一、方案背景

    1.1水文國考斷面

    水文：指自然界中水的變化、運(yùn)動(dòng)等各種現(xiàn)象。是研究自然界不同的時(shí)空分布、變化規(guī)律的一門學(xué)科。據(jù)《》2020年1月23日報(bào)道：我國水文監(jiān)測站已從新中國的353處發(fā)展到12.1萬處，站網(wǎng)總體密度達(dá)到了中等發(fā)達(dá)國家水平。在防汛抗旱減災(zāi)、水資源管理和生態(tài)保護(hù)上發(fā)揮作用。

    隨著科技的進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)悄悄滴走進(jìn)我們，并已經(jīng)應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。如水文水利、工業(yè)監(jiān)控、智慧城市、智慧水務(wù)等等，萬物聯(lián)網(wǎng)連接到云服務(wù)器，通過大數(shù)據(jù)資料分析處理提高的生產(chǎn)效率、靈活性能和響應(yīng)能力。

    于2016年3月16日公布了《“十三五”國家地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)設(shè)置方案》，該方案共設(shè)置國控?cái)嗝妫c(diǎn)位）2767個(gè)，其中趨勢科研斷面共717個(gè)不進(jìn)行考核，其余2050個(gè)斷面即為國家地表水考核斷面（以下簡稱“國考斷面”）。

    國考斷面從屬于國家地表水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)中的評價(jià)、考核、排名監(jiān)測斷面（點(diǎn)位），以改善水環(huán)境質(zhì)量為核心，滿足流域水污染防治目標(biāo)任務(wù)考核和城市水環(huán)境質(zhì)量排名等當(dāng)前環(huán)境管理的需求。國考斷面特點(diǎn)：寬斷面、常年存在低流量運(yùn)行的工況下。

    在各級流域河長制實(shí)質(zhì)運(yùn)行階段的背景下，各流域管理局開始認(rèn)真積極發(fā)揮流域統(tǒng)籌協(xié)調(diào)作用，如：河長制聯(lián)度會(huì)議、漂浮物監(jiān)測、跨界河湖治理、生態(tài)流量調(diào)度等治水機(jī)制。各單位要對多面達(dá)到生態(tài)流量達(dá)到流量保障目標(biāo)，特別在枯水期的調(diào)度上高度重視。各流域河長辦將充分發(fā)揮流域統(tǒng)籌協(xié)調(diào)作用，不斷提高流域河湖監(jiān)管、統(tǒng)籌協(xié)調(diào)能力，進(jìn)一步深化完善“流域+區(qū)域”協(xié)同治水工作機(jī)制 ，統(tǒng)籌推進(jìn)上下游、左右岸、干支流協(xié)同治理，協(xié)同流域各市解決流域河湖管護(hù)工作中的難點(diǎn)堵點(diǎn)問題，共同推動(dòng)流域秀水常清。

    1.2斷面流量常用測量方法

    對于寬斷面、低流速的測量斷面來說，流量測量一直存在較大的問題，要即能滿足上述測量要求的情況下，還在注意安裝簡單、注重測量的實(shí)時(shí)性、不干擾河道正常使用。ATV聲層析斷面流量就是基于上述定義設(shè)計(jì)一款專用產(chǎn)品。

    二、方案簡介

    2.1聲層析技術(shù)

    聲學(xué)技術(shù)原來在海洋環(huán)境觀測中占有重要一席之地，隨著應(yīng)用的拓展，在其他水體的測量中也成為了重要手段之一。聲學(xué)層析技術(shù)，特別是15-88K頻率聲層析的應(yīng)用，也從河口海岸轉(zhuǎn)到地表水、地下水等水體測量中。

    澳泰自動(dòng)化ATV聲層析斷面流量計(jì)利用水下聲學(xué)互易傳輸（也稱雙向聲傳輸）進(jìn)行聲層析（溫流）反演計(jì)算，利用傅里葉模型對聲速、溫場、流場進(jìn)行二維重建。

    聲波在水中具有*的傳播特性，在地表水中能量和信息遠(yuǎn)距離傳遞的有效輻射形式。由于水體的層化、峰面、內(nèi)波、反射、散射、吸收、水面與水底邊界都對傳播都有影響，因此聲波在水中傳播過程中就攜帶著大量傳播途徑信息，通過對聲學(xué)信號的頻率、相位、時(shí)間、多途結(jié)構(gòu)等特征分析，可以推算出很多水體信息。

    層析技術(shù)是一種反演觀測方法，可以利用聲波輻射從不同角度穿透被測介質(zhì)，通過測量其吸收與傳播時(shí)間等特性的差異來反演被測介質(zhì)屬性。聲層析就是利用這一技術(shù)，利用測量出的傳播時(shí)間變化來反演溫度場和流場參數(shù)。反演中會(huì)考慮到溫、鹽、深的參數(shù)變化。

    斷面流量的測量只需要關(guān)鍵的流速數(shù)據(jù)，所以并不需要得到準(zhǔn)確各剖面的流場分布，所以無需通過多維聲學(xué)數(shù)據(jù)來進(jìn)行反演。依靠兩點(diǎn)的聲學(xué)直達(dá)波與多途波混響互易時(shí)間變化，就可以反演出二維的斷面平均流速。利用這種高頻度（1秒交叉互易一次）互易傳輸聲層析原理，可以在有限的投資下，實(shí)現(xiàn)快速測量，系統(tǒng)小測量周期：5秒。

    超聲波信號從主機(jī)發(fā)出后，在65度夾角范圍內(nèi)，聲學(xué)直達(dá)波與多途波混響，被從機(jī)獲取到完整的信號；互易后，從機(jī)聲波經(jīng)由同樣通道聲波，被主機(jī)接收到的；聲信號基本可以完整反映出整個(gè)過水?dāng)嗝娴牧魉賵鰧傩裕碇^水?dāng)嗝娴钠骄晫W(xué)特性。來回的聲音信息通過層析反演出來時(shí)間變化數(shù)據(jù)，從而換算出斷面平均流速值。（如下圖所示：）

    2.2其他特殊算法

    數(shù)據(jù)池管理：根據(jù)安裝實(shí)際案例的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)了很多實(shí)用算法

    備胎算法：主機(jī)內(nèi)置有：強(qiáng)大的自學(xué)習(xí)能力。在測量品質(zhì)（聲波：特征匹配）達(dá)到所設(shè)定的閾值情況下，設(shè)備會(huì)不斷學(xué)習(xí)流速、流量與水位關(guān)系，并長期記錄適配下來。在測量品質(zhì)低于所設(shè)定值的狀態(tài)下，且持續(xù)時(shí)間達(dá)到所設(shè)定時(shí)長，設(shè)備會(huì)按照自學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)進(jìn)入自動(dòng)修正模式。

    三、產(chǎn)品構(gòu)成

    3.1基本構(gòu)成件

    1：供電系統(tǒng)，可市電，可太陽能（主站、從站各一）

    注：太陽能電池板：200W，電池：150AH

    2：主站系統(tǒng)、從站系統(tǒng)

    3：附件：超聲波水位計(jì)、水溫電導(dǎo)傳感器與安裝支架（主站側(cè)）

    4：戶外儀表箱（主站、從站各一）

    5：基座，可水泥基、可鋼構(gòu)（主站、從站各一）

    3.2核心組件

    1：ATV主機(jī)、ATV從機(jī)

    7寸大屏彩色液晶顯示器的應(yīng)用，讓波形圖、菜單具有更佳的人機(jī)交互體驗(yàn)；

    2：5G頻段的寬帶天線（無線數(shù)據(jù)鏈專用）

    遠(yuǎn)距離無線高速數(shù)據(jù)鏈：新型網(wǎng)橋的應(yīng)用，讓通信距離拓展到5公里，5.8G的工作頻率，主、從機(jī)的數(shù)據(jù)無錯(cuò)通信容量達(dá)到了每5秒（測量值刷新一次的周期）38K。這一技術(shù)不依賴公用通信4G5G機(jī)站，讓裝置獨(dú)立運(yùn)行，無通信費(fèi)用。

    3：安裝支架（含聲吶換能器）

    換能器

    40KHZ:適用20-500米

    25KHZ:適用500米以上

    4：GPS北斗雙模定位與高精度授時(shí)天線

    高精度授時(shí)與定位：通過北斗/GPRS/格洛納斯三模高精度授時(shí)，讓主、從機(jī)同步精度控制在20納秒以下，滿足時(shí)差法測量同步要求。

    5：4G NB物聯(lián)網(wǎng)通信天線

    內(nèi)置物聯(lián)網(wǎng)模塊，支持4G/GPRS通信，內(nèi)置全網(wǎng)通插槽,4G的LET UE-CAT.1模組的應(yīng)用，極為方便地將數(shù)據(jù)上傳到澳泰云平臺(tái)或者第三方云平臺(tái)；

    6：超聲波水位計(jì)

    一體式超聲波水位計(jì)12VDC供電、RS485通信到主機(jī)，按安裝點(diǎn)的高程設(shè)定安裝高度，直接獲取水位高程信號。水位高程數(shù)據(jù)的獲取，將與基底高程數(shù)據(jù)合并計(jì)算出過水面積，從而將流速值轉(zhuǎn)換流量值；

    7：水溫/電導(dǎo)率計(jì)

    外掛水溫與電導(dǎo)率傳感器，可準(zhǔn)確換算水下聲速。

    四、產(chǎn)品功能簡述

    4.1基底高程

    ATV可以生成50點(diǎn)的縱斷面描述數(shù)據(jù)，分別輸入各點(diǎn)的離岸距離數(shù)據(jù)（通常是從左岸向右岸開始描述）和相應(yīng)的水下地形高程數(shù)據(jù)。河流斷面的基底高程是各類河道測量流量的需要參數(shù)，通過對高程水位的測量與斷面地形才能計(jì)算出過水面積，然后與儀器設(shè)備測量出的流速數(shù)據(jù)進(jìn)行乘法運(yùn)算，計(jì)算出流量數(shù)據(jù)。

    4.2通信終端

    物聯(lián)網(wǎng)多功能顯示終端（以下簡稱終端）需與一次儀表或數(shù)字式傳感器配合使用。終端提供24V/12V電源，可給傳感器供電，通過終端的傳感器485接口與數(shù)字傳感器通訊，可實(shí)現(xiàn)一終端，多數(shù)字傳感器的測量系統(tǒng)。

    終端供電電源220AC、24VDC、12VDC可選，可以使用市電或工業(yè)電源供電，或者使用各型電池或太陽能供電系統(tǒng)供電。終端可以非常方便與各型無線平臺(tái)互聯(lián)互通，如：GPRS、WIFI，將數(shù)字傳感器傳輸?shù)男盘枖?shù)據(jù)，上傳至云服務(wù)器端。

    工作原理

    通過通信接口或AD采集獲取輸入信號，信號解析獲取測量值，將測量值通過液晶屏顯示，同時(shí)將信號通過GPRS將信號上傳至云端。

    主要技術(shù)參數(shù)

    使用條件：環(huán)境溫度：0~50℃；相對濕度：￡90%RH ；

    電源電壓：90～265VAC或24±10%VDC或12±10%VDC；

    準(zhǔn)確度： ±0.5%F.S+1字 ；

    輸入特性：電流型：輸入阻抗 <300W；   

    輸出特性：    

    繼電器容量：0.5A/240V AC，阻性；  

    電流型變送器輸出負(fù)載阻抗：<600W ；    

    電源輸出：12±10%V DC / 30mA；

    功耗：<5W；

    五、方案優(yōu)勢

    1：主、從機(jī)雙機(jī)數(shù)據(jù)鏈自主組網(wǎng)交互，不依賴公網(wǎng)與機(jī)站；

    2：數(shù)據(jù)上傳通過公網(wǎng)，公網(wǎng)故障時(shí)還可以選擇北斗短報(bào)文通訊（RDSS）；

    3：可以實(shí)時(shí)在第三方大型顯示平臺(tái)顯示；

    4：可以帶多臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)多參數(shù)顯示終端，實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)；

    5：可以帶電話語音示警、短信示警、電郵示警功能；

    6：可適用在小流量、零流量、負(fù)流量的工況下使用；

    7：很強(qiáng)的實(shí)時(shí)測量性，快測量周期：5秒；

    8：按工業(yè)儀表設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，具有很強(qiáng)的搞干擾、防雷能力。

    六、方案配置

    6.1澳泰自動(dòng)化供應(yīng)范圍 

     7.2當(dāng)?shù)丶缮坦?yīng)范圍