基于多種可再生能源供電的寒區(qū)冰情自動監(jiān)測系統(tǒng)的設計與應用.pdf

1、冰情檢測與冰凌災害的預報預防是中國南北極科學考察、高寒區(qū)內(nèi)陸河道水文預報、水電大壩與長距離輸水工程、環(huán)境監(jiān)測等諸多領域急需的應用技術，也是國家防汛減災系統(tǒng)建設的主要任務之一。由于冰情監(jiān)測現(xiàn)場大多地處氣象條件惡劣、交通、供電條件受限的野外環(huán)境，要實現(xiàn)對極寒區(qū)野外環(huán)境下對河流、湖泊、水庫等現(xiàn)場冰情的連續(xù)自動監(jiān)測將會遇到比常規(guī)條件下水文測報更大的困難，一般設備價格昂貴、功耗高、抗凍性差，特別是如何解決檢測系統(tǒng)長期供電、在極低溫（低于-30℃）

2、環(huán)境下設備的正常工作的問題，是目前國際、國內(nèi)水利工程與水文測報領域尚未得到很好解決的國際性難題。
　　本課題針對冬季野外環(huán)境常年處于于-30℃下的黑龍江流域河道野外冰情檢測的需求，在水利部公益性科研專項“黃河冰情自動監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)與現(xiàn)場試驗(No.201201080)”、國家自然科學基金項目“基于空氣、冰與水物理特性差異的冰層生消過程與力學強度連續(xù)在線檢測原理研究(No.51279122)”等項目資助下，設計了基于冰、水、空氣物理特

3、性差異由多種可再生能源供電的寒區(qū)冰情自動監(jiān)測系統(tǒng)。
　　該系統(tǒng)研制了可以對冰層內(nèi)部及冰下水層等效電阻、溫度梯度變化狀態(tài)進行連續(xù)自動檢測的R-T冰層厚度傳感器，根據(jù)系統(tǒng)應用于黑龍江河道現(xiàn)場監(jiān)測的特殊地理環(huán)境，提出了利用再生能源的環(huán)保型水光互補供電系統(tǒng)、超低功耗智能保溫系統(tǒng)的特殊冰情檢測系統(tǒng)結構，融合了單片機、GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)刃滦碗娮有畔⑻幚砑夹g，設計研制了低功耗、低成本、抗低溫的冰情監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了在極低溫野外環(huán)境下對黑龍江河道封

4、凍期水體冰蓋的定點、實時、連續(xù)、遠程、自動監(jiān)測，為高緯度地區(qū)冬季冰情檢測提供了一種可行的系統(tǒng)設備。在設計與試驗過程中，本論文完成了以下研究內(nèi)容:
　　1.在分析了現(xiàn)有冰情檢測技術的基礎上，根據(jù)系統(tǒng)應用于黑龍江河道現(xiàn)場監(jiān)測的特殊地理環(huán)境，提出了利用再生能源的環(huán)保型水光互補供電系統(tǒng)、超低功耗智能保溫系統(tǒng)的特殊冰情檢測系統(tǒng)結構。
　　2.在-50℃～30℃溫度范圍內(nèi)對冰和水的等效電阻隨溫度變化的規(guī)律進行了試驗研究，分析了冰、水等效

5、電阻受溫度影響的變化規(guī)律以及冰層中溫度梯度的分布規(guī)律，建立了在-50℃～30℃溫度范圍內(nèi)基于冰、水、空氣等效電阻-溫度差異檢測冰水情的實驗模型;
　　3.根據(jù)研究試驗結果和高寒地區(qū)工程監(jiān)測現(xiàn)場環(huán)境的實際情況，完成了包括現(xiàn)場采集和上位機遠程數(shù)據(jù)接收、狀態(tài)監(jiān)測、功能控制的冰情監(jiān)測系統(tǒng)整體結構的設計，設計了新的利用可再生能源的環(huán)保型水光互補供電系統(tǒng);
　　4.完成了冰層厚度傳感器系統(tǒng)結構的設計，設計了與傳感器配套的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集處理

6、硬件電路及模塊選型。在現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集處理硬件電路設計中除設計了常規(guī)的單片機數(shù)據(jù)采集處理電路外，還根據(jù)系統(tǒng)應用于極寒區(qū)野外環(huán)境的特點，設計了專用的超低功耗智能保溫防凍系統(tǒng)，使系統(tǒng)可以在氣溫低至-50℃的高寒地區(qū)長時間保持正常工作，提高了系統(tǒng)設備的抗凍性和可靠性;
　　5.完成了冰情自動監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集電路的軟件設計，使檢測系統(tǒng)實現(xiàn)了冰情現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的自動實時處理、遠程通信，使整個冰情自動監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了無人值守的遠程無線遙測系統(tǒng)功能