一种水流示踪实时监测系统与测速方法技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术属于水文数据测量技术领域。

【技术实现步骤摘要】
一种水流示踪实时监测系统与测速方法
本专利技术涉及水文数据测量
，是一种水流示踪实时监测系统与测速方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对上述至少一个技术问题，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术实施例“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(Vw)等于水流示踪球移动速度(Vb)乘以跟随性系数(f)，如公式(1)和(2)所示：Vw＝fVb(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，Si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Si；并重新计算该小时范围的S0，并用新的S0替换被剔除的Si，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Vb，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Si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Si的最佳时间间隔本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水流示踪实时监测系统，其特征在于，包括至少一个水流示踪球，所述水流示踪球包括：/n定位模块，用于定时或不定时地获取所述水流示踪球的位置数据，云平台可根据所述水流示踪球发回的位置数据和时间间隔，测算所述水流示踪球的移动速度；/n通信模块，用于水流示踪球和所述云平台之间的数据通信；/n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；/n供电模块，用于对所述定位模块、通信模块和控制模块提供电源；/n球形防水外壳，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。/n

【技术特征摘要】
1.一种水流示踪实时监测系统，其特征在于，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所述水流示踪球的位置数据，云平台可根据所述水流示踪球发回的位置数据和时间间隔，测算所述水流示踪球的移动速度；
通信模块，用于水流示踪球和所述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，用于对所述定位模块、通信模块和控制模块提供电源；
球形防水外壳，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。


2.根据权利要求1所述的一种水流示踪实时监测系统，其特征在于，所述水流示踪球还包括：
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；所述负载包括定位模块、通信模块或控制模块中的至少一个；
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，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；
所述磁铁开关被封装在所述球形防水外壳内。


3.根据权利要求1所述的一种水流示踪实时监测系统，其特征在于，所述水流示踪球确定一个的浸水比；
所述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f的取值范围及其稳定性，所述水流示踪球的最佳浸水比与水流示踪球的大小和总质量有关，所述浸水比经过现场不同水流测速仪的同步测速实验确定。


4.一种水流测速方法，其特征在于，使用云平台执行以下步骤：
接收如权利要求1-3任一项所述的水流示踪球发送回的位置与时间信息；
测算所述水流示踪球的移动速度；
查询和展示所述水流示踪球的移动轨...

【专利技术属性】
技术研发人员：王先伟，汪家意，方勇军，郭昱，余琪，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44