一种根据水位智能切换的声层析江河流量监测系统及方法与流程

本发明涉及江河流量监测领域，特别是涉及一种根据水位智能切换的声层析江河流量监测系统及方法。

背景技术：

1、流量测量在江河湖海水文水利工程中是最基本的、最重要的测量工作之一。江河流域流量测量数据是水利水文调查、水利工程设计、防汛指挥决策、水资源调度的主要依据，是水生态环境保护、水利运输能力评估、河床冲刷演变分析、陆源碳输运精算等研究中不可缺少的数据基础，在水利水资源、水旱灾害防御、水利发电、数字孪生智慧体系等重大工程建设中起到举足轻重的作用。

2、传统的流量监测手段，往往无法对整个河流断面进行直接观测，只能监测到几个代表测点或代表测线上的流速，然后推算整个断面上的流速和流量情况。这种以局部代替整体的测量方法，往往存在较大误差，且对监测站点的水流状况要求很高，局限性比较大。

3、河流声层析测流技术可以直接对整个河流断面进行监测，在流态复杂的站点也能实现准确的流量测量。但声层析系统主机与换能器之间的弱信号传输对线缆长度有限制。而实际应用场景中，很多河道有宽阔的河漫滩和很大的水位变幅，声层析设备安装困难，无法实现全水位变幅的流量监测，这限制了声层析测流技术的应用。此外，水位或水面变幅过大，也会使得声层析系统监测盲区变大，对测流精度造成不利影响。

4、因此，亟需一种根据水位智能切换的声层析江河流量监测系统及方法，能够解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种根据水位智能切换的声层析江河流量监测系统及方法，以解决上述现有技术存在的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明提供一种根据水位智能切换的声层析江河流量监测系统，包括低水声基站组、中水声基站组、高水声基站组、全变幅水位计和监测平台，所述低水声基站组、所述中水声基站组、所述高水声基站组和所述全变幅水位计均与所述监测平台建立无线连接。

4、优选地，所述低水声基站组、所述中水声基站组和所述高水声基站组均包括至少两个水声基站，所述水声基站包括水声换能器、主机、gnss天线、通讯天线和太阳能供电模块，所述水声换能器、所述gnss天线、所述通讯天线和所述太阳能供电模块均与所述主机建立连接。

5、本发明还提供一种根据水位智能切换的声层析江河流量监测方法，包括以下步骤：

6、s1.根据历史最低水位和历史最高水位安装低水声基站组、中水声基站组、高水声基站组；

7、s2.全变幅水位计实时监测自历史最低水位至历史最高水位全变幅的水位变化；

8、s3.在监测平台上配置各个水声基站的启用水位阈值，当水位高于阈值时，平台向对应的水声基站下发开始工作指令，水声基站进入工作模式；当水位低于阈值时，平台向对应的水声基站下发停止工作指令，水声基站进入休眠模式，等待水位上涨后再次唤醒工作；

9、s4.由gnss时间同步信号触发水声基站的测流信号，当洪水淹没本站的天线接收不到gnss时间同步信号时，该水声基站自动停止测流信号的发射和接收；等待水位下降，时间同步信号恢复后，该水声基站自动开始发射和接收测流信号；

10、s5.处于正常工作状态的水声基站完成信号收发和数据采集后，将数据通过无线网络发送到监测平台；

11、s6.监测平台自动匹配正常工作的水声基站数据，完成两两水声基站之间沿测线方向平均流速的计算；

12、s7.将各测线流速换算为断面平均流速，然后通过数据融合算法整合可用测线的流速结果，自动跳过未工作声基站的数据；

13、s8.结合实时水位数据和断面地形计算断面面积，与步骤s7所得的流速相乘，得到流量监测结果。

14、优选地，步骤s1中，低水声基站组的安装方法为：将低水声基站组的换能器安装于历史最低水位以下的合适位置，然后在线缆可达的范围内选择尽量高的位置安装主机、天线和供电模块，主机、天线和供电模块均采用水密设计。

15、优选地，步骤s1中，高水声基站组的安装方法为：将高水声基站组的主机、天线和供电模块安装于历史最高水位以上的合适位置，然后在线缆可达的范围内选择尽量低的位置安装换能器，换能器用防晒布覆盖保护，防晒布连接浮子，随水位上涨，浮子自动掀起防晒布。

16、优选地，步骤s1中，中水声基站组的安装方法为：在历史最低水位和最高水位之间布设多个中水声基站组，其主机、天线和供电模块均采用水密设计，换能器用带浮子的防晒布覆盖保护，确保相邻较低的中水声基站组的天线安装高程高于较高的中水声基站组的换能器安装高程。

17、优选地，步骤s2中，所述全变幅水位计采用浮子水位计、压力水位计、气泡水位计或雷达水位计。

18、优选地，步骤s6中，平均流速的计算方法为：

19、s61.测线一端的水声基站a到另一端的水声基站b的间距为r，测量声波从水声基站a传播到水声基站b所需的时间为：

20、

21、s62.测量声波从水声基站b传播到水声基站a所需的时间为：

22、

23、s63.计算沿测线方向的平均流速为：

24、

25、其中，c为声波的速度，u为水流的速度。

26、优选地，步骤s7中，数据融合算法包括加权平均算法和/或卡尔曼滤波算法。

27、本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

28、本发明提供的一种根据水位智能切换的声层析江河流量监测系统及方法，系统包括低水声基站组、中水声基站组、高水声基站组、全变幅水位计和监测平台，所述低水声基站组、所述中水声基站组、所述高水声基站组和所述全变幅水位计均与所述监测平台建立无线连接；采用声层析技术直接测量整个测流断面的流速和流量，突破地理和环境条件对常规流量监测手段的限制，在复杂的断面流态和工况条件下都能实现准确的流量测量，通过高低水声基站组合并智能控制切换工作，可以突破系统线缆长度对站点地理环境要求的限制，扩展声层析测流技术的应用范围，同时，高低水声基站组合可以使测流信号更均匀地分布在监测区域水体空间，有助于提高截面平均流速测量的精度，特别适合在大水位变幅或大水面变幅场景的精确流量监测。

技术特征：

1.一种根据水位智能切换的声层析江河流量监测系统，其特征在于：包括低水声基站组、中水声基站组、高水声基站组、全变幅水位计和监测平台，所述低水声基站组、所述中水声基站组、所述高水声基站组和所述全变幅水位计均与所述监测平台建立无线连接。

2.根据权利要求1所述的根据水位智能切换的声层析江河流量监测系统，其特征在于：所述低水声基站组、所述中水声基站组和所述高水声基站组均包括至少两个水声基站，所述水声基站包括水声换能器、主机、gnss天线、通讯天线和太阳能供电模块，所述水声换能器、所述gnss天线、所述通讯天线和所述太阳能供电模块均与所述主机建立连接。

3.一种根据水位智能切换的声层析江河流量监测方法，其特征在于：包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的根据水位智能切换的声层析江河流量监测方法，其特征在于：步骤s1中，低水声基站组的安装方法为：将低水声基站组的换能器安装于历史最低水位以下的合适位置，然后在线缆可达的范围内选择尽量高的位置安装主机、天线和供电模块，主机、天线和供电模块均采用水密设计。

5.根据权利要求3所述的根据水位智能切换的声层析江河流量监测方法，其特征在于：步骤s1中，高水声基站组的安装方法为：将高水声基站组的主机、天线和供电模块安装于历史最高水位以上的合适位置，然后在线缆可达的范围内选择尽量低的位置安装换能器，换能器用防晒布覆盖保护，防晒布连接浮子，随水位上涨，浮子自动掀起防晒布。

6.根据权利要求3所述的根据水位智能切换的声层析江河流量监测方法，其特征在于：步骤s1中，中水声基站组的安装方法为：在历史最低水位和最高水位之间布设多个中水声基站组，其主机、天线和供电模块均采用水密设计，换能器用带浮子的防晒布覆盖保护，确保相邻较低的中水声基站组的天线安装高程高于较高的中水声基站组的换能器安装高程。

7.根据权利要求3所述的根据水位智能切换的声层析江河流量监测方法，其特征在于：步骤s2中，所述全变幅水位计采用浮子水位计、压力水位计、气泡水位计或雷达水位计。

8.根据权利要求3所述的根据水位智能切换的声层析江河流量监测方法，其特征在于：步骤s6中，平均流速的计算方法为：

9.根据权利要求3所述的根据水位智能切换的声层析江河流量监测方法，其特征在于：步骤s7中，数据融合算法包括加权平均算法和/或卡尔曼滤波算法。

技术总结
本发明提供了一种根据水位智能切换的声层析江河流量监测系统及方法，系统包括低水声基站组、中水声基站组、高水声基站组、全变幅水位计和监测平台，低水声基站组、中水声基站组、高水声基站组和全变幅水位计均与监测平台无线连接；采用声层析技术直接测量整个测流断面的流速和流量，突破地理和环境条件的限制，在复杂的断面流态和工况条件下都能实现准确的流量测量，通过水声基站组合并智能控制切换工作，可以突破线缆长度对站点位置的限制，扩展声层析测流技术的应用范围，同时，水声基站组合可以使测流信号更均匀地分布在监测区域水体空间，有助于提高截面平均流速测量的精度，特别适合在大水位变幅或大水面变幅场景的精确流量监测。

技术研发人员：丁永清,田爱民,刘华锋,黄培鸿,张叔安,邓伟清,吴宇浩,高鑫,严观生,刘昌
受保护的技术使用者：广州远动信息技术有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15