ATV水下超声波声层析断面流量计

    一、方案背景

    1.1水文国考断面

    水文：指自然界中水的变化、运动等各种现象。是研究自然界不同的时空分布、变化规律的一门学科。据《》2020年1月23日报道：我国水文监测站已从新中国的353处发展到12.1万处，站网总体密度达到了中等发达国家水平。在防汛抗旱减灾、水资源管理和生态保护上发挥作用。

    随着科技的进步，物联网技术已经悄悄滴走进我们，并已经应用在各个领域。如水文水利、工业监控、智慧城市、智慧水务等等，万物联网连接到云服务器，通过大数据资料分析处理提高的生产效率、灵活性能和响应能力。

    于2016年3月16日公布了《“十三五”国家地表水环境质量监测网设置方案》，该方案共设置国控断面（点位）2767个，其中趋势科研断面共717个不进行考核，其余2050个断面即为国家地表水考核断面（以下简称“国考断面”）。

    国考断面从属于国家地表水环境监测网中的评价、考核、排名监测断面（点位），以改善水环境质量为核心，满足流域水污染防治目标任务考核和城市水环境质量排名等当前环境管理的需求。国考断面特点：宽断面、常年存在低流量运行的工况下。

    在各级流域河长制实质运行阶段的背景下，各流域管理局开始认真积极发挥流域统筹协调作用，如：河长制联度会议、漂浮物监测、跨界河湖治理、生态流量调度等治水机制。各单位要对多面达到生态流量达到流量保障目标，特别在枯水期的调度上高度重视。各流域河长办将充分发挥流域统筹协调作用，不断提高流域河湖监管、统筹协调能力，进一步深化完善“流域+区域”协同治水工作机制 ，统筹推进上下游、左右岸、干支流协同治理，协同流域各市解决流域河湖管护工作中的难点堵点问题，共同推动流域秀水常清。

    1.2断面流量常用测量方法

    对于宽断面、低流速的测量断面来说，流量测量一直存在较大的问题，要即能满足上述测量要求的情况下，还在注意安装简单、注重测量的实时性、不干扰河道正常使用。ATV声层析断面流量就是基于上述定义设计一款专用产品。

    二、方案简介

    2.1声层析技术

    声学技术原来在海洋环境观测中占有重要一席之地，随着应用的拓展，在其他水体的测量中也成为了重要手段之一。声学层析技术，特别是15-88K频率声层析的应用，也从河口海岸转到地表水、地下水等水体测量中。

    澳泰自动化ATV声层析断面流量计利用水下声学互易传输（也称双向声传输）进行声层析（温流）反演计算，利用傅里叶模型对声速、温场、流场进行二维重建。

    声波在水中具有优越的传播特性，在地表水中能量和信息远距离传递的有效辐射形式。由于水体的层化、峰面、内波、反射、散射、吸收、水面与水底边界都对传播都有影响，因此声波在水中传播过程中就携带着大量传播途径信息，通过对声学信号的频率、相位、时间、多途结构等特征分析，可以推算出很多水体信息。

    层析技术是一种反演观测方法，可以利用声波辐射从不同角度穿透被测介质，通过测量其吸收与传播时间等特性的差异来反演被测介质属性。声层析就是利用这一技术，利用测量出的传播时间变化来反演温度场和流场参数。反演中会考虑到温、盐、深的参数变化。

    断面流量的测量只需要关键的流速数据，所以并不需要得到准确各剖面的流场分布，所以无需通过多维声学数据来进行反演。依靠两点的声学直达波与多途波混响互易时间变化，就可以反演出二维的断面平均流速。利用这种高频度（1秒交叉互易一次）互易传输声层析原理，可以在有限的投资下，实现快速测量，系统小测量周期：5秒。

    超声波信号从主机发出后，在65度夹角范围内，声学直达波与多途波混响，被从机获取到完整的信号；互易后，从机声波经由同样通道声波，被主机接收到的；声信号基本可以完整反映出整个过水断面的流速场属性，代表着过水断面的平均声学特性。来回的声音信息通过层析反演出来时间变化数据，从而换算出断面平均流速值。（如下图所示：）

    2.2其他特殊算法

    数据池管理：根据安装实际案例的应用经验，我们发现了很多实用算法

    备胎算法：主机内置有：强大的自学习能力。在测量品质（声波：特征匹配）达到所设定的阈值情况下，设备会不断学习流速、流量与水位关系，并长期记录适配下来。在测量品质低于所设定值的状态下，且持续时间达到所设定时长，设备会按照自学习的数据进入自动修正模式。

    2.3申明

    本产品应用到的技术有（到2021年7月，不含此时间段在申报阶段）：

    1：《一种声层析断面流速仪安装结构》；ZL.8

    2：《一种水下超声波高精度时延估算系统》；ZL.X

    3：《一种水下超声波声学层析断面流速仪》；ZL.8

    4：《超声波物位计壳体（一体式）》；ZL.2

    5：《流速仪探头壳体》；ZL.3

    6：《一种二线制超声波物位计》；ZL.3

    7：《一种基于NB-Iot的电池供电超低功耗物联网仪表》；ZL.9

    8：《一种分段能量自适应液位差计》；ZL.4

    9：《一种多功能显示单元》；ZL.5

    10：《一种智能能量控制的超声波物位计测量仪》；ZL.6

    11：《一种仪表开关电源》；ZL.3

    2.4软件著作权申明

    本产品应用到的软件著作权有（到2021年4月，不含此时间段在申报阶段）：

    1：澳泰自动化云数据平台【简称：物联网平台】V1.0，2019SR0363471

    2：ATV超声波声学层析断面流速仪软件V1.0，2020SR1107703

    2.5声层析与时差法

    河宽较小时（20米以内）：声波时间短，直达波强烈，常规时差法测量成为可能（双机有线通联较易实现）；

    河宽中等（20-200米）与较大时（200米以上）：水声信号复杂多变的多途结构和较强的随机衰落问题，对常规时差（单通道、多通道）法来说是致命影响，再加上双机无线通联问题。

    2.6声层析与其他测量方法

    河道、航道的流量测量中，要做到长期且实时测量。

    其他岸基测量：实时性较好、断面代表性不足，很难建立关系；

    走航测量：实时性差、断面代表性较好，单次测量周期，在测量周期内出现流速变化较大时，闭合困难，且成本较高；

    三、产品构成

    3.1基本构成件

    1：供电系统，可市电，可太阳能（主站、从站各一）

    注：太阳能电池板：200W，电池：150AH

    2：主站系统、从站系统

    3：附件：超声波水位计、水温电导传感器与安装支架（主站侧）

    4：户外仪表箱（主站、从站各一）

    5：基座，可水泥基、可钢构（主站、从站各一）

    3.2核心组件

    1：ATV主机、ATV从机

    7寸大屏彩色液晶显示器的应用，让波形图、菜单具有更佳的人机交互体验；

    2：5G频段的宽带天线（无线数据链专用）

    远距离无线高速数据链：新型网桥的应用，让通信距离拓展到5公里，5.8G的工作频率，主、从机的数据无错通信容量达到了每5秒（测量值刷新一次的周期）38K。这一技术不依赖公用通信4G5G机站，让装置独立运行，无通信费用。

    3：安装支架（含声呐换能器）

    换能器

    40KHZ:适用20-500米

    25KHZ:适用500米以上

    4：GPS北斗双模定位与高精度授时天线

    高精度授时与定位：通过北斗/GPRS/格洛纳斯三模高精度授时，让主、从机同步精度控制在20纳秒以下，满足时差法测量同步要求。

    5：4G NB物联网通信天线

    内置物联网模块，支持4G/GPRS通信，内置全网通插槽,4G的LET UE-CAT.1模组的应用，极为方便地将数据上传到澳泰云平台或者第三方云平台；

    6：超声波水位计

    一体式超声波水位计12VDC供电、RS485通信到主机，按安装点的高程设定安装高度，直接获取水位高程信号。水位高程数据的获取，将与基底高程数据合并计算出过水面积，从而将流速值转换流量值；

    7：水温/电导率计

    外挂水温与电导率传感器，可准确换算水下声速。

    四、产品功能简述

    4.1基底高程

    ATV可以生成50点的纵断面描述数据，分别输入各点的离岸距离数据（通常是从左岸向右岸开始描述）和相应的水下地形高程数据。河流断面的基底高程是各类河道测量流量的需要参数，通过对高程水位的测量与断面地形才能计算出过水面积，然后与仪器设备测量出的流速数据进行乘法运算，计算出流量数据。

    4.2通信终端

    物联网多功能显示终端（以下简称终端）需与一次仪表或数字式传感器配合使用。终端提供24V/12V电源，可给传感器供电，通过终端的传感器485接口与数字传感器通讯，可实现一终端，多数字传感器的测量系统。

    终端供电电源220AC、24VDC、12VDC可选，可以使用市电或工业电源供电，或者使用各型电池或太阳能供电系统供电。终端可以非常方便与各型无线平台互联互通，如：GPRS、WIFI，将数字传感器传输的信号数据，上传至云服务器端。

    工作原理

    通过通信接口或AD采集获取输入信号，信号解析获取测量值，将测量值通过液晶屏显示，同时将信号通过GPRS将信号上传至云端。

    主要技术参数

    使用条件：环境温度：0~50℃；相对湿度：£90%RH ；

    电源电压：90～265VAC或24±10%VDC或12±10%VDC；

    准确度： ±0.5%F.S+1字 ；

    输入特性：电流型：输入阻抗 <300W；   

    输出特性：    

    继电器容量：0.5A/240V AC，阻性；  

    电流型变送器输出负载阻抗：<600W ；    

    电源输出：12±10%V DC / 30mA；

    功耗：<5W；

    五、方案优势

    1：主、从机双机数据链自主组网交互，不依赖公网与机站；

    2：数据上传通过公网，公网故障时还可以选择北斗短报文通讯（RDSS）；

    3：可以实时在第三方大型显示平台显示；

    4：可以带多台物联网多参数显示终端，实时显示数据；

    5：可以带电话语音示警、短信示警、电邮示警功能；

    6：可适用在小流量、零流量、负流量的工况下使用；

    7：很强的实时测量性，快测量周期：5秒；

    8：按工业仪表设计标准，具有很强的搞干扰、防雷能力。

    六、方案配置

    6.1澳泰自动化供应范围 

     7.2当地集成商供应范围