[發(fā)明專利]流量在線監(jiān)測計(jì)算方法、監(jiān)測儀以及監(jiān)測系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010353603.5
• 申請日: 2020-04-29
• 公開（公告）號(hào): CN111412959B
• 公開（公告）日: 2021-07-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李雨;許全喜;張國學(xué);陳衛(wèi);袁德忠;王雪;曾凌;裴丁彥;鄒珊
• 申請（專利權(quán)）人: 長江水利委員會(huì)水文局
• 主分類號(hào): G01F1/66
• 分類號(hào): G01F1/66;G01P5/24;G06K9/62;G06N3/08;G06N20/10
• 代理公司: 武漢科皓知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 俞琳娟

本發(fā)明提供流量在線監(jiān)測計(jì)算方法、監(jiān)測儀以及監(jiān)測系統(tǒng)，方法包括：步驟1.數(shù)據(jù)預(yù)處理和DCL模型參數(shù)初始化；步驟2.對應(yīng)N個(gè)H?ADCP單元格，選擇樣本維度；將初始種群隨機(jī)分為5份，每份分別對應(yīng)一種模型進(jìn)行計(jì)算，得到模型輸出值；將輸出值與實(shí)測值樣本的均方根誤差作為尋優(yōu)的適應(yīng)度函，通過適應(yīng)度比較，選擇值最小的作為本次迭代的最優(yōu)指標(biāo)集，記錄最優(yōu)特征維數(shù)集及參數(shù)集；用選取的替換全局最優(yōu)適應(yīng)度值，記錄對應(yīng)的最優(yōu)特征維數(shù)、計(jì)算模型及模型參數(shù)；若未能達(dá)到精度和最大迭代次數(shù)要求，則逐步擴(kuò)大特征維數(shù)選擇下限，開始下次迭代計(jì)算；否則輸出最優(yōu)模型及相應(yīng)的模型參數(shù)，并給出最終流量計(jì)算值，結(jié)束循環(huán)迭代；步驟3.參數(shù)更新。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于水文測驗(yàn)領(lǐng)域，具體涉及流量在線監(jiān)測計(jì)算方法、監(jiān)測儀以及監(jiān)測系統(tǒng)。

技術(shù)背景

近年來，隨著水資源管理制度、河湖長制等制度的頒布，以及中小河流水文監(jiān)測項(xiàng)目、水文現(xiàn)代化能力提升等國家重點(diǎn)項(xiàng)目的實(shí)施，均對水文監(jiān)測要素的時(shí)效性和精度均提出了更高的要求。眾多水文監(jiān)測要素中，最為重要和關(guān)注的是流量的監(jiān)測。傳統(tǒng)的流量監(jiān)測多采用流速儀法，不但工作量較大且無法做到實(shí)時(shí)監(jiān)測。近年來，隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，各種基于聲學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)方法的傳感器層出不窮，目前流量在線監(jiān)測應(yīng)用最為廣泛的，是H-ADCP在線監(jiān)測方式，如圖1所示，H-ADCP傳感器流速測量原理是基于多普勒效應(yīng)，其超聲波換能器向水中發(fā)射超聲波，經(jīng)過水中散射體對超聲波進(jìn)行散射后，產(chǎn)生多普勒頻移效應(yīng)，該效應(yīng)又和水流速度相關(guān)，從而間接計(jì)算傳感器所在水層不同單元格距離(圖中虛線分割出的不同單元)的水流速度。根據(jù)其換能器功率的不同，一般分為300kHz、600kHz、1200kHz，對應(yīng)的最大探測距離分別為110m、50m、 12m。流速單元格可根據(jù)測驗(yàn)斷面和精度要求的不同，靈活設(shè)置，通常大江大河為5m，中小河流為1m，圖中傳感器發(fā)出的上下兩條傾斜虛線為聲波的實(shí)際發(fā)散范圍，該范圍決定了儀器的最大和最小安裝水深。

H-ADCP通過向儀器所在水層發(fā)送聲波信號(hào)，并通過接收和處理斷面水體中顆粒物反射回來的信號(hào)強(qiáng)度來確定水流相對于儀器的速度，從而得出水流的絕對速度。但由于水文測驗(yàn)斷面多受水利工程、回水頂托、潮汐以及斷面沖淤變化等因素的影響，水流特性較為復(fù)雜多變，使得H-ADCP局部單層單元格流速推求斷面流量帶來諸多困難，H-ADCP流量在線監(jiān)測也因此出現(xiàn)建模精度差、流速特征選擇困難以及數(shù)據(jù)復(fù)雜度大等缺點(diǎn)和不足。因此，如何更好的提高H-ADCP 的適用河段和監(jiān)測精度，顯得十分迫切和需要。

目前，H-ADCP計(jì)算流量的方法多是建立斷面平均流速與指標(biāo)流速間的關(guān)系，也即建立率定曲線或回歸方程，從而根據(jù)過水面積求得斷面流量。也有部分學(xué)者采用小波分析、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法開展了研究。現(xiàn)行基于H-ADCP的流量計(jì)算方法存在的問題是：

(1)計(jì)算精度不高：現(xiàn)行的計(jì)算方法多以數(shù)理統(tǒng)計(jì)或流速垂向分布概化曲線公式為核心，但該方法僅在斷面規(guī)則或流速分布規(guī)律性較強(qiáng)河段適用，現(xiàn)實(shí)條件下應(yīng)用具有較大的局限性，致使該方法的計(jì)算精度往往不高。

(2)參數(shù)選取問題：小波分析、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法無法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)單元格的輸出，且計(jì)算結(jié)果往往具有較大的不確定性，也不能隨著樣本數(shù)量的增加或測驗(yàn)斷面的變化，自動(dòng)調(diào)整模型參數(shù)，無法大范圍推廣應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明是為了解決上述問題而進(jìn)行的，目的在于提供一種流量在線監(jiān)測計(jì)算方法、監(jiān)測儀以及監(jiān)測系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的適用性，能夠有效地識(shí)別和提取H-ADCP 單元格流速與斷面流量間的非線性特征，切實(shí)提高河流流量在線監(jiān)測的精度和監(jiān)測效率。

本發(fā)明為了實(shí)現(xiàn)上述目的，采用了以下方案：

方法

本發(fā)明提供一種流量在線監(jiān)測計(jì)算方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1.數(shù)據(jù)預(yù)處理和DCL模型參數(shù)初始化