雙軌循環式雷達波在線測流系統設計

左念 徐典 范亮

摘要：利用現有流量測驗設備（水文纜道、拖曳式ADCP）在對流速快、陡漲陡落的山溪性河流進行監測時操作極為困難且歷時不可控。考慮到移動雷達波不直接接觸和擾動（或破壞）水流結構可以實現自動精確監測，研究設計了一種雙軌循環式雷達波在線測流系統。該測流方式安全快捷，尤其適用于河道高洪流量測驗，可實現水文斷面流量的即時、穩定在線監測，能夠解決水文測站人員不足、工作強度大、高洪期間測驗工作較為危險等問題。

關鍵詞：在線流量監測； 雷達； 雙軌循環； 非接觸測流

中圖法分類號： P332.4

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.009

0引 言

中國流域面積在200 km2以上有防洪任務的中小河流有9 000多條。近年來極端天氣事件多發，中小河流洪水災害頻繁發生，多地發生洪澇地質災害，造成較為嚴重的人員傷亡和財產損失，中小河流在線流量監測重要性更顯突出［1］。河流在線流量監測可實時掌握可用水資源，可通過水閘水庫等調配流域水量，了解水資源走向，為水資源調度提供決策依據。

目前，國內外流量在線監測主要采用時差法、二線坡能法、ADCP、非接觸雷達波在線測流法等，雖各方法在特定斷面成功應用，但都存在固有邊界條件。其中，非接觸雷達波是通過電磁波多普勒頻移探測表面流速，借用大斷面數據與實時水位，反演斷面流量。有學者提到利用簡易雙軌纜道搭載雷達波流速儀［2］，但未考慮風速風向對雷達波探頭的影響。

本文設計了一套雙軌循環式纜道雷達波在線測流系統，該系統摒除固定式雷達波系統多探頭、需要依賴橋梁等弊端，采用自驅移動式探頭掃測測驗斷面并耦合了多種環境及系統干擾因素，可以有效提高水文流量監測獲取水平。

1雙軌循環式雷達波在線測流系統簡介

雙軌循環式纜道雷達波在線測流系統設計遵循無人值守、簡單可靠、方便維護、功能完善的原則，采用雷達波施測多條垂線測速，同步采集相應水位，結合借用斷面數據，按部分面積法計算流量，實現流量自動監測。

支持遠程手動測流和遠程遙測等功能：河道的斷面、垂線、水位計高程、測流歷時、低水停測、低溫停測、大風停測、加報段制、加報水位及加報變幅等。通過遠程監測并記錄雷達多普勒流速傳感器信號頻譜分布，進而優選優化測流參數，顯著提高了流速測量質量，做到了流速測量可溯源、可選擇。

系統架設渡河平行鋼絞循環索，索上固定智能移動小車，小車隱藏安裝有雷達多普勒流速傳感器及無線設備，循環索由安裝于岸邊的直流電機控制行進，從而進行不同垂線的流速測量。控制系統結構如圖1所示。

1.1雷達波測流原理

雷達波測流是利用多普勒效應原理實現。工作時向水面發射電磁波，電磁波遇到運動的水面會發生散射，并構成回波，由于接收到的回波頻率相對于發射頻率發生一定偏移，由多普勒頻率方程可求得水面流速。一個運動目標會在雷達傳感器產生一個低頻輸出信號。這個信號的頻率取決于移動速度，幅度取決于安裝的距離、反射率和運動目標的尺寸大小。其中多普勒頻率F和運動速度成正比關系［3-6］。

1.2數據處理模型

雙軌循環式雷達波測流系統中包括多普勒流速儀瞬時姿態、水體表面風速、水體表面流速耦合模型，解決了流體表面流速采集精度難題；行進式掃射斷面方法，實現了斷面流態全覆蓋探測，解決了大跨度河道斷面多頻次測量難題；實時監控流速信號頻譜分布分析方法，可智能分析流速信號質量并復測。與傳統移動式雷達測流設備對比，該系統運行更為平穩可靠，耦合了多種環境及系統干擾因素，流速計算更為精準可靠。

2結構功能設計

大跨度雙軌循環式雷達波在線測流系統包括主控箱、岸基塔頂和智能測速小車。主控箱包括主控系統，該系統控制觸控大屏、水雨情采集子系統、電力蓄控和通信模塊，通信模塊為Lora無線通信模塊、GPRS/GSM通信模塊和串行通信模塊;岸基塔頂包括動力控制模塊，該模塊控制直流電機和編碼計數模塊，岸基塔頂還設有雙規循環式纜道;智能測速小車包括小車智能測速系統，該系統連接Lora無線通信模塊、電子陀螺儀、超聲波風速儀、雷達波測速儀和動能模塊，動能模塊包括太陽能電板、充電控制器和免維護蓄電池［2］。

2.1主控系統

為適應水文行業對穩定性的超高要求，本文設計的主控系統采用TI低功耗32位MCU作為主控芯片，配置低漂移RTC、高精度差分AD轉換電路、大電流可控電源以及固態存儲芯片，并預留擴展I/O口用于更新系統功能。該系統采用工業級芯片，正常工作溫度在-40～80 ℃之間，滿足國內所有地區的使用條件［7］。

主控系統控制智能小車與驅動模塊采集并分析探頭縱橫搖、水面流速、信號強度、信號質量、測流位置、設備電壓、氣象參數等要素，進而反演測驗斷面流量。該系統可提供實時測流、遠程測流、自動測流、手動測流等多種方式。

為充分利用該系統可以在斷面上隨意移動的特點，設計了蠕動式的斷面全覆蓋流域探測，不再采用在某點停頓的測量方式，而是在當前位置發射雷達波束之后，不做停頓，直接運動至前方來接收斜射回來的雷達波束，這樣即可完成動態的全斷面流速測量。同時，在測流時可以導入本斷面的歷史資料，可以使該系統能夠迅速測完死水區，而在大流速的測點可以放慢行進速度，以此保證測量精確度。蠕動式的雷達波測流系統相比于走航式雷達波測流系統測流范圍更廣，精度更高，速率更快。

2.2驅動控制

通過兩岸的直流電機自動控制小車行進速度，根據目標垂線與當前位置距離自動生成變速曲線，使得啟動時以及接近目標垂線時速度自動變化，提高了位置精度，并減少對纜道的沖擊。計米輪直接測量循環索行進距離，同時輔助采用電機圈數計數，二者相互比較，以消除打滑、失步等帶來的距離計數誤差。

電機轉速對應的循環索速度為V1，計米輪計數對應的循環索速度為V2，ΔV=V1-V2；實際速度為V=f（V2，ΔV），其中f為卡曼濾波。

2.3智能測速小車

智能測速小車由Lora無線通信模塊、太陽能供電系統、電子陀螺儀、超聲波風速儀、雷達波測速儀組成，小車智能測速系統從Lora通信模塊接收控制指，令采集測點表面流速、風速風向及小車當前橫縱搖姿態（圖2）。

智能測速小車通過內部隱藏安裝的雷達多普勒流速傳感器來獲取下方水面流速。通過小車上安裝的Lora無線通信模塊，將測量的流速數據同步傳輸至主控系統，并接受主控系統的反饋指令來完成之后的測流動作。

為了確保智能測速小車反饋的測量結果的精確性，在小車上加裝了電子陀螺儀與超聲波風速儀。通過電子陀螺儀能夠獲取小車X、Y、Z軸的數據變化，從而推斷出小車當前姿態，考慮到姿態數據處理的延時性在計算時引入PID算法，對于小車未來姿態也進行判斷以此得到更加精準的姿態數據。而超聲波風速儀可以獲取當前斷面風速，通過耦合上述數據可以建立瞬時姿態、水表風速、水表流速耦合模型，以此消除水表風速與小車姿態對于流量測驗精度的影響。

3流量反演

天然河流受邊界條件的影響，過流斷面流速分布不均，各測速垂線位置的流速并不相同，因此采用部分面積法計算流量。將斷面按照雷達距離分辨率劃分為n個面積單元，分別計算各個面積單元的部分流量，然后累加出斷面總流量。則斷面流量Q為

Q=ni=1Qi

（1）

式中：Qi為部分流量，Qi與部分面積Ai、平均流速Vi的關系為Qi=AiVi。

在垂線間隔無限縮小的情況下，可以認為其表面流速與河底高程恒定，其平均流速計算公式為

V=1hmax∫h max0V（h，V0）dh

（2）

式中：hmax為最大水深。

拋物線模型流速分布關系為

V（h，V0）=V0-（hmax-h）22P

（3）

式中：P為焦參數。

將上式代入得出斷面流量為

Q=ni=1AiV0i-h2maxi6P

（4）

考慮其平均流速計算的先決條件：在垂線間隔無限縮小的情況下，可以認為其表面流速與河底高程恒定。在實際斷面測驗過程中，應利用移動式測速探頭的便捷性，對相鄰流速變化較大或河底起伏較大區域適當增加垂線測量密度。

4遠程測流模式

為了保證該系統能夠跟上水文現代化的發展，圍繞這個系統設計了數據在線接收管理計算服務軟件和雷達原創在線系統。

4.1數據在線接收管理計算服務

數據在線接收管理服務程序部署運行后，必須考慮未來大量終端數據接入情況，因此需對高并發請求進行妥善處理。數據在線接收管理服務程序接收處理遠程終端數據請求過程如圖3所示。

處理過程包括3個部分：

（1） 完成端口（存放重疊的I/O請求）、客戶端請求的處理，等待者線程隊列（即一定數量的工作者線程，一般采用CPU×2個）。

（2） 完成端口中的［端口］為一個通知隊列，由操作系統把已經完成的重疊I/O請求的通知放入其中。當某項I/O操作一旦完成，某個可以對該操作結果進行處理的工作者線程就會收到一則通知。

（3） 通常情況下，創建一定數量的工作者線程來處理這些通知，為避免頻繁地打開、關閉線程，進而提高線程的利用率（因為線程是不斷地再循環獲取完成端口上的請求，理論上說只要完成端口的請求不為空，線程的利用率就是100%），故而采取線程池進行管理。線程數量取決于應用程序的特定需要。理想的情況是，線程數量等于處理器的數量，不過這也要求任何線程都不應該執行諸如同步讀寫、等待事件通知等阻塞型的操作，以免線程阻塞。每個線程都將分到一定的CPU時間，在此期間該線程可以運行，然后另一個線程將分到一個時間片并開始執行。如果某個線程執行了阻塞型的操作，操作系統將剝奪其未使用的剩余時間片并讓其他線程開始執行。也就是說，當前一個線程沒有充分使用其時間片時，應用程序應該準備其他線程來充分利用這些時間片［8-10］。

4.2雷達遠程在線系統

雷達遠程在線系統是一套基于SpringMVC開發的雷達數據信息展示系統，SpringMVC的工作流程如圖4所示。

（1） DispatcherServlet是一種前端控制器，由框架提供，統一處理請求和響應。除此之外還是整個流程控制的中心，由DispatcherServlet來調用其他組件，處理用戶的請求［11］。

（2） HandlerMapping是處理器映射器，由框架提供。根據請求的url、method等信息來查找具體的Handler（一般來講是Controller）。

（3） Handler（一般來講是Controller）是處理器，在DispatcherServlet的控制下，Handler對具體的用戶請求進行處理。

（4） HandlerAdapter是處理器適配器，由框架提供。根據映射器找到的處理器Handler信息，按照特定的規則去執行相關的處理器Handler［12-14］。

（5） ViewResolver是視圖解析器，由框架提供。ViewResolver負責將處理結果生成View視圖。ViewResolver首先根據邏輯視圖名解析成物理圖名，即具體的頁面地址，再生成View視圖對象，最后對View進行渲染，將處理結果通過頁面展示給用戶。

（6） View為視圖，View接口的職責就是接收model對象、Request對象、Response對象，并渲染輸出結果給Response對象。雷達遠程在線系統主要用于對基于在線雷達系統的控制、查詢、展示，系統主要分為以下幾個模塊：登錄、首頁、流速查詢、流量查詢、大斷面信息、流速系數及系統日志等功能模塊。

5結 語

本文設計并實現了雙軌循環式雷達波纜道在線測流系統，有利于實現測驗工作和流程的規范化、標準

化、數字化管理，對于具有暴漲暴落特征的山溪性河流、漂浮物較多的水文斷面效果尤為顯著。雙軌循環式雷達波纜道在線測流系統為水文測站的正常運行與生產管理提供技術保障，經過現場測試，證實了該系統的實用性，具有一定的應用價值。

但是也存在一定問題：① 與傳統雷達波流速一樣，該系統低流速測量精度不高，但惡劣天氣對流速測量的影響較小，還需要持續關注雷達波技術的發展，選取合適的雷達波探頭進行升級換代。

② 對于雷達波數據的處理還需要進一步優化，可以嘗試其他不同的處理方法，對于測算結果進行比較，選擇最適合雷達波測流的算法。

③ 對于操作平臺目前還只能在固定的環境下進行使用，操作起來不夠便利，不該拘泥于一種模式，后續將推出兼容Android、ios以及Harmony等多平臺的控制系統。

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（編輯：謝玲嫻）