胡向陽,馬 輝,許 明,張文二

（1.長江科學(xué)院河流研究所,武漢 430010；2.水利部水文局,北京 100053）

河工模型斷面垂線流速自動測量系統(tǒng)的研制

胡向陽1,馬 輝2,許 明1,張文二1

（1.長江科學(xué)院河流研究所,武漢 430010；2.水利部水文局,北京 100053）

針對目前河工模型試驗測量斷面垂線流速還需要通過人工定位測量的問題,開發(fā)研制出具有全自動功能特征的斷面垂線流速自動測量系統(tǒng)。測量系統(tǒng)結(jié)合二維平面自動定位測橋,自動三維地形儀等先進(jìn)技術(shù),在將斷面地形的測量數(shù)據(jù)用于垂線流速測點定位的基礎(chǔ)上,增加了斷面水面邊界的測量,既為流速傳感器定位范圍提供依據(jù),也為后續(xù)計算提供依據(jù),同時采用多流速傳感器快速定位同步測量的方法,在實現(xiàn)大面積流速同步測量技術(shù)上有所突破,解決了人工測量定點速度慢、效率低的問題,適應(yīng)了模型試驗發(fā)展需求,提升了河工模型試驗研究水平。

河工模型；垂線流速測量；地形測量；自動測橋；定位測量

2015,32（12）：139－143

1 研究背景

在河工模型試驗中,斷面垂線流速是需要經(jīng)常開展的常規(guī)測量項目。按照試驗的測量要求每條垂線通常要測1點或3點或5點流速,也就是按試驗規(guī)程要求采用“1點法”、“3點法”、“5點法”測量斷面垂線流速[1－2］。目前河工模型試驗測量斷面垂線流速還需要通過人工將流速傳感器定位在測量點上進(jìn)行測量。由于垂線流速的測量點定位與垂線水深有關(guān),因此在測量垂線流速前還要先測量出該垂線的水深,然后計算出定位水深,再進(jìn)行流速測量,可見這種依靠人工定位測量的方法,定點速度慢、效率低,嚴(yán)重制約了模型試驗發(fā)展要求。因為斷面流速測量量大,也特別費時,所以基本上不能在模型試驗的規(guī)定試驗時段完成斷面流速測量任務(wù),只能延長試驗時段,等待斷面流速測量完成后再繼續(xù)進(jìn)行后面的試驗,或者在模型試驗結(jié)束后,單獨回放該流量級進(jìn)行補(bǔ)測。由于測量時間長,這使得測量結(jié)果往往失真,不能真實地反映試驗實際情況。

在由南京水利科學(xué)研究院主持的國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項“我國大型河工模型試驗智能測控系統(tǒng)開發(fā)”中,長江科學(xué)院參與承擔(dān)“長江防洪大模型量測系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)及示范”的工作,主要是開發(fā)出具有全自動功能特征的斷面垂線流速自動測量系統(tǒng),在實現(xiàn)大面積流速同步測量技術(shù)上有所突破,以保證試驗成果的可靠性和科學(xué)性,是該項目最重要的工作內(nèi)容,對長江防洪模型量測系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)及示范,將有利于提高模型模擬的精確性,對提升大型河工模型試驗研究水平具有非常重要的意義。

2 測量系統(tǒng)工作方式選擇

模型大面積流速同步測量方式需要根據(jù)測量對象及特點進(jìn)行選擇確定。目前,模型表面流場已經(jīng)可以通過視頻圖像分析的方法測得；但是斷面垂線流速測量還不能采用類似PIV圖像處理的測量方法[3］,因為河工模型試驗水體中含有大量的模型沙,限制了光學(xué)類測量設(shè)備的使用。因此根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)條件還只能采用點流速傳感器逐點測量,流速測量精度由選用的流速傳感器的測量精度所決定。考慮模型試驗常用的流速傳感器是旋槳流速傳感器,測量系統(tǒng)也采用該類旋槳流速傳感器測量[4］。

為了加快測量速度,需要增加測點數(shù)量,進(jìn)行多點同步測量。由于垂線流速需要定位在垂線的不同高程進(jìn)行測量,每一垂線需要一個可以帶動傳感器垂直運動定位的驅(qū)動裝置。又由于模型河道寬窄不一,每個斷面測量垂線數(shù)不相同,也不可能在每一個測量斷面上布滿測量傳感器。因此需要對斷面垂線流速分批測量。例如在一個斷面上布置10～15個帶垂直定位裝置的流速傳感器,測量間距為0.3 m,一次測量可完成10～15個垂線,3.0～4.5 m寬的斷面寬度,然后根據(jù)斷面寬度整體移動這些流速傳感器至待測區(qū)測量,直至完成斷面全部垂線流速測量。

由于斷面垂線流速測量在傳感器進(jìn)行定位前需要知道該垂線的水深,因此在測量斷面垂線流速前,需要進(jìn)行該斷面的地形測量,提取各待測垂線的水深信息。

3 測量系統(tǒng)組成與控制原理

根據(jù)工作方式與流程選擇分析結(jié)果,可以確定河工模型試驗斷面垂線流速自動測量系統(tǒng)的組成：①可以模擬兩岸軌道行走并且能夠精確斷面定位的自動測橋；②自動測橋需要搭載多個傳感器垂直運動定位的驅(qū)動裝置,這些裝置要能夠延測橋移動并定位；③可以根據(jù)垂線水深和指定測量法則（1點法、3點法、5點法和任意指定點法）自動定位的帶動傳感器垂直運動定位的驅(qū)動裝置；④多數(shù)據(jù)同步采集測控系統(tǒng)；⑤測量供電系統(tǒng)；⑥斷面水深測量系統(tǒng)（斷面地形測量系統(tǒng)）；⑦斷面水邊界測量系統(tǒng),用于確定斷面流速測量區(qū)域。詳細(xì)組成框圖見圖1。

圖1 測量系統(tǒng)組成Fig.1 Block diagram of the measurement system

測量系統(tǒng)的基本控制原理簡單說就是通過自動測量平臺的運動定位和斷面地形水深的測量,控制每一個流速傳感器測點的三維空間定位,進(jìn)而完成斷面多點流速的自動同步采集。系統(tǒng)的工作流程見圖2。

4 測量系統(tǒng)子項任務(wù)及解決方案

根據(jù)長江防洪模型量測系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)及示范的任務(wù)要求,測量系統(tǒng)需要完成下列主要子項任務(wù)：

4.1 模型水面邊界自動識別系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)

圖2 系統(tǒng)測量過程流程Fig.2 Flow chart of measurement process of the system

要解決河工模型斷面流速測量的全自動化測量問題,必須解決模型水面邊界自動識別問題,因為河工模型不同于水工模型,水工模型可以根據(jù)模型斷面制模的數(shù)據(jù),由已知水位就可以知道測量范圍,而河工模型試驗過程中對應(yīng)不同的水位,岸邊線有可能變化。人工測量時按照測量規(guī)定,需要測量并且記錄斷面左右水邊線,所以自動定位測量必須首先要確定測量范圍。

模型水面邊界自動識別可以考慮以下2種方案。①利用水的導(dǎo)電特性：利用2根相互絕緣的探針（或電極）,遇水后兩電極間的電阻比兩電極處于空氣中或在模型岸邊及模型洲灘的電阻小很多,由此判別兩電極是否在水中（即物理判別法）。將探針從模型左岸向模型右岸掃描探測,即可測量出模型的左右水邊線。②利用圖像處理的方法：利用視頻探頭掃描拍攝模型斷面,用圖像分析處理的方法來分析水邊界,理論上是可以分析得到模型斷面水邊界,因為人工判別也是目測的方法,做了一些初步的方案試驗,發(fā)現(xiàn)影響判別的因素很多,如模型岸水邊、洲灘水邊、岸邊濕周線在視頻圖像上無法區(qū)分、模型沙顏色以及周邊環(huán)境光等都會影響水邊線的判別等等,實際上最需要水邊線的判別的是采用圖像處理的方法的表面流場測量系統(tǒng),但是到目前為止還沒有很好的方法解決該問題。

結(jié)合流速測量定位系統(tǒng)需要測量斷面水深的測量數(shù)據(jù)支撐,因此,對應(yīng)于解決模型斷面水面邊界點測量的問題,我們采用的方案是利用全自動三維地形儀[5］的全斷面測量功能,在測量斷面水下地形的前后,分別采用阻抗電極測量原理實現(xiàn)模型斷面左右水面邊界的自動識別。

4.2 流速傳感器垂線定位裝置制作

流速傳感器的垂向（Z向）自動定位裝置,在設(shè)計時采用了同步帶傳動實現(xiàn)直桿線性位移,其優(yōu)點是可以適應(yīng)各種模型測量深度的需求,除考慮足夠的驅(qū)動能力和運行速度外,還注意了緊湊設(shè)計,使得多臺垂向自動定位裝置并列時,達(dá)到接近10 cm的最小測量間距。垂線定位按規(guī)定法則（1點法、3點法、5點法和任意指定點法）完成傳感器的自動定位和流速數(shù)據(jù)采集。

4.3 多路流速數(shù)據(jù)同步采集與控制系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)

多路流速同步采集與控制系統(tǒng)由總系統(tǒng)和子系統(tǒng)2級構(gòu)成。

每套子系統(tǒng)包含自動垂線流速測量控制儀12臺、全自動測橋一座,由系統(tǒng)計算機(jī)控制。子系統(tǒng)可支持多臺自動垂線流速測量控制儀（可根據(jù)需要擴(kuò)充至32臺）。子系統(tǒng)支持無線網(wǎng)絡(luò)通信,與總系統(tǒng)計算機(jī)交換測量數(shù)據(jù)信息。

總系統(tǒng)由上位計算機(jī)和無線路由器組成,可以連接多套子系統(tǒng)。總系統(tǒng)可根據(jù)需要擴(kuò)充的子系統(tǒng)數(shù)量,擴(kuò)充流速測量區(qū)域范圍,實現(xiàn)大范圍的垂線流速的同步采集。

4.4 雙工作面自動定位測橋制作

自動測橋包含沿模型縱向（X向）自動行走機(jī)構(gòu),縱向自動行走機(jī)構(gòu)采用萬向輪導(dǎo)向設(shè)計,能夠適應(yīng)模型不規(guī)則復(fù)雜地形條件的準(zhǔn)確定位[6］。由于地形儀和多臺流速儀都需要沿測量斷面移動,兩者不可能共用同一工作面,雙工作面自動定位測橋是指測橋的兩邊分別布置有地形儀和流速儀的工作面,采用雙工作面自動定位測橋的好處是可以減少模型上自動測橋的數(shù)量,也降低了成本。地形儀的工作面為常規(guī)工作面這里不做討論,這里僅對布置有12臺自動垂線流速測量定位控制儀的工作面進(jìn)行論述。12臺自動垂線流速測量定位控制儀都需要沿測量斷面水平（Y向）移動定位,而且在測量前需要設(shè)定測量間距,自動垂線流速測量定位控制儀在測量斷面水平方向的移動方式有2種方式可以考慮：一種是各自相對獨立,自帶動力驅(qū)動；另一種各自帶無動力滑輪車,由專門的夾具同測橋上的傳送帶相連,傳送帶由測橋上的驅(qū)動裝置驅(qū)動,測量前由試驗人員按照測量間距布置固定設(shè)備,統(tǒng)一由傳送帶同步驅(qū)動。這種方式的優(yōu)點是同步性較好,系統(tǒng)整體一致性和控制性能好。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計組合式斷面水平移動儀器平臺,自動垂線流速測量定位控制儀也不需要各自自帶滑輪車,只需在移動儀器平臺上按照測量間距定位,在斷面水平（Y向）移動系統(tǒng)統(tǒng)一驅(qū)動下,儀器平臺帶動多臺自動垂線流速測量控制儀實現(xiàn)整體水平移動、定位和多斷面的自動行走的定位控制。

當(dāng)測量斷面較寬,所配置的流速儀（傳感器）的數(shù)量不夠一次完成整個斷面流速采集時,系統(tǒng)自動控制分段多次完成整個斷面的流速采集。

當(dāng)測量完一個斷面的流速后,系統(tǒng)自動控制測橋行走到下一斷面位置,在系統(tǒng)的控制下依次完成水面邊界、斷面水深的數(shù)據(jù)采集,然后完成各流速傳感器的定位并進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集,進(jìn)而完成多斷面流速數(shù)據(jù)的自動采集。

4.5 測量系統(tǒng)測控系統(tǒng)軟件應(yīng)用開發(fā)

軟件包含子系統(tǒng)同步測量控制軟件和總系統(tǒng)測量與分析軟件的應(yīng)用開發(fā)。

子系統(tǒng)軟件功能可以完成多路自動垂線流速測量控制儀控制、行走機(jī)構(gòu)控制、數(shù)據(jù)同步采集、數(shù)據(jù)指令傳輸?？傁到y(tǒng)軟件功能可以完成測量同步控制、測量數(shù)據(jù)顯示、記錄保存、垂線流速與斷面流速分布圖的繪制、斷面流量統(tǒng)計和歷史數(shù)據(jù)的查詢顯示。圖3是測量系統(tǒng)斷面流速自動采集的控制顯示界面。

圖3 斷面流速測量系統(tǒng)界面Fig.3 Interface of measurement software for flow velocity of section

測量系統(tǒng)測控系統(tǒng)軟件主要考慮整個系統(tǒng)的擴(kuò)展與級聯(lián)。本系統(tǒng)由測量控制子系統(tǒng)和中央控制室總系統(tǒng)構(gòu)成。子系統(tǒng)以每個自動測橋上的測量設(shè)備和單元模塊為限,由計算機(jī)、測量控制單元、自動測橋、2X向驅(qū)動定位模塊、Y向驅(qū)動定位模塊、12路流速傳感器垂線定位機(jī)構(gòu)、水面邊界識別單元、無線通信模塊等部分組成,完成斷面水面邊界的識別、水下地形數(shù)據(jù)測量、流速傳感器垂線定位、斷面流速的同步快速采集和多斷面的自動行走定位?？傁到y(tǒng)由高性能系統(tǒng)主機(jī)、無線通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和系統(tǒng)軟件組成,實現(xiàn)多子系統(tǒng)的遠(yuǎn)程無線控制和測量數(shù)據(jù)的快速上傳、顯示、保存、查詢。用戶可以根據(jù)需要擴(kuò)展子系統(tǒng)的數(shù)量,進(jìn)而實現(xiàn)大范圍流速的快速同步采集。

圖4 測量系統(tǒng)在模型試驗中的應(yīng)用Fig.4 Application of the measurement system in model test

5 結(jié) 論

河工模型試驗斷面垂線流速自動測量系統(tǒng)在研制過程中,取得的創(chuàng)新點如下：

（1）模型水面邊界自動識別,能解決流速測量定點及斷面邊界判定問題。

（2）模型斷面垂線流速自動測量,首次完成地形測量數(shù)據(jù)與垂線流速自動測量數(shù)據(jù)共享,為流速傳感器垂線自動定位提供依據(jù)。

（3）對不滿足測量水深的測點,根據(jù)垂向流速測量規(guī)范,采用自動修正垂向測量點數(shù),完成斷面垂線流速測量的智能化。

（4）采用了雙工作面自動定位測橋和組合式斷面水平移動儀器平臺。

（5）實現(xiàn)模型多斷面的自動行走和精確定位控制,完成大范圍流速的快速同步采集。

目前河工模型試驗斷面垂線流速自動測量系統(tǒng)在應(yīng)用中待解決的主要問題是流向測量的問題,采用二維或三維ADV（超聲多普勒流速儀）可以解決流速流向測量的問題,但是由于其所需成本太高難以在實際工程中推廣實施。另外由于模型場地的不規(guī)整,不能采用滑觸線的方式向系統(tǒng)供電,怎樣給測量系統(tǒng)安全供電的問題也需要在使用過程中探討解決。

總之,河工模型試驗斷面垂線流速自動測量系統(tǒng)的研制成功,解決了長期以來河工模型試驗測量斷面垂線流速只能依靠人工測量的問題；解決了由于人工定位測量,帶來的定點速度慢、效率低,使得測量結(jié)果失真,不能真實地反映實際情況的問題；提升了模型試驗自動化程度,適應(yīng)了模型試驗發(fā)展需求。

[1]SL99—2012,河工模型試驗規(guī)程[S］.北京：中國水利水電出版社,2012（SL99—2012,Regulation for River Model Test[S］.Beijing：China Water Power Press,2012.（in Chinese））

[2]GB50179—93,河流流量測驗規(guī)范[S］.北京：中國計劃出版社,1994.（GB50179—93,Code for Liquid Flow Measurement in Open Channels[S］.Beijing：China Planning Press,1994.（in Chinese））

[3]王興奎,龐東明,王桂仙,等.圖像處理技術(shù)在河工模型試驗流場量測中的應(yīng)用[J］.泥沙研究,1996,（4）：21－26.（WANG Xing-kui,PANG Dong-ming,WANG Gui-xian,et al.Application of Image Processing Technics to Velocity Field Measurement in Physical Model[J］.Journal of Sediment Research,1996,（4）：21－26.（in Chinese））

[4]蔡守允,謝 瑞,韓世進(jìn),等.多功能智能流速儀[J］.海洋工程,2004,22（2）：83－86.（CAI Shou-yun,XIE Rui,HAN Shi-jin,et al.Multi-functional Intelligent Velocity Instrument[J］.Ocean Engineering,2004,22（2）：83－86.（in Chinese））

[5]馬志敏,范北林,許 明,等.河工模型三維地形測量系統(tǒng)的研制[J］.長江科學(xué)院院報,2006,23（1）：47－49,60.（MA Zhi-min,FAN Bei-lin,XU Ming,et al.Development of Measuring Instrument for 3－D River Bed Model Topography[J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute,2006,23（1）：47－49,60.（in Chinese））

[6]吳新生,許 明,魏國遠(yuǎn),等.長江防洪模型量測控制系統(tǒng)[C］//水利量測技術(shù)論文選集（第五集）.鄭州：黃河水利出版社,2006.（WU Xin-sheng,XU Ming,WEI Guo-yuan,et al.Measurement and Control System of the Yangtze River Flood Control Model[C］//Proceedings of Hydraulic Measurement（Vol.5）.Zhengzhou：Yellow River Conservancy Press,2006.

（編輯：王 慰）

Research and Development of Automatic Measuring System of Cross-section Flow Velocity in the Model for River Engineering

HU Xiang-yang1,MA Hui2,XU Ming1,ZHANG Wen-er1
（1.River Department,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China；2.Hydrology Bureau of Ministry of Water Resources,Beijing 100053,China）

In the present,in the river model test of measuring flow velocity in the vertical direction,manual positioning is needed.With respect to this situation,we developed an automatic system of velocity measurement for crosssection,combined with advanced techniques such as a 2D automatic positioning instrument for measuring bridge and a 3D automatic measuring apparatus for topography.On the basis of measured data of cross-section topography,the measurement of water surface boundary is added,which can be used for subsequent calculations and the determination of positioning range for flow velocity sensor.In this system,we also use multiple sensors for rapidly synchronous measurements.This work brings technological breakthroughs in synchronous measurements for large-scale regions,and solves problems of manual positioning measurements such as low speed,low efficiency,etc.Finally,the system can not only fulfill the developing demand for model experiments,but also improve the research for model experiments in river.

model of river engineering；velocity measurement along depth；topography measurement；automatic measuring bridge；position measurement

TV131.66

A

1001－5485（2015）12－0139－05

10.11988/ckyyb.20150548

2015－06－29；

2015－08－17

國家自然科學(xué)基金項目（51339001）；國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項（2011YQ070055）

胡向陽（1964－）,女,浙江東陽人,教授級高級工程師,主要從事河道治理研究和科研條件建設(shè)工作,（電話）027－82829789（電子信箱）huxiangyang9789＠163.com。