适用于缆道自动测流的ADCP水面搭载装置及其测流方法与流程

本发明涉及水文缆道测流，特别是涉及一种适用于缆道自动测流的adcp水面搭载装置及其测流方法。

背景技术：

1、加快推进河流流量要素的自动化监测，是现阶段加快构建“空天地”一体化水文监测体系，实现水文测报现代化的重要建设内容。当前，全国多数水文站均建有水文缆道，水文缆道具有既安全又便捷的过河性能，借助水文缆道实现自动测流是推进流量监测自动化的主要途径之一。

2、目前已有的水文缆道自动测流技术，按搭载过河的测流设备不同，可分为以下几种主要方法。一是转子式流速仪法，在水文缆道的铅鱼上搭载转子式流速仪进行跨河流量测验，在洪水期作业时存在单次测流历时过长影响水文情报时效性、仪器需要深入水体不易躲避水中漂浮物存在安全作业隐患等问题，因此主要适用于平水期，在洪水期适用性较低。二是电波流速仪法，在水文缆道的行车上安装电波流速仪，为非接触式测流方法，作业安全系数高，但由于只测水流表面流速，流量成果误差较大。三是走航式adcp法，走航式adcp通过位于水体表层的探头向下发射测量波束的方式，对全断面进行流速单元高清扫描，测流成果准确可靠且单次测流历时短，无需深入水体作业，是洪水期测流的首选方法，但是由于在缆道搭载方式上存在一定缺陷，尚无法实现完全自动测流。

3、当前，采用缆道搭载走航式adcp主要有两种方法，一是采用缆道铅鱼通过绳索拖曳搭载有走航式adcp的无人船，沿断面走航进行测流，主要缺点是当遇到漂浮物或通航船只时不易避让、无法将仪器提出水面，且无人船在洪水中有侧翻风险，存在安全作业隐患。二是将走航式adcp安装在缆道铅鱼内部，控制铅鱼轴线位于水面，沿断面走航进行测流，以此保证走航式adcp沿断面走航时探头具有稳定的入水深度，但是由于跨河缆道普遍有垂度，难以保持铅鱼沿断面运行时其轴线始终位于水面，当铅鱼运行到跨河缆道中间位置时高度变低，探头入水深度变大引起测验误差，当铅鱼运行到岸边位置时高度变高，探头易脱离水面导致测验中断。

4、综合分析认为，目前的水文缆道自动测流技术中，特别是在洪水期，搭载走航式adcp测流是最精准高效的方法，但是由于现有技术在缆道搭载走航式adcp的方式上存在缺陷，容易引起测流作业安全性不足或影响测验质量等问题，难以满足全自动测流技术要求，影响河流流量要素监测自动化的推进步伐。现有技术中，仍缺少一种能兼顾测流作业安全性和测验质量，且在洪水期和平水期都适用的采用缆道搭载走航式adcp进行自动测流的可靠方式。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术在缆道搭载走航式adcp进行测流时容易引起测流作业安全性不足或影响测验质量，难以满足全自动测流技术要求的问题，提供一种适用于缆道自动测流的adcp水面搭载装置及其测流方法，解决了现有技术在缆道搭载走航式adcp方式上存在的缺陷，能兼顾测流作业安全性和测验质量，在洪水期和平水期都适用，满足采用缆道搭载走航式adcp自动测流时对作业安全性和测验质量的技术要求。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种适用于缆道自动测流的adcp水面搭载装置，适用于水文缆道，水文缆道上设有来回滑动的行走小车，行车小车通过起重索吊设本搭载装置，所述搭载装置包括漂浮船体，漂浮船体设有竖向贯通的adcp安装孔，adcp安装孔内嵌设搭载走航式adcp探头，搭载装置还包括起重索下端连接的悬挂部件，悬挂部件下部设有水平设置的传动轮部件，所述传动轮部件中部为大卷筒，大卷筒两端为小卷筒，大卷筒和小卷筒的外径之比为n：1，此处n>1；所述大卷筒绕扎有第一钢丝绳，第一钢丝绳底端悬挂漂浮船体，两个小卷筒分别绕设有等长的第二钢丝绳，第一钢丝绳和第二钢丝绳的绕扎方向相反，两根第二钢丝绳的下端吊设有平衡锤，平衡锤重力小于n倍的漂浮船体及船体搭载物重力之和，并大于n倍的漂浮船体及船体搭载物重力之和减去n倍的船漂浮船体及船体搭载物所受最大浮力。

3、本装置改进了走航式adcp在水文缆道上的安装方式，通过分体式铅鱼、漂浮船体和平衡锤的相互配合，实现缆道来回运行时走航式adcp的探头入水深度始终保持不变，保证了流量测验作业的连续性和测验成果质量。通过将走航式adcp探头安装在船体内部，有效避免水中漂浮物撞击，同时消除了采用绳索拖曳时无人船会游荡的弊端，当遇到水中漂浮物或船只靠近时，只需改变缆道进行速度或提起本装置使仪器脱离水面，即可精准避让漂浮物或船只，作业安全性大大提升。通过采用视频识别技术和设定自动测流程序，可以自动判别和避让水中漂浮物和往来船只，实现全自动测流。漂浮船体为内部填充有泡沫的碳纤维船体，漂浮船体通过支架安装孔嵌套在支架上。传动轮部件是由一个大卷筒和两侧的两个小卷筒固定在同一轴线上组成的可以沿轴心转动的部件，大卷筒与小卷筒的半径比最好为整数方便计算，优选为2:1。传动轮部件通过转轴套接在悬挂部件的下端，可沿转轴轴心在悬挂部件下端自由转动，支架的上端通过第一钢丝绳绕扎在大卷筒上，平衡锤的上端分别通过2根长度相等的第二钢丝绳绕扎在两个小卷筒上，两个小卷筒上钢丝绳的绕扎方向一致，本例中大卷筒上的第一钢丝绳绕扎方向为顺时针，两个小卷筒上第二钢丝绳的绕扎方向为逆时针。悬挂部件的上端悬挂在水文缆道的起重索上，如果原有水文缆道的起重索上已悬挂有铅鱼，也可以在不拆除原有铅鱼的情况下，悬挂在原有铅鱼的下方。在漂浮船体上设有adcp安装孔，用于安装adcp测流设备。

4、以大卷筒与小卷筒的半径比为2:1为例，所述漂浮船体组合体和平衡锤对传动轮部件的牵引力之比为2:1。为确保当本装置被吊起完全脱离水面或地面时平衡锤位于最上方，大卷筒上的牵引力应大于小卷筒上的牵引力，平衡锤重力应小于2倍的漂浮船体组合体重力。为确保本装置漂浮在水面并被继续下放时仍能漂浮在水面而不沉入水中，大卷筒上的牵引力应等于小卷筒上的牵引力，即平衡锤重力应等于2倍的漂浮船体组合体重力减去2倍的漂浮船体组合体所受浮力。综上可得，平衡锤重力应小于2倍的漂浮船体组合体重力，并应大于2倍的漂浮船体组合体重力减去2倍的漂浮船体组合体所受最大浮力。漂浮船体组合体所受最大浮力可通过其体积计算。

5、根据水文缆道的垂度，调节本装置第一钢丝绳长度。当平衡锤位于最接近传动轮部件的最高位置时，平衡锤下方的第一钢丝绳的长度为a。当本装置漂浮在水面并被继续下放时，平衡锤将逐渐向下远离传动轮部件向船体组合体靠近，小卷筒上的第二钢丝绳将被逐渐拉出，小卷筒和大卷筒沿逆时针转动，大卷筒上的第一钢丝绳将沿顺时针方向逐渐卷入，平衡锤向下运动的最大绝对距离为a。因为大卷筒与小卷筒的半径比为2:1，所以当本装置漂浮在水面并继续下放的最大高度为2a/3。根据与本装置配套使用的水文缆道的垂度，确定本装置沿缆道来回运行时的起伏高差b，调节当平衡锤位于最接近传动轮部件的最高位置时,其下方垂直钢丝绳的长度a应不小于1.5b，以确保本装置沿缆道来回运行时平衡锤处于正常的运动区间。

6、作为优选，所述平衡锤为c型截面，第一钢丝绳从平衡锤的c型开口处穿过。

7、作为优选，所述大卷筒上的第一钢丝绳完全放卷时，平衡锤顶面与传动轮部件之间存在间隙。为了确保平衡锤具备最大的垂直运动区间，当在小卷筒上绕扎的钢丝绳使平衡锤位于最接近传动轮部件的最高位置时，大卷筒上钢丝绳的绕扎圈数为0。即当本装置逐渐从水面或地面被吊起时，大卷筒上的第一钢丝绳将被逐渐拉出，小卷筒上的第二钢丝绳将被逐渐卷入，当本装置被吊起完全脱离水面或地面，大卷筒上的第一钢丝绳全部被拉出，此时漂浮船体的组合体直接以悬吊的方式连接在大卷筒上，平衡锤正好位于最接近传动轮部件的最高位置。

8、作为优选，所述小卷筒上的第二钢丝绳完全放卷时，第一钢丝绳的底端不高于平衡锤的底面。

9、作为优选，所述悬挂部件为倒u型结构，所述传动轮部件两端通过轴承可旋转夹设在悬挂部件下端的两臂之间。

10、作为优选，所述漂浮船体上开设有支架孔，漂浮船体通过支架孔固定有支架，所述支架在漂浮船体的上表面和下表面分别具有矩形框架，上下矩形框架通过穿过支架孔的连杆固定，所述漂浮船体下方通过支架固定有分体式铅鱼。

11、作为优选，所述支架上方的矩形框架四角通过四根等长的吊索与第一钢丝绳的下端连接固定。

12、作为优选，所述分体式铅鱼包括两枚大小、形状、重量均相同的铅鱼。

13、作为优选，所述漂浮船体为内部填充有泡沫的碳纤维船体。

14、一种适用于缆道自动测流的测流方法，采用上述的adcp水面搭载装置，大卷筒和小卷筒的外径选定2：1，包括以下步骤：

15、s1:测量铅鱼沿水文缆道来回运行时的起伏高差，调节第一钢丝绳长度；在缆道起重索上安装与本搭载装置重量相近的铅鱼，将铅鱼运行到测流开始岸边位置，下降铅鱼使其轴线正好位于水面，在铅鱼运行到另一岸的测流结束岸边位置的过程中，保持悬挂铅鱼的起重索竖直长度不变，由于缆道垂度的变化会引起铅鱼实际高度发生变化，测量铅鱼运行时的起伏高差；铅鱼上升的最大距离l1可通过测量铅鱼距离水面的最大高度来确定，铅鱼下降的最大距离l2可通过测量悬挂铅鱼起重索的湿绳高度来确定；调节当本装置的平衡锤位于最接近传动轮部件的最高位置时,平衡锤下方的第一钢丝绳部分长度a不小于1.5(l1+l2)；

16、s2:计算测流开始岸边的平衡锤位置；从上一步骤可知，保持悬挂铅鱼的起重索竖直长度不变，当铅鱼从测流开始岸边位置运行到测流结束岸边位置过程中，铅鱼会上升l1和下降l2；为了确保本装置沿缆道来回运行时平衡锤处于正常的运动区间，本装置在测流开始岸边位置入水漂浮后，漂浮状态时平衡锤处于从最高点向下运动的平衡点，此时需继续下放起重索的长度不少于l1；

17、s3:在缆道上安装本搭载装置；将本搭载装置代替原有铅鱼直接悬挂在起重索上，在漂浮船体内安装走航式adcp探头，在漂浮船体上方预留位置安装走航式adcp的电台、电源和gps罗经等配件；

18、s4：调整测流开始前平衡锤预设位置；操控缆道运行，使悬挂本装置的起重索到达测流开始岸边位置，下放起重索使本装置入水漂浮后，继续缓慢下放，使平衡锤达到预设位置，此时平衡锤距离顶部极限位置的距离不少于l1/2，距离底部极限位置的距离不少于l2/2，然后保持起重索的竖直长度不变；在分体式铅鱼的作用下，安装在漂浮船体上的adcp探头的前方正好朝向水流的来向；

19、s5：进行测流作业和避障；操控缆道向对岸运行，本装置搭载走航式adcp从测流开始岸边位置沿测流断面开始走航测验，到达对岸的结束岸边位置时停止测验，即完成测流作业；当水中漂浮物或船只靠近时，改变缆道进行速度或提起本搭载装置使仪器脱离水面，即可精准避让漂浮物或船只。

20、步骤s4和步骤s5所述的测流工作均可以自动实现。通过采用视频识别技术和设定自动测流程序，可以自动定位测流开始岸边位置和结束岸边位置，自动调整测流开始前的平衡锤预设位置，自动进行测流作业和避障，实现缆道搭载走航式adcp的全自动测流。

21、本发明解决了现有技术在缆道搭载走航式adcp方式上存在的缺陷，能兼顾测流作业安全性和测验质量，在洪水期和平水期都适用，满足采用缆道搭载走航式adcp自动测流时对作业安全性和测验质量的技术要求。