雷达波测流机器人

一、立项背景

当前水文站在高洪流量测验中存在河流暴涨暴落、漂浮物多、流速大等特点，常规缆道流量测验方式给人员、仪器带来许多安全问题；同时在应对突发性自然灾害和水污染等应急测流中，常规测验方式无法满足在恶劣环境中获取实时、准确流量数据；近年正在实施的中小河流水文监测系统建设，多数为防汛专用站，远离城镇而且地处山区，采用传统测验模式驻守观测相当困难。综上，当前应用传统测流仪器和测验方法对高洪测流、应急测流和中小河流测流时存在诸多不便

雷达波流速仪的实时流量监测系统能有效解决上述问题

针对该情况急需一款非接触式自动的测流装置取代人工测流方式，故提出课题研究雷达波自动测流机器人

二、内涵和主要做

雷达波自动测流机器人以水文测验和自动控制理论为基础，以嵌入式工控技术、雷达波多普勒频移技术、可编程逻辑控制器（PLC）控制技术、无线通信技术为手段，实现水文站高洪流量测验自动化

在实际应用中，流量测验全程无需人工干预，雷达波自动测流机器人将按照设定的工作模式，自动完成测线的准确定位、流速测量、测流数据及机器人工况信息自动入库

雷达波自动测流机器人依托水文站已有缆道系统（或专门建设Ф5mm～Ф10mm跨河缆索），满足河面宽度500米以内的河流流量自动监测需求，测流成果符合水文测验规范要求

主要做法主要包括

1、系统组成及各部分功能设计

2、系统工作模式设计

3、系统工作流程设

4、雷达波测流机器人研发

5、现地监控管理软件研发

6、水文气象信息自动监测集控管理平台研究

7、垂线平均流速归一算法研究

8、系统集成

三、雷达波测速工作原

采用多普勒雷达测速原理，对水流的表面流速进行探测

f=ν/λ

式中

f--频率

ν--速度

λ--波长

当雷达传送非均匀流表面信号时，非均匀流表面的厘米波即反向散射体会导致多普勒频移的发生。在河道枯水期，这些厘米波由于具有一定的速度，而被准确识别，根据其波动的方向，产生正向或负向的多普勒频移。由于紊流的散射引起的这两种影响几乎相同，也就是说在枯水期时，其影响为零。传递表面波的顺流流动，产生额外的多普勒频移，此时需要对接受信号进行特殊的分析测定。在高洪期间，由于水面波浪反射明显，因此表面流速特性更加容易被雷达探头捕获。这种测定方法与利用高频雷达来测定海岸流表面流速的方法类似

四、创新亮点和值得学习借鉴之

该成果解决了常规流量测验在高洪时水位暴涨暴落、漂浮物多、流速大给人员、仪器带来的测验难题，将水文站河道流量自动监测系统设备繁多、操作复杂向经济实用、操作简便、安全高效转变

研究了基于电池容量监测技术的智能化电源系统。电源系统配有专门的电量监测芯片，电池容量过低时输出报警信号，机器人自动回站房补电, 解决了机器人在自动运行时, 电压过低停在河中间无法回岸的问题

对测流机器人进行结构模块化、标准化设计。采用专用PCB板将电源、数据采集、数据传输各部分进行有效隔离，防止相互干扰影响机器人的运行和数据接收的准确性,且方便组装和调试

在机器人行走装置上使用履带式牵引技术，主动轮和两个从动轮形成一个三角形平面，通过一根链条连接履带式牵引。机器人在发生前后俯仰、左右倾斜时，牵引链条始终处于绷紧的状态，防止发生掉链的严重后果

该成果中提出了一种非接触式雷达波测流方式下的代表垂线法河道流量计算方法，本方法能整体提高雷达波测流模式的流量测验成果可用性与精度，特别是针对强暴雨、大风沙等突发工况导致的数据异常，以及流速＜0.3m/s的岸边测速垂线数据异常等有良好的适应能力

五、实施应用前后效益情况对

该研究成果在“湖南省四水治理项目雷达波高洪流量监测系统建设采购（第一包）”、“西藏自治区大江大河水文监测系统建设工程二期项目（第一批）施工二标段”项目中得到了应用，合同额合计975.26万元。特别是“西藏自治区大江大河水文监测系统建设工程二期项目（第一批）施工二标段”项目，8个站均在海拔3000m以上，其中4个站在海拔4000m以上

“雷达波自动测流机器人”解决了河道流量测验效率低、高洪流量测验安全风险大、传统流量测验建站费用高等问题，为客户创造实实在在的价值

以湖南省五强溪水文站应用情况为例，系统于2017年6月正式投运以来，五强溪水文站已实施有效流量自动监测1585多次，按人工测验1900元/次标准计算，节约人工成本总计约301万元。特别是针对高洪测流，该系统提供了一个全新的测验手段和分析方法，具有广阔的推广应用价值

六、可推广应用范

雷达波自动测流机器人主要用于高洪流量测验，可广泛应用于山溪性河流、城市监测、应急测流等领域，同时，该系统也可推广应用至地下空间监测等领域