超声三维地形自动测量分析系统在河工模型试验中
的应用
范明华1，谢珊珊2
1河海大学海洋学院，南京（210098）
2北京市海淀区西北旺镇63996部队后勤室，北京（100094）
E-mail：jsszfmh@
摘要：本文系统总结了河工模拟技术的发展过程和研究成果。针对大型泥沙模型试验自动测量中传统方法的不足，引入并介绍了超声三维地形自动测量即UMS系统，该系统可用于大型泥沙模型试验的含沙量和冲淤变化过程测量、试验河段水深图和等高线绘制等功能，已成功应用于多项国家重点科技项目。
关键词：河工模型自动测量；UMS系统；超声波；测控系统
中图分类号：TV131.61
1.前言
进入21世纪后，随着我国国民经济建设的快速发展，我国水利、水电、水运建设事业和科学研究工作进入一个蓬勃发展的新时期，我国水利工作者就流域泥沙灾害、河流泥沙输移、河床演变与整治等进行了大量的研究，取得了许多重要的成果。[1]- [2]作为泥沙研究的重要手段之一，河流泥沙模拟技术也得到了迅猛的发展。[3]目前，我国的模型试验研究工作的科研水平总体处于国际先进地位，尤其是水流泥沙实体模型试验较为突出，不仅在试验理论上有所创新，而且在试验仪器设备和量测技术上也有独到之处。但水流泥沙问题是十分复杂的，许多运动机理尚未认识清楚，工程试验中许多边界条件和要素还难以准确判断和测量，这其中有许多是因仪器设备和测量技术的原因所造成，现有的泥沙模型试验仪器设备较为分散，操作繁重，仪器精度不高。[4] -[6]
为了解决仪器使用和测量精度等问题，目前相关科研单位研制并开发了UMS （ultrasonic measurement system）系统，即超声三维地形自动测量分析系统。UMS系统在物理模型试验中应用，实现了三维地形自动测量，从而使得物理模型试验人力、财力的消耗大大减少。
2.UMS系统组成和工作原理
1)、系统概述：超声三维地形自动测量分析系统UMS利用测车携载超声测量组件在轨道上沿模型断面移动，测量床面的垂直高程。同时，固定于轨道一端的激光测距组件测量测车的水平位置，系统根据以上两组数据画出断面的地形图（如图1）。
图1 UMS系统组成
2)、系统机械构成：超声三维地形自动测量分析系统主要由机械运动组件、超声测量组件、激光测量组件、系统主机、软件系统五部分组成（如图2）
图2 UMS系统工作原理示意图
3)、机械传动组件：驱动超声测量组件及电源在轨道上行驶。测车在轨道上的移动由系统控制，速度与方向均可调整。速度范围1~10cm/s。轨道长度可按实际需要调整。
4)、超声测量组件：测量时间约为1s，测量精度+1mm，测量距离0.3~100m。可在清、混水环境中进行测量。单点的测量时间小于2s，测量精度+1mm，测量范围为0~100cm。
5)、激光测距组件：用于测量水平面方向的数据，即用于取得X、Y方向的数据，测量精度在+0.1mm。
6)、系统主机：包括一台电脑和一块AD卡。
7)、系统软件：软件在WINDOWS下运行，界面美观新颖，具有很强的可视性和可操作性，具有很强的自检自诊断功能。按照用户设置控制机械运转，自动进行数据采集、分析和绘图。UMS系统软件可以方便地检测控制接口、传感器、电动执行器和有关硬件的工作状态和正常与否；控制过程线实时显示，以不同颜色在同一画而显示给定曲线和控制过程线；
多个模块整合在同一主菜单中，可以方便地选择切换到不同的控制状态；运用多媒体功能，界而配以了动态的音视频效果；系统软件具有很好的实时性、快速性、可靠性。
3.物理模型中应用
在浙江某江的物理模型实验中，UMS系统发挥了重要作用，尤其是它对测量断面的实时监控的功能，对研究河道的逐时变化提供了详实的第一手资料。
1)、对特定断面的逐时观测（每隔半小时测量一次），监控该断面的冲淤变化过程，结果如图3所示。
图3 1#断面的逐时观测冲淤变化情况
2)、通过对某一河段、一段时间内的监控，研究该河段的冲淤平衡年限，如图4所示：
图4 南口全堵后该断面平均水深沿时间变化过程
从图中可以分析出，南口全堵后该断面先淤后冲，总体上呈淤积趋势，三年内淤积厚度为0.11米。第0到1年为淤积期，第1到第3年为冲刷期，其中第1到第2年为冲刷发展
期，第2到第2.5年为冲刷稳定期，第2.5到3年为冲平衡期。
4.结语
超声三维地形自动测量分析系统较好地满足了泥沙模型试验研究的实际需求，能够实现大型泥沙模型试验的地形测量与图形后期处理。UMS系统在河工模型试验中的成功应用，较传统测控系统显示了很大的优越性，实现了物理模型试验中冲淤观测的自动化。[7]需要指出的是，还应该与模型试验水位控制做成一套完整的自动控制系统，以提高泥沙模型试验测量与控制的工作效率，缩短模型试验周期，提高模型试验研究成果质量。[8] [9]
参考文献
[1] 中国水利学会泥沙专业委员会主编.泥沙手册[M].中国环境科学出版社，1992.
[2] 李昌华.论动床河工模型的相似律[J]，水利学报，1966.
[3] 窦国仁.全沙模型相似律及设计实例[J].水利水运科技情报，1977(3).
[4] 吕秀贞，戴清.泥沙河工模型时间变态的影响及其误差校正途径[J]泥沙研究，1989(2).
[5] 胡春宏，王延贵等.长江防洪模型沙选择的试验研究[R].中国水利水电科学研究院，2004.
[6] 中国水利水电科学研究院，黄河下游花园口－黑岗口河段河道整治模型试验研究[R],1988.
[7] 王兴奎等.图像处理技术在河工模型试验流场测量中的应用.泥沙研究，1996(4).
[8] Hansen W., Theorie.Zur Errechnung des Wasserstandes and der Stromungen in Randmecren nebst Anwendungen.TeVus,V ol.8(3),1956
[9] 陈国祥，陈界仁，沙捞·巴里.三维泥沙数学模型的研究进展田.水利水电科技进展，1998.
The application of UMS in physical model test
Fan Minghua1, Xie Shanshan2
1 College of Traffic and Ocean, Hohai University, Nanjing (210098)
2 Teaching and Research Ground of Basic Learning NO.63996 Army Xibeiwang Town Haidian
District Beijing, Beijing (100094)
Abstract
In this paper, a brief summary to the development and achievement of physical model test has been made, and there appear a few disadvantages in the mesurement of the 3-D topography in tests, here the system of UMS is introducted. The usage of the system realizes the automatical mesurements of sediment concentration, the changement of special cross-section. Besides, the function of drawing of water depth and contour line is involved for post processing. This system has been successfully applied in some national key projects.
Keywords: automatical mesurement in physical model test, UMS, ultrasonic, measure and control system
