（环境工程专业论文）超低功耗水力水质参数数据采集记录仪的研制.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 在管网中水力水质数学模型和江河湖泊水质的数学模型研究中，现场实 测参数数据在模型建立过程中起着重要的作用，它会影响模型的精确度，也 是校核模型建立正确与否的重要依据。本文针对水力水质模型的建立和校核 中对现场数据采集的需要，研制了一种超低功耗水力水质参数数据采集记录 仪。该仪器具有智能化、超低功耗、分时记录、大容量存储、能与上位计算 机通信以整理和分析数据、系统构成简单和易操作等特点，可广泛地应用在 环境工程中其它参数的数据采集领域。 本文详细研究了记录仪硬件和软件系统设计的方法，制定了灵活的记录 仪与上位计算机的通信协议，使用v i s u a lc + + 6 0 开发了良好的上位机界 面。记录仪以t i 公司的新型1 6 位f l a s h 单片机m s p 4 3 0 f 1 4 9 为核心，采 用非易失性大容量存储器存储数据，通过标准r s 2 3 2 接口与计算机进行数 据通信。 针对环境工程领域应用，研究并设计了可采集开关量的数字量输入通 道，和工业级标准4 2 0 m a 的模拟量输入通道，增强了系统的通用性。深 入讨论了嵌入式低功耗系统的设计原则，给出m c u 的选择、外围器件的选 择、通信接口的优化、电源管理硬件设计和系统低功耗的运行管理等方面的 优化设计方法和原则。提出了非常适合该系统应用的通信方法，r s 2 3 2 和 u s b 的混合通信方式，克服了r s 一2 3 2 和u s b 单独应用在此系统时带来的 缺点，同时能为记录仪提供双电源供电的工作方式，全面的降低了与计算机 通信时的系统功耗。 本文为环境工程中参数测量领域，开发出了一套低成本、便携式、应用 灵活的数据测量记录系统，具有非常广阔的应用前景。 关键词水力水质建模；超低功耗；数据记录；环境工程 兰玺鎏三些查兰三兰璧圭兰簦鎏兰 a b s t r a c t i nt h es t u d yo fm a t h e m a t i cm o d e lf o rh y d r a u l i ca n dw a t e rq u a l i t yo fp i p e s n e t w o r k ，a sw e l la si nt h er e s e a r c hm a t h e m a t i cm o d e lo f w a t e rq u a l i t yf o rr i v e r s a n dl a k e s ，t h ed a t aa c q u i s i t i o no ff i e l dp a r a m e t e rp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei n t h ep r o c e s so ft h em o d e le s t a b l i s h m e n t ，w h i c hh a se f f e c to nt h ep r e c i s i o no ft h e m o d e l ，a n di sak e yw a y t op r o v ea n d v e r i f yt h ev a l i d i t yo f t h em o d e l t os a t i s f y t h er e q u i r e m e n t so ff i e l dd a t aa c q u i s i t i o nf o rt h ee s t a b l i s h m e n ta n dv e r i f i c a t i o n o f h y d r a u l i ca n d w a t e rq u a l i t ym o d e l ，a l lu l t r al o w p o w e rc o n s u m p t i o nd a t al o g g e rs p e c i a l l yd e s i g n e df o rh y d r a u l i ca n d w a t e rq u a l i t ya p p l i c a t i o n si sr e s e a r c h e d a n d d e v e l o p e d i nt h i sw o r k 。t h ep r o p o s e dd a t al o g g e ri si n t e l l i g e n tw i t hu l t r al o w p o w e rc o n s u m p t i o n ，t i m e dd a t as a m p l i n ga n dr e c o r d i n gw i t hl a r g em e m o r y s t o r a g e ，a n di sa b l et oc o m m u n i c a t ew i t hs u p e r v i s o r yc o m p u t e rf o rd a t ap r o c e s s i n g a n da n a l y z i n g ，a n da d d i t i o n a l l y , t h ed a t al o g g e ri se a s yt ou s ew i t hs i m p l es y s t e m s t r u c t u r e ，a n dc a nb eb r o a d l ya p p l i e dt oe n v i r o n m e n te n g i n e e r i n gf i e l di nt h ea p p l i c a t i o n so f d a t aa c q u i s i t i o nf o ro t h e rp a r a m e t e r s t h es y s t e m a t i cd e v e l o p m e n tm e t h o do fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ef o rt h el o g g e ri sd e t a i l e di nt h i sw o r k ，f l e x i b l ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s f o rb o t hl o g g e ra n d s u p e r v i s o r yc o m p u t e r i sd e s i g n e d ，a n d f r i e n d l yu s e ri n t e r f a c ef o rt h ec o m p u t e r i s r e a l i z e d b y t h et o o lo fv i s u a lc + + 6 0 t h e p r o p o s e dl o g g e r u t i l i z e s 】6 _ b i t f l a s hm i c r oc o n t r o lu n i t ( m c u ) m s p 4 3 0 f 1 4 9f r o mt ia st h ec o r ep r o c e s s o r , u s e sn o n v o l a t i l el a r g em e m o r yt os t o r ed a t a , a n dr e a l i z e sd a t ac o m m u n i c a t i o n w i t h c o m p u t e rb y s t a n d a r dr s 2 3 2i n t e r f a c e s p e c i a l l yf o rt h ea p p l i c a t i o n si nt h e e n v i r o n m e n te n g i n e e r i n gf i e l d t h ed i g i t a li n p u tc h a n n e lf o ro n o f fs a m p l i n g ，a n d a n a l o gc h a n n e lf o ri n d u s t r ys t a n d a r d4 2 0 m ai n p u ta r e s t u d i e da n dd e s i g n e d ， w h i c hh a se x p a n d e dt h eg e n e r a lp u r p o s eu s a g eo ft h es y s t e m t h e d e s i g nr u l ef o rs u c he m b e d d e ds y s t e m i sd i s c u s s e dd e e p l y ，a n dt h eo p 。 t i m a lm e t h o da n dr u l e sa r eg i v e nf o rt h es e l e c t i o no fm c u ，t h ec h o i c eo fp e r i p h e r a l c o m p o n e n t s ，t h eo p t i m a ls t r a t e g yo fc o m m u n i c a t i o np o r t ，p o w e rm a n a g e m e n th a r d w a r ed e s i g n e d ，a n dt h eo p e r a t i o nm a n a g e m e n tf o rs y s t e ml o wp o w e r c o n s u m p t i o n an o v e l c o m m u n i c a t i o nm o d ei s p r o p o s e d ，w h i c hi s ah y b r i d r s 2 3 2a n du s bp o r t ，a n di s v e r ys u i t a b l ef o r t h el o g g e rs y s t e m t h eh y b r i d i i 2 奎鎏三些銮兰：兰鎏圭兰竺兰銮 c o m m u n i c a t i o nm e t h o dc a l la v o i dt h ei n f l u e n c ef r o m o n l yr s 2 3 2 o ru s b a p p l y i n gt ot h es y s t e m ，p r o v i d e sd o u b l ep o w e rs u p p l yf o rl o g g e r ，a n dr e d u c e sp o w e r c o n s u m p t i o ng r e a t l yw h e n1 0 9 9 e rc o m m u n i c a t i o n s w i t hc o m p u t e r i nc o n c l u s i o n ，e s p e c i a l l yf o rt h ep a r a m e t e ra c q u i s i t i o ni nt h ef i e l do fe n v i r o n m e n te n g i n e e r i n g ，t h i sw o r kp r o v i d e sal o wc o s ta n dp o r t a b l ed a t am e a s u r e m e n ta n ds t o r a g el o g g e rs y s t e mw i t hf l e x i b l eu s a g e ，w h i c hh a sa v e r yb r o a d 印一 p l i c a t i o n so u t l o o k k e y w o r d s h y d r a u l i ca n dw a t e rq u a l i t ym o d e l i n g ；u l t r al o wc o s tp o w e rc o n s u m p t i o n ；d a t al o g g i n g ；e n v i r o n m e n te n g i n e e r i n g 1 1 1 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 1 课题的来源 第1 章绪论 本课题是供水管网信息管理及分析系统开发项目的子课题。 随着生产发展、人民生活水平的提高，和城市化的快速进程，城市给水系 统在城市社会生活和经济活动种所起的作用越来越重要。传统的经验性的日常 操作( 主要指水源调度、管网维护和更新) 和管理方法已经不能适应发展的需 要，虽然能够大体上满足供水需要，但却缺乏科学性和预见性，难以适应同益 发展变化的客观要求。因此，供水企业迫切需要实现现代化的管理、科学化的 决策。随着计算机和自动控制技术的快速发展，阱及远程通信设备成本的下 降，建立供水管网信息管理及分析系统是解决这个问题的最有效手段1 1 , 2 】。 供水管网管理及分析系统的开发中，长期定时采集所需的参数数据是开发 该系统的关键之一。在环境工程应用的调研中发现，该领域很多的研究方向也 十分需要这样的参数数据，作为研究和分析的数据基础，如江河水质模型研 究、水文研究、环境研究、水环境模拟研究和污水排放控制等领域。可见，开 发一种智能超低功耗数据采集记录仪十分必要。 1 1 1 水力水质模型建立的意义 目前供水企业需实现以下几个方面1 3 ： 1 提供可靠的供水水质。供水水质关系到广大居民的身体健康和企业产 品的质量，由于给水管网中的金属管道内壁腐蚀，使管网水的浊度、色度、含 铁量、含锰量等劣于水厂。有时管道内余氯消失，又使细菌等指标明显恶化。 2 提高供水安全可靠性。缺水会给居民生活带来很大不便，也影响工业 生产的正常进行。按供水行业的特点，应强调安全不间断地供应质量良好的 水。 3 降低能耗。 4 降低漏耗。 5 降低药耗。 城市给水系统的规模越来越大，其构造与设施也越来越复杂。用户的需水 量和供水面积也逐年递增，使供水企业在对部分老管道进行更新、改造的同 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 时，又新敷设了一些供水管道，供水配水系统连接日趋复杂。同时由于企业管 理人员的变更，造成许多管网关键资料缺失，管理者对地下管线连接走向不 明，从而使供水调度产生较大困难。 因此我们通过计算机技术的应用，辅助工业企业管理供水管网，对企业供 水系统进行管网模拟分析计算，实现对供水系统的日常操作、维护和更新的活 动分析，包括为水源调度、管网的运行维护提供科学的操作管理方法，为区域 性的供水管网规划、优化改扩建工程提供科学的依据。供水管网信息管理分析 系统包括给水管网的信息管理，管网运行工况模拟计算和分析、管网事故分析 处理和管网改扩建优化设计等几部分。 管网信息管理和分析系统实质就是管网模型。不仅能进行管网信息管理， 而且能进行管网计算、分析、研究。建立供水管网信息管理及分析系统时关键 一步是建立供水管网的水力水质模型【4 】。通过建立的水力模型可以掌握和分析 管网运行工况，可以对各种可能的运行调度方案进行模拟仿真计算寻求最优的 运行调度方案，还可以提供给水管道系统的最优改建扩建调度方案等。而通过 建立的管网水质模型可以模拟水质参数或某种污染物质在管道中随时间和空间 的分布，评估管网水质的状况，评估运行方案。 1 1 2 课题在水力模型建立中的应用 给水管网系统是一个拓扑结构复杂、规模庞大、用水随机性强、运行控制 为多目标的网络结构。以往，对埋在地下的给水管网多属经验性的管理，不能 直接进行试验和大量的测试，实现科学化现代化管理非常困难。2 0 世纪8 0 年 代在计算机飞速发展的促动下，英国在管网建模与应用方面作出了大量的工 作，并提出了建模的标准。到目前为止，管网建模是仿真给水管网系统动态工 况的最有效的方法，它能够提供有价值的信息，有助于实现对管网的科学化、 现代化管理。 水力模型是管网基本方程组以及管网各种各样的动态信息、静态信息，用 某种方式科学的有机地组成的总体。初步建立地管网模型不可能完全符合实际 情况，必须进行修正使其逐渐接近实际，这个过程叫管网模型校验。水力模型 的建立理论上是完善的，但实际运用中会遇到很多人为问题使得水力模型建立 不够准确。在搜集静态动态信息中，监测参数资料不够充分，数据量少或监测 数据有误差。在校验过程中，需要用大量的实测数据对模型进行校验，对模型 进行合理的修正，以不断提高模拟精度。如果数据量少或数据不准确，会使模 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 型偏差比较大，模型不能用来反应实际管网的运行工况，失去其意义，因此数 据的测量是其至关重要的一步。 测量数据要求长时间不问断，而且至少每5 分钟进行一次测量。在传统的 数据收集测量中，都是人为来测量，人为测量是很难达到数据测量的要求，测 量时间不统一，数据误差大，长时间测量需要大量的人力物力。本文研制的智 能超低功耗记录仪会解决此问题，为模型建立提供准确可用的数据，大大提高 了模型建立准确度。 1 1 3 课题在水质模型建立中的应用 管网水质模型是模拟水中物质( 包括余氯及污染物) 随时间在管网中变 化。管网水质模型是在水力分析基础上的，利用计算机模拟水质参数或某种污 染物质在管网中随时间和空问分布。城市管网系统庞大、复杂，靠有限的水质 监测点进行人工脓测，达到实时地、全面地掌握、监控整个管网地水质状况是 很困难的。运用计算机技术，建立管网水质模型，通过监测点的数据，可推算 出管网其它节点处的水质状况。 管网水质模型是建立在管网水力模型的基础上的，没有准确的、可用的管 网水力模型，无法建立水质模型，也不可能进行水质模型的校验。水质模型的 校核与水力模型的校核相似，也需要大量的实测参数数据，数据也必须相同时 间间隔同时进行并长时间的监测。 1 1 4 水力水质参数测量的特点 在建立水力模型时需要测量压力和流量，建立水质模型参数是在水力分析 的基础上的，同时还要测量余氯浓度和浊度等水质参数。测量供水管道中的这 些参数有其本身独特的特点，它存在如下特点： 1 作用半径大，测点分散。一个城市的给水网络规模庞大结构复杂，随 着城市的不断扩大给水系统也不断的扩大，测量给水系统的水力水质参数时， 选择的参数的 贝：1 1 量点要遍布整个给水网络这样测点就相当分散。 2 测量现场无电源。一般根据需要所选择的给水系统管道的监测点处一 般没有供电电源。 3 测量现场条件差。一般根据需要所选择的给水系统管道的监测点，有 的在室外管道井内，有的在地下室的设备用房里，现场阴暗潮湿，设备需要做 好防水措施，而且安装条件比较差。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 4 绘水系统的水力水质参数需要分时记录。建立水力水质模型所需要的 实测数据一般要求按一定的时间周期( 例如1 0 分钟、1 5 分钟) 监测和记录就 可以。 5 测量周期长。建立水力水质模型所需要的实测数据测量周期一般要求1 年以上。 6 无需实时传送数据。模型建立需要大量的实测数据，应用统计数学的 方法建立数学表达式，而且根据实测数据对模型进行校验，这种测量的实时性 要求不高，只须将测量的数据定期取回，进行分析。所以不需要实时传送。 针对以上实际的特点我们必须开发一种方便适用的新型智能数据记录仪。 此仪表必须具有以下特点： 1 必须由电池供电。 2 超低功耗，工作时间长。 3 体积小，易安装。 4 系统能够分时记录。 5 有大容量的非易失性存储器。 6 与上位计算机可以通讯。 1 2 课题的研究在环境工程中应用的意义 本文研制的电池供电的超低功耗智能水力水质参数数据采集记录仪，记录 仪可以自动采集记录参数数据，一段时间后在现场由笔记本电脑取出数据，为 了减少记录仪的功耗、造价和体积，所有的控制和数据采集器的操作都通过使 用安装了数据采集器的软件的个人电脑来实现例。 此参数记录仪的研制可以使整个测量过程具有如下的优点： 1 节省大量的人力，不需要太多的测量人员，仅需在测量的开始和测量 结束时，才需要人的干预。 2 节省投资，不需要很多设备和敷设线路，安装也非常容易。 3 系统稳定，一台参数采集器出现问题不会影响其它的监测点的参数测 量。 4 数据准确，不丢失，数据的采集记录到取出不受人为的主观影响，不 会出现人工测量时所出现的观察误差和数据的漏测。 5 测量时间统一，在测量开始由计算机统一对参数记录仪设置记录开始 时间、时间间隔和结束时间，这样测量的数据是同时间不同管线的参数数据。 6 测量数据易管理，通过专门开发的适配此参数数据采集器的软件可以 设定记录间隔( 1 s - 2 4 h 任意可调) ，设定停止方式，设定启动时间，读取数据 并显示测量数据、历史曲线等，提供打印功能，还可以把数据转化为e x c e l 或曲线图列表形式等等功能。 本课题的研究不但对管网水力水质研究起到重要的作用，它的优良性能， 还可以应用在环境工程研究领域中其它研究方向中，环境工程研究领域中需要 对各种中环境参数进行测量研究，例如江河湖泊水质的研究，需要各种种类繁 多的水质参数的数据，污水研究中需要测量各种污水水质参数( b o d 、c o d 、 p h 值、电导率等) ，各种环境资源的研究需要测量参数( 雨量、风速风向、照 度等) ，在实验室中根据试验要求长期观察参数变化规律等等，此记录系统都 非常适合。 它可以解决获取参数数据困难，数据不准确。数据管理困难等等众多问 题，这些问题都会严重的影响到研究的准确性，和需要大量的人力物力增加研 究成本，其效果却不理想的现时问题。 1 3 课题的国内外研究现状 随着计算机及微电子技术的不断发展，人们开始越来越多地接触到一个新 的概念嵌入式系统，嵌入式系统是计算机技术、通信技术、半导体技术、 微电子技术、语音图像数据传输技术甚至传感器等先进技术与具体应用对象相 结合的更新换代产品。它是技术密集、投资强度大、高度分散、不断创新的知 识密集型系统，反映当代最新技术的先进水平【6 】。嵌入式计算机的硬件及软件 系统被逐渐广泛应用到测量仪器领域1 7 】。数字化测量记录仪器逐渐向高集成度， 多功能、智能化、网络化以及微型化发展。近年来，用于微控制行业的单片微 型控制计算机得到了前所未有的发展，经历了从单片微型计算机到微控制器 ( m c u ) 和混合信号系统级芯片( s o c ) 的变迁。采用嵌入式混合信号系统级微 控制器( m c u ) 芯片以及嵌入式编程语言可以方便快速开发出高集成度和复杂 度的测量记录仪。因此，随着嵌入式系统的快速发展，现在的记录仪已今非昔 比，不再是低速数据采集、电机驱动纸产生曲线的记录仪或采用热记录及光束 电流计写的中速记录仪。表1 一l 对有纸记录仪、无纸记录仪和智能数据记录仪 的各项性能进行了比较。 表1 1 有纸记录仪、无纸记录仪和智能数据记录仪的各项性能比较 t a b l e1 - lt h ev a r i o u sr e c o r d e rc o m p a r i s o n 本课题研究的此类智能数据采集记录仪，配以各种传感器或变送器可以采 集记录温度、压力、流量、相对湿度、电流、功率等物理量和任何通过变送器 器输出4 - 2 0 m a 标准模拟信号的被测参数，可以被广泛应用于工业、农业研 究、气象、环保、卫生防疫、医药、仓储运输、医院、实验室、温室等应用场 合f 8 】。近年在国内外都被外广泛的应用，它的超低功耗、智能、体积小成为研 究焦点。 1 3 1 国外研究与应用现状 在国外很多专门生产此类型的数据采集记录仪( d a t al o g g e r ) 的公司不断 推出改进产品，以适应市场的需要。例如，美国o n s e t 计算机公司出品的 s t o w a w a yd a t al o g g e r 大小只有3 0 x 4 1 x 1 7 m m ，2 0 9 重，由一次性电池供电可 以工作5 年，存储容量3 2 5 2 0 组数据，外壳为防水的环氧盒嘲。此小型的d a t a 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 l o g g e r 成功的被用来记录动物正常时的腹部温度和试验期间( 2 1 天) 每五分钟 记录动物对肌肉注射注射的5 0 m g k g 脂多糖的发烧反应，它的低成本，高存储 量，数据准确精度高和可以在电池供电的情况下长时间工作( 可工作5 年) ， 还有它的低电压、独立工作在本质上使使用更加安全。这些优势都克服了遥测 和雷达收发机在此方面研究应用的缺点。马萨诸塞大学研制的一种基于微处理 器的d a t al o g g e r ，可以用来记录生理参数的数据，设备可以通过皮肤电反应 ( g s r ) 器接收皮肤电反应( g s r ) 数据并且保存数据，一段时间后操作人员 通过计算机串口将数据读取到计算机上【l 。而传统的测量仪由于需要在操作时 和计算机相连，线路相互缠绕约束了检测者的行为。此设备在设计上注重设备 的低功耗，数据压缩运算来优化存储器的使用和缩短数据传输到计算机的时间 的研究。系统以p i c l 7 c 7 3 b 单片机为核心，a t m e l 的a t 4 5 d b 3 2 1 b 存储数 据。设备大小只有1 8 x 9 x 3 c m ，使用方便，易操作。 1 3 2 国内研究与应用现状 在国内，浙江大学电气设备厂也推出了新一代数据记录仪z d r 系列智能 数据记录仪。记录仪体积小、精度高，可采集记录温湿度、照度、c 0 2 、风向 风速、雨量、电压、电流、p h 等参数，现已在多项国家重点实验室、科研单 位及大型环境工程中应用，反映良好。它集数据采集、记录和传输于一体，具 有小体积( 5 8 7 2 2 9 m m ) 、低功耗( 配锂电池可连续工作1 年) 、高可靠 ( 适应恶劣环境，失电时不丢失数据。) 、多功能( 同时显示、记录多路数据， 采集的数据能用专用软件或e x c e l 、w o r d 处理) 等特点【1 l j 。石油大学地球 物理研究所研的超低功耗井下监测仪，以a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机为核心，采用掉 电的工作方式和可编程看门狗监控电路x 2 5 0 4 3 4 5 等方法，研制出适合井下工 作的超低功耗仪表。系统在正常采集时典型电流5 7 5 m a ，c p u 在唤醒期间电 流为5 5 m a ，在掉电模式下电流只有1 2 m a l l 2 。 2 0 0 4 年1 0 月，由中国科学院水生生物研究所与日本国立水产工学研究所 联合进行了“应用微型数据记录仪研究江豚感觉行为”中日合作项目。将6 头江 豚装上微型数据记录仪后放回故道，每头江豚均附着2 个微型数据记录仪，分 别是行为和声信号记录仪。通过无线电接收器成功收回全部1 2 个微型数据记 录仪。本次微型数据记录仪记录时间共计长达2 0 0 多个小时【l 。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 4 本文主要研究的内容 本课题针对水力水质建模中，现场数据的采集的特点，构造出一种可以长 期( 3 5 年) 采集记录数据并可对数据进行整理分析的系统。并基于嵌入式系 统低功耗技术开发研制出此系统的核心仪器一一种超低功耗的数据采集记录 仪，和该系统用于分析数据分析处理的上位机软件。根据实际工程需要( 测量 给水管道的压力和流量) ，本文首先研究了针对压力和流量测量参数进行采集 记录的超低功耗智能记录仪( 在本文中简称为l o g g e r ) 的研制，由其通用性又 研究了该记录仪在环境工程中的其他应用。 本文主要对以下几方面进行研究： 1 分析水力建模、管网水质建模、江河湖泊水质建模的方法和意义。还 重点分析了建模中现场数据测量中存在的问题及其对建模准确性的影响，提出 本文研制的超低功耗记录仪在其中的重要作用。 2 超低功耗水力水质参数采集记录仪的研制。包括硬件和软件设计。 硬件电路的设计：基于嵌入式系统低功耗技术确定系统整体研究方案，设 计硬件电路图，选择系统所需的各种电子元器件并制作电路板，调试电路板。 系统软件设计：软件设计包括两部分，一是单片机本身的数据测量、存 储、处理的软件，在使用l o g g e r 时管理单片机的运行。二是实现单片机与p c 机的通讯和对数据整理分析的上位机软件。 3 重点研究了嵌入式系统的超低功耗设计方法，介绍了在l o g g e r 设计中 所采用的超低功耗设计方法，使其系统达到预期的超低功耗设计指标。 4 基于测量压力和流量参数的l o g g e r 扩展到环境工程中其他数据参数 ( 如各种水质参数、雨量、风速风向等) 的一系列智能超低功耗记录仪的设 计，研究此记录仪在污永监测、雨水资源和风资源研究中的应用，给出水质参 数记录议、雨量记录仪和风速风向记录仪等智能数据采集记录仪的硬件设计方 法。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第2 章水力水质建模分析 2 1 水力建模分析 2 1 1 水力模型建立过程 建立管网模型，掌握准确可靠的属性信息是非常重要的1 1 。属性信息分为 管网静态信息和动态信息。管网静态信息包括：管段信息、节点信息、水源信 息、水泵信息和地理信息等。管网静态信息包括：管段信息、节点信息、水源 信息、水泵信息和地理信息等；动态信息包括：管网总供水量、控制阀门开启 度、用户用水规律、水源运行信息、监测点数据等。收集属性信息之后，建立 管网的模型，进行计算、反复校核、修正，建立准确的供水管网模型。建模流 程如图2 1 所示l ”j 。 图2 1 管网建模技术流程图 f i g u r e2 - 1t h e f l o wc h a r to f w a t e rd i s t r i b u t i o nm o d e l i n g 整个建模过程可以分为以下几个方面： 1 图形模拟 将复杂的城市给水管网拓扑结构，在可行、合理的简化基础上，数字化录 入计算机，拼组成一个能实现供水管网的计算机模拟的管网图形( 包括管段长 度、管径、敷设年代、附件位置和属性及其连接节点等详细属性信息) ，这些 属于静态信息。同时建立相应的数据库，分类存放各类数据。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 状态模拟 管网节点流量是随时间变化的，城市不同用水户的用水规律也各不相同， 整个城市的用水量随机性很强，管网漏失水量又受到管网水压、高位水池变化 的影响，同时阀门的开启度也直接影响到管网的通水量。状态模拟就是要对这 些管网运行中的动态数据进行模拟，其目的在于通过求解管网状态方程( 节点 连续性方程、环的能量方程以及管段的流量和压力损失关系的管段压降方程) 进行管网水力计算分析。 3 参数模拟 给水管网中有一些控制参数，随着管网使用年代的增加发生变化，这些参 数在模拟的计算和分析中起着重要的作用。这些参数在短时间内不随时间的变 化，对其进行计算和模拟，主要是解决这些参数难以直接的困难。例如：对于 管道阻力系数值，新旧管道c 值不同，不同敷设年限的旧管道，c 值也 不尽相同；在进行给水管网水质分析时，引入余氯衰减系数k 值表征管道内的 卫生状况，新旧管道k 值不同，不同敷设年限的旧管道k 值也不尽相同。所 以在对管网的水力分析和水质分析时，应该对管道的c 值、k 值进行模拟。 2 1 2 水力模型校核 模型校核一般可分为以下几步： l ，明确模型的用途； 2 预设模型参数值； 3 收集用于校核的测压测流数据： 4 求解模型： 5 模型预校核： 6 灵敏度分析； 7 模型微观校核。 在模型校核，最重要的测定是管网中选定节点的流量和压力，并加以记 录。一般校核点数目为管网模型节点数的1 0 以上，并且测点要均匀分布在管 网模型中。对管网模型的修改主要是根据实测情况进行调整。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 2 管网水质建模的分析 2 2 1 管网水质模型的建立 管网水质模型分为稳态水质模型和动态水质模型。 根据节点质量平衡，典型的稳态水质模型如式( 2 1 ) 。 ( q c ) m ( q c ) 。= 如。c 。， ( 2 一1 ) 式中9 一进入或流出节点的流量： c 一进入或离开节点的浓度； g ，广一在这个节点处进入或离开系统的流量； e ；广一在这个节点处进入或离开系统的浓度。 动态水质模型是在配水系统水力工况变化条件下，动态模拟管网中物质的 移动和转变。变化因素包括水量变化、蓄水池的水位变化、阀门设置、储水池 和水泵的开启和停止以及应急蓄水量的变化等。 管道中对流传输过程可用一维质量守恒的微分方程描述如式( 2 2 ) 。 掣鲨乜掣盟一r 咖，f ) 】_ 0 ( 2 - 2 ) 研 o q t 式中c t ( x , t 卜管段i 在x 处f 时刻的浓度； “广一管段i 的流速； 口厂一管段f 的流量； r c 。 f ) 卜一管段中反应物的反应表达式，对非反应物其值为零。 管线端点处的浓度，由物质自身的质量平衡决定，假设物质在节点处瞬间 完全混合如式( 2 3 ) 。 吼( f ) c j ( f ，j ) + g ，( f ) c ：( f ) q ( f ) - 生1 丽矿 q 。 式中c i ( f ) f 时刻节点i 的物质浓度； 以砂在t 时刻管段，的流量： 颐蝎) _ 一在f 时刻管段，的末端与节点i 相连处的物质浓度： 厶一管段j 的长度； 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 c ：( r ) r 时刻输入节点f 的浓度； q ，在t 时刻流入节点f 的流量；，为流入节点i 的管段集合。 管网内物质变化反应速率多用一阶反应表达式( 2 4 ) ： r ( c f ) = c ， ( 2 4 ) 式中c 广一管段f 的浓度； 。 a 广f 的一阶反应常数。 2 2 2 管网水质模型校核 管网水质模型的校核过程，是利用管网模型的模拟结果与一组现场实测数 据进行比较，直到模拟结果和实测数据达到一致，或者达到可按收的精度。因 此，需找到一种合适的方法用以校核，调整模型参数以减少实地测量值和模拟 结果之间的插值。 模型校核过程是由几个步骤构成一个循环，首先建立一时间框架，由此进 行数据采集，调查运行状态，及系统的初始模拟。之后，在进行比较，根据比 较结果进行分析判断，若比较结果达到一定精度范围，即认为水质模型校核完 成，可接受并使用。若没有获得满意结果，调整模型参数重复进行校核。模型 校核过程见图2 2 。 2 3 江河湖泊水质建模分析 2 3 1 江河湖泊水质数学模型建立意义 江河湖泊水质数学模型( 简称水质模型) 是一个用于描述物质在水环境中 的混合、迁移过程的数学方程，即描述水体污染与时间、空间的定量关系。在 环境污染控制和水质规划研究中，水质模型显得尤为重要，在国外利用水质模 型进行河流、湖泊、水库及河口等水质规划已经取得成功，一些在五六十年代 曾经严重污染的河流，如芝加哥、泰晤士河、莱茵河等河流利用所建的水质模 型进行水质规划和管理，使水体水质有了明显的好转。随着治理力度的加大和 水处理技术的发展，点源的废水水量相对的减少了，而非点源或来自农业、城 市的径流越来越重要。水质模型有助于预测进入表面水的非点源污染规律。因 此水质模型在河流水质规划、管理中是一个非常重要的工具。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图2 - 2 管网水质模型校核过程 f i g u r e2 - 2t h ef l o wc h a r to f w a t e rq u a l i t ym o d e l c h e c k 2 3 2 江河湖泊水质数学模型 一维水质模型是水质模型中相对简单的一种，适用于河流流速v 较小的小 型河道，岸边排放的污染物能在较短的时间内到达对岸，且能与河流均匀混 合。其微分方程如式( 2 5 ) t 1 6 1 ： 篓+ u 箜：一艇( 2 5 1 西ax 方程( 2 5 ) 的解为 c = 糌e x p f 坐8 6 4 0 0 u j f ( 2 - 6 ) q p + 虢 1 、。 式中c 叫 污口下游污染物浓度( m g l ) f 嘞移距离( m ) ； ( ，一一河流平均流速( m s ) ； 卜污染物综合衰减系数( w ) ； q 广上游来水设计水量( m 3 s ) ； 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 c p 一上游来水设计水质浓度( m g l ) ； 9 厂为排污口废水排放量( m 3 s ) ； q 一为排污口污染物排放浓度( r a g l ) 。 二维非稳态水质模型可用于河流( 如长江) 、湖泊的水质预测、混合带计 算等。其基本方程表达式如下： 挈。i - t o ( u h c ) + 丁o ( v h c ) = 昙i 嗉 + 导 e y h 号 + 册。一， 国氟西氟l ml 咖l劫l 、 式中c 浓度值( r a g l ) ： 肛一平均水深( m ) ； 犷1 向水流速度( m s ) ； 1 r 了向水流速度( m s ) 艮z 向的紊动扩散系数； 巨- _ ) ，向的紊动扩散系数； s 污染物的源汇。 2 3 3 江河湖泊水质数学模型建立步骤 水质模型建立步骤可分为： 模型的概化：这一步包括有关变量的选择，确定变量之间的相互影响以及 变化规律。模型结构概念的形成。模型只是真实情况的一个近似表达，而不能 完全反应实际，所以建模时只能选择其中关键的变量。 模型的一般性研究：包括模型的平衡性、稳定性和灵敏度研究。灵敏性是 指模型中参数的变化对模型所产生的影响，其研究结果如果不令人满意，则应 回到第一步重新选择变量。 参数估计：水质模型中的参数是物理的、化学的和生物过程中的常数、参 数估计是水质模型研究汇总非常重要的一环，在很大程度上，水质模型应用的 成败取决于参数估计是否正确。一个模型的参数估计如果不理想，则模型的结 构可能需要重新考虑。水质描写的参数必须通过某种方式来确定。模型中参数 确定一般由下述三个方面获得： 1 经验系数和经验公式。目前，这类系数和经验公式很多，它们的优点 是计算简便、快速、经济，缺点是对模型的精度有一定影响，最好是通过实测 数据作一滤定。 2 实验室测定。有一部分模型的系数通过实验确定可获得较好的效果。 3 由野外追踪监测并用参数估计方法确定。 模型的校验：模型建立好后，需要用另一套测量数据检验其预测功能，不 断的校验参数，达到校验结果有较好的一致性，则认为模型有较好的预测功 能，否则重新进行模型的结构和参数估计，直到结果满意。 模型的应用：研究水质模型的目的是控制水质、防止污染、改善人类赖以 生存的环境。所以建模的最终结果是成功的应用于水质管理和水质规划。 2 4 水力水质建模中数据采集方法分析 2 4 1 数据采集分析 通过对水力水质建模分析可以看出，无论是在供水管网水力水质模型的建 立中，还是在江河湖泊水质模型的建立中，实测参数的获得是十分重要的，它 会影响整个模型建立的准确度，也是校核模型建立正确与否的重要方法。 模型准确度虽然还受很多因素的影响，像在水力模型建立中，许多因素从 表面上看来是静态的、确定的、其实也是动态的、不确定的或模糊的，例如管 段直径，在数据库中标明的是公称直径，实际上管臂结垢和杂质沉淀，管段直 径逐渐减少，甚至变成非圆断面，而钢管往往标称其外径。但这些因素是人为 无法控制和解决的。而现在大部分实测数据的获得靠人为获得，其间的错误率 是可想而知的。 实测数据的测量时间都需要很长时间，有的需要一个月甚至半年，实测时 间越长模型校核的越精确。测量的参数要求隔一段时间就要记录一次，像对流 量和压力储水池的记录，至少要每5 分钟进行一次。测量的参数时，同类参数 数据记录需要同时进行测定，时间相差不大于1 5 秒。这些测量要求人为是很 难达到的，人为测量保证不了短距离间隔的测量工作，也无法达到同步记录。 实测监测点越多越好，以管网为例，一般测量点数目为管网模型节点数的 1 0 以上。在确定用户用水量时，须将用户合理分类，实际测量每类用户的日 变化曲线和时变化曲线，即在每类用户中选若干典型用户，设专人每j 5 分钟 读一次水表，给出用水量日变化曲线和时变化曲线。这方面工作可能需要反复 交叉进行。例如天津市将用户分为居民、工业、文教卫生、政治团体等1 1 大 类，其中工业又分机械、化工建材、食品等数十类，居民、文教卫生等也都划 分成许多类，划分越细则越准确，但测量工作量越大，需要人力太多。 由于工作量大和测量麻烦，很多工程中在建立模型时还经常采用经验公式 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 法来确定模型中的参数，在计算值和实测值比较时，仅仅测量2 4 小时的情 况，然后进行比较，这种做法势必会降低模型的精确度。现在人们不断改进模 型的研究方法就是想提高模型精度，如果可以提供大量的可靠的数据就可以提 高精度，而且随着科技的不断发展，利用测量仪器是可以达到此目的的，因此 本文研究的智能超低功耗数据采集记录仪，能够满足水力水质建模中参数采集 的实际需要，通过大容量的精确数据，提高模型的准确度。 现在在管道水质监测中涌现了很多在线实时监控设备，可以实时监控水质 变化，数据达到实时分析。此设备优点很多，但其昂贵的价格，让人望而却 步，只有一些大的供水公司使用得起；由于价格贵，其监测点也设立的少，很 难满足要求。对于短期的科学研究来说，又不可能为此研究上一套如此昂贵的 设备，人为测量工作量大，准确性又难保证。而此智能超低功耗数据记录仪系 统价格便宜，系统组成简单，易操作，灵活性强，易移动，也非常适用于科学 研究中使用，对于在线实时监控系统也是一个有益的补充。 2 4 2 以某地区供水管网水质模拟为例 2 4 2 1 某地区供水状况地势北高南低。面积为2 2 平方公里。市政给水管网 长度约6 0 公里，水表块数大约1 3 0 0 个，平均用水量为4 万吨天。北部为 山，山脚居民的地面标高平均为1 4 米左右，南部为海边，地面标高为2 3 米。供水由两个水厂提供。总供水量为5 万吨天。该地区配水管网为一个完 整、独立的管网系统，主要的干管为两个水厂的出水管( 管径分别为d n 6 0 0 ， d n 7 0 0 ) 。 2 4 2 2 水质监测点选择给水系统中共设置了3