應(yīng)用案例｜聲學(xué)多普勒流速測(cè)量?jī)x

現(xiàn)狀

馬來(lái)西亞雨水管理和公路隧道（"SMART"）項(xiàng)目的規(guī)模宏大--隧道長(zhǎng)度為12公里，直徑為11.8米，可收集多達(dá)400萬(wàn)立方米的洪水--這是一個(gè)艱巨而偉大的項(xiàng)目。這條隧道的設(shè)計(jì)概念極富創(chuàng)意，讓人嘆服，可以在旱季通過(guò)地下隧道疏導(dǎo)吉隆坡?lián)頂D的交通，并在洪災(zāi)期間將雨水安全地分流到市中心地下。

同時(shí)，支持這項(xiàng)大規(guī)模隧道和大型集水盆地的系統(tǒng)也同樣令人驚嘆，它被稱為SMART工程的智能系統(tǒng)。這是一個(gè)由洪水檢測(cè)設(shè)備和自動(dòng)化管理機(jī)械組成的網(wǎng)絡(luò)，與監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集和控制 (SCADA)“大腦"連接，利用其收集的信息自動(dòng)啟動(dòng)洪水管理閘門(mén)和水泵。

技術(shù)

由系統(tǒng)集成商Greenspan Technology Pty Ltd，設(shè)計(jì)的洪水檢測(cè)和自動(dòng)化管理系 統(tǒng)通過(guò)28個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)站來(lái)指導(dǎo)項(xiàng)目沿線31個(gè)閘門(mén)、7個(gè)大型水泵和4個(gè)獨(dú)立發(fā)電裝置（發(fā)電機(jī)組）的決策。

三級(jí)系統(tǒng)

Greenspan公司駐新加坡的國(guó)際經(jīng)理Bruce Sproule解釋，SMART項(xiàng)目設(shè)計(jì)為分三個(gè)階段運(yùn)作，以防止類似2007年那樣的洪水對(duì)城市造成嚴(yán)重破壞。

為了確保高質(zhì)量的數(shù)據(jù)流，Sproule的團(tuán)隊(duì)在項(xiàng)目總監(jiān)Mark Wolf和項(xiàng)目經(jīng)理Marc Schmidt的帶領(lǐng)下，布置了一個(gè)由22個(gè)雨量計(jì)、50個(gè)與氣泡系統(tǒng)相連的壓力傳感器和16個(gè)SonTek Argonaut聲學(xué)多普勒測(cè)流組成的陣列。

Greenspan公司的控制中心運(yùn)營(yíng)小組在Mark Van Elswyk的帶領(lǐng)下，維護(hù)著由高頻電臺(tái)、GSM、光纖信號(hào)和微波傳輸組成的通信系統(tǒng)，以保持傳感站點(diǎn)和SCADA系統(tǒng)之間的持續(xù)通信。

通過(guò)以太網(wǎng)連接的Argonauts每分鐘報(bào)告一次數(shù)據(jù)；通過(guò)高速VHF連接的Argonauts每5至10分鐘廣播一次。SCADA工程師Jarrah Watson、Nick Hitchins和Peter Johnson保持控制/采集系統(tǒng)精細(xì)地調(diào)整。

河流、暫存池和隧道的數(shù)據(jù)與Greenspan公司的時(shí)間序列數(shù)據(jù)庫(kù)中的降雨信息相結(jié)合，然后通過(guò)該公司的預(yù)測(cè)模型進(jìn)行傳輸。結(jié)果驅(qū)動(dòng)自動(dòng)閘門(mén)，控制進(jìn)入SMART集水井和隧道的流量，并在下游水量可以積累到排放水平時(shí)，啟動(dòng)大型水泵，對(duì)隧道進(jìn)行排水。

這是更準(zhǔn)確的信息，Sproule說(shuō)。如果受到潮汐影響或回水影響，可能會(huì)出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，水深得來(lái)的流量數(shù)據(jù)是不準(zhǔn)確的。

Sproule說(shuō)，當(dāng)水位上升并且下游潮汐對(duì)吉隆坡洪水的影響越來(lái)越大時(shí)，預(yù)警模型就會(huì)從氣體吹掃壓力傳感器的讀數(shù)切換到聲學(xué)多普勒測(cè)流儀的數(shù)據(jù)，以跟蹤流量情況。

他解釋說(shuō)，下游潮汐效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生滯后現(xiàn)象，從而減緩了洪水對(duì)來(lái)自上游力量帶來(lái)的通常變化。關(guān)鍵是要追蹤河流中到底發(fā)生了什么，而不是依賴于基于無(wú)障礙重力驅(qū)動(dòng)條件的簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)估計(jì)，這點(diǎn)非常重要。

“這是更準(zhǔn)確的信息，"Sproule說(shuō)?！叭绻艿匠毕绊懟蚧厮绊懀?水深換算的流量可能會(huì)出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，而且數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。"他補(bǔ)充說(shuō)，Greenspan公司開(kāi)發(fā)了自己的流速率定軟件，以確保流量的準(zhǔn)確計(jì)算。

專有流量算法非常適合在灌溉渠道、天然河流和管道中收集數(shù)據(jù)。

該儀器采用SonTek的SmartPulseHD自適應(yīng)采樣。

使用垂直聲束和壓力進(jìn)行水位自動(dòng)校準(zhǔn)。

精心布置

Sproule指出，在隧道內(nèi)部和周?chē)琒onTek Argonaut SL（側(cè)視）測(cè)流儀布置在精心確定的高度，以便為高流量情況做好準(zhǔn)備。兩個(gè)Argonaut SW（淺水）測(cè)流儀測(cè)量下游排放點(diǎn)的雙箱涵的流量和流速，為流量模型提供信息。即使洪水沒(méi)有來(lái)臨，信息流也提供了有價(jià)值的洞察力。Sproule指出，事實(shí)上，來(lái)自SW的數(shù)據(jù)顯示，在洪水事件發(fā)生后，發(fā)現(xiàn)在其潛水面中儲(chǔ)存了驚人數(shù)量的水，并在比Greenspan模型最初假設(shè)的更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)才可以釋放了這些水。

Sproule說(shuō)，Greenspan團(tuán)隊(duì)還包括水文測(cè)量技術(shù)員BenNoble Clem Williams和Faizal Yusoff，他們認(rèn)為SonTek Argonauts是SMART項(xiàng)目的必然選擇。他解釋說(shuō)：“我們?cè)紤]過(guò)雷達(dá)/聲納，但價(jià)格非常昂貴，而且我們有很多使用SonTek設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)。"“在這個(gè)項(xiàng)目中，這是最準(zhǔn)確的方法。我們?cè)谛录悠掠幸粋€(gè)八人的雨水監(jiān)測(cè)小組，使用SonTek的設(shè)備已經(jīng)14個(gè)月了，所以我們知道它能做什么，不能做什么。"

服務(wù)支持很好，設(shè)備也很可靠。他補(bǔ)充道。儀器很可靠，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，公司會(huì)迅速做出響應(yīng)。

對(duì)于像SMART這樣大規(guī)模的項(xiàng)目，快速響應(yīng)至關(guān)重要。在2007年9月的一次系統(tǒng)測(cè)試中，該系統(tǒng)提前30分鐘準(zhǔn)確預(yù)測(cè)到了河流水位會(huì)上升，成功分流50萬(wàn)立方米水。

隨著車(chē)流穿過(guò)巨大的隧道，無(wú)聲的傳感器網(wǎng)絡(luò)向Greenspan公司的SCADA系統(tǒng)報(bào)告時(shí)，Sproule對(duì)SMART項(xiàng)目進(jìn)行了反思。“這是Greenspan公司設(shè)計(jì)過(guò)的最復(fù)雜的系統(tǒng)，"他指出，該系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行和保護(hù)吉隆坡11.8米高的隧道一樣，是一個(gè)令人驚嘆的奇跡。