虛擬儀器技術(shù)在水利測(cè)量中的應(yīng)用

刁　凱，王東亮

(黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

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虛擬儀器技術(shù)在水利測(cè)量中的應(yīng)用

刁凱，王東亮

(黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，虛擬技術(shù)作為一種新型的PC技術(shù)得到了進(jìn)一步的發(fā)展與應(yīng)用。虛擬技術(shù)指的是測(cè)試技術(shù)及多種功能軟件綜合的應(yīng)用型技術(shù)，在許多方面都得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在水利測(cè)量領(lǐng)域，虛擬儀器發(fā)揮著重要作用。在虛擬儀器技術(shù)的輔助下，水利測(cè)量快速發(fā)展進(jìn)入到更為精確、自動(dòng)化的發(fā)展階段。文章對(duì)虛擬儀器技術(shù)的基本理論及組成進(jìn)行了介紹，并對(duì)虛擬儀器技術(shù)在水利測(cè)量中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

虛擬儀器技術(shù)；水利測(cè)量；水利工程；應(yīng)用；分析

傳統(tǒng)的水利測(cè)量?jī)x器普遍存在開發(fā)周期長(zhǎng)、功能單一、精確度低的問(wèn)題，無(wú)法對(duì)流體進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。隨著水利工程的發(fā)展，傳統(tǒng)的水利測(cè)量系統(tǒng)已無(wú)法滿足水利測(cè)量的要求，現(xiàn)代水利測(cè)量系統(tǒng)需要在保證測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下，提高水利測(cè)量系統(tǒng)的系統(tǒng)性、實(shí)時(shí)性與集成化，因此，需要進(jìn)一步改進(jìn)水利測(cè)量工具與技術(shù)。虛擬儀器技術(shù)是儀器開發(fā)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的新技術(shù)能夠滿足水利測(cè)量?jī)x器的發(fā)展需要，近幾年在水利測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用。

1　虛擬儀器技術(shù)

1.1虛擬儀器技術(shù)的基本理論

虛擬儀器是在傳統(tǒng)儀器基礎(chǔ)上的進(jìn)一步發(fā)展，是測(cè)試技術(shù)及多種儀器系統(tǒng)技術(shù)的綜合產(chǎn)物，虛擬儀器以最新的PC技術(shù)與測(cè)試技術(shù)為依托，是在計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上研發(fā)而成的。美國(guó)國(guó)家儀器公司最早提出了計(jì)算機(jī)技術(shù)的虛擬儀器概念，并研發(fā)推出了以總線系統(tǒng)為基礎(chǔ)的虛擬儀器，應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域。傳統(tǒng)的儀器技術(shù)往往存在精確度低、實(shí)時(shí)性差的問(wèn)題，無(wú)法滿足現(xiàn)階段對(duì)儀器技術(shù)的要求，虛擬儀器技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[1]。虛擬儀器技術(shù)是以擁有數(shù)據(jù)采集設(shè)備的通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)為基礎(chǔ)，在此技術(shù)上根據(jù)實(shí)際需要構(gòu)建不同的系統(tǒng)，這在很大程度上突破了傳統(tǒng)儀器技術(shù)廠家定義、用戶無(wú)法修改的模式，在虛擬儀器的輔助下，用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際需要構(gòu)建具有自身特色的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，準(zhǔn)確性與工作效率較傳統(tǒng)儀器技術(shù)更高。

虛擬儀器中的硬件為通用型，是計(jì)算機(jī)平臺(tái)與數(shù)據(jù)采集設(shè)備，而虛擬儀器的軟件由使用者根據(jù)實(shí)際需要編寫，能夠充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的能力，可以快速地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并創(chuàng)造出功能更多樣的儀器。因此，不同的虛擬儀器在軟件上存在較大的差異性。虛擬儀器技術(shù)與傳統(tǒng)的儀器技術(shù)相比，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在虛擬儀器能夠由用戶定義軟件，構(gòu)建專用的儀器系統(tǒng)，功能更為靈活，使虛擬儀器的使用更具針對(duì)性。因此，虛擬儀器技術(shù)在各領(lǐng)域擁有更為廣泛的應(yīng)用。

近幾年，硬件軟件化成為新興的發(fā)展趨勢(shì)，虛擬儀器技術(shù)便契合這一發(fā)展趨勢(shì)，因此，虛擬儀器也被稱作為“軟件儀器”。虛擬儀器風(fēng)格簡(jiǎn)約，操作靈活，擁有完全圖形化界面，這樣更易被使用者接受，操作也更加的便捷。虛擬儀器技術(shù)作為新一代的儀器測(cè)試技術(shù)，集計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)與測(cè)試技術(shù)于一體，具有高精確度、自動(dòng)化與網(wǎng)絡(luò)化的優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)測(cè)試領(lǐng)域的重要技術(shù)。

1.2虛擬儀器的構(gòu)成

傳統(tǒng)的儀器主要由被測(cè)信號(hào)的采集與控制、信號(hào)分析與處理、測(cè)試結(jié)果輸出這3大功能模塊組成，這些功能模塊主要以硬件為儲(chǔ)存形式，難以改變，因此，傳統(tǒng)的儀器通用性較低。如果將這些功能集中到計(jì)算機(jī)上，在計(jì)算機(jī)上安裝數(shù)據(jù)采集卡與數(shù)模轉(zhuǎn)換器，通過(guò)軟件使計(jì)算機(jī)屏幕成為儀器面板，使其可以快速地進(jìn)行信號(hào)的分析與處理，這樣就會(huì)計(jì)算機(jī)成為一臺(tái)簡(jiǎn)單的虛擬儀器。簡(jiǎn)單地說(shuō)，虛擬儀器就是通過(guò)虛擬儀器技術(shù)開發(fā)的示波器面板，具有所有的測(cè)量功能。

在虛擬儀器系統(tǒng)中主要由硬件與軟件構(gòu)成，硬件主要用于信號(hào)的輸入輸出與轉(zhuǎn)換，軟件則承擔(dān)著整個(gè)儀器系統(tǒng)的主要控制功能，是整個(gè)儀器系統(tǒng)的核心[2]。

儀器使用者可以通過(guò)修改軟件，改變、增減儀器系統(tǒng)的功能，使其具有一定的針對(duì)性，這在一定程度上提高了儀器測(cè)量的精確度與測(cè)量效率，因此，軟件是虛擬儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵組成。

2　虛擬儀器技術(shù)在水利測(cè)量中的應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、3S在水利工程中的廣泛應(yīng)用，水利測(cè)量快速發(fā)展。在針對(duì)江河湖等大尺度客體進(jìn)行水利測(cè)量時(shí)，常會(huì)受到多重因素影響，且測(cè)量過(guò)程的內(nèi)部運(yùn)行規(guī)律難以確定，這時(shí)就需要采用水文水質(zhì)儀器進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量。

水利測(cè)量中流速、流量與壓力等參數(shù)會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生極大的影響，只有精確測(cè)量這些參數(shù)才可以對(duì)流體特征有一個(gè)整體的把握，這對(duì)于實(shí)驗(yàn)研究與規(guī)律的掌握是極具意義的。

2.1提高水利測(cè)量的效率與準(zhǔn)確度

虛擬儀器技術(shù)在水利測(cè)量中可以快速地改造常規(guī)的水利測(cè)量?jī)x器，使其功能更加的多樣化，提高水利測(cè)量的效率。

常規(guī)的水利測(cè)量?jī)x器包括水位儀、電磁流量計(jì)、旋槳等，如果可以將這些常規(guī)的水利測(cè)量?jī)x器與虛擬儀器技術(shù)結(jié)合，那么水利測(cè)量的準(zhǔn)確度與效率都將得到明顯的提升。

常規(guī)的水利測(cè)量?jī)x器可以通過(guò)接口轉(zhuǎn)換卡轉(zhuǎn)換為滿足虛擬儀器總線標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備，使其可以集成到虛擬測(cè)控系統(tǒng)中，這樣一來(lái)，在進(jìn)行水利測(cè)量時(shí)只需要控制一臺(tái)計(jì)算機(jī)，便可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)測(cè)量?jī)x器的控制，極大程度地提高了水利測(cè)量的效率。

同時(shí)，控制人員也可以在計(jì)算機(jī)上插入滿足實(shí)際水利測(cè)量要求的板卡形成一個(gè)獨(dú)立的測(cè)控系統(tǒng)，使其可以對(duì)部分對(duì)象進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控。虛擬儀器技術(shù)能夠?qū)浖M(jìn)行簡(jiǎn)單的編程，測(cè)控系統(tǒng)在控制界面的內(nèi)容將會(huì)更加的豐富，在實(shí)際控制操作上也會(huì)更加的便捷。

通過(guò)虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計(jì)得到的儀器軟件可以進(jìn)一步優(yōu)化水利測(cè)量?jī)x器，提高水利測(cè)量的效率與準(zhǔn)確度。

基于虛擬儀器技術(shù)發(fā)展而來(lái)的流場(chǎng)流速測(cè)量技術(shù)在水利測(cè)量中有著廣泛的應(yīng)用，如粒子圖像測(cè)速儀、三維熱絲風(fēng)速儀等在開發(fā)過(guò)程中需要多臺(tái)測(cè)量裝置的實(shí)時(shí)同步控制，將測(cè)量所獲的數(shù)據(jù)與圖像相匹配并分析處理，這就對(duì)水利測(cè)控系統(tǒng)提出了較高的要求，如果沿用傳統(tǒng)的儀器控制系統(tǒng)，那么水利測(cè)量的工作量就會(huì)增加。如果應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)，流場(chǎng)流速測(cè)量技術(shù)的開發(fā)周期與難度就會(huì)大大降低，數(shù)據(jù)與圖像可以快速匹配，得到的大量數(shù)據(jù)可以圖形化，這在一定程度上提高了數(shù)據(jù)處理的效率，此外，得到的數(shù)據(jù)與圖像也可以在其他軟件平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享。

2.2遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)在線測(cè)控

虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)功能可以使水利測(cè)量的遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)在線測(cè)控成為可能，測(cè)控?cái)?shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸，這樣測(cè)控人員只需在室內(nèi)便可以觀測(cè)到水域現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)水域進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，這在很大程度上提高了水利測(cè)量的效率，節(jié)省了大量的人力物力。虛擬儀器可以對(duì)大面積水域環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，將接受得到的遙感圖片進(jìn)行定量描述，實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集，為水利相關(guān)的學(xué)科研究提供重要的科學(xué)參考依據(jù)。

同時(shí)，在虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)功能的輔助下，無(wú)人值守的水文觀測(cè)站的構(gòu)建也成為可能。虛擬儀器測(cè)控系統(tǒng)中的INTERNET工具箱增加了電子郵箱、WEB功能，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，快速地開發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，遠(yuǎn)程地對(duì)水利測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)控，使數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與分析[3]。同時(shí)，虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)功能也可以將水情等固定的觀測(cè)站聯(lián)系起來(lái)組成網(wǎng)絡(luò)，并將水利測(cè)量得到的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)搅饔蛐畔⒅行模瑸樗{(diào)度、水文預(yù)報(bào)等提供科學(xué)依據(jù)。

3　結(jié)　語(yǔ)

1)虛擬儀器技術(shù)在水利測(cè)量中的應(yīng)用不僅可以提高水利測(cè)量的效率與準(zhǔn)確度，也可以實(shí)現(xiàn)水利測(cè)控的遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)在線測(cè)控，這對(duì)于水利工程的發(fā)展具有積極意義。

2)水利測(cè)量的相關(guān)部門需要提高對(duì)虛擬儀器技術(shù)的重視程度，加大對(duì)虛擬儀器的投入，研發(fā)出功能更加多樣、性能更加優(yōu)良的軟件系統(tǒng)，應(yīng)用到水利測(cè)量中，促進(jìn)水利工程的進(jìn)一步發(fā)展。

3)虛擬儀器技術(shù)改善了傳統(tǒng)水利測(cè)量的不足，其未來(lái)發(fā)展前景廣闊，將會(huì)引領(lǐng)水利測(cè)量進(jìn)入到更為精確、自動(dòng)化的發(fā)展階段，為水利研究提供重要的科學(xué)依據(jù)。

[1]司環(huán)宇,文恒,苗恒錄,等.LabVIEW虛擬儀器技術(shù)在水利測(cè)量中的應(yīng)用研究[J].內(nèi)蒙古水利,2010(03):69-71.

[2]張偉,魏占清,苗秀玲.虛擬儀器技術(shù)在水利測(cè)量中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古水利,2012(01):59-60.

[3]陳瑞，王興奎.虛擬儀器技術(shù)在水利測(cè)量中的應(yīng)用研究[J].水利水電技術(shù)，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

刁凱(1989-)，男，黑龍江安達(dá)人，助理工程師；王東亮(1987-)，男，黑龍江富裕人，助理工程師。

TV221.1

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