阅读说明：本技术 一种水流示踪实时监测系统与测速方法 (Water flow tracing real-time monitoring system and speed measuring method ) 是由 王先伟 汪家意 方勇军 郭昱 余琪 于 2020-05-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种水流示踪实时监测系统与测速方法。水流示踪实时监测系统包括水流示踪球,水流示踪球包括定位模块、通信模块、控制模块、供电模块和球形防水外壳。定位模块用于定时或不定时地获取水流示踪球所在位置与时间数据,控制模块用于缓存定位数据以及时间数据,通信模块定时或不定时地发送定位和时间数据给云平台监测系统,球形防水外壳以一定的浸水比浮于水面。水流示踪球的制作成本低、续航时间长,测速操作简单、自动化程度较高,能够更好地适应溃堤、洪峰、海湾流场、感潮河流的潮区界和潮流界、口门水道的双向射流以及风暴潮等极端场景和特殊地形水域的表面流速流场测量。本发明属于水文数据测量技术领域。(The invention discloses a water flow tracing real-time monitoring system and a speed measuring method. The water flow tracing real-time monitoring system comprises a water flow tracing ball, wherein the water flow tracing ball comprises a positioning module, a communication module, a control module, a power supply module and a spherical waterproof shell. The positioning module is used for regularly or irregularly acquiring the position and time data of the water flow tracer ball, the control module is used for caching the positioning data and the time data, the communication module regularly or irregularly sends the positioning data and the time data to the cloud platform monitoring system, and the spherical waterproof shell floats on the water surface in a certain immersion ratio. The water flow tracer ball has the advantages of low manufacturing cost, long endurance time, simple speed measurement operation and higher automation degree, and can better adapt to the measurement of surface flow velocity flow fields of extreme scenes such as breakwater, flood peak, gulf flow field, tidal zone boundary and tidal flow boundary of tidal rivers, bidirectional jet flow of water channels at mouths, storm surge and the like and special topographic waters. The invention belongs to the technical field of hydrological data measurement.)

一种水流示踪实时监测系统与测速方法

技术领域

本发明涉及水文数据测量技术领域，是一种水流示踪实时监测系统与测速方法。

背景技术

水流速度是对江河湖海等水体进行水文观测时所要获取到的重要参数。目前水利行业有各种各样的江河水流速度测量仪器，现有技术通常使用浮标、转子流速仪、手持雷达测速仪以及声学多普勒剖面流速仪等仪器进行水流速度的测量。传统的浮标测量技术需要将浮标设置在水面上特定的位置，使用几何学的方法来计算出水流速度，测量位置受限，效率低；近几年结合GPS卫星定位技术和物联网技术改进的浮标测流速法有了巨大进步，但在流速测定和成本效率方面仍存在一定局限；转子流速仪一般只能测定特定近岸水体的水流速度，还需要借助船只或者钢缆等载体工具才能测量远离河岸的流速；手持雷达测速仪一般只能测量近岸50m范围内的水流速度，应用范围受限，难以测量中大型河流的流速；声学多普勒剖面流速仪的价格昂贵，需要借助船只或者钢缆等载体工具才能测量，测量成本较高，因此不适用于溃堤、洪水泛滥等存在仪器损失可能性的测量场合。上述各种流速测量仪器有自身的优势，适用于不同测绘场景和用途，但也有一定的局限性，诸如设备昂贵、监测成本高、等等，难以满足在洪水、风暴潮等极端情况下江河水体流速的实时监控和大范围的准确测量。

发明内容

针对上述至少一个技术问题，本发明的目的在于提供一种水流示踪实时监测系统与测速方法。

一方面，本发明实施例包括一种水流示踪实时监测系统，包括至少一个水流示踪球，所述水流示踪球包括：

定位模块：用于定时或不定时地获取水流示踪球的位置与时间数据，而云平台可根据水流示踪球发回的位置和时间间隔，测算所述水流示踪球的移动速度；

通信模块：用于水流示踪球和云平台之间的数据通信；

控制模块：分别与定位模块和通信模块连接，用于缓存定位数据以及定位数据对应的时间数据，通过通信模块定时或不定时地向云平台发送定位数据和时间数据；

供电模块：对水流示踪球各个模块提供电源；

球形防护外壳：用于将所述定位模块、通信模块、控制模块和供电模块封装在内；所述球形防水外壳被放置于水体中时以一定的浸水比浮于水面。

进一步地，水流示踪球还包括：

磁铁开关，连接于所述供电模块与负载之间，用于在外部磁场触发下导通或关断；所述负载包括所述定位模块、所述通信模块或所述控制模块中的至少一个。

所述磁铁开关被封装在所述球形防水外壳内。

进一步地，所述磁铁开关包括簧片和PCD/SMD传感器，所述簧片连接于所述供电模块与负载之间，所述PCD/SMD传感器用于在外部磁场触发下驱动所述簧片导通或关断。

进一步地，通过不同流速仪的在河道现场的同步测速实验，确定水流示踪球的最佳浸水比(k)，该比值与水流示踪球的大小和总质量密切相关；最佳浸水比能使水流示踪球对水流跟随性比较稳定，确保水流示踪球的移动速度能最贴近地表征水流速度，减小测速误差。跟随性系数(f)的取值与浸水比(k)密切相关，并受到天气尤其是风速的影响，河道上的船行波也会影响水流示踪球的跟随性系数(f)。经过在野外不同河道和多种流速仪的多次同步测量试验，建议两者的取值范围为：k∈(0.65，0.95)，f∈(0.90-1.20)。

另一方面，本发明实施例“一种水流示踪实时监测系统与测速方法”，至少还包括一套远程实时监测系统与测速方法：

云平台：不设立单独的服务器，布设于公有云平台，用于接收水流示踪球发送回的位置与时间信息，测算水流示踪球的移动速度，查询和展示水流示踪球的移动轨迹和瞬时速度，供用户在线登录、实时监测和下载水流示踪球的位置、时间、速度等数据，用于根据各所述水流示踪球的时空分布确定水流速度。

进一步地，所述远程实时监测系统与测速方法，至少还包括一种测速方法，根据所述水流示踪球发送回来的位置和时间信息确定水流速度，包括：

确定所述水流示踪球的瞬时移动速度：所述瞬时移动速度为短时间范围内，如每1分钟，所述水流示踪球移动的距离与时间的比值；为了减少水流示踪球定位偏差导致的瞬时速度偏差，水流示踪球报道的每分钟的瞬时速度为5分钟内的滑动平均值，即第6分钟报告的水流示踪球瞬时速度为第2分钟和第6分钟之间移动的距离(m)与时间(300s)的比值，并根据水流示踪球在两个时刻的相对位置(x₂，y₂)和(x₁，y₁)确定流向(θ)；水流速度(V_w)等于水流示踪球移动速度(V_b)乘以跟随性系数(f)，如公式(1)和(2)所示：

V_w＝fV_b (1)

当y₂≥y₁时，θ位于第一和二象限；y₂<y₁时，θ位于第三和四象限。

进一步地，所述远程实时监测系统与测速方法，至少还包括一种测速方法，根据所述水流示踪球发送回来的位置和时间信息，确定水流速度测算方法，包括：

确定所述水流示踪球的区间(时段)平均速度：所述区间(时段)平均速度为所述区间(时段)所述水流示踪球移动的总距离与区间时间的比值，所述区间(时段)距离由所述水流示踪球在该区间(时段)的第一个定位数据和最后一个定位数据确定，所述区间(时段)所用时间由所述水流示踪球在该区间(时段)的第一个定位数据对应的时刻和最后一个定位数据的时刻做差确定。水流速度等于水流示踪球移动速度乘以跟随性系数，见公式(1)。

进一步地，所述远程实时监测系统与测速方法，至少还包括一种测速方法，云平台根据所述水流示踪球发送回来的位置和时间信息，确定水流速度测算方法，包括：

剔除速度异常值：河道水流的速度受到多种因素影响，如河道断面位置：中间大、近岸小)，感潮河段的潮时：涨、落潮时流向相反，涨急、落急时速度值最大等，平潮、低潮时速度值接近零；基于所述水流示踪球所处的河段位置、潮时和移动轨迹做对比分析，剔除异常速度值，确定河流断面不同位置合理的水流速度值。

以计算小时平均流速为例，剔除瞬时距离异常值，求解平均速度。所述水流示踪球的小时平均速度指在一个小时的时段范围内，所述水流示踪球移动的距离与时间的比值，所述时段移动距离由所述水流示踪球在该小时内每分钟所移动距离的加和，时间为3600s。

在计算小时范围内的距离加和时，需要对水流示踪球在每分钟内移动的距离进行质量评估，减少定位误差导致的测速误差，如公式(3)所示：

S₀代表所述水流示踪球在该小时内每1(或2-5)分钟的平均移动距离，S_i代表所述水流示踪球在第i分钟内移动的距离，a代表所述水流示踪球在第i分钟内移动的距离在该小时范围内的距平值(anomaly)的绝对值。如果a大于25％(也可根据需要设定其他阈值)，则剔除S_i；并重新计算该小时范围的S₀，并用新的S₀替换被剔除的S_i，计算所述水流示踪球在该小时范围内移动的距离之和，再计算所述水流示踪球在该小时内移动的平均速度值V_b，如公式(4)所示：.

经过公式(1)的质量检查和筛选，可以剔除每分钟内水流示踪球移动距离的异常值，确保由公式(4)计算所得速度值的准确性和可靠性。当距离S_i时间间隔是1分钟时，n＝60；5分钟时，n＝12；为了减少定位误差导致的距离累积误差，建议距离S_i的最佳时间间隔是3-5分钟。水流速度等于水流示踪球移动速度乘以跟随性系数，见公式(1)。

本发明的有益效果是：实施例中的“一种水流示踪实时监测系统与测速方法”，与传统远程监测方法需要设置单独的监控服务器不同，本发明方法将实时监测系统布设在公有云平台上，由水流示踪球生产厂家负责管理维护，用户无需单独购置服务器等监控设备和监控软件开发，只需购买水流示踪球即可开展测速，并用手机或电脑终端上网实施远程监控和下载数据。水流示踪球的制作成本低、续航时间长，测速操作简单、自动化程度较高。我们优化了水流示踪球的最佳浸水比和跟随性，并设计测速方法，剔除异常值，确保测量数据的准确性和可靠性。除了对常规的水流进行示踪监测和测速外，还能够对洪峰、风暴潮等极端水流环境开展大范围的流速流向实时监测，能够更好地适应溃堤、洪水泛滥、海湾流场、感潮河流的潮区界和潮流界、口门水道的双向射流以及风暴潮等极端场景和特殊地形，具有广泛的应用前景和巨大的社会经济价值。

附图说明

图1为实施例1中水流示踪球定位装置的一种实物图。

图2为实施例1中水流示踪球的一种启动或关闭方式示意图。

图3为实施例3中进行河道流速测量时水流示踪球在水体中的运动轨迹示意图。

图4为实施例3中进行河道流速测量时测得的瞬时流速示意图。

图5为实施例3中进行河道流速测量时测得的小时平均流速意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例中的水流示踪实时监测系统包括多个水流示踪球，每个水流示踪球包括定位模块、通信模块和控制模块。其中定位模块可以是GPS卫星信号接收芯片或北斗卫星信号接收芯片，通信模块可以包括窄带物联网NB-IOT和GPRS双通信芯片。控制模块可以是单设的微控制器，也可以通过SOC等技术将定位模块、通信模块和控制模块集成在一起。

本实施例中的水流示踪球还包括供电模块和磁铁开关。其中供电模块可以是3.6V/9Ah的锂供电模块组，供电模块分别与定位模块、通信模块和控制模块连接。

磁铁开关包括簧片和PCD/SMD传感器，簧片连接于供电模块与定位模块、通信模块和控制模块等负载之间。当簧片在关断状态，供电模块与负载之间的连接断开，水流示踪球处于断电关机状态，此时使用磁铁等外部磁场靠近PCD/SMD传感器达到5s左右的时间后，PCD/SMD传感器驱动簧片导通，供电模块与负载之间的连接接通，水流示踪球处于通电开机状态。当簧片在接通状态，供电模块与负载之间的连接接通，水流示踪球处于通电开机状态，此时使用磁铁等外部磁场靠近PCD/SMD传感器达到5s左右的时间后，PCD/SMD传感器驱动簧片关断，供电模块与负载之间的连接断开，水流示踪球处于断电关机状态。

定位模块、通信模块、控制模块、供电模块和磁铁开关被密封在球形防水外壳内，可选地，该球形防水外壳的形状为球形，防护等级为IP68。本实施例中，水流示踪球的实物外观如图1所示。由于设置了磁铁开关，如图2所示，使用一个磁铁靠近水流示踪球来开启或关闭水流示踪球，避免在球形防水外壳上设置可机械活动的开关来影响球形防水外壳的防水可靠性。

本实施例中，定位模块以(30-60000)s/次的频率，从GPS卫星或北斗卫星获取卫星数据。控制模块从定位模块处获得卫星数据以解析得到定位数据，定位数据主要包括经纬度和定位时间信息等内容。定位数据和时间数据用来描述水流示踪球的时空坐标，测算水流示踪球的移动距离、方向和速度值。

本实施例中，控制模块以(60-60000)s/次的频率，通过通信模块对外发送其所缓存的定位数据和时间数据，这样可以有效应对通信不畅的情况，例如当遭遇通信故障而控制模块无法发送定位数据和时间数据时，控制模块可以将定位数据和时间数据存储在内，等到通信恢复之后再进行发送。

本实施例中，水流示踪球的浸水比(k)指所述水流示踪球浸入水面以下的部分的体积占总体积的比例。在球形防水外壳的直径基本确定后，浸水比的大小与所述水流示踪球的总质量有关。本发明用水流示踪球的移动速度表征水流速度，因此所述水流示踪球对水流的跟随性很重要，确定水流示踪球的最佳跟随性能确保水流示踪球的移动速度能最贴近地表征水流速度，获得比较稳定的水流示踪球对水流的跟随性系数(f)，减小流速测量误差。所述水流示踪球的浸水比决定所述水流示踪球移动速度与水流速度的跟随性的取值及其稳定性，所述水流示踪球的最佳浸水比参数与水流示踪球的大小和总质量有关，需要经过现场不同水流测速仪的同步测速实验确定。经过在不同水道的现场多种测速仪同步监测试验，验证同一直径的水流示踪球在不同浸水比和不同河道流速的跟随性系数(f)，本实施例中确定所述直径水流示踪球的最佳浸水比为k±2％。这个范围内的浸水比可以使水流示踪球大部分在水面以下，减少风生波和船行波的影响，获得较稳定的流速跟随性系数(f)；又可以保持部分在水面以外，便于测量完成之后的回收工作。

本实施例中，可以在球形防水外壳外部设置发光器，当发生控制模块计时到设定值或者监测到服务器发送来的指令等触发事件后，控制模块命令发光器发光，以便于测量完成之后进行回收工作。

本实施例中的水流示踪球的制造成本低，能够加工成较小的体积，方便投放到河流等水体中，以获取定位数据和时间数据等供分析得到水流速度；与现有技术相比，由于成本更低、投放更方便、不依赖于特定的人工操作、投放位置、测量位置或者测量条件，因此能够更好地适应溃堤、洪水泛滥、海湾流场、感潮河流的潮区界和潮流界、口门水道的双向射流以及风暴潮等极端场景，具有广泛的应用前景和巨大的社会经济价值。

实施例2

本实施例中的“一种水流示踪实时监测系统与测速方法”，还包括一套基于公有云平台的远程实时监测系统与测速方法。与传统方法需要设置单独的监控服务器不同，本发明方法将实时监测系统布设在公有云上，由水流示踪球生产厂家负责管理维护，用户无需单独购置服务器等监控设备和监控软件开发，只需购买水流示踪球即可开展测速，并用手机或电脑终端上网实施远程监控和下载数据。

由实施例1的说明可知，水流示踪球的体积较小，可以方便地投放到水体中的各处，例如河流的一个截面上。

各水流示踪球向云平台发送定位数据和时间数据。云平台能将接收到的定位数据和时间数据精确绘制出水流示踪球在水体里移动的时空轨迹，并测算出水流示踪球的移动方向和速度大小。

云平台根据各水流示踪球的时空分布确定水流速度的过程，包括S1和S2两个步骤：

S1.确定单个水流示踪球在水体中随着水流运动的瞬时速度

所述水流示踪球的瞬时速度指在较短时间范围内，如每1或5分钟之间，所述水流示踪球移动的距离与时间的比值；为了减少水流示踪球定位偏差导致的瞬时速度偏差，水流示踪球报道的每分钟的瞬时速度为5分钟内的滑动平均值，即第6分钟报告的水流示踪球瞬时速度为第2分钟和第6分钟之间移动的距离与时间(300s)的比值，并根据水流示踪球在两个时刻的相对位置确定流向，见公式(2)。水流速度等于水流示踪球移动速度乘以跟随性系数，见公式(1)。

S2.确定单个水流示踪球在水体中随着水流运动的小时平均速度

所述水流示踪球的小时平均速度指在一个小时的时段范围内，所述水流示踪球移动的距离与区间时间之比，所述时段移动距离由所述水流示踪球在该小时内每分钟所移动距离的加和，所述时段时间为1小时或3600s。也可以改变平均流速计算的时段长度。

在计算小时范围内的距离加和时，需要对水流示踪球在每分钟内移动的距离进行质量评估，减少定位误差导致的测速误差，如公式(3)。经过公式(3)的质量检查和筛选，可以剔除每分钟内水流示踪球移动距离的异常值，确保由公式(4)计算所得速度值的准确性和可靠性。水流速度等于水流示踪球移动速度乘以跟随性系数，见公式(1)。

实施例3

本实施例中，使用实施例2中的水流示踪实时监测系统应用于实际河道的流速测试。在2019年11月26日19：47，编号为009号的水流示踪球被投放于珠江前航道。珠江前航道江面宽约300m，属于感潮河段，江水受潮汐影响呈往复流，流速也会因潮时不同而变化。投放点在海印大桥中央，大桥距水面的垂直距离约20m。

009号水流示踪球的漂流轨迹如图3所示，该球一直运行到2019年11月27日07：37，在河道中总共运移11时50分，测量了该段河流水道的涨潮和落潮过程流速变化和潮流上界。009号水流示踪球的瞬时流速如图4所示，009号水流示踪球在后半段的瞬时流速总体较好，偶尔会有瞬时高值，这可能是受到船波的影响，或者是定位数据漂移误差导致，可以根据实施例2中的S1所述方法进行数据优化。

图5展示的是云平台对图4中的原始瞬时数据进行处理后的009号水流示踪球的小时平均速度，以及珠江中山大学北门处的潮位变化，水流示踪球测量的流速很好揭示了潮位变化过程中的流速变化，23：00涨急时达到1.0m/s，27日6：00落急时流速达到0.85m/s，而在27日3：00高高潮转落潮时的平均流速仅为0.2m/s。使用实施例2中的水流示踪实时监测系统所获得的图4和图5的数据，与被测河段历史测得的流速变化规律相符，表明实施例2中的水流示踪实时监测系统的测量性能是可靠的。

需要说明的是，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本实施例所使用的所有技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本实施例说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本实施例所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本实施例所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向目标终端的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本实施例描述的过程的操作，除非本实施例另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本实施例描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本实施例所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。

计算机程序能够应用于输入数据以执行本实施例所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的目标终端，包括显示器上产生的物理和有形目标终端的特定视觉描绘。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。