝av
水
－b。
[0114]
流速的计算使本实施例的关键，采用一种实现测定的测量系数，以及船头和船尾的当前测量水的压力，并通过计算获得水流的流速。
[0115]
步骤6，传输：通过接力传递的方式即：第一个放流的监测装置将流速数据传给第二个放流的监测装置，第二个放流的监测装置将流速数据传给第三个放流的监测装置，直至将数据传输给地面上的数据处理中心。
[0116]
由于本实施例采用的无线通信协议是zigbee、plot及其相应的硬件设施，因此其无线通讯完全不依赖公共通讯网络，而是自己通过接力传递的方式，将采集的数据传输至数据处理中心。因此，应十分注意网络的链接，一旦断网，应当快速的调整小船的位置，使其再次链接，避免长时间断网。
[0117]
步骤7，记录和分析：数据处理中心收集各个监测装置发送的流速数据，根据各个监测数据中的定位确定各个流速数据在河流中的位置，以及采集时间，获取河流的整体流速数据。
[0118]
可以通过数字地图的方式，也可以列表的方式输出数据。
[0119]
最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案(比如小船的形式、各种设备的选型和安装、各种公式的运用、步骤的先后顺序等)进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。