一种全自动远程水库水情监测预警装置及其使用方法
阅读说明：本技术 一种全自动远程水库水情监测预警装置及其使用方法 (Full-automatic remote reservoir water regime monitoring and early warning device and use method thereof ) 是由 张凯 杨鑫 沈光泽 向衍 刘成栋 王亚坤 于 2021-05-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种全自动远程水库水情监测预警装置及其使用方法,动力装置为整体装置在水库中的移动提供动力,通过控制PC机控制集成监测预警装置的三维方向移动,同时通过GPS定位装置记录集成监测预警装置在水库中的地理坐标。集成监测预警装置包括浊度、电导率、流速及静水压力等四个监测模块。浊度监测模块利用感光传感器测量激光发射器产生的激光经过透镜后形成的散射光束在水中的散射程度获取水库水体浊度,电导率监测模块通过测量水库水体电阻获取水库水体电导率的监测信息,流速监测模块通过激光粒子成像技术观测水体中颗粒的位移实现对水库水体的流速监测,静水压力监测模块利用应力传感设备实现水库静水压力监测。(The invention discloses a full-automatic remote reservoir water regime monitoring and early warning device and a use method thereof. The integrated monitoring and early warning device comprises four monitoring modules of turbidity, conductivity, flow rate, hydrostatic pressure and the like. The turbidity monitoring module measures the scattering degree of scattering light beams formed by laser generated by the laser emitter after passing through the lens in water by using the photosensitive sensor to obtain the turbidity of the water body of the reservoir, the conductivity monitoring module obtains monitoring information of the conductivity of the water body of the reservoir by measuring the resistance of the water body of the reservoir, the flow rate monitoring module monitors the flow rate of the water body of the reservoir by observing the displacement of particles in the water body by using a laser particle imaging technology, and the hydrostatic pressure monitoring module monitors the hydrostatic pressure of the reservoir by using the stress sensing equipment.)
技术领域
本发明涉及水库水情监测预警领域，尤其涉及一种全自动远程水库水情监测预警装置及其使用方法，用于远程自动监测水库不同地理坐标、不同水深下的多种水库水情参数，并基于监测参数结果进行水情预警。
背景技术
水库具备防洪、灌溉、养鱼以及区域供水等诸多功能，因此，水情监测预警对于水库的管理者而言是一项关键的任务，其对于保障水库安全运行有至关重要的作用。因此，寻求一种高效、稳定、低成本的水库水情监测预警手段，是相关运行管理人员以及研究人员的关注重点，对保障水库防洪、调蓄等功能有重大意义。
水库水情的监测预警主要有监测数据采集和水情预警两个主要部分，水情预警建立在对大量水情参数监测数据的分析之上。常规的水库水情现场监测方法，通常是在固定位置布设单一参数的监测装置。目前，传统的水情监测存在两个问题：第一，由于水库通常面积较大，传统监测方案很难实现对水情情况的全面监测和了解，现有的固定测点水情监测方法无法全面的实时反映不同位置、深度的水情情况，而采用巡回船只定点采点，同样难以精确的获得任意一点的水情监测结果，同时巡回船只定点采点监测成本较高，监测频率难以保证；第二，由于反映水情特点的参数较多，通常全面系统的水情监测需要涉及多种监测设备，无法通过单一功能的水情监测装置完成，因此全面的水情监测工作需要安装多种监测装置，同时需要多名技术人员参与，工作量相当繁重。
针对上述问题，本发明旨在提供一种可以自动化同步自动监测多种水情参数，且可以实现水库任意坐标、任意深度实时监测预警的集成装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种全自动远程水库水情监测预警装置及其使用方法，并且根据电学、光学、力学原理，集合激光发射器、感光传感器、应力传感器、高清摄像机、电压表及电流表等部件对水库水情参数进行远程自动监测，将监测数据传输至储存器中用于水库水情的综合分析，并根据水情参数监测结果对水库水情进行预警。另外，利用装载在控制盒中的螺旋桨，发电机，控制PC机及GPS定位装置，实现三维空间下多种水库水情参数的同步自动采集，并构建反映水库水情的多参数三维空间监测信息库，以解决传统水库水情监测覆盖区域有限，无法实现多参数同步自动监测的不足。为了达到上述目的，本发明公开了一种全自动远程水库水情监测预警装置及其使用方法，动力装置为整体装置在水库中的移动提供动力，通过控制PC机控制集成监测预警装置的三维移动方向，同时通过GPS定位装置记录集成监测预警装置在水库中的地理坐标。集成监测预警装置包括浊度、电导率、流速及静水压力四个监测模块。浊度监测模块利用感光传感器测量激光发射器产生的激光经过透镜后形成的散射光束在水中的散射程度获取水库水体浊度，电导率监测模块通过测量水库水体电阻获取水库水体电导率的监测信息，流速监测模块通过激光粒子成像技术观测水体中颗粒的位移实现对水库水体的流速监测，静水压力监测模块利用应力传感设备实现水库静水压力监测。该装置的特点是通过光学原理的组合技术，实现了浊度监测模块、电导率监测模块、流速监测模块等多种水库水情参数的同步自动监测，进而可实现对水库水情的实时综合评价，并基于水情监测参数结果进行水情预警。同时，动力装置扩展了水库水情监测的测量范围，动力装置用于采集水情监测的实时地理坐标，静水压力监测模块通过水压信息反演水深信息，最终构建反映水库水情的多参数三维空间监测数据。
本发明提供了一种全自动远程水库水情监测预警装置及其使用方法，该装置包括：动力装置和集成监测预警装置，集成监测预警装置由浊度监测模块、电导率监测模块、流速监测模块和静水压力监测模块组成；所述的动力装置为监测装置提供在水中移动的动力并记录监测装置的地理坐标，包括一个控制盒，四个螺旋桨，四台发电机，一台控制PC机，一套GPS定位装置；所述的浊度监测模块利用感光传感器测量散射光束在水中的散射程度实现对水库水情进行监测，包括一个清洁刷转动轴，一个90度感光传感器，一条感光传感器数据线，一套光信号数据分析装置，一台140度感光传感器，一个带毛的清洁刷，一个散光凹透镜，一个横向聚光镜片，两个镜片固定架，一个黑色遮光器，一个透明有机玻璃，两个个感光传感器圆筒和一个凹透镜圆筒；所述的电导率监测模块通过测量溶液电阻实现对水库水体电导率的监测，包括一个蓄电池，一根导线，一个水泵，一个正电极，一个负电极，一根导水管一个电流表和一个电压表；所述的流速监测模块通过激光粒子成像技术进行水库水体流速监测，包括一个图片存储器，一个防水外装盒，一个相机外接蓄电池，一个激光蓄电池，一条激光发射器电源线，一个固定底板，一个激光发射器，一个透明有机玻璃防水板，一个聚光凸透镜，一个固定支架，一个60度三角锥，一台ccd相机，一个流速计，一个流速计支架，一条相机数据线和一条相机电源线；所述的静水压力监测模块通过两个应力传感器测量水库静水压力，两个应力传感器的测量结果互为验证，包括一个一号应力传感器，一个一号应力信号存储器，一个二号应力传感器，一个二号应力信号存储器和两条应力存储器数据线。
优选地，所述的动力装置中，所述的控制盒材质为ABS塑料，其长度为50~80cm，宽度为30~50cm，高度为20~40cm，厚度为1~2cm；所述的四个螺旋桨安装于控制盒边缘，互相间隔90度，其功率为20~50马力；所述的四台发电机安装于控制盒内的螺旋桨旁，为螺旋桨提供动力，其输出电压为220V，功率为3kW~6kW；所述的控制PC机安装于控制盒内，其电源电压为220V；所述的GPS定位装置安装于控制盒内，实时记录装置的地理坐标。
优选地，所述的浊度监测模块中，所述的清洁刷转动轴固定在防水外装盒上端表面，其材质为不锈钢，其长度为1~2cm；所述的90度感光传感器固定在感光传感器圆筒内部，内部有电源装置，其工作电压为3.3~5.5V，其光通量测量范围为0~20000lm；所述的两条感光传感器数据线分别用于连接90度感光传感器，140度感光传感器与光信号数据分析装置，其长度为20~30cm；所述的光信号数据分析装置用于存储感光传感器的监测数据；所述的140度感光传感器固定在感光传感器圆筒内部，内部有电源装置，其工作电压为3.3~5.5V，其光通量测量范围为0~20000lm；所述的带毛清洁刷安装在清洁刷转动轴上，其材质为聚酯纤维，其长度为1~2cm；所述的散光凹透镜安装在凹透镜圆筒内部，用于对激光光束的扩散，其焦距为30~50mm；所述的横向聚光镜片固定在两片镜片固定夹中，用于对激光光束的聚焦，其焦距为20~50mm；所述的两个镜片固定夹安装在黑色遮光器上，其材质为不锈钢，其厚度为1~2mm；所述的黑色遮光器安装在防水外装盒内部，用于遮蔽外部光束的影响，其材质为合成树脂；所述的透明有机玻璃密封连接在防水外装盒边缘，作为观测水体悬浊物的视窗，其厚度为3~5mm；所述的两个感光传感器圆筒安装在防水外装盒内部，用于固定90度感光传感器和140度感光传感器，其材质为不锈钢，厚度为1~2mm；所述的凹透镜圆筒安装在防水外装盒内部，用于固定散光凹透镜，其材质为不锈钢，厚度为1~2mm。
优选地，所述的电导率监测模块中，所述的蓄电池用于提供装置中的电流，其电压范围为1~5V；所述的导线用于连接蓄电池和两个电极，其长度为10~20cm；所述的水泵用于抽放导水管中的水体样本，固定在防水外装盒上，其工作功率为5V，其工作扬程为1~3m；所述的正电极为输入电流端，其材质为钨铜合金，厚度为0.5~1mm；所述的负电极为输出电流端，其材质为钨铜合金，厚度为0.5~1mm；所述的导水管用于存放水体，其材质为PVC，其厚度为1~3mm；所述的电流表固定在防水外装盒上，其量程为1~5A；所述的电压表用于测量电路电压，其量程为1~5V；。
优选地，所述的流速监测模块中，所述的图片存储器固定在防水外装盒内部，其内存为1~5G；所述的防水外装盒材质为ABS塑料，其厚度为5~15mm；所述的相机外接蓄电池为ccd相机提供电源，其容量为1~5AH；所述的激光蓄电池为激光发射器提供电源，其容量为1~5AH；所述的激光发射器电源线连接激光蓄电池和激光发射器，其长度为10~30cm；所述的固定底板用于放置激光发射器及激光蓄电池，其材质为不锈钢，其厚度为3~7mm；所述的激光发射器用于产生激光束，其功率为4kW ~10kW；所述的透明有机玻璃防水板，其材质为有机玻璃，厚度为4~8mm；所述的聚光凸透镜用于对激光束的聚焦，安装于固定支架上，其焦距为40~60mm；所述的固定支架用于安装固定聚光凸透镜及60度角锥，其材质为不锈钢，厚度为5~10mm；所述的60度角锥用于对激光束扩散，其扩散角度为60度；所述的ccd相机用于拍摄水下高清视频，600万物理像素，最高拍摄频率为40fps；所述的流速计用于测量装置左右方向流速，内置电源，其工作电压范围为5~12V；所述的流速计支架安装在防水外装盒外部，其材质为PVC，其厚度为1~3mm；所述的相机数据线连接ccd相机和图片存储器，其长度为20~30cm；所述的相机电源线连接ccd相机和相机外接蓄电池，其长度为20~30cm。
优选地，所述的静水压力监测模块中，所述的一号应力传感器用于获取静水压力值，内置电源，其工作电压为5~10V；所述的一号应力信号存储器用于存放一号应力传感器静水压力监测数据，内置电源，其内存为1~5G；所述的二号应力传感器用于获取静水压力值，内置电源，其工作电压为5~10V；所述的二号应力信号存储器用于存放二号应力传感器静水压力监测数据，内置电源，其内存为1~5G；所述的应力存储器数据线连接应力传感器及应力信号存储器，其长度为20~30cm。
所述的一种全自动远程水库水情监测预警装置及其使用方法的使用方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将四组螺旋桨与发电机分别连接，将控制PC机和GPS定位装置和连接好的螺旋桨与发电机分别固定在控制盒中；
（2）将清洁刷转动轴一端安装在浊度监测模块防水外装盒，另一端连接带毛的清洁刷，分别将90度感光传感器、140度感光传感器安装在感光传感器圆筒一端，再将散光凹透镜安装在凹透镜圆筒一端，用感光传感器数据线连接90度感光传感器和140度感光传感器至光信号数据分析装置，将感光传感器圆筒固定于透明有机玻璃边缘；
（3）安装黑色遮光器，通过镜片固定夹将横向聚光镜片安装于黑色遮光器中，带毛的清洁刷安装在黑色遮光器下部；
（4）将ccd相机固定在防水外装盒上，分别通过相机电源线和相机数据线连接ccd相机与相机外接蓄电池和图片存储器，安装透明有机玻璃防水板，将流速计通过流速计支架安装在防水外装盒外部；
（5）安装固定支架，将60度三角锥和聚光凸透镜安装在固定支架上，安装固定底板与防水外装盒下部，将激光发射器与激光蓄电池安装于固定底板上部，通过激光发射器电源线接通激光蓄电池与激光发射器；
（6）通过导线连接蓄电池，正电极，负电极，电压表和电流表形成工作电路，将正、负电极分别与导水管两端连接，电流表和电压表均固定于防水外装盒内部，水泵安装在防水外装盒上；
（7）将一号应力传感器和二号应力传感器分别安装于防水外装盒外部，通过两条应力存储器数据线分别连接一号应力传感器和一号应力信号存储器以及二号应力传感器和二号应力信号存储器；
（8）将整个装置放入水库水体中，远程控制控制PC机对装置的移动路线进行控制，各个监测模块开始采集监测数据并存储至相应的数据存储器中；
（9）监测结束后，工作人员提取出数据存储器中的各项监测数据，结合监测装置移动路线构建水库水情多参数三维空间监测信息库，分析数据，并且根据各项监测数据进行风险评估分析进行水情预警；
本专利的有益效果在于：首先通过光学原理的组合技术，实现了浊度监测模块、电导率监测模块、流速监测模块等多种水库水情参数的同步自动监测，进而可实现对水库水情的实时综合评价，并基于水情监测参数结果进行水情预警。同时，动力装置扩展了水库水情监测的测量范围，动力装置用于采集水情监测的实时地理坐标，静水压力监测模块通过水压信息反演水深信息，最终构建反映水库水情的多参数三维空间监测数据。
附图说明
图1是本发明装置正视图；
图2是本发明装置A-A截面图；
图3是本发明装置光学系统布设图；
图4是软水管布设细节图（图1所标B部分）；
图5是本发明装置使用流程图
其中，a1为控制盒，a2为螺旋桨，a3为发电机，a4为控制pc机，a5为GPS定位装置，b1为清洁刷转动轴，b2为90度感光传感器，b3为感光传感器数据线，b4为光信号数据分析装置，b5为140度感光传感器，b6为带毛的清洁刷，b7为散光凹透镜，b8为横向聚光镜片，b9为镜片固定夹，b10为黑色遮光器，b11为透明有机玻璃，b12为感光传感器圆筒，b13为凹透镜圆筒， c1为蓄电池，c2为导线，c3为水泵，c4为正电极，c5为负电极，c6为导水管，c7为电流表，c8为电压表， d1为图片存储器，d2为防水外装盒，d3为相机外接蓄电池，d4为激光蓄电池，d5为激光发射器电源线，d6为固定底板，d7为激光发射器，d8为透明有机玻璃防水板，d9为聚光凸透镜，d10为固定支架，d11为60度三角锥，d12为ccd相机，d13 为流速计，d14为流速计支架，d15为相机数据线，d16为相机电源线，e1为一号应力传感器，e2为一号应力信号存储器，e3为二号应力传感器，e4为二号应力信号存储器，e5为应力存储器数据线。
具体实施方式
以下结合附图详细叙述本发明专利的具体实施方式，本发明专利的保护范围并不仅仅局限于本实施方式的描述。
由图1、图2、图3、图4、图5所示，一种自巡回式多功能水库水情监测装置，由a1为控制盒，a2为螺旋桨，a3为发电机，a4为控制pc机，a5为GPS定位装置，b1为清洁刷转动轴，b2为90度感光传感器，b3为感光传感器数据线，b4为光信号数据分析装置，b5为140度感光传感器，b6为带毛的清洁刷，b7为散光凹透镜，b8为横向聚光镜片，b9为镜片固定夹，b10为黑色遮光器，b11为透明有机玻璃，b12为感光传感器圆筒，b13为凹透镜圆筒， c1为蓄电池，c2为导线，c3为水泵，c4为正电极，c5为负电极，c6为导水管，c7为电流表，c8为电压表， d1为图片存储器，d2为防水外装盒，d3为相机外接蓄电池，d4为激光蓄电池，d5为激光发射器电源线，d6为固定底板，d7为激光发射器，d8为透明有机玻璃防水板，d9为聚光凸透镜，d10为固定支架，d11为60度三角锥，d12为ccd相机，d13 为流速计，d14为流速计支架，d15为相机数据线，d16为相机电源线，e1为一号应力传感器，e2为一号应力信号存储器，e3为二号应力传感器，e4为二号应力信号存储器，e5为应力存储器数据线组成。该装置分别通过浊度监测模块、电导率监测模块、流速监测模块得到多种水库水情参数监测数据，可实现对水库水情的综合评价。同时，动力装置扩展了水库水情监测的测量范围，动力装置与静水压力监测模块分别用于采集水情监测的实时地理坐标及水深信息，构建了反映水库水情的多参数三维空间监测数据。
实施例1：全自动远程水库水情监测预警试验模拟
预制控制盒a1，其材质材质为ABS塑料，其长度为50~80cm（本实施例为60cm），宽度为30~50cm（本实施例为40cm），高度为20~40cm（本实施例为30cm），厚度为1~2cm（本实施例为1cm），购置螺旋桨a2，其功率为20~50马力（本实施例为30马力），购置发电机a3，其输出电压为220V，购置控制PC机a4，购置GPS定位装置a5，将螺旋桨，发电机，控制PC机及GPS定位装置均安放于预制盒内。预制清洁刷转动轴b1，其长度为1~2cm（本实施例为1cm），购置90度感光传感器b2和140度感光传感器b5，其工作电压均为3.3~5.5V（本实施例为3.3V），光通量测量范围均为0~20000lm（本实施例为10000lm），购置两条感光传感器数据线b3，其长度为20~30cm（本实施例为20cm），购置光信号数据分析装置b4，预制两个感光传感器圆筒b12安装在防水外装盒d2内部，其材质为不锈钢，厚度为1~2mm（本实施例为1mm），购置带毛清洁刷b6，其长度为1~2cm（本实施例为2cm），预制散光凹透镜b7，其焦距为30~50mm（本实施例为30mm），预制凹透镜圆筒b13，其材质为不锈钢，厚度为1~2mm（本实施例为1mm），预制横向聚光镜片b8，其焦距为20~50mm（本实施例为40mm），预制两个镜片固定夹b9，其厚度为1~2mm（本实施例为1mm），预制黑色遮光器b10，其材质为合成树脂，安装于防水外装盒d2内部，预制透明有机玻璃b11，其厚度为3~5mm（本实施例为3mm）。购置蓄电池c1、电流表c7、电压表c8，购置导线c2用于连接蓄电池c1、电流表c7及电压表c8工作电路，其长度为20~30cm（本实施例为30cm），购置水泵c3固定在防水外装盒d2上，其工作功率为5V，其工作扬程为1~3m（本实施例为3m），购置正电极c4和负电极c5，其材质为钨铜合金，其厚度为0.5~1mm（本实施例为0.5mm），预制导水管c6，其厚度为2~4mm（本实施例为3mm）。购置图片存储器d1，其内存为1~5G（本实施例为5G），预制防水外装盒d2材质为ABS塑料，其厚度为5~15mm（本实施例为10cm），购置相机外接蓄电池d3及激光蓄电池d4，购置激光发射器电源线d5，其长度为10~30cm（本实施例为30cm），预制固定底板安装于防水外盒d2下部，其厚度为3~7mm（本实施例为5mm），购置激光发射器d7，其功率为4kW ~10kW（本实施例为5kW），预制透明有机玻璃防水板d8，其材质为有机玻璃，厚度为4~8mm（本实施例为5mm），预制聚光凸透镜d9，其焦距为40~60mm（本实施例为60mm），预制固定支架d10，其材质为不锈钢，厚度为5~10mm（本实施例为5mm），预制60度角锥d11，其扩散角度为60度；购置ccd相机d12，购置流速计d13，其工作电压范围为5~12V（本实施例为12V），预制流速计支架d14，其厚度为1~3mm（本实施例为2mm），购置相机数据线d15，其长度为20~30cm（本实施例为30cm），购置相机电源线d16，其长度为20~30cm（本实施例为30cm）。购置一号应力传感器e1和二号应力传感器e3，其工作电压范围为1~5V（本实施例为3V），购置一号应力信号存储器e2及二号应力信号存储器e4，其内存为1~5G（本实施例为5G），购置应力存储器数据线e5，其长度为20~30cm（本实施例为30cm）。
试验的具体操作如下：
将四组螺旋桨a2与发电机a3分别连接，将控制PC机a4和GPS定位装置a5和连接好的螺旋桨a2与发电机a3分别固定在控制盒a1中。将清洁刷转动轴b1一端安装在浊度监测模块防水外装盒d2，另一端连接带毛的清洁刷b6，分别将90度感光传感器b2、140度感光传感器b5安装在感光传感器圆筒b12一端，再将散光凹透镜b7安装在凹透镜圆筒b13一端，用感光传感器数据线b3连接90度感光传感器b2和140度感光传感器b5至光信号数据分析装置b4，将感光传感器圆筒b12固定于透明有机玻璃边缘b11。安装黑色遮光器b10，通过镜片固定夹将b9横向聚光镜片b8安装于黑色遮光器b10中，带毛的清洁刷b6安装在黑色遮光器b10下部。将ccd相机d12固定在防水外装盒d2上，分别通过相机电源线d16和相机数据线d15连接ccd相机d12与相机外接蓄电池d3和图片存储器d1，安装透明有机玻璃防水板d8，将流速计d13通过流速计支架d14安装在防水外装盒d2外部。安装固定支架d10，将60度三角锥d11和聚光凸透镜d9安装在固定支架d10上，安装固定底板d6与防水外装盒d2下部，将激光发射器d7与激光蓄电池d4安装于固定底板d6上部，通过激光发射器电源线d5接通激光蓄电池d4与激光发射器d7。通过导线连接蓄电池c1，正电极c4，负电极c5，电压表c8和电流表c7形成工作电路，将正电极c4、负电极c5分别与导水管c6两端连接，电流表c7和电压表c8均固定于防水外装盒d2内部，水泵c3安装在防水外装盒d2上。将一号应力传感器e1和二号应力传感器e3分别安装于防水外装盒d2外部，通过两条应力存储器数据线e5分别连接一号应力传感器e1和一号应力信号存储器e2以及二号应力传感器e3和二号应力信号存储器e4。将整个装置放入水库水体中，远程控制控制PC机a4对装置的移动路线进行控制，各个监测模块开始采集监测数据并存储至相应的数据存储器中。监测结束后，工作人员提取出数据存储器中的各项监测数据，结合监测装置移动路线构建水库水情多参数三维空间监测信息库，分析数据，并且根据各项监测数据进行风险评估分析进行水情预警。
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