基于卫星通信和云计算的水文巡测系统浅析

罗俐雅 纪小敏 夏 飞 赵永俊

（1.江苏省水文水资源勘测局 南京 210098 2.江苏省水文水资源勘测局盐城分局 盐城 224002）

随着水利建设的发展，河道的工情工况发生了改变，仅仅依靠传统水文固定基本测站的监测已难以适应现代治水的要求，大量新增监测任务和中小河流的水文要素的获取只能通过巡测解决。传统的水文巡测依靠大量的人力，采用人工操作，分内、外业工作流程，工作效率和时效性较低，在汛期大风大雨天野外监测，存在很大局限性和安全隐患。随着科学技术的发展和经济实力的增强，提供工作效率，减轻测验人员的劳动强度，改变巡测人员的工作流程迫在眉睫，一种基于卫星通信和云计算的水文巡测系统很好地解决了这个发展难题。

1 全自动水文巡测系统工作原理

全自动测流系统有控制部分和水文监测部分组成。控制部分由吊臂、控制箱、监控摄像、水文仪器、无线收发器和软件组成，通过软件的控制，实现自动控制吊臂进行运动；水文监测部分由安装在吊臂上的水文仪器按照测验规范进行监测，并将监测数据进行处理后形成标准流量计载表等，根据需要还可将监测数据通过公网（卫星）传输到地方数据中心，实现水文巡测流量测验自动化。系统流程如图1。

图1 全自动水文巡测系统流程图

2 系统主要功能及组成

2.1 主要功能

一是支持吊臂多种操作方式：包括舱内自动操作模式，户外无线PAD 操作模式和手动应急操作模式；二是测验数据多途径输入功能，可以人工计数，手动录入并生成标准流计表，也可自动计数，直接生成标准流计表；三是自动实现测量水深、设置测点位置、流速数据采集、以及铅鱼回收入舱；四是具有全过程语音提示功能，开始测流、到达水面、到达水底、回收完成、张力过载等都实现了语音提示。五是支持双屏显示测流界面和监控视频，通过GPS自动选择断面，上传位置信息，中心云平台支持位置管理；数据本地保存，云端备份，可在操作室一键完成测流过程和数据上传；六是配有车载平衡系统和高清全景视频系统，车载电源供电系统，实现全方位监控，保障测流安全。

2.2 系统组成及控制指标

2.2.1 测流系统

测流系统控制部分主要有水文吊臂、电脑、控制柜（PLC 及内部主要设备）摄像机等组成，主要指标如下：

①供电电源：DC12V,DC24V；

②额定功率：120W；

③铅鱼运行速度：0.5m/s；

④铅鱼制动时间：小于1s；

⑤吊臂升缩速度：小于等于0.25m/s；

⑥液压系统压力：小于等于8MPa。

测流系统水文业务部分有：

（1）水深测量

测深范围小于等于30m；测深精度2cm+1%；铅鱼升降速度0.12～0.50m/s。

（2）流速测量仪

①适应范围：20 转、5 转、1 转、1/2 转等为一个信号的流速仪（流速仪信号转速值可在上位机任意设定）；

②流速仪公式：V=K·N/T+C，公式中K、C值可修改、保存；

③测速历时：100s、60s......可视河道洪水变化，按照测验规范设置、保存；

④计时精度：0.1s；计数：无误差；

⑤字符和图形显示：流速、计数、计时值。

（3）断面测量

流量测验采用最常用方法是流速面积法：

流量Q=过水断面面积A×断面平均流速U

采用流速仪法的选点法和测量剖面流速的流速法中的声学多普勒流速剖面仪法（走航式ADCP）进行流量计算。河道断面测量主要包括测量水深、宽度和水位。测量水深的方法通常采用测深杆、测深锤、铅鱼测深或回声测深仪等器具施测。目前，本产品采用铅鱼测深。起点距是指断面上测深垂线到断面起点桩的水平距离，可用建筑物标志法和仪器交会法等测定。

（4）流速测验法

测流常用的有流速仪、浮标、雷达、ADCP 等测流方法，其中以流速仪测流法最为常用。

流速仪主要有旋杯式和旋桨式两类，计算公式：

V=K·N/T+C

式中：V—测点流速；N—总转速；T—总历时；K、C—分别为实验率定的流速仪的转速与流速的关系系数。

流速仪测速时必须在断面上布设测速垂线和测点。垂线的数目主要根据水面宽度确定；测点数目主要根据水深确定。

常用测量方法主要有：水面法、一点法、二点法、三点法、五点法等。

2.2.2 安全及电源系统

该系统由定制高清全景象摄像系统和车辆平衡系统、车载电源供电箱组成。为车辆行驶和测流提供安全提示、安全支撑和供电功能。实现如下功能：

（1）车辆安全行驶功能

采用定制高清全景象摄像系统，将车周围和车底实时画面显示到车内，使得车在工作时没有盲区。加强了工作时的安全。

（2）车载平衡安全功能

巡测车在吊臂转动时，会出现车身晃动现象，吊臂在进行测流时，特殊情况下会发生倾斜，后仰等情况，为了避免此情况的发生，车辆在配重设计外，配备了车载平衡系统，保证人员和设备的安全性。

为了防止水草缠绕铅鱼等特殊情况，导致安全事故，本产品在配备了过载自动滑脱装置，保证人员，车辆的安全。

（3）供电功能

电源系统包括CPU、信号采集单元、继电器及信号处理集成模块、液晶触摸屏等来实现智能化的管理和控制。对车辆的交流电的输入输出进行电压、电流的检测，并进行优化分配，对车辆的直流供电部分进行监控，保护原车的电池，杜绝电池跑电。自带报警系统，并能有效防止意外的发生，以保护车上的设备以及人身安全。

本供电系统带有备用电池、充电机和逆变器。不使用汽车原电池，保证行驶安全，在汽车行驶或工作时，汽车发电机同时为汽车电池和备用电池供电。在保养时可以通过市电为备用电池供电。支持AC 和DC 的输入，并支持AC220V，DC12V，24V等输出。

2.2.3 底盘车系统

考虑到水文巡测工作环境等实际因素，选择依维柯A37 厢货型车型。该车型底盘高，通过性好，适应各种路况。载重能力强，高度各方面满足吊机的要求。

3 系统的创新性和先进性

（1）测验的数据在线实时传输至中心平台，改变了传统的巡测内、外分段作业，流量数据无法实时获得的弊端，提高了应急决策的时效性。

（2）测流数据自动录入、流量云端计算，改变了传统巡测人工录入和人工计算工作强度大、效率低下问题，减轻了巡测人员的作业要求。

（3）测流数据实时回传至平台，方便了流量数据的统一处理与整编；在传输信号中断时，上位机具备存储功能，信号恢复时，测验数据自动上传到云平台数据库中，防止测验数据丢失。

（4）测验工作简单化：对测验人员简单培训后就能上岗，解决单位技术人员不足的情况。

（5）车载平衡系统：支撑腿可以使车辆拥有更好的稳定性。

（6）高清全景系统：全景系统可以使司机在停车时更好地躲避障碍并停在测点位置。

（7）钢丝绳过载报警系统：当钢丝绳张力达到一定阈值会进行报警，提示操作人员及时处理风险。

（8）吊臂急停系统：当操作人员发现危险时候，可以使用急停系统避免更大的损失。

（9）测流信号有线传输：专业钢丝绳内置通信芯线，传输数据稳定性高，保证了监测数据通信信号的稳定传输。

（10）高可靠PLC 控制：工业级的PLC 可以更好地控制设备，并且取得更高精度的计算数据。

（11）高灵敏度传感器：有了高灵敏度的传感器可以保障计算数据的精度及设备操作的安全。

（12）操作方式多样性：分工作舱内、外一键自动操作和手动操作，在上述操作失灵的紧急情况下配置应急操作按键，保证车辆和测验设备的安全。

（13）操作模式的多样性：具备已知断面和应急监测时未知断面监测的功能。

（14）一车多用：可同时搭载走航式ADCP 和单兵测量两种设备。因工况需要，应急监测时可使用任意一种测流设备，两种设备可互补应用。

4 系统应用效果

通过水利部水文仪器检测中心的监测，该系统达到设计要求，满足水文巡测规范要求。

在江苏沿海巡测中应用：2020年分别在江苏省水文局及其盐城分局组织的应急监测演练中开始使用，其设计功能得到了实际检验，符合设计规范要求。该系统现已在江苏省盐城水文分局中应用，在沿海巡测中发挥了重要作用。

在汛期巡测作业中发挥特殊的作用：一是在风雨天气，水文巡测外业既辛苦又危险，现在只要坐在车上，一键操作就完成了测验任务。二是巡测数据实时传输，解决了最后一公里的数据传输问题，使防汛指挥决策机关及时应用和查阅监测数据。三是可以在水利、水文、环保等需求行业推广应用，社会效益巨大。在国际社会的巡测设备受到进口限制的背景下，自主研发的适合一线需要的系统，节约了大量外汇，创造了巨大的经济效益■