专利名称：利用多个水位遥控检测装置自动绘制河流水面线的方法
技术领域：
本发明涉及用计算机计算河流水面线的方法，特别是用水位自动遥测装置自动计算河流的水面线的方法，为防洪、航运等提供水情信息工作的技术领域。
背景技术：
天然河道水面线是江河自由水面沿程各个断面高程的连线。天然河道水面线的推算是水力学的经典问题，对于河道防洪、水库淹没有极其重要的意义。目前计算天然河道水面线是的方法一般采用能量法，这种方法的前提是假定计算河段的流态符合渐变流的形态，水力要素随时间的变化很缓慢，即认为天然河道的水流运动在一定时间内是恒定非均
勻流。计算恒定流一般采用伯诺里方程，通过二分法试算求解，即 γ}J/2
Z2+a2 — = Zl^al — + hf + A ■(1)
2g 2g
式(1)中符号的下表1、2分别代表同一河段的下游断面和上游断面；~为沿程水头损失，为局部水头损失，.、=水72g-； ^
为局部阻力系数，对于收缩河段采用 = 0，对于扩散河段，可以根据实际情况选取。然而，由于季节、水位、河床等信息的差异会引起参数的极大变动，想根据某一点的水位信息来计算整个河流的水面线是相当复杂的。因此，我们把重点放在水位检测点的科学合理布局上，尽量在河流的关键位置设立水位检测点(例如在水流、河床特征信息差别不大的河段，有支流汇入点的下游，或者有分叉的上游等布点原则)，通过水位点的实际数据配合相关参数来计算河流水面线。同时，大规模的水文数据远程自动测报系统，可以有效提高水雨情实时监测的站点密度和覆盖面，大大提高报汛的时效性，可增加洪水预报的有效预见期和预报精度，争取了防汛的主动性，能在防汛工作中发挥重要作用，同时也为船舶航行的航道、船舶货运的重
量提供重要参考。
发明内容
本发明的目的是针对河流水位自动遥测需要，设计开发了水位自动检测和无线发送装置，同时具备GPS定位功能，而且可以通过多个水位检测点的数据及时计算出河流的水面线，以方便航务部门和水利部门对河流水位的远程即时的监控。本发明的技术解决方案是这样实现的
根据河流实际情况，在河段上安装多个水位遥控检测装置； 水位遥控检测装置采集水位传感器数据和GPS位置数据，并进行分析、保存； 水位遥控检测装置通过GPRS模块采用无线连接方式与管理中心计算机连接，传输水位数据和GPS数据到管理中心计算机，并接收和执行管理中心计算机下传的指令；
管理中心计算机安装数据接收配套软件，实时接收水位遥控检测装置上传的信息并保存在数据库中；
管理中心计算机安装数据处理绘图配套软件，定期从数据库中取出最新的数据，并分析计算，得出河流的水面数据，并根据这些数据来绘制河流水面线。本方法还包括除了绘制河流水面线以外，还可以对河流水位进行远程实时监测， 供航运和水利部门使用。以上所述的带GPS定位的水位遥控检测装置，包括嵌入式控制中心、水位检测传感器、GPS定位模块、GPRS无线通信模块和工作电源模块，其中在嵌入式控制中心的控制板上设有两个RS232串口、直流电源接口、传感器接口 ；工作电源通过直流电源接口与嵌入式控制中心连接，GPS模块通过RS232串口与嵌入式控制中心连接，GPRS模块通过RS232串口与嵌入式控制中心连接，水位监测传感器通过传感器接口与嵌入式控制中心连接，嵌入式控制中心还设有复位电路和供电电源。嵌入式控制中心可以是单片机，或者是微处理器。管理中心计算机是一台带公网IP的计算机，安装了数据库管理系统。GPRS无线通信模块是一种基于GPRS网络、内嵌完整TCP/IP协议的无线调制解调器，与管理中心计算机实现无线连接和通讯。水位检测传感器为压力传感器，它通过一个带钢针的防沙钢桶固定在河道的水面以下，通过电缆与嵌入式控制中心连接。工作电源是直流电源，包括太阳能电池板与蓄电池组合的电源或者蓄电池或交流电源经转换后的直流电源。嵌入式控制中心与水位检测传感器连接，可以实时采集水位检测传感器从检测点传输的数值，并转换为水面值存储。嵌入式控制中心与GPS模块连接，实时接收GPS位置信息，并与上一次保存的信息对比，如果位置变化大于原来设定的值，就向系统发送移动报警的信息，起防盗作用。嵌入式控制中心与GPRS模块连接，通过GPRS模块与管理中心计算机无线连接，向管理中心计算机上传水位数据和GPS位置数据。管理中心计算机上安装了数据接收配套软件，可以接收并保存对河流水位进行远程实时监测的值，监测的内容包括装置的实际位置、记录装置检测的水位值和检测时间、 列举装置检测水位的历史记录、为航道管理提供水位信息等。软件对接收到的数据进行有效性判断，对有效的数据保存到数据库，对每分钟发送10次以上无效数据的当作网络攻击，断开这个连接如干分钟内不许重连。上述的数据接收配套软件是一种基于C++语言，自行开发、适用于该方法的软件， 具备数据有效性判断、快速保存和防止攻击功能。管理中心计算机上安装了数据处理绘图配套软件，它在设定间隔T (一般取10)分钟执行一次计算，自动计算并绘制河流水面线，方法包括下列步骤
(1)、从数据库调取系统配置参数，参数内容包括水面点位置、与之关联点的水位点编号、关联水位范围和关联系数；
(2)、从数据库调取最新的水位点信息，根据水位点编号和水位范围，从第(1)步的数据中找到符合条件的关联点信息和关联系数；
(3)、根据关联系数计算得到最新水位值，把这些值连同关联点信息一起存入数据库，并写入时间字段区别是什么时候的水面数据值。(4)、读取某个时间的水面数据值和对应的位置信息，在绘图软件上以X、Y轴表示位置，Z轴表示水面高程，把这些点连接起来就是河流的水面线。(5)、河流两边河提的位置和高程是固定的，把这些值在绘图软件上绘制就成为了河提线，水面线可以与河提线从任意角度进行比较，全面了解河流水面的情况。上述的数据处理绘图配套软件是一种基于C++语言，自行开发、适用于该方法的软件，可以从数据库中取出最新的数据，并分析计算，得出河流的水面数据，并根据这些数据来绘制河流水面线。软件的功能分为输入、输出，数据转换，绘图三部分。(1)输入、输出输入包括读取测量原始数据、读取转换好的数据、打开图形文件、载入模板等；输出包括保存转换好的数据、保存模板、保存图形文件、打印图形文件等。( 数据转换数据转换就是将原始数据经过计算处理，转换为可直接用于绘图的数据的过程。载入了原始数据后，然后将它们转换为可用于直接绘图的数据。(3)绘图绘制的图形分为河提线和水面线两部分，河提线绘制河提位置和高程，给水面线提供参考；而水面线用来绘制水面线图。根据需要，还可以设置图形的属性，比如线型和宽度，线的颜色等。运行软件，一次读取原始数据，进行数据转换，并将转换结果保存起来，然后读取转换后的数据，根据实际的需要绘制河流水面线，并设置图形属性，最后保存图形文件，也可以打印图形文件。
本发明的有益效果是
1、本发明的带GPS定位的水位自动遥测装置，可以利用多个水位遥测装置将水位数据和位置数据上传到中心服务器，自动计算河流的水面线，为防洪、航运等提供数据，能够应用于各级水利、水文、航运部门的水情信息工作领域。2、方便航务部门和水利部门对河流水位的远程实时监控。采用该装置，管理部门在办公室就能实时查看河流关键点的水位，查看水位的历史记录，根据水位的历史记录分析水位的变化规律。3、自备绿色稳定电源采用太阳能供电，即节约能源，也能保证设备电压的稳定。4、采用不间断无人值守工作系统部不间断工作，能实现无人值守的水位监测， 且时时记录检测结果，保留水位的历史记录，为分析水位的变化提供了参考。5、位置监控实时发送装置的位置，避免了设备的被盗。6、可以对整个河流的水面线进行显示和分析，为防洪和航运提供全面直观的数据。
图1为本发明水位自动遥测装置结构框架图； 图2为本发明水位自动遥测装置工作流程示意图； 图3为本发明水位自动遥测装置电路原理图4为本发明总的工作流程示意图； 图5为本发明自动绘制的河流水面线图；图5中，1和2代表河岸线，3代表水面线。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
进一步说明本发明。实施例1
下面结合附图和具体实施方式
进一步说明本发明。1、参照图1，利用多个水位遥测检测装置自动绘制河流水面线的方法，该方法通过水位自动遥测装置进行检测，所述水位自动遥测装置由嵌入式控制中心(1)、工作直流电源 (2. )、GPRS模块(3. )、GPS模块(4)、水位压力传感器(5)、远程管理中心计算机(6)组成， 其工作步骤如下
a、本装置封装在金属箱体内，通过屏蔽电缆与水位传感器和太阳能电源连接。b、嵌入式控制中心与工作电源模块连接，供电后嵌入式控制中心开始工作，循环检测各种模块参数变化，计算分析检测结果并把信息发送到远程管理中心计算机，同时接收远程管理中心计算机的控制指令并执行；
C、嵌入式控制中心与水位检测传感器连接，实时采集水位检测传感器检测的水深值， 对采集的数值分析判断，如果后一次收到的数值B与前一次收到的数值A比较相差较大，暂时不发送，先临时存储下来，等待采集水位检测传感器下一个数值C再比较；如果A与C的值相差不大，就舍弃B，否则两个值B和C连同收到的时间一起发送到服务器；
d、嵌入式控制中心与GPS模块连接，实时接收GPS位置信息，并与上一次保存的信息对比，如果位置变化大于原来设定的值，就向系统发送移动报警的信息，起防盗作用；
e、嵌入式控制中心与GPRS模块连接，通过GPRS与管理中心计算机无线连接，向中心服务器上传水位数据和GPS位置数据；模块具备自动连接功能，断线后可以自动重新连接到管理中心计算机。2、管理中心计算机是一台带公网IP的计算机，安装了 Mysql数据库系统和数据接收配套软件，可以接收并保存对河流水位进行远程实时监测的值，监测的内容包括装置的实际位置、记录装置检测的水位值和检测时间、列举装置检测水位的历史记录、为航道管理提供水位信息等。软件对接收到的数据进行有效性判断，对有效的数据保存到数据库，对每分钟发送10次以上无效数据的当作网络攻击，断开这个连接30分钟内不许重连。上述数据接收配套软件是一种基于C++语言，自行开发、适用于该方法的软件，具备数据有效性判断、快速保存和防止攻击功能。3、计算水面线的具体方法如下
我们必须把重点放在水位检测点的科学合理布局上，尽量在河流的关键位置设立水位检测点(例如在水流、河床特征信息差别不大的河段，有支流汇入点的下游，或者有分叉的上游等布点原则)。首先，根据河流特点，由相关的经验丰富的专业人员根据河流河床情况，按照三角形定位原则，选择适合布置水位点的地方。其次，选择地方后，需要不断测试验证水位点的有效控制范围(即与上下游水位变化的联动系数)。然后，建立每个点的控制范围(以河流里程桩为基准)，联动变化系数，并把这些数据记录到后台数据库，不断通过实际应用来提高参数的准确性。最后，管理中心计算机上安装并运行了数据接收配套软件，它每隔10分钟执行一次，自动计算并绘制河流水面线，步骤如下
(1)、从数据库调取系统配置参数，参数内容包括水面点位置、与之关联点的水位点编号、关联水位范围和关联系数；
(2)、从数据库调取最新的水位点信息，根据水位点编号和水位范围，从第(1)步的数据中找到符合条件的关联点信息和关联系数；
(3)、根据关联系数计算得到最新水位值，把这些值连同关联点信息一起存入数据库， 并写入时间字段区别是什么时候的水面数据值。(4)、读取某个时间的水面数据值和对应的位置信息，在常用的绘图工具上以X、Y 轴表示位置，Z轴表示水面高程，把这些点连接起来就是河流的水面线。(5)、河流两边河提的位置和高程是固定的，把这些值在绘图工具上绘制就成为了河提线，水面线可以与河提线从任意角度进行比较，全面了解河流水面的情况。上述数据处理绘图配套软件是一种基于C++语言，自行开发、适用于该方法的软件，可以从数据库中取出最新的数据，并分析计算，得出河流的水面数据，并根据这些数据来绘制河流水面线。
权利要求
1.利用多个水位遥控检测装置自动绘制河流水面线的方法，其特征在于，包括以下步骤根据河流实际情况，在河段上安装多个水位遥控检测装置；水位遥控检测装置采集水位传感器数据和GPS位置数据，并进行分析、保存；水位遥控检测装置通过GPRS模块采用无线连接方式与管理中心计算机连接，传输水位数据和GPS数据到管理中心计算机，并接收和执行管理中心计算机下传的指令；管理中心计算机安装数据接收配套软件，实时接收水位遥控检测装置上传的信息并保存在数据库中；管理中心计算机安装数据处理绘图配套软件，定期从数据库中取出最新的数据，并分析计算，得出河流的水面数据，并根据这些数据来绘制河流水面线。
2.根据权利要求1所述的利用多个水位遥控检测装置自动绘制河流水面线的方法，其特征在于水位遥控检测装置包括嵌入式控制中心、水位检测传感器、GPS定位模块、GPRS 无线通信模块和工作电源模块，其中在嵌入式控制中心的控制板上设有两个RS232串口、 直流电源接口、传感器接口 ；工作电源通过直流电源接口与嵌入式控制中心连接，GPS模块通过RS232串口与嵌入式控制中心连接，GPRS模块通过RS232串口与嵌入式控制中心连接， 水位监测传感器通过传感器接口与嵌入式控制中心连接。
3.根据权利要求1所述的利用多个水位遥控检测装置自动绘制河流水面线的方法，其特征在于管理中心计算机是一台带公网IP的计算机，安装了数据库管理系统。
4.根据权利要求2所述的利用多个水位遥控检测装置自动绘制河流水面线的方法，其特征在于嵌入式控制中心可以是单片机，或者是微处理器。
5.根据权利要求2所述的利用多个水位遥控检测装置自动给出河流水面线的方法，其特征在于GPRS无线通信模块是一种基于GPRS网络、内嵌完整TCP/IP协议的无线调制解调器，与管理中心计算机实现无线连接和通讯。
6.根据权利要求2所述的利用多个水位遥控检测装置自动绘制河流水面线的方法，其特征在于水位检测传感器为压力传感器，它通过一个带钢针的防沙钢桶固定在河道的水面以下，通过电缆与嵌入式控制中心连接。
7.根据权利要求2所述的利用多个水位遥控检测装置自动绘制河流水面线的方法，其特征在于所述工作电源是直流电源，包括太阳能电池板与蓄电池组合的电源或者蓄电池或交流电源经转换后的直流电源。
8.根据权利要求1所述的利用多个水位遥控检测装置自动绘制河流水面线的方法，其特征在于得出河流的水面数据的步骤如下(1)、从数据库调取系统配置参数，参数内容包括水面点位置、与之关联点的水位点编号、关联水位范围和关联系数；(2)、从数据库调取最新的水位点信息，根据水位点编号和水位范围，从第(1)步的数据中找到符合条件的关联点信息和关联系数；(3)、根据关联系数计算得到最新水位值，把这些值连同关联点信息一起存入数据库， 并写入时间字段区别是什么时候的水面数据值。
9.根据权利要求1所述的利用多个水位遥控检测装置自动绘制河流水面线的方法，其特征在于绘制河流水面线的方法是读取某个时间的水面数据值和对应的位置信息，在绘图软件上以X、Y轴表示位置，Z轴表示水面高程，把这些点连接起来就是河流的水面线。
全文摘要
一种利用多个水位遥控检测装置自动绘制河流水面线的方法，是在河段上安装多个水位遥控检测装置；水位遥控检测装置采集水位传感器数据和GPS位置数据，并进行分析、保存；水位遥控检测装置通过GPRS模块采用无线连接方式与管理中心计算机连接，传输水位数据和GPS数据到管理中心计算机；管理中心计算机安装数据接收配套软件，实时接收水位遥控检测装置上传的信息并保存在数据库中；管理中心计算机安装数据处理配套软件，定期从数据库中取出最新的数据，并分析计算，得出整条河流的水面数据，并根据这些数据来绘制河流水面线。应用本发明，可以方便航务部门和水利部门对河流水位的远程实时监控，把得出的水面线与河堤线比较，对防洪起到十分重要的作用。
文档编号G01F23/14GK102419196SQ20111025816
公开日2012年4月18日 申请日期2011年9月2日 优先权日2011年9月2日
发明者崔更申, 李文勇, 陈向进 申请人:广西远长公路桥梁工程有限公司