主要完成人：沈起鹏 李正最 张华章 蒋显湘 谢小秋 胡贡生
获奖等级：2014年度湖南省水利水电科技进步二等奖
一、项目综述
随着我国经济社会的快速发展，河流水文测报特别是主要水文要素如流量、水位等测验的具有十分重要的作用。各种水工程的规划设计、防汛抗旱和生态环境保护所依据的水文分析、预报的准确性和可靠性，在很大意义上决定于水文测报工作的方法和仪器设备。当前在我国正在大规模地进行中小河流水文监测系统建设，由于中小河流水文站分布广、地域宽、站点多，特别是山溪性河流汇流速度快，洪水陡涨陡落等特点，使得流量测验极为困难，这就向水文信息的采集和处理提出了新和更为复杂的任务。
（1）本课题在分析山溪性河流水流特点和水力条件的基础上，探索了河流断面中垂线流速与断面流速的关系，并用对数垂线流速推导经验公式，为雷达波流速仪在中小河流测速的运用奠定了基础。
（2）本课题对雷达波流量实时在线监测系统的系统结构、施测模式、测速雷达的牵引方式及主要设备的选型进行优化研究。并根据河流水文、水力条件和特点，研制了固定安装式、双轨缆道牵引式和双轨缆道自驱式等三种流量测验模式的雷达波流量实时在线监测系统。
（3）本课题示范建设的豪福站雷达波流量实时在线监测系统的比测和率定分析表明，雷达波流量实时在线监测的测量精度完全达到国家标准《河流流量测验规范》和水利行业标准《水文资料整编规范》规定的二类精度站流速仪法测流定线精度要求，且高于浮标法测流定线的精度要求。
（4）本课题开发的流量监测计算和视频监控管理软件，集数据实时接收及处理、流速流量计算、成果合理性分析以及图表生成及输出等多功能于一体，资料数据能与全国通用资料整编系统共享，系统能将现场图像和监控视频实时传输到管理中心，有利于系统的监管和“无人值守、有人看护、巡测管理”的水文测验模式的实施。
（5）本课题成果已在我省92个中小河流水文站推广应用，取得良好的效果。
综上所述，雷达波流量实时在线监测系统，是一种充分运用现代光电和自控技术，不直接接触和扰动（或破坏）水流结构，快速准确测量水流流速和流量的新方法、新途径，取得了较好社会效益和经济效益，具有很好的推广应用价值。
二、主要科技创新
1、通过河流断面流速分布的分析，构建了点～线～面流速关系模型，提出了简化河流流量测验的方法和技术。
2、集成了机器人自动控制、雷达数据处理等多学科技术，研发了双轨牵引式和双轨自驱式缆道雷达波流量实时在线监测系统，创新了水文测验缆道技术。
本课题以示范建设的豪福水文站为基础，根据河流特点和测站条件，研制成功了双轨牵引式雷达波测流缆道、双轨自驱式缆道雷达波测流缆道和固定安装式雷达波测流系统。
系统可实现断面流量施测自动化，测流方式可根据不同情况选择以下8种测流模式，即：
（1）常规定时施测模式；
（2）水位上涨超过中水设定值施测模式；
（3）水位上涨超过高水设定值加密施测模式；
（4）临时手动加测模式；
（5）当洪水水位超过设定的警戒值，测站的通讯设备自动开机，接收中心水文站的远程召测；水位低于设定的警戒值后通讯设备自动关机，恢复定时通讯机制；
（6）强风停测模式：当室外风速较大，雷达波测速探头倾斜角度超过设定角度后，系统控制器停止水面流速测验，当风速较小，雷达波测速探头倾斜角度小于设定角度值后，系统控制器恢复雷达波测速探头正常工作；
（7）低水位停测模式：当水位低于设定的停测水位值后，系统控制器停止测流系统运行。当水位高于设定的停测水位值后，再恢复为常规定时施测模式；
（8）低温停测模式：当工作环境温度低于设定的停测温度(如零度)时，系统控制器停止测流系统运行。当环境温度高于设定的停测温度时，系统再恢复为常规定时施测模式。
3、开发的数据处理与管理平台，在兼顾防汛实时水文信息和远程管理的需要的同时，实现了与全国通用资料整编系统的无缝链接与数据共享，有利于 “无人值守、有人看护、巡测管理”水文测验模式的实施。
本课题开发的数据处理与管理平台具有数据接收处理模块、流量计算模块、数据存储及管理模块、图表输出模块、无线视频监控模块。
（1）数据接收处理模块具有以下功能特点：
1）接收功能。通过网络(或其它无线通讯模式)实时接收水文站测量点发来的水位、水面流速、电压等各种数据；对接收来的所有数据进行解码、纠错、合理性判别处理，各种数据的合理性判断、纠错或插补规则可人工进行设定。
2）监控功能。每天统计接收数据次数，计算每天的畅通情况；实时监控系统设备的运行情况，发生故障时及时给出报警。实时接收测量点上传的电压情况数据，存储运行分析结果，发生故障时及时给出报警。
3）显示功能。数据接收软件主界面可显示水位、流量过程线，软件能对过程线上的突出点据进行修改，并保留突出点的原始值(原始值存为加密文件，只有通过授权才可查看编辑，原始值加密文件的数据存储格式为“时间、测次、垂线号、修改原始值”)。
4）数据整编功能。数据接收软件可利用接收的流速资料或下载的数据资料，按水文资料整编规范要求完成日平均流量和日平均水位表推算。日平均流量和日平均水位表的推算可分时间段完成，例如5月份能计算整编1-5月份的日平均流量和水位。自动测流系统资料整编软件主界面如图3所示。
5）日志管理。系统工作状态（蓄电池电压、通讯信号强弱等参数）及数据发送接收状态每天应自动作为工作日志文件保存，方便以后对有关问题分析时查询。同时记录系统重大事件或故障、报警等信息，供故障排除、责任认定使用。
（2）流速和流量计算模型模块
流速和流量计算模型是通过测量的垂线水面流速数据来计算出断面平均流速和流量，具有以下基本功能：
1）多种代表垂线平均流速计算模型。比如可采用浮标水面流速系数计算垂线平均流速，系统界面如图4所示；
2）人工控制全断面流速测验和采用算术平均算法计算流量功能；
3）根据垂线水面流速自动计算出断面平均流速；
4）模型参数可以人工进行修正；
5）模型具有通用性，通过参数的改变可以适合各种河道的使用；
6）模型中的代表流速可以人工设定；
7）模型能根据人工实测的数据进行参数自动修正；
8）根据水位值计算断面面积；
9）根据模型得到的断面平均流速和断面面积计算流量；
10）根据流量数据计算过水量；
11）水位/面积关系可人工进行修正。
（3） 数据存储及管理模块
数据存储及管理模块主要是针对数据库的，所有测量和计算的数据都要存储在计算机内的数据库中，需要对数据库进行必要的管理和操作。其功能如下：
1）数据存储。对经过初步处理后的原始数据及时写入到计算机内的数据库中，当写入失败时，系统具备缓存能力。
2）数据维护。对数据进行必要的维护和管理。数据维护功能主要包括：对其进行维护和管理工作；对数据库通过表名或关键字进行简单的查询操作，这样可以方便管理员对数据库的维护工作；通过人机界面对数据库内的数据进行必要的增加、删除、修改等日常维护操作；对数据库进行备份。
（4）图表输出模块
图表输出模块功能主要包括：
1）水位日、月、年报表的显示和打印；
2）流量日、月、年报表的显示和打印；
3）水位过程线的显示和打印；
4）流量过程线的显示和打印；
5）水位、流速、流量等参数主画面实时显示。
（5）无线视频监控模块
本系统现场图像和监控视频通过3G网络实时传送到中心水文站。无线视频监控软件主要通过网络实时接收遥测站的监控视频图像数据，并给遥测站点发送各类控制指令。视频监控监控模块主要功能如下：
1）实时监控.视频监控软件采用客户端监控。支持同一计算机有多个监控屏幕，每个屏幕监控不同的摄像机。同一屏幕支持高达32路画面。系统实时监控演示效果如图5；
2）回放模式。支持摄像机SD卡录像，可设置独立设置录像品质。支持普通录像，事件录像，录像满时停止，录像循环写等设置，并可指定录像计划，按需录像。（如图6）；
3）录像下载。视频监控系统软件支持录像下载功能，可远程下载设备上任何时段的录像，并支持按时间搜索，按时间下载指定录像等。
