排水管道液位與流量一體化在線監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種排水管道液位與流量一體化在線監(jiān)測系統(tǒng)，由數據中心和至少一個監(jiān)測子系統(tǒng)組成，所述監(jiān)測子系統(tǒng)包括監(jiān)測點和安裝在所述監(jiān)測點的監(jiān)測設備，監(jiān)測設備采集監(jiān)測點的相關監(jiān)測數據，并將監(jiān)測數據發(fā)送給數據中心進行處理和實時動態(tài)顯示。采用本發(fā)明的排水管道液位與流量一體化在線監(jiān)測系統(tǒng)，可對排水管道、排水渠道、排水檢查井、排水口、城市下凹道路、城市地下停車場、城市受納水體等點位進行液位與流量的在線監(jiān)測、內澇或溢流預警和報警、監(jiān)測數據公眾發(fā)布、監(jiān)測數據統(tǒng)計分析等應用。
【專利說明】排水管道液位與流量一體化在線監(jiān)測系統(tǒng)

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種在排水管道進行液位與流量一體化在線監(jiān)測系統(tǒng)，也可應用于其 它非滿管或滿管管渠的液位、流速與流量的在線監(jiān)測。

【背景技術】
[0002] 通過制定合理可行的監(jiān)測方案，對排水管網進行液位與流量的現場在線監(jiān)測，是 進行排水管網科學管理、統(tǒng)計計算、模擬評估與預警分析的必要條件。利用長時間序列的液 位、流速與流量在線監(jiān)測數據，可以支持排水模型相關參數的率定和驗證，以保證模擬結果 的可靠性，提高模擬預測的可信度；利用關鍵節(jié)點的監(jiān)測流量進行統(tǒng)計分析，可直觀發(fā)現監(jiān) 測點上下游排水管道的過載、溢流、淤積、雨天入流、地下水或河水入滲等問題，并可進行定 量化評估計算；在實際的排水管網管理過程中，還可利用在線監(jiān)測技術對偷排、錯接等現象 進行識別和分析。因此，排水管道液位與流量監(jiān)測，既是構建排水管網模型的重要依據，又 是進行排水管網數字化管理的重要手段。
[0003] 目前我國在排水管道液位與流量在線監(jiān)測方面，主要以進口設備為主，國產設備 的功能性、穩(wěn)定性和硬件集成性不能滿足在排水系統(tǒng)惡劣環(huán)境中長期穩(wěn)定監(jiān)測的要求。而 現有進口設備存在價格過高、只能以固定時間頻次監(jiān)測、通訊模式可變性弱、設備零配件供 貨周期長、軟硬件系統(tǒng)集成度不高等問題，嚴重影響了排水在線監(jiān)測系統(tǒng)的建設和應用效 果。主要表現如下：
[0004] (1)現有流量監(jiān)測設備的測量通常為5-15分鐘，不能根據液位和流量監(jiān)測數據自 動變化通訊頻次，可以滿足排水系統(tǒng)長期運行監(jiān)測的需求，但是不能滿足排水管網預警報 警和動態(tài)管理的技術需求；
[0005] (2)現有設備整體安裝在排水井下，通常采用GPRS網絡進行通訊，導致主機功耗 較高，而且井下通訊環(huán)境不好，導致數據容易因網絡信號原因不能及時發(fā)送，主機電池更換 周期較短，且需要在每次維護過程打開井蓋進行，費時費力；
[0006] (3)現有設備功能以單點的液位和流量監(jiān)測為主，多個設備的內置時鐘不能自動 同步，不能準確控制數據的采集時間，也不能在液位或水溫劇烈變化時自動加密流速數據 的采集頻率，不利于排水管道流量液位動態(tài)變化規(guī)律的監(jiān)測；
[0007] (4)現有設備通過專用的后臺軟件和復雜繁瑣的配置過程才能接入設備的數據， 通常使用的軟件多為單機版軟件，數據管理和共享發(fā)布功能較弱，通常不具備統(tǒng)一的網絡 服務接口，不能及時將數據推送到手機端顯示，不利于監(jiān)測數據的共享發(fā)布和報警信息的 及時快速推送。
[0008] 因此，迫切的需要開發(fā)一種既具有在線監(jiān)測功能，又具有及時預警和報警功能，并 可根據液位波動情況和水溫變化情況自動調整流速監(jiān)測頻次的排水管道液位與流量一體 化在線監(jiān)測系統(tǒng)。利用該裝置不僅可以幫助管理部門掌握排水系統(tǒng)的液位、流速和流量數 據的長期變化規(guī)律，定量分析排水系統(tǒng)的溢流風險，定量計算排水管網的雨污水流量，定量 計算由于地下水或河水入滲導致的污水管網增加流量，識別排水管網的液位與流量典型變 化規(guī)律；也可以及時的進行排水內澇及溢流事件的預警和報警，管理人員可以通過網頁端、 手機端及時查看數據變化情況，輔助城市排水內澇及溢流事件的及時應對和定量評估。同 時，可以通過軟硬件的緊密集成，降低設備的安裝和使用難度。


【發(fā)明內容】

[0009] 本發(fā)明所要解決的技術問題是：提供一種排水管道液位與流量一體化在線監(jiān)測系 統(tǒng)，具有分鐘級同步液位監(jiān)測、監(jiān)測主機與監(jiān)測中繼器分體式安裝、智能可變的流速監(jiān)測頻 次、軟硬集成為一體等特點，系統(tǒng)可以通過網頁瀏覽器、微信、短信等多種方式及時預警和 報警監(jiān)測點的異常事件。基于該系統(tǒng)可以建立高效可靠的排水監(jiān)測預警系統(tǒng)，形成多種解 決方案，如：城市排水管網液位流量在線監(jiān)測平臺、城市降雨易澇點監(jiān)測和預警平臺、城市 內部河道液位及流量監(jiān)測和預警平臺、城市污水管網溢流點監(jiān)測和報警平臺、城市排水內 澇監(jiān)測預警公眾信息發(fā)布平臺、排水戶排水量在線監(jiān)測系統(tǒng)、排水管網流量臨時監(jiān)測服務 等。
[0010] 本發(fā)明采用的技術方案如下：
[0011] 一種排水管道液位與流量一體化在線監(jiān)測系統(tǒng)，數據中心和至少一個監(jiān)測子系 統(tǒng)，所述監(jiān)測子系統(tǒng)包括監(jiān)測點和安裝在所述監(jiān)測點的監(jiān)測設備，所述監(jiān)測設備包括液位 監(jiān)測傳感器、速度傳感器、液位報警傳感器、溫度傳感器、監(jiān)測主機和監(jiān)測中繼器，其中，所 述液位監(jiān)測傳感器，根據所述監(jiān)測主機的控制要求，測量所述監(jiān)測點的液位，采集所述監(jiān)測 點的液位監(jiān)測數據，并將所述液位監(jiān)測數據發(fā)送給所述監(jiān)測主機；所述液位報警傳感器，根 據所述監(jiān)測主機的控制要求，測量所述監(jiān)測點的報警液位，采集所述監(jiān)測點的液位報警數 據，并將所述液位報警數據發(fā)送給所述監(jiān)測主機；所述溫度傳感器，根據所述監(jiān)測主機的控 制要求，采集所述監(jiān)測點的水溫數據，并將所述水溫數據發(fā)送給所述監(jiān)測主機；所述速度傳 感器，根據所述監(jiān)測主機的控制要求，采集所述監(jiān)測點的流速數據，并將所述流速數據發(fā)送 給所述監(jiān)測主機；所述監(jiān)測主機基于接收的所述液位監(jiān)測傳感器測量數據和所述液位報警 傳感器測量數據，計算所述監(jiān)測點的液位高度，并基于所述液位高度和接收的所述水溫數 據的變化率來控制所述速度傳感器對所述監(jiān)測點的流速進行測量，將所述液位監(jiān)測數據、 所述液位報警數據、所述水溫數據和所述流速數據按照可變化的傳輸時間間隔傳輸到所述 監(jiān)測中繼器；所述監(jiān)測中繼器，接收所述監(jiān)測主機發(fā)送的所述液位監(jiān)測數據、所述液位報警 數據、所述水溫數據和所述流速數據，并按照可變化的傳輸時間間隔將接收的數據傳輸到 所述數據中心。
[0012] 優(yōu)選地，所述監(jiān)測設備還包括超聲波液位傳感器，其根據所述監(jiān)測主機的控制要 求，對所述監(jiān)測點的液位進行測量，并將測量的超聲波液位傳感器測量數據發(fā)送給所述監(jiān) 測主機；
[0013] 其中，所述監(jiān)測主機基于其系統(tǒng)時鐘，每分鐘整點控制所述溫度傳感器進行水溫 測量，并控制所述液位監(jiān)測傳感器對所述監(jiān)測點的液位進行測量，在測量過程中，所述液位 監(jiān)測傳感器的浸沒水深由以下第一公式確定： η
[0014] (t) - - 及1) 1 = 1
[0015] U (t) :t時刻的所述液位監(jiān)測傳感器的浸沒水深，m ;
[0016] ADi, i :所述液位監(jiān)測傳感器的原始輸出信號；
[0017] η :所述液位監(jiān)測傳感器每分鐘監(jiān)測過程的信號采集次數；
[0018] & :所述液位監(jiān)測傳感器的校正系數，πΓ1 ;
[0019] :所述液位監(jiān)測傳感器的輸出信號偏移量；
[0020] ε :液位判斷閾值，m;
[0021] 其中，當U (t) < ε時，所述監(jiān)測主機立即控制所述超聲波液位傳感器進行液位 監(jiān)測；
[0022] 當Q (t) > ε時，所述監(jiān)測主機不啟用所述超聲波液位傳感器進行液位監(jiān)測，而 啟用所述液位報警傳感器進行液位測量，在測量過程中，所述液位報警傳感器的浸沒水深 由以下第二公式確定： η
[0023] L?(t)- &(Σ AD2>i - B2) i=l
[0024] L2 (t) :t時刻的所述液位報警傳感器浸沒水深，m ;
[0025] AD2, i :所述液位報警傳感器的原始輸出信號；
[0026] η :所述液位報警傳感器一次監(jiān)測的信號采集次數；
[0027] Κ2 :所述液位報警傳感器的校正系數，πΓ1 ;
[0028] Β2 :所述液位報警傳感器的輸出信號偏移量。
[0029] 優(yōu)選地，所述監(jiān)測主機根據所述第一公式和第二公式的計算結果，計算所述監(jiān)測 點的液位高度，所述液位高度通過以下條件確定：
[0030] 當 Q ⑴ < ε 時，Level (t) = Dd_-L3(t);
[0031] 當 Ljt)彡 ε 且 L2(t) < ε 時，
[0032] 如果 |Dd〇wn_L3 (t)| < ε，Level (t) = Dd〇wn_L3(t)
[0033] 否則，Level (t) = Q (t)+Di
[0034] 當 L2 (t) > ε 時，Level (t) = L2 (t)+D2
[0035] Level (t) :t時刻的監(jiān)測點的實際液位高度，m ;
[0036] L3(t) :t時刻的所述超聲波液位傳感器測得的傳感器距水面距離，m ;
[0037] Di :液位監(jiān)測傳感器下端距監(jiān)測點下游管道底部的距離，m ;
[0038] D2 :液位報警傳感器下端距監(jiān)測點下游管道底部的距離，m ;
[0039] Dd_ :監(jiān)測點的下游管道的高度，m。
[0040] 優(yōu)選地，每分鐘所述監(jiān)測主機計算所述監(jiān)測點的液位高度后，立即根據如下第三 和第四公式判斷是否控制所述速度傳感器監(jiān)測所述監(jiān)測點的流速數據 ：
[0041] μ = Levelit) - ^=t-m-iLevel(〇 m
[0042] ΔΓ = Temp(t) - &=t-^那⑴ m
[0043] Λ L :監(jiān)測點的液位平均變化率；
[0044] Λ T :監(jiān)測點的水溫平均變化率；
[0045] Temp (t) :t時刻的監(jiān)測點的水溫，°C ;
[0046] m :計算液位平均變化率時，使用的歷史數據個數；
[0047] Tmin :監(jiān)測點的水溫變化判斷閾值，°C ;
[0048] 當Λ L彡ε或Λ T彡Tmin時，所述監(jiān)測主機控制所述速度傳感器進行一次流速監(jiān) 測；否則，則判斷所述監(jiān)測主機距上一次進行流速監(jiān)測的等待時間是否到達用戶設置的流 速測定最長時間間隔，如果沒有達到，則不進行流速監(jiān)測，否則控制所述速度傳感器進行一 次流速監(jiān)測。
[0049] 優(yōu)選地，所述速度傳感器在每次進行流速監(jiān)測時，首先啟用測距模式對所述監(jiān)測 點的水中反射物進行探測，在探測到反射物時，立刻切換到流速測量模式對所述監(jiān)測點的 流速進行測量。
[0050] 優(yōu)選地，所述監(jiān)測主機與所述監(jiān)測中繼器以及所述監(jiān)測中繼器與所述數據中心的 可變化的傳輸時間間隔t按照如下規(guī)則計算：
[0051] 當 Level (t) < Levels 時，t = 15 ;
[0052] 當 Level (t) > Levels 而且 Level (t) < Level2 時，t = 5 ;
[0053] 當 Level (t) > Level2 時，t = 1 ;
[0054] t :可變化的傳輸時間間隔，分鐘；
[0055] Levels :用戶設定的監(jiān)測點的液位預警值，m ;
[0056] Level2 :用戶設定的監(jiān)測點的液位報警值，m。
[0057] 優(yōu)選地，所述1(1、81、1(2、8 2、11、￡、1'_、111的取值范圍分別為：
[0058] Ki ： (6000,8000)；
[0059] Bi ： (400,700)；
[0060] K2 ： (2000,3000)；
[0061] Β2 ： (400,700)；
[0062] η :(8,128);
[0063] ε ： (〇. 05,0. 3)；
[0064] Tmin :(2,5)；
[0065] m : (1,5)。
[0066] 優(yōu)選地，所述監(jiān)測主機將采集的數據按照可變化的傳輸時間間隔發(fā)送到所述監(jiān)測 中繼器，所述監(jiān)測中繼器在收到相應的數據后，將相應的數據按照可變化的傳輸時間間隔 發(fā)送到數據中心，同時接收和處理所述數據中心發(fā)送的更新測設備設置參數的指令，設置 參數包括液位預警值、液位報警值、1( 1、81、1(2、82、11、￡、1'_、 111;所述數據中心基于所接收的 監(jiān)測點的所述液位高度、所述流速數據計算所述監(jiān)測點的流量，并及時將接收的所述相應 數據進行處理，及時動態(tài)顯示和發(fā)布。采用本發(fā)明的排水管道液位與流量一體化在線監(jiān)測 系統(tǒng)，其優(yōu)點在于：
[0067] (1)排水管道液位與流量一體化在線監(jiān)測系統(tǒng)可每分鐘整點獲得監(jiān)測點的液位和 水溫數據，并根據液位和水溫變化改變流速的測定頻次，可以以較低的測量成本獲取較為 準確的逐分鐘流量過程曲線；
[0068] (2)排水管道液位與流量一體化在線監(jiān)測系統(tǒng)在液位監(jiān)測過程中，自動根據監(jiān)測 點的當前工況，選擇合適的傳感器進行液位監(jiān)測，避免了超聲波傳感器的測量盲區(qū)，實現了 液位的全量程可靠監(jiān)測，提高了液位監(jiān)測數據的可靠性和有效性，適用于液位劇烈變化、突 降暴雨等惡劣情況下的排水在線監(jiān)測；
[0069] (3)通過將監(jiān)測主機與監(jiān)測中繼器進行分離，減少了井下的維護工作量，便于進行 中繼器的電池更換，同時便于選擇移動通訊信號良好的點安裝監(jiān)測中繼器，降低了設備使 用維護難度，增強了數據的通訊傳輸和預警報警能力；
[0070] (4)排水管道液位與流量一體化在線監(jiān)測系統(tǒng)根據液位和溫度是否發(fā)生劇烈變 化，可自動加密流速的采集頻率，既避免了持續(xù)高頻次監(jiān)測流速導致的功耗增加，也可以有 效的監(jiān)測特殊事件導致的排水流量急劇變化過程，可以對特殊事件進行及時的監(jiān)測和預 警，有利于分析流量急劇變化的原因；
[0071] (5)排水管道液位與流量一體化在線監(jiān)測系統(tǒng)在監(jiān)測流速時，首先啟用測距模式 進行水中反射物的探測，在探測到反射物時，立刻切換到流速測量模式進行測量，從而保證 流速測量的有效性，并可顯著降低所述多普勒速度傳感器的電量開銷；
[0072] (6)利用數據中心，排水管道液位與流量一體化在線監(jiān)測系統(tǒng)一旦在現場安裝完 成，數據中心可自動接收監(jiān)測數據，也可以靈活更新設備的參數設置，實現軟件和硬件的緊 密集成，用戶可通過瀏覽器應用程序、手機微信服務號、手機短信等多種方式查看在線監(jiān)測 數據或報警信息，極大的提高了系統(tǒng)的部署和使用效率，降低了系統(tǒng)使用難度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0073] 圖1是本發(fā)明的排水管道液位與流量一體化在線監(jiān)測系統(tǒng)的總體結構圖。
[0074] 圖2是本發(fā)明的排水管道液位與流量一體化在線監(jiān)測系統(tǒng)的各元件的連接示意 圖。

【具體實施方式】
[0075] 為了使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面結合附圖和實施例對本發(fā) 明進一步說明。以下實施方式對本發(fā)明進行更為詳細的描述，但其并不限制本發(fā)明的范圍。 基于本實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施 例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0076] 以下，首先參照圖1至圖2對本發(fā)明的排水管道液位與流量一體化在線監(jiān)測系統(tǒng) 進行介紹。
[0077] 參見圖1至圖2,本發(fā)明的排水管道液位與流量一體化在線監(jiān)測系統(tǒng)，包括數據中 心D和至少一個監(jiān)測子系統(tǒng)，監(jiān)測子系統(tǒng)包括監(jiān)測點和安裝在監(jiān)測點的監(jiān)測設備，監(jiān)測設 備包括液位監(jiān)測傳感器11、速度傳感器12、液位報警傳感器14、溫度傳感器15、監(jiān)測主機16 和監(jiān)測中繼器21。
[0078] 液位監(jiān)測傳感器11和液位報警傳感器14可分別采用壓力式液位監(jiān)測傳感器和壓 力式液位報警傳感器，速度傳感器12可采用多普勒速度傳感器。監(jiān)測點可以是排水管網的 現場地點，如污水管道、雨水管道、或者其他非滿管或滿管渠道的地點。
[0079] 其中，監(jiān)測主機16控制壓力式液位監(jiān)測傳感器11、多普勒速度傳感器12、超聲波 液位傳感器13、壓力式液位報警傳感器14、溫度傳感器15,進行在線監(jiān)測，生成監(jiān)測數據， 并按將監(jiān)測數據傳輸給監(jiān)測中繼器21 ;監(jiān)測中繼器21接收監(jiān)測數據，并將監(jiān)測數據傳輸給 數據中心D ;數據中心D將接收的監(jiān)測數據進行智能化處理，得到監(jiān)測點的溫度、液位、流 速、流量等監(jiān)測數據的狀態(tài)數據，并將監(jiān)測點的狀態(tài)數據進行動態(tài)顯示和發(fā)布。
[0080] 壓力式液位監(jiān)測傳感器11、多普勒速度傳感器12、超聲波液位傳感器13、壓力式 液位報警傳感器14、溫度傳感器15與監(jiān)測主機16通過連接線纜相互連接，監(jiān)測主機16安 裝在固定支架上，懸掛在監(jiān)測點的檢查井內側。各傳感器的典型安裝位置如圖1所示，壓力 式液位監(jiān)測傳感器11安裝在監(jiān)測點的管道頂部附近；多普勒速度傳感器12安裝在監(jiān)測點 的管道底部，如果存在淤積，則安裝位置要偏移，避免被淤泥覆蓋；超聲波液位傳感器13安 裝在監(jiān)測點的管道頂部；壓力式液位報警傳感器14安裝在監(jiān)測點的檢查井內，距離地面約 0. 5?2m、溫度傳感器15與多普勒速度傳感器12集成在一起，安裝在監(jiān)測點的管道底部。
[0081] 監(jiān)測中繼器21與監(jiān)測主機16分開設置，監(jiān)測中繼器21可安裝在監(jiān)測點旁邊的路 燈桿上，以與監(jiān)測主機16分開安裝。監(jiān)測主機16通過短距通訊方式與監(jiān)測中繼器21進行 數據交換。監(jiān)測中繼器21使用無線網絡與數據中心D進行信息傳送，可使用的無線網絡 的傳送介質包括但不限于通用分組無線服務技術（GPRS,General Packet Radio Service) 或者基于碼分多址（CDMA, Code Division Multiple Access)技術、第三代移動通訊技術 (3G)、第四代移動通信技術（4G)的網絡或其他的無線網絡。
[0082] 數據中心D包括具有獨立因特網IP地址的云服務器主機或獨立計算機的數據服 務器及相應的軟件系統(tǒng)，實現監(jiān)測數據的傳輸、存儲、查詢、顯示、統(tǒng)計、發(fā)布及轉發(fā)功能，并 實現對微信服務號的功能支持，同時支持手機短信的發(fā)送和通知。在數據服務器上設置有 對監(jiān)測數據進行處理的數據傳輸與轉發(fā)服務模塊、數據統(tǒng)計與查詢模塊和數據發(fā)布模塊。
[0083] 其中，數據傳輸與轉發(fā)服務模塊，在數據服務器通過因特網IP地址和固定端口號 監(jiān)聽監(jiān)測中繼器21的連接請求，在建立連接后，首先接收監(jiān)測中繼器裝21發(fā)送的數據包， 將數據保存在本地臨時數據庫，然后每隔30分鐘設定監(jiān)測中繼器21的時鐘時間為服務器 當前時間，根據應用程序需要更新監(jiān)測中繼器21的設備參數；同時，在另一個程序線程運 行數據轉發(fā)服務，定期將本地臨時數據庫中的數據轉入應用數據庫。這樣做的好處是，數據 中心D可以在數據保存到本地臨時數據庫后，立即給監(jiān)測中繼器21回復確認包，盡可能減 少中繼器21中無線網絡通訊模塊的開啟時間，節(jié)約設備電耗；同時保證在應用數據庫出現 故障時，不影響設備監(jiān)測數據的收發(fā)通訊。
[0084] 數據統(tǒng)計與查詢模塊，通過應用數據庫中的數據，對監(jiān)測數據進行小時、天、月的 最大值、最小值、平均值等自動統(tǒng)計，并提供可視化的方式對監(jiān)測數據和統(tǒng)計數據進行地圖 展示、曲線展示、表格展示，并可對不同監(jiān)測點的數據進行對比分析，數據分析和處理可采 用現有的任何數據處理技術來進行；以及
[0085] 數據發(fā)布模塊，利用應用數據庫中的數據，實現系統(tǒng)自動報警，在應用軟件中以不 同的警戒顏色顯示，同時將報警信息通過微信服務號直接推送給相關人員，同時建立數據 發(fā)布的WebServicies接口，集成微博發(fā)布的API接口，便于監(jiān)測數據與報警信息的及時通 知和公眾發(fā)布。
[0086] 為了更加精細化的反映監(jiān)測點的液位變化情況，監(jiān)測主機16基于系統(tǒng)時鐘，在每 分鐘整點控制壓力式液位監(jiān)測傳感器11和壓力式液位報警傳感器14進行液位測量，同時 利用溫度傳感器15進行水溫測量。監(jiān)測執(zhí)行時間為每分鐘的整點，每分鐘整點測量的好處 是，可以保證多點的數據是同時測量的，監(jiān)測時間統(tǒng)一，方便多點數據的統(tǒng)一制表和對比分 析。
[0087] 如果壓力式液位監(jiān)測傳感器11測得的數據小于液位判斷閾值ε，則利用超聲波 液位傳感器13進行更加精確的液位監(jiān)測。由于超聲波液位傳感器價格較高，在實際過程 中，超聲波液位傳感器13可以選擇不安裝，特別是在長期處于滿管狀態(tài)的監(jiān)測點，即使安 裝超聲波液位傳感器也無法測得有效數據。監(jiān)測主機16將綜合多個傳感器的測試結果，計 算該監(jiān)測點的液位高度，計算方法如下述內容所示，這樣可以實現全量程的液位監(jiān)測，避免 使用單一傳感器的測量盲區(qū)，而且可以提高液位監(jiān)測的精度和可靠性。
[0088] 監(jiān)測點液位高度根據下述內容得到：
[0089] 首先，根據下述公式（1)得到t時刻的液位監(jiān)測傳感器11的浸沒水深：
[0090] Ljt) = /^(ΣΙΙ? 仙 1,「4)⑴
[0091] U (t) :t時刻的液位監(jiān)測傳感器的浸沒水深，m ;
[0092] ADu :液位監(jiān)測傳感器的原始輸出信號；
[0093] η :液位監(jiān)測傳感器每分鐘監(jiān)測過程的信號采集次數；
[0094] & :液位監(jiān)測傳感器的校正系數，πΓ1 ;
[0095] :液位監(jiān)測傳感器的輸出信號偏移量；
[0096] ε :液位判斷閾值，m;
[0097] 然后，當U (t) < ε時，監(jiān)測主機立即控制超聲波液位傳感器進行液位監(jiān)測；
[0098] 以及當Ljt)彡ε時，監(jiān)測主機不啟用超聲波液位傳感器進行液位監(jiān)測，而啟用 液位報警傳感器進行液位測量，在測量過程中，液位報警傳感器的浸沒水深由以下公式（2) 確定：
[0099] L2(t) = Κ2(ΣΓ=1^4β2,「丑2) (2)
[0100] L2 (t) :t時刻的液位報警傳感器浸沒水深，m ;
[0101] AD2, i :液位報警傳感器的原始輸出信號；
[0102] η :液位報警傳感器一次監(jiān)測的信號采集次數；
[0103] Κ2 :液位報警傳感器的校正系數，πΓ1 ;
[0104] Β2 :液位報警傳感器的輸出信號偏移量。
[0105] 最后，監(jiān)測主機根據上述公式（1)和（2)的計算結果，計算監(jiān)測點的液位高度，液 位高度根據以下內容確定：
[0106] 當 Q (t) < ε 時，Level (t) = Dd_-L3(t);
[0107] 當 Ljt) > ε 且 L2(t) < ε 時，
[0108] 如果(O-Di I < ε，Level (t) = Ddown-L3(t)
[0109] 否則，Level (t) = Q (t)+Di
[0110] 當 L2 (t) > ε 時，Level (t) = L2 (t)+D2
[0111] Level (t) :t時刻的監(jiān)測點的實際液位高度，m ;
[0112] L3(t) :t時亥IJ的超聲波液位傳感器測得的傳感器距水面距離，m ;
[0113] Di :液位監(jiān)測傳感器下端距監(jiān)測點下游管道底部的距離，m ;
[0114] D2 :液位報警傳感器下端距監(jiān)測點下游管道底部的距離，m ;
[0115] Dd_ :監(jiān)測點的下游管道的高度，m。
[0116] 由于多普勒速度傳感器12測速的功耗較高，因此合理控制多普勒速度傳感器12 的啟用頻次非常重要。監(jiān)測主機16將根據液位和溫度的變化率，確定是否進行流速的監(jiān) 測。這樣既可以保證在管道狀態(tài)發(fā)生劇烈變化時，進行快速的流速監(jiān)測；也可以保證在管道 狀態(tài)較為平穩(wěn)時，只需按照既定的時間間隔（通常為5-15分鐘）進行長期監(jiān)測。實現功耗 和測量頻次的有效平衡，更大程度的保障監(jiān)測數據的有效性。
[0117] 多普勒速度傳感器12的開啟條件可通過下述內容來確定：
[0118] 每分鐘監(jiān)測主機計算監(jiān)測點的液位高度后，立即根據如下公式（3)和（4)判斷是 否控制速度傳感器監(jiān)測監(jiān)測點的流速數據：
[0119] AL ^ Level(t) iLeveK0 (3) m
[0120] AT 二 Temp(t)-以-化-⑴(4) m
[0121] Λ L :監(jiān)測點的液位平均變化率；
[0122] Λ T :監(jiān)測點的水溫平均變化率；
[0123] Temp (t) :t時刻的監(jiān)測點的水溫，°C ;
[0124] Tmin:監(jiān)測點的水溫變化判斷閾值，°C ;
[0125] m :計算液位平均變化率時，使用的歷史數據個數；
[0126] 當AL彡ε或ΛΤ彡Tmin時，監(jiān)測主機控制速度傳感器進行一次流速監(jiān)測；否則， 則判斷監(jiān)測主機距上一次進行流速監(jiān)測的等待時間是否到達用戶設置的流速測定最長時 間間隔，如果沒有達到，則不進行流速監(jiān)測，否則控制速度傳感器進行一次流速監(jiān)測。
[0127] 多普勒速度傳感器12在每次進行流速監(jiān)測時，首先啟用測距模式進行水中反射 物的探測，監(jiān)測主機16首先通過脈沖測量模式電路，利用多普勒速度傳感器12輸出指定周 期的脈沖信號，并且通過反射信號的延遲時間計算出多普勒速度傳感器12與水中反射物 (雜質）的距離，如果距離小于安裝點的管徑，則表示探測到了反射物，進行流速測量是有 效的。這時，監(jiān)測主機16立刻切換到流速測量模式根據多普勒效應進行流速的測量，從而 保證流速測量的有效性，并進一步降低多普勒速度傳感器12的電量開銷。
[0128] 在排水管道液位與流量一體化在線監(jiān)測系統(tǒng)用于現場測試前，需要進行參數的校 正，其中^ 1、1(2、82等參數可以通過標準水深進行計算得到。11、￡、1'_、 111的取值范圍根 據工程經驗值進行選取。參數值后期可以通過數據中心D，遠程自動更新到監(jiān)測主機16和 監(jiān)測中繼器21，便于進行設備參數的修改和維護。監(jiān)測主機16的系統(tǒng)時鐘至少每30分鐘 通過監(jiān)測中繼器21與數據中心D的系統(tǒng)時鐘同步一次。從而保證所有接入數據中性的液 位監(jiān)測主機16都在同一時間點采集儀器信息和監(jiān)測數據，時間相對誤差不大于3秒。具體 地，自動同步的過程為，每隔30分鐘，在監(jiān)測中繼器21與數據中心D的服務器建立通訊時， 服務器將給監(jiān)測中繼器21發(fā)送服務器當前時間，監(jiān)測中繼器21將設定當前時間為接收到 的時間。同時，每隔30分鐘，在監(jiān)測主機16與監(jiān)測中繼器21建立通訊時，監(jiān)測中繼器21 將監(jiān)測中繼器的當前時間發(fā)送給監(jiān)測主機16,監(jiān)測主機16設定當前時間為接收到的時間。 由于每30分鐘同步一次，因此可以保證監(jiān)測主機裝16、監(jiān)測中繼器21與數據中心D的服務 器的時間誤差比較小，時間相對誤差不大于3秒。
[0129] 優(yōu)選地，參數1(1、81、1(2、8 2、11、8、!'_、111的取值范圍可分別為：
[0130] Ki ： (6000,8000)；
[0131] Bi ： (400,700)；
[0132] K2 : (2000,3000);
[0133] B2 ： (400,700)；
[0134] η: (8,128);
[0135] ε ： (〇. 05,0. 3)；
[0136] Tmin：(2,5)；
[0137] m:(l，5)。
[0138] 在測量流速完成后，監(jiān)測主機16將采集的數據，包括監(jiān)測點的液位、流速、水溫等 數據按照可變化的傳輸時間間隔發(fā)送到監(jiān)測中繼器21，監(jiān)測中繼器21在收到相應的數據 后，將相應的數據按照可變化的傳輸時間間隔發(fā)送到數據中心D，同時接收和處理數據中心 D發(fā)送的更新測設備設置參數的指令，設置參數可包括液位預警值、液位報警值、I、Bp K2、 Β2、η、ε、Tmin、m等，數據中心D基于所接收的數據利用面積速度法計算監(jiān)測點的流量，并及 時將接收的所述相應數據進行處理，及時動態(tài)顯示和發(fā)布。利用面積速度法計算的監(jiān)測點 的流量，會被存儲起來，便于進行數據查詢和分析，實現不同用戶登陸后查看和瀏覽與自己 相關的監(jiān)測數據。
[0139] 其中，監(jiān)測主機16與監(jiān)測中繼器21以及監(jiān)測中繼器21與數據中心D的可變化的 傳輸時間間隔按照如下規(guī)則計算：
[0140] 所述監(jiān)測主機與所述監(jiān)測中繼器以及所述監(jiān)測中繼器與所述數據中心的可變化 的傳輸時間間隔t按照如下規(guī)則計算：
[0141] 當 Level (t) < Levels 時，t = 15 ;
[0142] 當 Level (t) > Levels 而且 Level (t) < Level2 時，t = 5 ;
[0143] 當 Level (t) > Level2 時，t = 1 ;
[0144] t :可變化的傳輸時間間隔，分鐘；
[0145] Levels :用戶設定的監(jiān)測點的液位預警值，m ;
[0146] Level2 :用戶設定的監(jiān)測點的液位報警值，m。
[0147] 面積速度法計算公式如下：
[0148] Q = v · A
[0149] Q:監(jiān)測點管道流量，m3/s ;
[0150] v :多普勒速度傳感器12測得的流速，m/s ;
[0151] A :根據當前液位高度和監(jiān)測管道或渠道斷面形狀，計算的過流截面積，m2。
[0152] 用戶可根據實際需求監(jiān)測點的液位預警值和液位報警值。通常，先確定液位報警 值，視情況按照監(jiān)測點井深減去〇. 5?lm的距離，計算液位報警值，并進行設定；液位預警 值可以酌情比液位報警值低l-2m進行設定，或選擇監(jiān)測點管道頂部的高度進行設定。在設 定參數時，需要保證液位報警值大于液位預警值。用戶在監(jiān)測系統(tǒng)運行過程中，可以利用數 據中心D的可視化界面，隨時對液位報警值和預警值進行修改。通過設置合理的液位預警 值和液位報警值，可以保證監(jiān)測主機16和監(jiān)測中繼器21既能在液位安全的情況下降低數 據發(fā)送頻次，節(jié)省電耗，延長設備的持續(xù)工作時間；而且可以在監(jiān)測點發(fā)生危險時，提高數 據發(fā)送頻次，及時通知管理人員采取必要的管理或工程措施，避免監(jiān)測點發(fā)生溢流或積水 等事故。
[0153] 下面以某污水管網的監(jiān)測點為例對本發(fā)明的排水管道液位與流量一體化在線監(jiān) 測系統(tǒng)的工作原理進行示例性說明。
[0154] 選擇北京市海淀區(qū)某辦公樓附近的污水井作為監(jiān)測點，安裝和實施本發(fā)明所述的 排水管道液位與流量一體化在線監(jiān)測系統(tǒng)，該液位監(jiān)測點的井深為3. 5米，污水管直徑為 〇. 6米，安裝時，監(jiān)測點的水深為0. 3米，流速約0. 7米/秒。
[0155] (1)首先，將壓力式液位監(jiān)測傳感器、多普勒速度傳感器、超聲波液位傳感器、壓力 式液位報警傳感器、溫度傳感器與監(jiān)測主機通過連接線纜相互連接，在監(jiān)測點所在污水井 地面下約25厘米的位置打孔，將固定安裝支架安裝在孔處，以懸掛在污水井內側，將監(jiān)測 主機置于固定安裝支架。調節(jié)壓力式液位監(jiān)測傳感器的離井口地面高度為3. 0米，調節(jié)壓 力式液位監(jiān)測傳感器的離井口地面高度為0. 5米。超聲波液位傳感器安裝在管道頂部正上 方。溫度傳感器與普勒速度傳感器安裝固定在管道底部，為了防止淤積對測量的影響，安裝 點距離管道最低點約5厘米。完成井下設備的組裝與固定安裝。
[0156] (2)其次，在污水井旁邊10米距離的路燈桿上離地面約3米的距離安裝中繼器固 定支架，將監(jiān)測中繼器固定在支架上，完成監(jiān)測中繼器的安裝。
[0157] (3)再次，在數據服務器上部署數據中心，并設置該監(jiān)測點的安裝位置、安裝設備 編號、各個傳感器的安裝位置等配置數據。其中流速監(jiān)測最長時間間隔為15分鐘，液位預 警值：1.8 ;液位報警值：3.0 屯：7841 辦：563 ;K2 :2244 ;B2 :581 ;n :128 ; ε :〇· 1 :5 ; m :5〇
[0158] 在初始情況下，監(jiān)測中繼器裝置每5分鐘嘗試從數據中心請求設備配置參數和當 前時間，監(jiān)測主機裝置每5分鐘嘗試從監(jiān)測中繼器裝置獲取配置參數和當前時間。在約10 分鐘后，監(jiān)測中繼器裝置向數據中心傳回一組有效的監(jiān)測數據，最新監(jiān)測水深數據的值為 0. 33米，流速為0. 75米/秒，流量為0. 119立方米/秒，與當前污水井內實際情況基本一 致。
[0159] (4)系統(tǒng)在之后1個月的運行過程中，每分鐘整點監(jiān)測1次污水井的水深值和水溫 值，當壓力式液位監(jiān)測傳感器的浸沒水深小于0. 1米時，使用超聲波液位傳感器的測量數 據計算當前液位值，當壓力式液位監(jiān)測傳感器的浸沒水深大于或等于〇. 1米而且壓力式液 位報警傳感器的浸沒水深小于0. 1米時，使用壓力式液位監(jiān)測傳感器測量的數據計算當前 液位值，當壓力式液位報警傳感器的浸沒水深大于0. 1米時，使用壓力式液位報警傳感器 測量的數據計算當前液位值。保障了液位測量數據的可靠性。
[0160] 正常情況下每15分鐘監(jiān)測一次流速數據。當液位平均變化率大于0. 1米或溫度 平均變化率大于5度時，自動加密流速監(jiān)測次數。這樣就可以保證在液位急劇變化或水溫 變化時，及時的進行流速監(jiān)測?？梢詭椭芾碚吒鼫蚀_的反映排水管網流速與流量的變化 規(guī)律。
[0161] 當監(jiān)測點的液位水深小于設定預警值1.8米時，監(jiān)測中繼器裝置每15分鐘向數據 中心發(fā)送一次數據，在晚上7 :00到第二天早晨7 :00之間不發(fā)送數據，在第二天早晨7 :00 分批向數據中心傳輸歷史數據，約在10分鐘內完成歷史數據傳輸；當監(jiān)測水深大于設定預 警值1. 8米小于設定報警值3. 0米時，監(jiān)測中繼器裝置每5分鐘向數據中心發(fā)送一次數據； 當監(jiān)測水深大于設定報警值3. 0米時，監(jiān)測中繼器裝置每1分鐘向數據中心發(fā)送一次數據。 通過可變的通訊頻次，保證了數據傳輸的有效性。與采用固定傳輸頻次相比，既提高了數據 發(fā)送的及時性，又大幅降低了設備通訊電耗，減少了設備的現場使用維護成本。
[0162] 通過數據中心的瀏覽器應用程序界面，可以利用授權用戶名和密碼隨時登錄應用 程序，方便地查看監(jiān)測點的最新的水溫、液位、流速和流量等監(jiān)測數據，通過可視化的圖表 方式對監(jiān)測數據和統(tǒng)計數據進行展示，方便用戶隨時查看該監(jiān)測點的水位變化情況、水溫 變化情況、流速變化情況和流量變化情況，分析該污水管道最近是否存在運行風險和事故 隱患，為污水管網的運行管理提供了可靠的在線監(jiān)控解決方案。
[0163] 綜上可知，本發(fā)明的排水管道液位與流量一體化在線監(jiān)測系統(tǒng)可以按照可變的測 量頻次和通訊頻次，在大幅降低系統(tǒng)運行功耗的前提下，實現排水管道液位、流速與流量的 在線監(jiān)測功能。利用本發(fā)明的排水管道液位與流量一體化在線監(jiān)測系統(tǒng)，不僅可以實現液 位、流速與流量數據的在線監(jiān)測，滿足排水管網長期運行規(guī)律分析的數據要求，而且可以及 時對排水管網的運行風險進行預警或報警，為排水管網的科學精細化管理提供及時準確的 現場在線數據。
【權利要求】
1. 一種排水管道液位與流量一體化在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，包括： 數據中心和至少一個監(jiān)測子系統(tǒng)，所述監(jiān)測子系統(tǒng)包括監(jiān)測點和安裝在所述監(jiān)測點的 監(jiān)測設備， 所述監(jiān)測設備包括液位監(jiān)測傳感器、速度傳感器、液位報警傳感器、溫度傳感器、監(jiān)測 主機和監(jiān)測中繼器， 其中，所述液位監(jiān)測傳感器，根據所述監(jiān)測主機的控制要求，測量所述監(jiān)測點的液位， 采集所述監(jiān)測點的液位監(jiān)測數據，并將所述液位監(jiān)測數據發(fā)送給所述監(jiān)測主機； 所述液位報警傳感器，根據所述監(jiān)測主機的控制要求，測量所述監(jiān)測點的報警液位，采 集所述監(jiān)測點的液位報警數據，并將所述液位報警數據發(fā)送給所述監(jiān)測主機； 所述溫度傳感器，根據所述監(jiān)測主機的控制要求，采集所述監(jiān)測點的水溫數據，并將所 述水溫數據發(fā)送給所述監(jiān)測主機； 所述速度傳感器，根據所述監(jiān)測主機的控制要求，采集所述監(jiān)測點的流速數據，并將所 述流速數據發(fā)送給所述監(jiān)測主機； 所述監(jiān)測主機基于接收的所述液位監(jiān)測傳感器測量數據和所述液位報警傳感器測量 數據，計算所述監(jiān)測點的液位高度，并基于所述液位高度和接收的所述水溫數據的變化率 來控制所述速度傳感器對所述監(jiān)測點的流速進行測量，將所述液位監(jiān)測數據、所述液位報 警數據、所述水溫數據和所述流速數據按照可變化的傳輸時間間隔傳輸到所述監(jiān)測中繼 器； 所述監(jiān)測中繼器，接收所述監(jiān)測主機發(fā)送的所述液位監(jiān)測數據、所述液位報警數據、所 述水溫數據和所述流速數據，并按照可變化的傳輸時間間隔將接收的數據傳輸到所述數據 中心。
2. 根據權利要求1所述的排水管道液位與流量一體化在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所 述監(jiān)測設備還包括超聲波液位傳感器，其根據所述監(jiān)測主機的控制要求，對所述監(jiān)測點的 液位進行測量，并將測量的超聲波液位傳感器測量數據發(fā)送給所述監(jiān)測主機； 其中，所述監(jiān)測主機基于其系統(tǒng)時鐘，每分鐘整點控制所述溫度傳感器進行水溫測量， 并控制所述液位監(jiān)測傳感器對所述監(jiān)測點的液位進行測量，在測量過程中，所述液位監(jiān)測 傳感器的浸沒水深由以下第一公式確定：
L1 (t):t時刻的所述液位監(jiān)測傳感器的浸沒水深，m; ADui :所述液位監(jiān)測傳感器的原始輸出信號；η:所述液位監(jiān)測傳感器每分鐘監(jiān)測過程的信號采集次數； K1 :所述液位監(jiān)測傳感器的校正系數； B1 :所述液位監(jiān)測傳感器的輸出信號偏移量；ε:液位判斷閾值，m; 其中，當L1U) <ε時，所述監(jiān)測主機立即控制所述超聲波液位傳感器進行液位監(jiān)測； 當L1U) >ε時，所述監(jiān)測主機不啟用所述超聲波液位傳感器進行液位監(jiān)測，而啟用 所述液位報警傳感器進行液位測量，在測量過程中，所述液位報警傳感器的浸沒水深由以 下第二公式確定：
L2 (t) :t時刻的所述液位報警傳感器浸沒水深，m ; AD2,i:所述液位報警傳感器的原始輸出信號；η :所述液位報警傳感器一次監(jiān)測的信號采集次數； K2 :所述液位報警傳感器的校正系數； B2 :所述液位報警傳感器的輸出信號偏移量。
3. 根據權利要求2所述的排水管道液位與流量一體化在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所 述監(jiān)測主機根據所述第一公式和第二公式的計算結果，計算所述監(jiān)測點的液位高度，所述 液位高度通過以下條件確定： 當L1 (t)<ε時，Level (t) =Ddwn-L3 (t); 當L1U)彡ε且1^2(〇<ε時， 如果IDdmm-L3(O-L1 (O-D1I<e，Level(t) =Ddwn-L3(t) 否則，Level (t) = L1 (t) +Di當L2 (t)>ε時，Level (t) =L2 (t)+D2 Level (t) :t時刻的監(jiān)測點的實際液位高度，m ; L3(t) :t時刻的所述超聲波液位傳感器測得的傳感器距水面距離，m ; D1 :液位監(jiān)測傳感器下端距監(jiān)測點下游管道底部的距離，m ; D2 :液位報警傳感器下端距監(jiān)測點下游管道底部的距離，m ; Dd_:監(jiān)測點的下游管道的高度，m。
4. 根據權利要求3所述的排水管道液位與流量一體化在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，每 分鐘所述監(jiān)測主機計算所述監(jiān)測點的液位高度后，立即根據如下第三和第四公式判斷是否 控制所述速度傳感器監(jiān)測所述監(jiān)測點的流速數據：
AL:監(jiān)測點的液位平均變化率； Δ T :監(jiān)測點的水溫平均變化率； Temp (t) :t時刻的監(jiān)測點的水溫，°C ; m:計算液位平均變化率時，使用的歷史數據個數； Tmin :監(jiān)測點的水溫變化判斷閾值，°C ; 當ALSε或ATSTmin時，所述監(jiān)測主機控制所述速度傳感器進行一次流速監(jiān)測； 否則，則判斷所述監(jiān)測主機距上一次進行流速監(jiān)測的等待時間是否到達用戶設置的流速測 定最長時間間隔，如果沒有達到，則不進行流速監(jiān)測，否則控制所述速度傳感器進行一次流 速監(jiān)測。
5. 根據權利要求4所述的排水管道液位與流量一體化在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所 述速度傳感器在每次進行流速監(jiān)測時，首先啟用測距模式對所述監(jiān)測點的水中反射物進行 探測，在探測到反射物時，立刻切換到流速測量模式對所述監(jiān)測點的流速進行測量。
6. 根據權利要求4所述的排水管道液位與流量一體化在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所 述監(jiān)測主機與所述監(jiān)測中繼器以及所述監(jiān)測中繼器與所述數據中心的可變化的傳輸時間 間隔t按照如下規(guī)則計算： 當Level(t) <Level1 時，t= 15 ; 當Level(t) >Level1 而且Level(t) <Level2 時，t= 5 ; 當Level(t) >Level2 時，t= 1 ;t:可變化的傳輸時間間隔，分鐘； Level1 :用戶設定的監(jiān)測點的液位預警值，m; Level2 :用戶設定的監(jiān)測點的液位報警值，m。
7. 根據權利要求4所述的排水管道液位與流量一體化在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所 述1(1、81、1(2、82、11、8、1'_、111的取值范圍分別為 ： K1 ： (6000,8000)； B1 ：(400,700)； K2 ：(2000,3000)； B2 ：(400,700)；n:(8,128)； ε：(0. 05,0. 3)； Tmin : (2, 5);m: (1,5)。
8. 根據權利要求1至7任一項所述的排水管道液位與流量一體化在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特 征在于，所述監(jiān)測主機將采集的數據按照可變化的傳輸時間間隔發(fā)送到所述監(jiān)測中繼器， 所述監(jiān)測中繼器在收到相應的數據后，將相應的數據按照可變化的傳輸時間間隔發(fā)送到數 據中心，同時接收和處理所述數據中心發(fā)送的更新測設備設置參數的指令，設置參數包括 液位預警值、液位報警值、1( 1、81、1(2、82、11、￡、1'_、 111;所述數據中心基于所接收的監(jiān)測點的 所述液位高度、所述流速數據，計算所述監(jiān)測點的流量，并及時將接收的所述相應數據進行 處理，及時動態(tài)顯示和發(fā)布。
【文檔編號】G08C17/02GK104236626SQ201410447650
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月4日 優(yōu)先權日:2014年9月4日
【發(fā)明者】趙冬泉, 李磊, 郭實敏, 唐蘭貴, 李雪森, 佟慶遠, 李王鋒 申請人:北京清控人居環(huán)境研究院有限公司