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基本信息
- 項目名稱：
- 黃河河道冰水情與冰凌圖像定點連續(xù)測報系統(tǒng)
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本作品基于獨特的空氣、冰與水的物理特性差異檢測原理，研制成功新型的“R-T（電阻-溫度梯度）冰水情自動檢測傳感器”，融合了太陽能供電、計算機信息處理、移動通信等多種現(xiàn)代電子信息技術(shù)，研制了不受地域與氣候環(huán)境限制的黃河河道冰水情與冰凌圖像定點連續(xù)測報系統(tǒng)。首次通過遠(yuǎn)程無人自動檢測方式獲取了系統(tǒng)的黃河冰水情與冰凌圖像數(shù)據(jù)，為黃河冰凌災(zāi)害的預(yù)報提供了一種可行的工程應(yīng)用技術(shù)與設(shè)備。
- 詳細(xì)介紹：
- 實現(xiàn)冰層內(nèi)部物理狀態(tài)連續(xù)自動檢測是南北極科考、防凌減災(zāi)、水文、水電工程安全運行、環(huán)保氣象等領(lǐng)域的前沿課題，也是黃河冰凌災(zāi)害預(yù)報系統(tǒng)建設(shè)中急需解決的重大工程難題。利用衛(wèi)星遙感、雷達掃描、聲納、冰模型仿真預(yù)測及人工量測等方法一直是冰水情冰凌監(jiān)測的主流技術(shù)，它們存在的共同缺陷是無法實現(xiàn)對冰層內(nèi)部狀態(tài)變化完整與連續(xù)的監(jiān)測，難于應(yīng)用于地理、水文環(huán)境復(fù)雜的黃河河道冰水情自動檢測及冰凌災(zāi)害預(yù)報中。如何實現(xiàn)在惡劣的野外環(huán)境下對黃河河道冰水情信息的長期連續(xù)自動監(jiān)測，成為目前建設(shè)現(xiàn)代化的黃河冰凌災(zāi)害預(yù)報系統(tǒng)面臨的最大“技術(shù)瓶頸”。本作品基于獨特的空氣、冰與水的物理特性差異檢測原理，研制成功新型的“R-T（電阻-溫度梯度）冰水情自動檢測傳感器”，融合了太陽能供電、計算機信息處理、移動通信等多種現(xiàn)代電子信息技術(shù)，研制了不受地域與氣候環(huán)境限制的黃河河道冰水情與冰凌圖像定點連續(xù)測報系統(tǒng)。與黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院、黃河寧蒙水文局、黃河萬家寨水利樞紐有限公司防汛辦等單位科技人員合作，將設(shè)備安裝于內(nèi)蒙黃河頭道拐、蒲灘拐河道，經(jīng)過兩個冬春季的現(xiàn)場工程試驗，突破了對河道冰層內(nèi)部連續(xù)自動檢測的理論與技術(shù)難關(guān)，首次通過遠(yuǎn)程無人自動檢測方式獲取了系統(tǒng)的黃河冰水情與冰凌圖像數(shù)據(jù)，為黃河冰凌災(zāi)害的預(yù)報提供了一種可行的工程應(yīng)用技術(shù)與設(shè)備。這一技術(shù)還被成功應(yīng)用于東北額爾古納河冰下水位、四川巴塘高海拔大壩冰層厚度自動檢測工程中，并與中國極地研究中心冰川室簽定了開展南極海冰觀測試驗的合作意向書，顯示出廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 目的：實現(xiàn)在惡劣的野外環(huán)境下對黃河河道冰水情信息的長期連續(xù)自動測報，為黃河冰凌災(zāi)害的預(yù)報提供充足的冰水情數(shù)據(jù)，以達到預(yù)防凌汛災(zāi)害的目的。 基本思路：本作品基于獨特的空氣、冰與水的物理特性差異檢測原理，研制 “R-T（電阻-溫度梯度）冰水情自動檢測傳感器”，融合太陽能供電、計算機信息處理、移動通信多種現(xiàn)代電子信息技術(shù)，研制了不受地域與氣候環(huán)境限制的黃河河道冰水情與冰凌圖像定點連續(xù)測報系統(tǒng)。 創(chuàng)新點： 1）提出利用空氣、冰與水的電阻、溫度值差異實現(xiàn)對黃河河道冰層內(nèi)部物理狀態(tài)、冰厚與冰下水位實現(xiàn)定點連續(xù)自動監(jiān)測的方法。 2）設(shè)計級聯(lián)工作模式和撥碼開關(guān)分壓電阻調(diào)節(jié)模式，使傳感器不受河水深度和水質(zhì)影響，廣泛應(yīng)用于黃河各測點以及江河湖泊水庫冰水情監(jiān)測。 3）遠(yuǎn)程控制攝像頭轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)現(xiàn)場冰凌圖像多角度觀測，河道冰凌圖像可視化監(jiān)測。 4）數(shù)據(jù)處理部分，提出最小二乘法變點冰水情數(shù)據(jù)處理算法和基于亮度均衡的圖像閾值分割算法，解決了原始采樣數(shù)據(jù)中奇異值引起誤判的難題，提高了冰情數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確度，計算河道冰凌的密度。 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)如下： 可測量物理量：冰層內(nèi)部電阻、溫度梯度值；冰層厚度；冰下水位；水位；冰凌密度 冰厚或水位量程：2~4 m 溫度梯度量程：2~4 m 分辯率：±1cm 冰/水溫測量范圍：-30℃~+65℃，誤差≤0.5℃ 數(shù)據(jù)內(nèi)部存儲容量：2G（最高32G） 供電方式：太陽能/蓄電池DC 12V 信號傳輸方式：SD插卡轉(zhuǎn)存/3G視頻傳輸/GPRS傳輸
科學(xué)性、先進性
- 本作品是申請人和項目組全體成員在參加教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金項目“基于空氣、冰與水的物理特性差異檢測方法與冰水情信息全天候自動監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用機理研究”（項目編號：20091402110004）、2009年山西省研究生優(yōu)秀創(chuàng)新項目“GSM/GPRS黃河河道冰、水情及冰凌災(zāi)害遠(yuǎn)程遙測系統(tǒng)的研制（項目編號：80010402100171）”資助下，采用獨特的基于空氣、冰與水的物理特性差異檢測原理，突破了對冰層內(nèi)部、冰水混合層范圍連續(xù)自動檢測的理論與技術(shù)難關(guān)，將獲得的原創(chuàng)性理論研究成果與黃河寧蒙段河道冰水情和冰凌災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)報實際應(yīng)用項目相結(jié)合，與黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院、黃河寧蒙水文局、黃河萬家寨水利樞紐有限公司防汛辦等單位科技人員合作，將設(shè)備安裝于內(nèi)蒙黃河頭道拐、蒲灘拐河道，經(jīng)過兩個冬春季的現(xiàn)場工程試驗，突破了對河道冰層內(nèi)部連續(xù)自動檢測的理論與技術(shù)難關(guān)，首次通過遠(yuǎn)程無人自動檢測方式獲取了系統(tǒng)的黃河冰水情與冰凌圖像數(shù)據(jù)，為黃河冰凌災(zāi)害的預(yù)報提供了一種可行的工程應(yīng)用技術(shù)與設(shè)備。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2011年5月在“中國電子學(xué)會電路與系統(tǒng)分會圖論與系統(tǒng)優(yōu)化專業(yè)委員會2011年學(xué)術(shù)年會”發(fā)表論文兩篇： 1）《基于亮度均衡化的圖像閾值分割技術(shù)在黃河冰凌監(jiān)測中的應(yīng)用》 2）《基于R-T冰水情自動檢測傳感器的河道冰層厚度自動判定算法研究》 2010年4月獲“GSM/GPRS河道冰、水情信息與冰凌圖像遠(yuǎn)程自動監(jiān)測系統(tǒng)在黃河頭道拐河道冰水情定點連續(xù)自動測報的應(yīng)用證明” 2010年7月獲得為中國南極27次科考提供10套冰情檢測設(shè)備并與中國極地中心冰川室聯(lián)合開展南極中山站海冰觀測試驗的“證明” 2011年4月獲“合作進行黃河萬家寨水利樞紐水電大壩冰情監(jiān)測工程試驗的證明” 2011年5月獲“基于空氣、冰與水的物理特性差異冰水情檢測方法與設(shè)備在額爾古納河齊乾站點應(yīng)用證明” 2011年5月獲“基于空氣、冰與水的物理特性差異冰水情檢測方法與設(shè)備在四川省巴塘縣黨恩測冰站點應(yīng)用證明”
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 通過學(xué)校知識產(chǎn)權(quán)辦公室轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實物，現(xiàn)場演示
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 本作品基于獨特的空氣、冰與水的物理特性差異檢測原理，研制成功不受地域與氣候環(huán)境限制的黃河河道冰水情與冰凌圖像定點連續(xù)測報系統(tǒng)。首次通過遠(yuǎn)程無人自動檢測方式獲取了系統(tǒng)的黃河冰水情與冰凌圖像數(shù)據(jù)，為黃河冰凌災(zāi)害的預(yù)報提供了一種可行的工程應(yīng)用技術(shù)與設(shè)備。 本作品成果可能的推廣應(yīng)用領(lǐng)域： 1）水文信息自動化領(lǐng)域。包括：河道、湖泊、水庫、明渠、長距離輸水工程、海岸等冰、水情信息的全天候連續(xù)自動監(jiān)測 2）環(huán)境與氣象監(jiān)測領(lǐng)域。包括：南、北極海冰觀測、陸地冰川、凍土層、濕地等物理狀態(tài)變化的監(jiān)測 3）災(zāi)害預(yù)警領(lǐng)域。包括：黃河流域及北方冬季結(jié)冰地區(qū)河流的冰凌災(zāi)害預(yù)報、電力網(wǎng)凍雨覆冰災(zāi)害監(jiān)測 4）科學(xué)研究、工業(yè)測量領(lǐng)域。包括：冰的力學(xué)強度、工業(yè)材料力學(xué)強度等的檢測 由于本作品方法獨特，可靠性高，成本較低，目前已與多家單位合作，將中試產(chǎn)品推廣應(yīng)用，已初步建成“黃河河道冰水情和冰凌圖像定點連續(xù)測報系統(tǒng)”、“額爾古納河冰下水位自動測報系統(tǒng)”、“四川巴塘水壩冰層厚度自動測報系統(tǒng)”等實際應(yīng)用系統(tǒng)。
同類課題研究水平概述
- 目前，國內(nèi)外對冰生消過程的測量可以采用冰模型仿真預(yù)測和現(xiàn)場物理檢測兩種不同的途徑加以實現(xiàn)。實際應(yīng)用于工程冰層厚度檢測的現(xiàn)場物理檢測方法又可以依據(jù)檢測方式的不同進一步劃分為接觸與非接觸兩種不同的檢測類型。非接觸型檢測方法則是冰水情檢測傳感器不與冰體發(fā)生直接的接觸，通過聲學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)等高科技手段對被測介質(zhì)進行非接觸式的測量，依據(jù)聲、光、電磁信號的變化檢測冰水情信息；而接觸型冰層厚度檢測方法在進行冰水情檢測的過程中，冰水情檢測傳感器需要與被測冰體發(fā)生直接接觸，通過傳感器與介質(zhì)的直接接觸而檢測出冰水情信息。 常見的非接觸型冰層厚度檢測方法包括： 1）通過衛(wèi)星、雷達或者空中拍攝進行大范圍區(qū)域的冰水情遙測 2）通過物理電磁學(xué)探測方法進行小范圍固定區(qū)域的冰層厚度檢測 非接觸型冰水情檢測方法一般說來操作方便、數(shù)據(jù)便于處理，但是造價昂貴、測量誤差 大、對環(huán)境的要求也比較苛刻，不宜應(yīng)用于河道的冰水情自動測報系統(tǒng)中 常見的常用接觸型冰層厚度檢測方法有： 1）傳統(tǒng)的人工直接測量法 2）不凍孔測樁式冰厚測試法 3）冰芯固體直流導(dǎo)電特性檢測（ECM）方法 4）基于磁滯位移傳感器的冰層厚度檢測方法 接觸型現(xiàn)場物理檢測方法的優(yōu)點是數(shù)據(jù)可靠，操作維護簡便，但大多數(shù)方法存在自動化程度低、勞動強度高、危險性大等缺點，不能保證在同一地點自動連續(xù)檢測或在多地點同步進行自動化連續(xù)檢測 不論是通過冰模型預(yù)測或是通過物理實時監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)對冰層厚度、冰凌災(zāi)害的自動監(jiān)測預(yù)報時，掌握整個冰層內(nèi)部冰情狀態(tài)連續(xù)變化的信息都是一個必不可少的前提。而上面所提到的各種冰情檢測方法，都存在一個共同的缺陷：無法實現(xiàn)對冰層內(nèi)部冰情狀態(tài)變化的連續(xù)自動檢測，也就意味著無法獲取完整、連續(xù)的冰情變化數(shù)據(jù)，從而成為影響整個冰情檢測預(yù)報水平的技術(shù)瓶頸。冰情檢測過程以及相應(yīng)的檢測設(shè)備是在十分惡劣的環(huán)境下進行的，由于沒有可靠的冰情自動連續(xù)監(jiān)測方法與設(shè)備，我國水文觀測站、長期依靠人工進行冰情觀測，觀測次數(shù)少，實時性差，導(dǎo)致冬季水文資料匱乏，很難建立可供冰凌預(yù)報的冰情數(shù)學(xué)模型。解決這一問題的根本出路是尋求一種可以適應(yīng)惡劣的野外工作環(huán)境、對能反映河道冰層內(nèi)部冰情狀態(tài)及冰情參數(shù)（如冰層厚度、冰下水位、溫度、冰凌密度等）進行連續(xù)自動化檢測的方法及設(shè)備。
