虛擬儀器技術(shù)在水利測量中的應(yīng)用

刁　凱，王東亮

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院，哈爾濱 150080)

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虛擬儀器技術(shù)在水利測量中的應(yīng)用

刁凱，王東亮

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院，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，水利測量快速發(fā)展進(jìn)入到更為精確、自動化的發(fā)展階段。文章對虛擬儀器技術(shù)的基本理論及組成進(jìn)行了介紹，并對虛擬儀器技術(shù)在水利測量中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

虛擬儀器技術(shù)；水利測量；水利工程；應(yīng)用；分析

傳統(tǒng)的水利測量儀器普遍存在開發(fā)周期長、功能單一、精確度低的問題，無法對流體進(jìn)行實時測量。隨著水利工程的發(fā)展，傳統(tǒng)的水利測量系統(tǒng)已無法滿足水利測量的要求，現(xiàn)代水利測量系統(tǒng)需要在保證測量結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下，提高水利測量系統(tǒng)的系統(tǒng)性、實時性與集成化，因此，需要進(jìn)一步改進(jìn)水利測量工具與技術(shù)。虛擬儀器技術(shù)是儀器開發(fā)設(shè)計領(lǐng)域的新技術(shù)能夠滿足水利測量儀器的發(fā)展需要，近幾年在水利測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)與測試技術(shù)為依托，是在計算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上研發(fā)而成的。美國國家儀器公司最早提出了計算機(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)用到多個領(lǐng)域。傳統(tǒng)的儀器技術(shù)往往存在精確度低、實時性差的問題，無法滿足現(xiàn)階段對儀器技術(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)備的通用計算機(jī)平臺為基礎(chǔ)，在此技術(shù)上根據(jù)實際需要構(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)自己的實際需要構(gòu)建具有自身特色的自動測試系統(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，是計算機(jī)平臺與數(shù)據(jù)采集設(shè)備，而虛擬儀器的軟件由使用者根據(jù)實際需要編寫，能夠充分發(fā)揮計算機(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，虛擬儀器技術(shù)便契合這一發(fā)展趨勢，因此，虛擬儀器也被稱作為“軟件儀器”。虛擬儀器風(fēng)格簡約，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試技術(shù)，集計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)與測試技術(shù)于一體，具有高精確度、自動化與網(wǎng)絡(luò)化的優(yōu)勢，是未來測試領(lǐng)域的重要技術(shù)。

1.2虛擬儀器的構(gòu)成

傳統(tǒng)的儀器主要由被測信號的采集與控制、信號分析與處理、測試結(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算機(jī)上，在計算機(jī)上安裝數(shù)據(jù)采集卡與數(shù)模轉(zhuǎn)換器，通過軟件使計算機(jī)屏幕成為儀器面板，使其可以快速地進(jìn)行信號的分析與處理，這樣就會計算機(jī)成為一臺簡單的虛擬儀器。簡單地說，虛擬儀器就是通過虛擬儀器技術(shù)開發(fā)的示波器面板，具有所有的測量功能。

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

儀器使用者可以通過修改軟件，改變、增減儀器系統(tǒng)的功能，使其具有一定的針對性，這在一定程度上提高了儀器測量的精確度與測量效率，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)在水利測量中的應(yīng)用

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

水利測量中流速、流量與壓力等參數(shù)會對測量結(jié)果產(chǎn)生極大的影響，只有精確測量這些參數(shù)才可以對流體特征有一個整體的把握，這對于實驗研究與規(guī)律的掌握是極具意義的。

2.1提高水利測量的效率與準(zhǔn)確度

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

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

常規(guī)的水利測量儀器可以通過接口轉(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控系統(tǒng)中，這樣一來，在進(jìn)行水利測量時只需要控制一臺計算機(jī)，便可以實現(xiàn)多臺測量儀器的控制，極大程度地提高了水利測量的效率。

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

通過虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計得到的儀器軟件可以進(jìn)一步優(yōu)化水利測量儀器，提高水利測量的效率與準(zhǔn)確度。

基于虛擬儀器技術(shù)發(fā)展而來的流場流速測量技術(shù)在水利測量中有著廣泛的應(yīng)用，如粒子圖像測速儀、三維熱絲風(fēng)速儀等在開發(fā)過程中需要多臺測量裝置的實時同步控制，將測量所獲的數(shù)據(jù)與圖像相匹配并分析處理，這就對水利測控系統(tǒng)提出了較高的要求，如果沿用傳統(tǒng)的儀器控制系統(tǒng)，那么水利測量的工作量就會增加。如果應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)，流場流速測量技術(shù)的開發(fā)周期與難度就會大大降低，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進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享。

2.2遠(yuǎn)程現(xiàn)場在線測控

虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)功能可以使水利測量的遠(yuǎn)程現(xiàn)場在線測控成為可能，測控數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，這樣測控人員只需在室內(nèi)便可以觀測到水域現(xiàn)場，對水域進(jìn)行準(zhǔn)確的測量，這在很大程度上提高了水利測量的效率，節(jié)省了大量的人力物力。虛擬儀器可以對大面積水域環(huán)境進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，將接受得到的遙感圖片進(jìn)行定量描述，實現(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，在虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)功能的輔助下，無人值守的水文觀測站的構(gòu)建也成為可能。虛擬儀器測控系統(tǒng)中的INTERNET工具箱增加了電子郵箱、WEB功能，可以通過計算機(jī)系統(tǒng)，快速地開發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，遠(yuǎn)程地對水利測量現(xiàn)場進(jìn)行測控，使數(shù)據(jù)自動傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與分析[3]。同時，虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)功能也可以將水情等固定的觀測站聯(lián)系起來組成網(wǎng)絡(luò)，并將水利測量得到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)搅饔蛐畔⒅行模瑸樗{(diào)度、水文預(yù)報等提供科學(xué)依據(jù)。

3　結(jié)　語

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

2)水利測量的相關(guān)部門需要提高對虛擬儀器技術(shù)的重視程度，加大對虛擬儀器的投入，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)水利測量的不足，其未來發(fā)展前景廣闊，將會引領(lǐng)水利測量進(jìn)入到更為精確、自動化的發(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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