河工模型断面垂线流速自动测量系统的研制

胡向阳,马 辉,许 明,张文二

（1.长江科学院河流研究所,武汉 430010；2.水利部水文局,北京 100053）

河工模型断面垂线流速自动测量系统的研制

胡向阳1,马 辉2,许 明1,张文二1

（1.长江科学院河流研究所,武汉 430010；2.水利部水文局,北京 100053）

针对目前河工模型试验测量断面垂线流速还需要通过人工定位测量的问题,开发研制出具有全自动功能特征的断面垂线流速自动测量系统。测量系统结合二维平面自动定位测桥,自动三维地形仪等先进技术,在将断面地形的测量数据用于垂线流速测点定位的基础上,增加了断面水面边界的测量,既为流速传感器定位范围提供依据,也为后续计算提供依据,同时采用多流速传感器快速定位同步测量的方法,在实现大面积流速同步测量技术上有所突破,解决了人工测量定点速度慢、效率低的问题,适应了模型试验发展需求,提升了河工模型试验研究水平。

河工模型；垂线流速测量；地形测量；自动测桥；定位测量

2015,32（12）：139－143

1 研究背景

在河工模型试验中,断面垂线流速是需要经常开展的常规测量项目。按照试验的测量要求每条垂线通常要测1点或3点或5点流速,也就是按试验规程要求采用“1点法”、“3点法”、“5点法”测量断面垂线流速[1－2］。目前河工模型试验测量断面垂线流速还需要通过人工将流速传感器定位在测量点上进行测量。由于垂线流速的测量点定位与垂线水深有关,因此在测量垂线流速前还要先测量出该垂线的水深,然后计算出定位水深,再进行流速测量,可见这种依靠人工定位测量的方法,定点速度慢、效率低,严重制约了模型试验发展要求。因为断面流速测量量大,也特别费时,所以基本上不能在模型试验的规定试验时段完成断面流速测量任务,只能延长试验时段,等待断面流速测量完成后再继续进行后面的试验,或者在模型试验结束后,单独回放该流量级进行补测。由于测量时间长,这使得测量结果往往失真,不能真实地反映试验实际情况。

在由南京水利科学研究院主持的国家重大科学仪器设备开发专项“我国大型河工模型试验智能测控系统开发”中,长江科学院参与承担“长江防洪大模型量测系统应用开发及示范”的工作,主要是开发出具有全自动功能特征的断面垂线流速自动测量系统,在实现大面积流速同步测量技术上有所突破,以保证试验成果的可靠性和科学性,是该项目最重要的工作内容,对长江防洪模型量测系统进行应用开发及示范,将有利于提高模型模拟的精确性,对提升大型河工模型试验研究水平具有非常重要的意义。

2 测量系统工作方式选择

模型大面积流速同步测量方式需要根据测量对象及特点进行选择确定。目前,模型表面流场已经可以通过视频图像分析的方法测得；但是断面垂线流速测量还不能采用类似PIV图像处理的测量方法[3］,因为河工模型试验水体中含有大量的模型沙,限制了光学类测量设备的使用。因此根据现有的技术条件还只能采用点流速传感器逐点测量,流速测量精度由选用的流速传感器的测量精度所决定。考虑模型试验常用的流速传感器是旋桨流速传感器,测量系统也采用该类旋桨流速传感器测量[4］。

为了加快测量速度,需要增加测点数量,进行多点同步测量。由于垂线流速需要定位在垂线的不同高程进行测量,每一垂线需要一个可以带动传感器垂直运动定位的驱动装置。又由于模型河道宽窄不一,每个断面测量垂线数不相同,也不可能在每一个测量断面上布满测量传感器。因此需要对断面垂线流速分批测量。例如在一个断面上布置10～15个带垂直定位装置的流速传感器,测量间距为0.3 m,一次测量可完成10～15个垂线,3.0～4.5 m宽的断面宽度,然后根据断面宽度整体移动这些流速传感器至待测区测量,直至完成断面全部垂线流速测量。

由于断面垂线流速测量在传感器进行定位前需要知道该垂线的水深,因此在测量断面垂线流速前,需要进行该断面的地形测量,提取各待测垂线的水深信息。

3 测量系统组成与控制原理

根据工作方式与流程选择分析结果,可以确定河工模型试验断面垂线流速自动测量系统的组成：①可以模拟两岸轨道行走并且能够精确断面定位的自动测桥；②自动测桥需要搭载多个传感器垂直运动定位的驱动装置,这些装置要能够延测桥移动并定位；③可以根据垂线水深和指定测量法则（1点法、3点法、5点法和任意指定点法）自动定位的带动传感器垂直运动定位的驱动装置；④多数据同步采集测控系统；⑤测量供电系统；⑥断面水深测量系统（断面地形测量系统）；⑦断面水边界测量系统,用于确定断面流速测量区域。详细组成框图见图1。

图1 测量系统组成Fig.1 Block diagram of the measurement system

测量系统的基本控制原理简单说就是通过自动测量平台的运动定位和断面地形水深的测量,控制每一个流速传感器测点的三维空间定位,进而完成断面多点流速的自动同步采集。系统的工作流程见图2。

4 测量系统子项任务及解决方案

根据长江防洪模型量测系统应用开发及示范的任务要求,测量系统需要完成下列主要子项任务：

4.1 模型水面边界自动识别系统应用开发

图2 系统测量过程流程Fig.2 Flow chart of measurement process of the system

要解决河工模型断面流速测量的全自动化测量问题,必须解决模型水面边界自动识别问题,因为河工模型不同于水工模型,水工模型可以根据模型断面制模的数据,由已知水位就可以知道测量范围,而河工模型试验过程中对应不同的水位,岸边线有可能变化。人工测量时按照测量规定,需要测量并且记录断面左右水边线,所以自动定位测量必须首先要确定测量范围。

模型水面边界自动识别可以考虑以下2种方案。①利用水的导电特性：利用2根相互绝缘的探针（或电极）,遇水后两电极间的电阻比两电极处于空气中或在模型岸边及模型洲滩的电阻小很多,由此判别两电极是否在水中（即物理判别法）。将探针从模型左岸向模型右岸扫描探测,即可测量出模型的左右水边线。②利用图像处理的方法：利用视频探头扫描拍摄模型断面,用图像分析处理的方法来分析水边界,理论上是可以分析得到模型断面水边界,因为人工判别也是目测的方法,做了一些初步的方案试验,发现影响判别的因素很多,如模型岸水边、洲滩水边、岸边湿周线在视频图像上无法区分、模型沙颜色以及周边环境光等都会影响水边线的判别等等,实际上最需要水边线的判别的是采用图像处理的方法的表面流场测量系统,但是到目前为止还没有很好的方法解决该问题。

结合流速测量定位系统需要测量断面水深的测量数据支撑,因此,对应于解决模型断面水面边界点测量的问题,我们采用的方案是利用全自动三维地形仪[5］的全断面测量功能,在测量断面水下地形的前后,分别采用阻抗电极测量原理实现模型断面左右水面边界的自动识别。

4.2 流速传感器垂线定位装置制作

流速传感器的垂向（Z向）自动定位装置,在设计时采用了同步带传动实现直杆线性位移,其优点是可以适应各种模型测量深度的需求,除考虑足够的驱动能力和运行速度外,还注意了紧凑设计,使得多台垂向自动定位装置并列时,达到接近10 cm的最小测量间距。垂线定位按规定法则（1点法、3点法、5点法和任意指定点法）完成传感器的自动定位和流速数据采集。

4.3 多路流速数据同步采集与控制系统应用开发

多路流速同步采集与控制系统由总系统和子系统2级构成。

每套子系统包含自动垂线流速测量控制仪12台、全自动测桥一座,由系统计算机控制。子系统可支持多台自动垂线流速测量控制仪（可根据需要扩充至32台）。子系统支持无线网络通信,与总系统计算机交换测量数据信息。

总系统由上位计算机和无线路由器组成,可以连接多套子系统。总系统可根据需要扩充的子系统数量,扩充流速测量区域范围,实现大范围的垂线流速的同步采集。

4.4 双工作面自动定位测桥制作

自动测桥包含沿模型纵向（X向）自动行走机构,纵向自动行走机构采用万向轮导向设计,能够适应模型不规则复杂地形条件的准确定位[6］。由于地形仪和多台流速仪都需要沿测量断面移动,两者不可能共用同一工作面,双工作面自动定位测桥是指测桥的两边分别布置有地形仪和流速仪的工作面,采用双工作面自动定位测桥的好处是可以减少模型上自动测桥的数量,也降低了成本。地形仪的工作面为常规工作面这里不做讨论,这里仅对布置有12台自动垂线流速测量定位控制仪的工作面进行论述。12台自动垂线流速测量定位控制仪都需要沿测量断面水平（Y向）移动定位,而且在测量前需要设定测量间距,自动垂线流速测量定位控制仪在测量断面水平方向的移动方式有2种方式可以考虑：一种是各自相对独立,自带动力驱动；另一种各自带无动力滑轮车,由专门的夹具同测桥上的传送带相连,传送带由测桥上的驱动装置驱动,测量前由试验人员按照测量间距布置固定设备,统一由传送带同步驱动。这种方式的优点是同步性较好,系统整体一致性和控制性能好。在此基础上,设计组合式断面水平移动仪器平台,自动垂线流速测量定位控制仪也不需要各自自带滑轮车,只需在移动仪器平台上按照测量间距定位,在断面水平（Y向）移动系统统一驱动下,仪器平台带动多台自动垂线流速测量控制仪实现整体水平移动、定位和多断面的自动行走的定位控制。

当测量断面较宽,所配置的流速仪（传感器）的数量不够一次完成整个断面流速采集时,系统自动控制分段多次完成整个断面的流速采集。

当测量完一个断面的流速后,系统自动控制测桥行走到下一断面位置,在系统的控制下依次完成水面边界、断面水深的数据采集,然后完成各流速传感器的定位并进行数据的采集,进而完成多断面流速数据的自动采集。

4.5 测量系统测控系统软件应用开发

软件包含子系统同步测量控制软件和总系统测量与分析软件的应用开发。

子系统软件功能可以完成多路自动垂线流速测量控制仪控制、行走机构控制、数据同步采集、数据指令传输。总系统软件功能可以完成测量同步控制、测量数据显示、记录保存、垂线流速与断面流速分布图的绘制、断面流量统计和历史数据的查询显示。图3是测量系统断面流速自动采集的控制显示界面。

图3 断面流速测量系统界面Fig.3 Interface of measurement software for flow velocity of section

测量系统测控系统软件主要考虑整个系统的扩展与级联。本系统由测量控制子系统和中央控制室总系统构成。子系统以每个自动测桥上的测量设备和单元模块为限,由计算机、测量控制单元、自动测桥、2X向驱动定位模块、Y向驱动定位模块、12路流速传感器垂线定位机构、水面边界识别单元、无线通信模块等部分组成,完成断面水面边界的识别、水下地形数据测量、流速传感器垂线定位、断面流速的同步快速采集和多断面的自动行走定位。总系统由高性能系统主机、无线通信模块、数据采集模块和系统软件组成,实现多子系统的远程无线控制和测量数据的快速上传、显示、保存、查询。用户可以根据需要扩展子系统的数量,进而实现大范围流速的快速同步采集。

图4 测量系统在模型试验中的应用Fig.4 Application of the measurement system in model test

5 结 论

河工模型试验断面垂线流速自动测量系统在研制过程中,取得的创新点如下：

（1）模型水面边界自动识别,能解决流速测量定点及断面边界判定问题。

（2）模型断面垂线流速自动测量,首次完成地形测量数据与垂线流速自动测量数据共享,为流速传感器垂线自动定位提供依据。

（3）对不满足测量水深的测点,根据垂向流速测量规范,采用自动修正垂向测量点数,完成断面垂线流速测量的智能化。

（4）采用了双工作面自动定位测桥和组合式断面水平移动仪器平台。

（5）实现模型多断面的自动行走和精确定位控制,完成大范围流速的快速同步采集。

目前河工模型试验断面垂线流速自动测量系统在应用中待解决的主要问题是流向测量的问题,采用二维或三维ADV（超声多普勒流速仪）可以解决流速流向测量的问题,但是由于其所需成本太高难以在实际工程中推广实施。另外由于模型场地的不规整,不能采用滑触线的方式向系统供电,怎样给测量系统安全供电的问题也需要在使用过程中探讨解决。

总之,河工模型试验断面垂线流速自动测量系统的研制成功,解决了长期以来河工模型试验测量断面垂线流速只能依靠人工测量的问题；解决了由于人工定位测量,带来的定点速度慢、效率低,使得测量结果失真,不能真实地反映实际情况的问题；提升了模型试验自动化程度,适应了模型试验发展需求。

[1]SL99—2012,河工模型试验规程[S］.北京：中国水利水电出版社,2012（SL99—2012,Regulation for River Model Test[S］.Beijing：China Water Power Press,2012.（in Chinese））

[2]GB50179—93,河流流量测验规范[S］.北京：中国计划出版社,1994.（GB50179—93,Code for Liquid Flow Measurement in Open Channels[S］.Beijing：China Planning Press,1994.（in Chinese））

[3]王兴奎,庞东明,王桂仙,等.图像处理技术在河工模型试验流场量测中的应用[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,谢 瑞,韩世进,等.多功能智能流速仪[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]马志敏,范北林,许 明,等.河工模型三维地形测量系统的研制[J］.长江科学院院报,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]吴新生,许 明,魏国远,等.长江防洪模型量测控制系统[C］//水利量测技术论文选集（第五集）.郑州：黄河水利出版社,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.

（编辑：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

国家自然科学基金项目（51339001）；国家重大科学仪器设备开发专项（2011YQ070055）

胡向阳（1964－）,女,浙江东阳人,教授级高级工程师,主要从事河道治理研究和科研条件建设工作,（电话）027－82829789（电子信箱）huxiangyang9789＠163.com。