虚拟仪器技术在水利测量中的应用

刁　凯，王东亮

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)



虚拟仪器技术在水利测量中的应用

刁凯，王东亮

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

随着经济的快速发展，虚拟技术作为一种新型的PC技术得到了进一步的发展与应用。虚拟技术指的是测试技术及多种功能软件综合的应用型技术，在许多方面都得到了广泛的应用，特别是在水利测量领域，虚拟仪器发挥着重要作用。在虚拟仪器技术的辅助下，水利测量快速发展进入到更为精确、自动化的发展阶段。文章对虚拟仪器技术的基本理论及组成进行了介绍，并对虚拟仪器技术在水利测量中的应用进行了分析。

虚拟仪器技术；水利测量；水利工程；应用；分析

传统的水利测量仪器普遍存在开发周期长、功能单一、精确度低的问题，无法对流体进行实时测量。随着水利工程的发展，传统的水利测量系统已无法满足水利测量的要求，现代水利测量系统需要在保证测量结果准确性的前提下，提高水利测量系统的系统性、实时性与集成化，因此，需要进一步改进水利测量工具与技术。虚拟仪器技术是仪器开发设计领域的新技术能够满足水利测量仪器的发展需要，近几年在水利测量中得到了广泛的应用。

1　虚拟仪器技术

1.1虚拟仪器技术的基本理论

虚拟仪器是在传统仪器基础上的进一步发展，是测试技术及多种仪器系统技术的综合产物，虚拟仪器以最新的PC技术与测试技术为依托，是在计算机技术的基础上研发而成的。美国国家仪器公司最早提出了计算机技术的虚拟仪器概念，并研发推出了以总线系统为基础的虚拟仪器，应用到多个领域。传统的仪器技术往往存在精确度低、实时性差的问题，无法满足现阶段对仪器技术的要求，虚拟仪器技术应运而生[1]。虚拟仪器技术是以拥有数据采集设备的通用计算机平台为基础，在此技术上根据实际需要构建不同的系统，这在很大程度上突破了传统仪器技术厂家定义、用户无法修改的模式，在虚拟仪器的辅助下，用户可以根据自己的实际需要构建具有自身特色的自动测试系统，准确性与工作效率较传统仪器技术更高。

虚拟仪器中的硬件为通用型，是计算机平台与数据采集设备，而虚拟仪器的软件由使用者根据实际需要编写，能够充分发挥计算机的能力，可以快速地进行数据处理并创造出功能更多样的仪器。因此，不同的虚拟仪器在软件上存在较大的差异性。虚拟仪器技术与传统的仪器技术相比，其优势主要体现在虚拟仪器能够由用户定义软件，构建专用的仪器系统，功能更为灵活，使虚拟仪器的使用更具针对性。因此，虚拟仪器技术在各领域拥有更为广泛的应用。

近几年，硬件软件化成为新兴的发展趋势，虚拟仪器技术便契合这一发展趋势，因此，虚拟仪器也被称作为“软件仪器”。虚拟仪器风格简约，操作灵活，拥有完全图形化界面，这样更易被使用者接受，操作也更加的便捷。虚拟仪器技术作为新一代的仪器测试技术，集计算机技术、通信技术与测试技术于一体，具有高精确度、自动化与网络化的优势，是未来测试领域的重要技术。

1.2虚拟仪器的构成

传统的仪器主要由被测信号的采集与控制、信号分析与处理、测试结果输出这3大功能模块组成，这些功能模块主要以硬件为储存形式，难以改变，因此，传统的仪器通用性较低。如果将这些功能集中到计算机上，在计算机上安装数据采集卡与数模转换器，通过软件使计算机屏幕成为仪器面板，使其可以快速地进行信号的分析与处理，这样就会计算机成为一台简单的虚拟仪器。简单地说，虚拟仪器就是通过虚拟仪器技术开发的示波器面板，具有所有的测量功能。

在虚拟仪器系统中主要由硬件与软件构成，硬件主要用于信号的输入输出与转换，软件则承担着整个仪器系统的主要控制功能，是整个仪器系统的核心[2]。

仪器使用者可以通过修改软件，改变、增减仪器系统的功能，使其具有一定的针对性，这在一定程度上提高了仪器测量的精确度与测量效率，因此，软件是虚拟仪器系统的关键组成。

2　虚拟仪器技术在水利测量中的应用

随着计算机技术、3S在水利工程中的广泛应用，水利测量快速发展。在针对江河湖等大尺度客体进行水利测量时，常会受到多重因素影响，且测量过程的内部运行规律难以确定，这时就需要采用水文水质仪器进行自动测量。

水利测量中流速、流量与压力等参数会对测量结果产生极大的影响，只有精确测量这些参数才可以对流体特征有一个整体的把握，这对于实验研究与规律的掌握是极具意义的。

2.1提高水利测量的效率与准确度

虚拟仪器技术在水利测量中可以快速地改造常规的水利测量仪器，使其功能更加的多样化，提高水利测量的效率。

常规的水利测量仪器包括水位仪、电磁流量计、旋桨等，如果可以将这些常规的水利测量仪器与虚拟仪器技术结合，那么水利测量的准确度与效率都将得到明显的提升。

常规的水利测量仪器可以通过接口转换卡转换为满足虚拟仪器总线标准的设备，使其可以集成到虚拟测控系统中，这样一来，在进行水利测量时只需要控制一台计算机，便可以实现多台测量仪器的控制，极大程度地提高了水利测量的效率。

同时，控制人员也可以在计算机上插入满足实际水利测量要求的板卡形成一个独立的测控系统，使其可以对部分对象进行动态监控。虚拟仪器技术能够对软件进行简单的编程，测控系统在控制界面的内容将会更加的丰富，在实际控制操作上也会更加的便捷。

通过虚拟仪器技术，设计得到的仪器软件可以进一步优化水利测量仪器，提高水利测量的效率与准确度。

基于虚拟仪器技术发展而来的流场流速测量技术在水利测量中有着广泛的应用，如粒子图像测速仪、三维热丝风速仪等在开发过程中需要多台测量装置的实时同步控制，将测量所获的数据与图像相匹配并分析处理，这就对水利测控系统提出了较高的要求，如果沿用传统的仪器控制系统，那么水利测量的工作量就会增加。如果应用虚拟仪器技术，流场流速测量技术的开发周期与难度就会大大降低，数据与图像可以快速匹配，得到的大量数据可以图形化，这在一定程度上提高了数据处理的效率，此外，得到的数据与图像也可以在其他软件平台进行数据交换，实现了数据的共享。

2.2远程现场在线测控

虚拟仪器的网络功能可以使水利测量的远程现场在线测控成为可能，测控数据通过网络传输，这样测控人员只需在室内便可以观测到水域现场，对水域进行准确的测量，这在很大程度上提高了水利测量的效率，节省了大量的人力物力。虚拟仪器可以对大面积水域环境进行动态监测，将接受得到的遥感图片进行定量描述，实现快速准确的数据采集，为水利相关的学科研究提供重要的科学参考依据。

同时，在虚拟仪器网络功能的辅助下，无人值守的水文观测站的构建也成为可能。虚拟仪器测控系统中的INTERNET工具箱增加了电子邮箱、WEB功能，可以通过计算机系统，快速地开发网络应用程序，远程地对水利测量现场进行测控，使数据自动传输到数据库进行数据的处理与分析[3]。同时，虚拟仪器的网络功能也可以将水情等固定的观测站联系起来组成网络，并将水利测量得到的数据通过网络传输到流域信息中心，为水利调度、水文预报等提供科学依据。

3　结　语

1)虚拟仪器技术在水利测量中的应用不仅可以提高水利测量的效率与准确度，也可以实现水利测控的远程现场在线测控，这对于水利工程的发展具有积极意义。

2)水利测量的相关部门需要提高对虚拟仪器技术的重视程度，加大对虚拟仪器的投入，研发出功能更加多样、性能更加优良的软件系统，应用到水利测量中，促进水利工程的进一步发展。

3)虚拟仪器技术改善了传统水利测量的不足，其未来发展前景广阔，将会引领水利测量进入到更为精确、自动化的发展阶段，为水利研究提供重要的科学依据。

[1]司环宇,文恒,苗恒录,等.LabVIEW虚拟仪器技术在水利测量中的应用研究[J].内蒙古水利,2010(03):69-71.

[2]张伟,魏占清,苗秀玲.虚拟仪器技术在水利测量中的应用[J].内蒙古水利,2012(01):59-60.

[3]陈瑞，王兴奎.虚拟仪器技术在水利测量中的应用研究[J].水利水电技术，2004(04)：59-60.

Application of Virtual Instrument Technology in Hydraulic Survey

DIAO Kai and WANG Dong-liang

(Heilongjiang Provincial Water Conservancy & Hydroelectric Power Investigation，Design and Research Institute，Harbin 150080，China)

With the rapid development of economy，as a kind of new PC technique，virtual technology is developed and applied in further.The virtual technology refers to the test technique and comprehensive application-style technology with multi-functional software，which are applied widely in many respects，and the virtual instrument takes important roles especially in the range of hydraulic survey.Aided by the virtual instrument technology，hydraulic survey is developed quickly and steps into a more accurate and automation development stage.The paper introduces basic theory and composition of virtual instrument and analyzes the application of virtual instrument in hydraulic survey.

virtual instrument technology；hydraulic survey；water conservancy project；application；analysis

1007-7596(2016)05-0107-03

2016-03-15

刁凯(1989-)，男，黑龙江安达人，助理工程师；王东亮(1987-)，男，黑龙江富裕人，助理工程师。

TV221.1

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