多路水深流速自动采集系统设计与应用

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(武汉大学 电子信息学院，武汉 430070)

1 研究背景

在河港工模型试验中，需要进行断面多点流速的同步测量。按照测量法则的规定，需要根据各测点当前的水深，将流速仪传感器分别定位到指定的水深处，再采集对应的流速。所以应先完成各点的水深测量，再进行流速传感器的依次定位和流速的采集。由于河工模型断面跨度较大，少则几米，多则几十米，测点数量非常多，流速测量任务非常重。另外，很多情况下需要进行断面多点流速的同步测量，以反映断面的瞬时流速分布情况，所以测量的时间性也很强。目前，模型上测量的方式主要采用人工逐点测量，或由人工逐点进行水深测量并完成流速传感器定位，再由仪器进行多点流速自动采集。普遍存在测量效率低、定位精度不高、费时费力的问题，制约了模型试验的发展。

本文利用自行研制的自动水深流速仪，通过RS485总线与计算机采集系统相连，构成多点水深流速自动采集系统，在系统测量软件的控制下，实现了断面多点水深的自动测量、多路流速传感器的自动定位和流速的自动同步采集功能，显著提高了流速传感器定位精度和测量效率。

2 系统组成

多路水深流速测量系统由水深流速仪和计算机数据采集系统两部分组成。水深流速仪主要完成对单点的水深测量，同时根据规定的测量法则对流速传感器进行定位，完成流速的测量。计算机数据采集系统则实现对多台水深流速仪的测量控制和对流速数据的采集、保存及显示。多路水深流速自动采集系统组成如图1所示。

图1 多路水深流速测量系统组成

多台水深流速仪通过RS485总线与计算机连接，构成多路水深流速自动测量系统。

系统连接和扩展极为方便，允许用户根据需要增减仪器的数量。本系统最多支持31台水深流速仪同步测量控制和数据采集、显示、保存与查询。

3 水深流速仪工作原理与结构

水深流速仪的功能是先完成垂线水深测量，然后根据测得的水深和规定的测量法则，对旋桨流速传感器进行自动定位，依次由下向上采集垂线上各点的流速。

水深测量由水深测量电极和垂直传动机构配合完成。水深测量电极在垂直传动机构的带动下向下运动，同时仪器根据测量电极在水面和床面输出电压的变化判别水面与床面的位置，进而计算出对应的水深。

流速测量则采用目前模型广泛使用的旋桨流速传感器。水深流速仪根据之前测量的水深和规定的测量法则(如1点法、3点法、5点法等)自下而上对旋桨流速传感器进行定位，并采集各点的流速信息。

图2 仪器测杆的垂直驱动结构示意图

图3 水深流速仪实物图

水深流速仪在同一根测杆上集成设计了水深测量电极和旋桨测量传感器，由同一垂直行走机构驱动，一次往复运动便可完成水深和流速2项测量。该仪器实现了简化结构设计、提高测量效率的同时，又实现了水深、流速的同步采集测量，避免了2种测量过程的相互影响。

图2是仪器测杆垂直驱动结构示意图。

4 上位机(测量系统)软件设计应用

上位机软件的功能是按照规定的测量方式和测量法则完成多路水深流速仪的测量控制和数据采集、显示、保存和查询功能。主要包括主机与水深流速仪的通信、多路同步测量控制、多种测量模式和测量功能选择与控制、系统设备的注册与命名、控制参数的下传、数据显示、保存、查询、导出和记录报表的自动生成等。

上位机软件的框架利用了MFC 提供的基本框架, 根据软件的需要, 设计成基于对话框的界面, 自建了更为丰富的菜单栏, 用来设定参数，并将主界面分成了3块, 包括测量控制区、数据显示区和数据查询区。测量控制区一般用来下传控制参数，启动停止测量等；数据显示区主要用来显示测量所得的实时数据；查询区的功能是查询当前各个测量点的实时数据[1]。

4.1 系统主机与水深流速仪的通信方式设计

4.1.1 主机与水深流速仪的通信方式的选择

为了便于测量设备的扩展和简化设备的连线，主机与水深流速仪的通信采用了RS485串行通信总线。该总线具有连接简单、扩展方便、成本低、抗干扰能力强的特点。系统采用主从通信方式，计算机为主设备，水深流速仪为从设备，每一台水深流速仪被赋予专有的地址。主机通过专有地址访问各台水深流速仪，实现对它们的控制[2]。

由于模型试验现场不可避免存在电磁辐射的干扰，为了确保通信的可靠性，系统应该具备对通信数据进行检错和纠错的能力。本系统软件设计采用了Modbus通信协议和CRC校验技术[3]。

设备在接收到一帧数据后将自动进行CRC校验运算，判定接收数据的正确性[4]。若校验传送出错，则要求数据重发，从而完成数据的检错和纠错功能，确保数据传输的可靠性[5]。

4.1.2 多点水深流速同步采集的实现

在河工模型试验测量中，往往希望能实现断面多点流速的同步测量，以获得瞬时断面流速的分布情况。为满足上述要求，需要多台水深流速仪能同步工作。

本系统采用指令同步的方式，即由同一条指令启动所有水深流速仪同时开始测量，从而实现多点流速同步测量的功能。为实现这一功能，系统软件设计时给每台水深流速仪都分配了2个设备名，一个是公用设备名，为所有水深流速仪所共享；另一个是私用设备名，为每个设备所专有。利用公用设备名传送的指令，所有设备都会同时响应，而利用私用设备名传送的指令，只有一台设备响应。在进行多点同步测量过程中，系统软件使用公用设备名进行测量指令的传送，同步启动所有在线仪器开始测量，测量完毕则采用私用设备名逐台读取设备的测量数据。

采用公用设备名方式，还可同步完成许多无需数据上传的操作，诸如：启动测量、停止测量、仪器复位、相同控制参数的下传等，以提高系统的控制效率。

4.2 系统主要测量模式和测量功能设计

考虑到模型试验的要求和测量规范的规定，本系统软件支持以下测量法则和测量模式。

支持4种测量法则：① 1点法测量，采集距水面0.6倍水深处的流速；② 3点法测量，采集距水面0.2倍、0.6倍、0.8倍水深处的流速；③ 5点法测量，采集表流、距水面0.2倍、0.6倍、0.8倍、1.0倍水深处的流速；④ 任意指定水深，采集用户任意指定水深处的流速，该功能允许用户任意指定水深。

支持3种测量模式：①单次测量模式，只作一次水深和垂线流速测量；②重复测量模式，按设定的重复周期，自动进行水深流速重复测量和显示；③跟踪测量模式，水深流速仪作定点连续跟踪测量，测杆不提起，计算机连续跟踪显示测量结果。

在软件设计中，不同的测量方式的工作流程图如图4所示。

图4 不同测量方式下的测量控制流程图

系统还支持以上模式的单点测量，支持旋桨计数定时长度的自动设置功能，便于用户根据流速的大小选择合适的计时长度，提高流速的测量精度。

测量法则和模式选择可以在相应界面中选择配置。

4.3 系统配置与测量断面信息的导入

为了便于用户根据试验情况选择适当数量的设备投入工作，本系统支持设备注册功能，用户通过设备注册界面规定投入工作的设备，如图5所示。

图5 设备注册界面

系统允许用户自行设定旋桨流速传感器的计数时间，以满足不同流速时要求。同时，上位机可以保存和修改各个旋桨的率定系数，以保证流速测量的精度。此外，为了便于用户使用，系统还配备了设备重命名功能，允许用户重新对设备进行编址和排序。

在测量过程中，为方便用户录入测量断面的信息，系统提供了2种导入模式：读取模式和输入模式。在读取模式下，系统自动读取已保存在文件中的断面信息，包括断面号、测量起点、终点和每台水深流速仪的断面位置等信息，避免用户重复输入；在输入模式下，用户可以根据需要录入测量断面的上述信息。测量过程中将会自动显示记录上述信息。在输入模式下，用户还可以根据需要，选择采用步距方式或断面坐标方式来录入断面信息。当测点等距布放时，可选择步距模式，此时只要输入起点、步距和台数即可，以简化用户的操作。选择坐标方式时，则需要输入每台仪器的断面坐标值，测点可以不要求等距布放。

4.4 系统测量控制与数据的显示、保存

图6给出系统测量主界面。左侧对应各种测量模式的选择，包括单点测量和多点测量选择，单次测量、自动重复测量、跟踪测量选择、系统复位等功能，用户可以根据试验的要求进行选择。

图6 测量软件主界面

主界面中间为显示窗口，可以显示断面各垂线水深和垂线各点的流速。其中水深显示采用了柱状图和数值显示结合的方式，直观形象；流速则在对应垂线位置，由上至下分别显示表流、0.2倍、0.6倍、0.8倍水深处和底流的流速。系统最多可同时显示32路水深流速值。右侧滚动窗口则主要用来显示查询结果。

系统测量的过程是，启动上位机测量程序并完成规定信息导入后，上位机将向各台水深流速仪传送控制参数，如旋桨计数时间、测量法则、测量模式等控制信息。随后，系统计算机利用公用设备名发出启动测量命令，同步启动各台水深流速仪开始测量。经短暂延时等待后，上位机开始逐台查询各仪器测量是否完成，并依次读取各台仪器的测量结果，在主机上显示和保存。

为便于考察测量数据的可靠性，每台流速仪在同一点会自动测量5次，并分别记录每次测量值和平均值，上传给计算机保存显示。计算机主界面将显示5次的平均值，5次测量值可以通过主界面右侧的滚动窗口查询显示。

数据处理需要将读回来的数据进行数据分离及数据转换。上位机从指定的水深流速仪中读取出来的数据,是一系列包含有水深流速的字符串数据。首先，将字符串中的水深数据和流速数据根据规定的格式分离开来，并保存到对应的地方。其次，将要显示的水深和流速数据进行数据转换。因为在显示模块的界面上，显示水深是用画刷绘制柱状图的方法，所以必须将水深数据对应的字符串转换成相应的整型或浮点型数据进行运算之后来绘制相应的柱状图进行显示。

在多路水深流速自动采集系统中，测量得到的数据非常多，多路水深流速自动采集系统将需要存储的数据进行了分类管理：

(1) 将系统的配置文件用ini文件的格式进行保存。系统开始运行初始化的时候从ini配置文件中读取相应的配置信息，系统运行期间对配置信息进行的修改都会保存到ini文件中，这样系统的配置文件就不易丢失。

(2) 在实际应用中，会根据不同河段的实际情况，选择测量断面数，而且每个断面的断面信息会不一样，为了存储这些断面信息，多路水深流速自动采集系统的上位机软件专门建立了一张断面表(.xls)来存储断面信息。断面表中记录着各个测量断面的断面号以及该断面上的测点信息。

(3) 建立一张测量数据表(.xls)用来保存各台仪器的测量数据。测量数据表包含了时间、断面号、起点距、V1，V2，V3，V4，V5，测量模式等信息。

4.5 历史数据查询与试验报表的生成

系统支持多种数据查询方式，主要包括：实时数据查询、单点数据查询和多点数据查询。实时数据查询是对当前测量数据5次测量值进行查询，以便用户考察测量值的可靠性。单点数据查询是对指定点和规定时段数据进行查询。多点数据查询是对多个测量点在规定时段数据的查询。

为了方便试验成果的整理，本系统支持试验记录报表的生成，按照通用的格式自动生成测量记录报表(见表1)。

表1测量记录表

Table1Measurementrecord

水利部长江科学院工程质量检测中心河流试验室流速测量记录表

项目名称: 工况:

断面号: 水边起点距(m)左: 右: 流量(m2/s):

流速仪型号： 流速仪编号： 测杆号：

序号起点距/m水深/cm相对水深角度流速/(m·s-1)一次两次三次四次五次平均流速备注

5 结 语

多路水深流速自动采集系统已成功应用于长江科学院防洪模型实验，通过模型实验测得的数据显示，多路水深流速自动采集系统水深测量精度能达到0.01mm,流速测量精度能达到0.1cm/s，同时河工模型实验也显示，多路水深流速自动采集系统还不能自动识别河床边界，不能自动行走，需要做进一步的改进，以便进一步提高测量系统的自动化程度。

总之，多路水深流速自动采集系统实现了多点水深自动测量、流速传感器的自动定位与流速的自动采集，对测量的数据进行实时储存与显示,通过专用接口与计算机实现数据交换,便于测量数据的后续处理,显著提高了水深测量与旋桨流速仪定位的精度，显著提高了流速测量系统的自动化程度和模型断面流速测量的效率，具有较好实用意义。

参考文献：

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