输水建筑物过流能力监测系统

本发明涉及水利工程，具体涉及输水建筑物过流能力监测系统。

背景技术：

1、跨地区、跨流域的大型明渠调水工程能够保证沿线的生产和生活用水，显著改善沿线居民的用水水质和区域生态环境，直接受益人口众多，具有重大社会效益和经济效益。

2、而对于单个的输水建筑物而言，在大流量输水期间输水渡槽及渠道倒虹吸的上下游出现局部流态紊乱等现象，同时在长距离输水工程中，由于布设水位流量等监测设备缺乏以及精度不高，无法对输水建筑物的过流能力及流态状况进行有效监测和评价。

3、因此，为了给长距离明渠输水工程运行管理及调度提供可靠的信息，更便捷的监视渠道段的安全运行，反映渠段的工作状况，对可能发生的险情提前预报，有必要设计一种输水建筑物过流能力监测系统，来及时掌握渠道段的水情综合状况以及探究继续提升输水能力。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种输水建筑物过流能力监测系统，以解决现有技术无法确定各目标输水建筑物之间的渠道的输水能力的问题。

2、第一方面，本发明提供了一种输水建筑物过流能力监测系统，输水建筑物过流能力监测系统包括摄像设备、过流能力监测设备以及电子设备；其中，过流能力监测设备包括高程测量设备、雷达设备和流速流量测量设备，其中，摄像设备、高程测量设备、雷达设备和流速流量测量设备均与电子设备通信连接，其中：

3、摄像设备，用于对目标输水渠道中的各目标输水建筑物对应的上游第一预设区域和下游第二预设区域进行拍摄，分别得到各目标输水建筑物对应的上游区域流态分布图像和下游区域流态分布图像，并将各上游区域流态分布图像和各下游区域流态分布图像传输至电子设备；

4、电子设备，用于针对各目标输水建筑物，对目标输水建筑物对应的上游区域流态分布图像和下游区域流态分布图像进行图像处理，分别确定上游第一预设区域对应的第一表面流速和第一表面涡量和下游第二预设区域对应的第二表面流速和第二表面涡量；根据第一表面流速和第一表面涡量，在上游第一预设区域确定过流能力监测设备对应的第一安装位置；根据第二表面流速和第二表面涡量在下游第二预设区域确定过流能力监测设备对应的第二安装位置；

5、高程测量设备，用于计算安装在第一安装位置的雷达设备对应的第一位置高程以及安装在第二安装位置的雷达设备对应的第二位置高程；将第一位置高程和第二位置高程传输至电子设备；

6、安装在第一安装位置的雷达设备，用于测量雷达设备到第一安装位置对应的第一渠道断面的水面之间的第一距离，并将第一距离传输至电子设备；

7、安装在第二安装位置的雷达设备，用于测量雷达设备到第二安装位置对应的第二渠道断面的水面之间的第二距离，并将第二距离传输至电子设备；

8、流速流量测量设备，用于监测各目标输水建筑物对应的第一渠道断面对应的第一断面流量和第一断面流速，以及第二渠道断面对应的第二断面流量和第二断面流速；并将第一断面流量、第一断面流速、第二断面流量和第二断面流速传输至电子设备；

9、电子设备，用于利用第一位置高程减去第一距离，得到第一渠道断面对应的第一断面水位；利用第二位置高程减去第二距离，得到第二渠道断面对应的第二断面水位；根据各目标输水建筑物对应的第一断面水位、第一断面流量、第一断面流速、第二断面水位、第二断面流量和第二断面流速确定各目标输水建筑物之间的渠道的输水能力。

10、本技术实施例提供的输水建筑物过流能力监测系统，利用摄像设备对目标输水渠道中的各目标输水建筑物对应的上游第一预设区域和下游第二预设区域进行拍摄，分别得到各目标输水建筑物对应的上游区域流态分布图像和下游区域流态分布图像。然后，电子设备针对各目标输水建筑物，对目标输水建筑物对应的上游区域流态分布图像和下游区域流态分布图像进行图像处理，分别确定上游第一预设区域对应的第一表面流速和第一表面涡量和下游第二预设区域对应的第二表面流速和第二表面涡量，保证了确定的上游第一预设区域对应的第一表面流速和第一表面涡量和下游第二预设区域对应的第二表面流速和第二表面涡量的准确性。根据第一表面流速和第一表面涡量，在上游第一预设区域确定过流能力监测设备对应的第一安装位置；根据第二表面流速和第二表面涡量在下游第二预设区域确定过流能力监测设备对应的第二安装位置，保证了确定的第一安装位置和第二安装位置的准确性。然后，利用高程测量设备算安装在第一安装位置的雷达设备对应的第一位置高程以及安装在第二安装位置的雷达设备对应的第二位置高程，保证了计算得到的第一位置高程和第二位置高程的准确性。雷达设备可以测量雷达设备到第一安装位置对应的第一渠道断面的水面之间的第一距离以及雷达设备到第二安装位置对应的第二渠道断面的水面之间的第二距离，从而使得电子设备可以根据第一距离和第一位置高程，计算第一断面水位，并根据第二距离和第二位置高程计算第二断面水位。流速流量测量设备可以用于监测各目标输水建筑物对应的第一渠道断面对应的第一断面流量和第一断面流速，以及第二渠道断面对应的第二断面流量和第二断面流速。电子设备根据各目标输水建筑物对应的第一断面水位、第一断面流量、第一断面流速、第二断面水位、第二断面流量和第二断面流速确定各目标输水建筑物之间的渠道的输水能力，保证了确定的各目标输水建筑物之间的渠道的输水能力的准确性。不需要人工对目标输水渠道中各个目标安装位置的断面流量、断面流速以及断面水位进行监测。实现了及时掌握总干渠的水情综合状况，探究继续提升输水能力。

11、在一种可选的实施方式中，电子设备，用于对各帧下游区域流态分布图像进行增强处理，生成下游区域流态增强图像；

12、对各帧下游区域流态增强图像进行识别，确定各帧下游区域流态增强图像中的各粒子从当前帧下游区域流态增强图像到下一帧下游区域流态增强图像对应的最可能位移；

13、根据各粒子从当前帧下游区域流态增强图像到下一帧下游区域流态增强图像对应的最可能位移，计算下游第二预设区域对应的第二表面流速和第二表面涡量。

14、本技术实施例提供的输水建筑物过流能力监测系统，对各帧下游区域流态分布图像进行增强处理，生成下游区域流态增强图像，从而便于电子设备对下游区域流态增强图像进行识别，且可以提高对下游区域流态增强图像进行识别的准确性。对各帧下游区域流态增强图像进行识别，确定各帧下游区域流态增强图像中的各粒子从当前帧下游区域流态增强图像到下一帧下游区域流态增强图像对应的最可能位移，保证了确定的最可能位移的准确性。进而根据各粒子从当前帧下游区域流态增强图像到下一帧下游区域流态增强图像对应的最可能位移，计算下游第二预设区域对应的第二表面流速和第二表面涡量，保证了计算得到的下游第二预设区域对应的第二表面流速和第二表面涡量的准确性。

15、在一种可选的实施方式中，电子设备，用于对各帧下游区域流态增强图像进行区域划分，得到各帧下游区域流态增强图像对应的询问区域；对相邻两帧下游区域流态增强图像进中的各询问区域进行交叉相关计算，得到各粒子从当前帧下游区域流态增强图像到下一帧下游区域流态增强图像对应的最可能位移。

16、本技术实施例提供的输水建筑物过流能力监测系统，对各帧下游区域流态增强图像进行区域划分，得到各帧下游区域流态增强图像对应的询问区域；保证了得到的询问区域的准确性。对相邻两帧下游区域流态增强图像进中的各询问区域进行交叉相关计算，得到各粒子从当前帧下游区域流态增强图像到下一帧下游区域流态增强图像对应的最可能位移，保证了得到了各粒子从当前帧下游区域流态增强图像到下一帧下游区域流态增强图像对应的最可能位移的准确性。

17、在一种可选的实施方式中，电子设备还用于获取最大流速阈值，根据最大流速阈值以及各帧下游区域流态增强图像之间的时间间隔，计算最大位移阈值；将各最可能位移与最大位移阈值进行对比，删除大于最大位移阈值的各最可能位移，得到各目标位移；

18、基于各目标位移计算各粒子的速度；根据各粒子的速度，确定下游第二预设区域对应的第二表面流速；

19、基于各目标位移与表面涡量之间的关系，确定下游第二预设区域对应的第二表面涡量。

20、本技术实施例提供的输水建筑物过流能力监测系统，获取最大流速阈值，根据最大流速阈值以及各帧下游区域流态增强图像之间的时间间隔，计算最大位移阈值；保证了计算得到的最大位移阈值的准确性。将各最可能位移与最大位移阈值进行对比，删除大于最大位移阈值的各最可能位移，得到各目标位移，保证了得到的各目标位移满足实际情况，且更加准确。基于各目标位移计算各粒子的速度；根据各粒子的速度，确定下游第二预设区域对应的第二表面流速；保证了确定的下游第二预设区域对应的第二表面流速的准确性。基于各目标位移与表面涡量之间的关系，确定下游第二预设区域对应的第二表面涡量，保证了确定的下游第二预设区域对应的第二表面涡量的准确性。

21、在一种可选的实施方式中，电子设备，用于获取下游第二预设区域对应的第一预设流速和第一预设涡量；基于下游第二预设区域对应的第二表面流速，生成第一流速沿程变化图；基于第二表面涡量，生成第一涡量沿程变化图；基于第一流速沿程变化图和第一涡量沿程变化图，从下游第二预设区域中确定第二表面流速小于第一预设流速，且第二表面涡量小于第一预设涡量的第二安装位置。

22、本技术实施例提供的输水建筑物过流能力监测系统，获取下游第二预设区域对应的第一预设流速和第一预设涡量；基于下游第二预设区域对应的第二表面流速，生成第一流速沿程变化图，保证了生成的第一流速沿程变化图的准确性。基于第二表面涡量，生成第一涡量沿程变化图，保证了生成的第一涡量沿程变化图的准确性。基于第一流速沿程变化图和第一涡量沿程变化图，从下游第二预设区域中确定第二表面流速小于第一预设流速，且第二表面涡量小于第一预设涡量的第二安装位置，保证了确定的第二安装位置的准确性。

23、在一种可选的实施方式中，电子设备，还用于获取当前目标输水建筑物对应的第二断面水位、第二断面流量和第二断面流速，以及当前目标输水建筑物对应的下游目标输水建筑物对应的第一断面水位、第一断面流量、第一断面流速；并获取当前目标输水建筑物与下游目标输水建筑物之间的当前渠道的第一长度；其中，当前目标输水建筑物为目标输水渠道中的各目标输水建筑物中的任一目标输水建筑物；

24、根据当前目标输水建筑物对应的第二断面水位、第二断面流量、第二断面流速、当前目标输水建筑物对应的下游目标输水建筑物对应的第一断面水位、第一断面流量、第一断面流速以及当前渠道的第一长度之间的关系，计算当前渠道对应的第一流量系数；

25、根据第一流量系数与当前渠道对应的当前渠道综合糙率之间的关系，计算得到当前渠道对应的当前渠道综合糙率；

26、根据当前渠道综合糙率，确定当前渠道对应的输水能力。

27、本技术实施例提供的输水建筑物过流能力监测系统，根据当前目标输水建筑物对应的第二断面水位、第二断面流量、第二断面流速、当前目标输水建筑物对应的下游目标输水建筑物对应的第一断面水位、第一断面流量、第一断面流速以及当前渠道的第一长度之间的关系，计算当前渠道对应的第一流量系数，保证了计算得到的当前渠道对应的第一流量系数的准确性，根据第一流量系数与当前渠道对应的当前渠道综合糙率之间的关系，计算得到当前渠道对应的当前渠道综合糙率，保证了计算的得到的当前渠道对应的当前渠道综合糙率的准确性，进而可以保证确定的当前渠道对应的输水能力的准确性。

28、在一种可选的实施方式中，电子设备，还用于获取训练数据集，训练数据集中包括多组训练数据，各训练数据中包括目标输水渠道对应的渠道总流量、目标输水渠道中各目标输水建筑物分别对应的闸门开度、目标输水渠道中各渠道对应的渠道综合糙率以及各目标输水建筑物分别对应的第一安装位置对应的第一断面水位和第二安装位置对应的第二断面水位；

29、将各组训练数据输入至初始水位预测网络，初始水位预测网络对各组训练数据进行特征提取，基于提取的特征，输出各目标输水建筑物分别对应的第一安装位置对应的第一虚拟水位和第二安装位置对应的第二虚拟水位；

30、针对各目标输水建筑物分别对应的第一断面水位与第一虚拟水位以及第二断面水位与第二虚拟水位，计算训练数据对应的损失函数的损失值；

31、基于损失值，对初始水位预测网络的参数进行更新，直至满足预设条件，生成目标水位预测模型。

32、本技术实施例提供的输水建筑物过流能力监测系统，将各组训练数据输入至初始水位预测网络，初始水位预测网络对各组训练数据进行特征提取，基于提取的特征，输出各目标输水建筑物分别对应的第一安装位置对应的第一虚拟水位和第二安装位置对应的第二虚拟水位，保证输出的各目标输水建筑物分别对应的第一安装位置对应的第一虚拟水位和第二安装位置对应的第二虚拟水位的准确性。然后，针对各目标输水建筑物分别对应的第一断面水位与第一虚拟水位以及第二断面水位与第二虚拟水位，计算训练数据对应的损失函数的损失值，保证了计算得到的损失值的准确性。基于损失值，对初始水位预测网络的参数进行更新，直至满足预设条件，生成目标水位预测模型，保证了生成的目标水位预设模型的精度较高。

33、在一种可选的实施方式中，电子设备，还用于获取未来预设时间点目标输水渠道对应的未来总流量、目标输水渠道中各目标输水建筑物分别对应的未来闸门开度以及目标输水渠道中各渠道对应的渠道综合糙率；

34、将未来总流量、目标输水渠道中各目标输水建筑物分别对应的未来闸门开度以及目标输水渠道中各渠道对应的渠道综合糙率输入至目标水位预测模型；

35、目标水位预测模型对未来总流量、目标输水渠道中各目标输水建筑物分别对应的未来闸门开度以及目标输水渠道中各渠道对应的渠道综合糙率进行特征提取，基于提取的特征，输出各目标输水建筑物对应的第一安装位置对应的第一预测水位和第二安装位置对应的第二预测水位；

36、根据各目标输水建筑物对应的第一预测水位和第二预测水位，调节各目标输水建筑物的闸门开度。

37、本技术实施例提供的输水建筑物过流能力监测系统，将未来总流量、目标输水渠道中各目标输水建筑物分别对应的未来闸门开度以及目标输水渠道中各渠道对应的渠道综合糙率输入至目标水位预测模型；目标水位预测模型对未来总流量、目标输水渠道中各目标输水建筑物分别对应的未来闸门开度以及目标输水渠道中各渠道对应的渠道综合糙率进行特征提取，基于提取的特征，输出各目标输水建筑物对应的第一安装位置对应的第一预测水位和第二安装位置对应的第二预测水位。保证了输出的各目标输水建筑物对应的第一安装位置对应的第一预测水位和第二安装位置对应的第二预测水位的准确性。根据各目标输水建筑物对应的第一预测水位和第二预测水位，调节各目标输水建筑物的闸门开度，保证了各目标输水建筑物的闸门开度的准确性。从而可以避免各目标输水建筑物的闸门开度过大，导致流量向下游放的过快，不利于控制整个输水工程流量的稳定，或者各目标输水建筑物的闸门开度过小，导致渠道局部水位雍高，有溢出的风险。

38、在一种可选的实施方式中，过流能力监测设备为可移动过流能力监测设备，其中：

39、针对各目标输水建筑物对应的下游第二预设区域，摄像设备，用于周期性对下游第二预设区域进行拍摄，得到下游区域流态分布图像，并将下游区域流态分布图像传输至电子设备；

40、电子设备，用于每次接收到摄像设备传输的下游区域流态分布图像；对下游区域流态分布图像进行图像处理，确定下游第二预设区域对应的第二表面流速和第二表面涡量；根据第二表面流速和第二表面涡量在下游第二预设区域确定过流能力监测设备对应的当前次第二安装位置；如此循环，确定下游第二预设区域确定过流能力监测设备对应的下一次第二安装位置；当下一次第二安装位置与当前次第二安装位置不同时，控制可移动过流能力监测设备从当前次第二安装位置移动到下一次第二安装位置；

41、针对各目标输水建筑物对应的上游第一预设区域，同理。

42、本技术实施例提供的输水建筑物过流能力监测系统，针对各目标输水建筑物对应的下游第二预设区域，摄像设备周期性对下游第二预设区域进行拍摄，得到下游区域流态分布图像。电子设备每次接收到摄像设备传输的下游区域流态分布图像；对下游区域流态分布图像进行图像处理，确定下游第二预设区域对应的第二表面流速和第二表面涡量；根据第二表面流速和第二表面涡量在下游第二预设区域确定过流能力监测设备对应的当前次第二安装位置，保证了确定的当前次第二安装位置的准确性。如此循环，确定下游第二预设区域确定过流能力监测设备对应的下一次第二安装位置；当下一次第二安装位置与当前次第二安装位置不同时，控制可移动过流能力监测设备从当前次第二安装位置移动到下一次第二安装位置。针对各目标输水建筑物对应的上游第一预设区域，同理。从而不需要人工将流能力监测设备从当前次第二安装位置移动到下一次第二安装位置或者从当前次第一安装位置移动到下一次第一安装位置，节省了人力成本和时间成本，提高了效率。

43、在一种可选的实施方式中，可移动过流能力监测设备包括：可拆卸高程测量设备、雷达设备和可移动流速流量测量设备；其中，雷达设备固定安装在可移动流速流量测量设备上，可拆卸高程测量设备与可移动流速流量测量设备可拆卸连接；可拆卸高程测量设备包括：水准仪和标高尺和第一控制组件；可移动流速流量测量设备包括：可移动智能平板车、无人船、流速流量测量组件、卷扬机和缆索，其中，可移动智能平板车为两个，分别安装在各第二安装位置或各第一安装位置的两侧河岸上，卷扬机固定安装在第一个可移动智能平板车上，卷扬机中的缆索头部的一端连接在第二个可移动智能平板车上，流速流量测量组件安装在无人船上，无人船安装在缆索上；卷扬机与电子设备通信连接，电子设备通过控制卷扬机卷扬缆索，带动无人船沿缆索在河面上移动，其中：

44、第一控制组件，用于根据水准仪和标高尺测量的数据，计算安装在各第一安装位置的雷达设备对应的各第一位置高程以及安装在各第二安装位置的雷达设备对应的各第二位置高程；将各第一位置高程和各第二位置高程传输至电子设备；

45、安装在各第一安装位置的雷达设备，用于测量雷达设备到各第一安装位置对应的第一渠道断面的水面之间的各第一距离，并将各第一距离传输至电子设备；

46、安装在各第二安装位置的雷达设备，用于测量雷达设备到各第二安装位置对应的第二渠道断面的水面之间的各第二距离，并将各第二距离传输至电子设备；

47、流速流量测量组件，用于监测各第一安装位置对应的第一渠道断面对应的第一断面流量和第一断面流速，以及各第二安装位置对应的第二渠道断面对应的第二断面流量和第二断面流速；并将各第一断面流量、各第一断面流速、各第二断面流量和各第二断面流速传输至电子设备；

48、可移动智能平板车，用于在电子设备的控制下，从当前次第一安装位置移动到下一次第一安装位置，或者从当前次第二安装位置移动到下一次第二安装位置；

49、卷扬机，用于在电子设备的控制下，对缆索进行卷扬，以控制无人船从河面一端移动到另一端；

50、无人船，用于在缆索的带动下，带动流速流量测量组件从河面一端移动到另一端；

51、电子设备，用于根据各次计算得到的第一安装位置以及第二安装位置，从当前次第一安装位置移动到下一次第一安装位置，或者从当前次第二安装位置移动到下一次第二安装位置；且在可移动智能平板车移动到位后，控制卷扬机对缆索进行卷扬，以控制无人船从河面一端移动到另一端；

52、电子设备，还用于基于各第一位置高程和各第一距离，计算目标输水建筑物对应的第一平均断面水位；基于各第二位置高程和各第二距离，计算目标输水建筑物对应的第二平均断面水位；基于各第一断面流量和各第一断面流速，分别计算第一平均断面流量和第一平均断面流速；基于各第二断面流量和各第二断面流速，分别计算第二平均断面流量和第二平均断面流速；根据各目标输水建筑物对应的第一平均断面水位、第一平均断面流量、第一平均断面流速、第二平均断面水位、第二平均断面流量和第二平均断面流速确定各目标输水建筑物之间的渠道的输水能力。

53、本技术实施例提供的输水建筑物过流能力监测系统，第一控制组件，根据水准仪和标高尺测量的数据，计算各第一位置高程和各第二位置高程，保证了计算得到的各第一位置高程和各第二位置高程的准确性。可移动智能平板车，用于在电子设备的控制下，从当前次第一安装位置移动到下一次第一安装位置，或者从当前次第二安装位置移动到下一次第二安装位置，从而不需要人工将流能力监测设备从当前次第二安装位置移动到下一次第二安装位置或者从当前次第一安装位置移动到下一次第一安装位置，节省了人力成本和时间成本，提高了效率。卷扬机，用于在电子设备的控制下，对缆索进行卷扬，以控制无人船从河面一端移动到另一端，从而不需要人为控制无人船在河面上移动。无人船，用于在缆索的带动下，带动流速流量测量组件从河面一端移动到另一端，不需要人为控制流速流量测量组件从河面一端移动到另一端，从而节省了人力成本和时间成本，提高了效率。电子设备根据各第一位置高程和各第一距离，计算目标输水建筑物对应的第一平均断面水位；基于各第二位置高程和各第二距离，计算目标输水建筑物对应的第二平均断面水位；基于各第一断面流量和各第一断面流速，分别计算第一平均断面流量和第一平均断面流速；基于各第二断面流量和各第二断面流速，分别计算第二平均断面流量和第二平均断面流速；根据各目标输水建筑物对应的第一平均断面水位、第一平均断面流量、第一平均断面流速、第二平均断面水位、第二平均断面流量和第二平均断面流速确定各目标输水建筑物之间的渠道的输水能力，保证了确定的各目标输水建筑物之间的渠道的输水能力的准确性。