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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 黃河河道冰水情與冰凌圖像定點(diǎn)連續(xù)測(cè)報(bào)系統(tǒng)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 本作品基于獨(dú)特的空氣、冰與水的物理特性差異檢測(cè)原理，研制成功新型的“R-T（電阻-溫度梯度）冰水情自動(dòng)檢測(cè)傳感器”，融合了太陽(yáng)能供電、計(jì)算機(jī)信息處理、移動(dòng)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(diǎn)連續(xù)測(cè)報(bào)系統(tǒng)。首次通過(guò)遠(yuǎn)程無(wú)人自動(dòng)檢測(cè)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(bào)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(shí)現(xiàn)冰層內(nèi)部物理狀態(tài)連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)是南北極科考、防凌減災(zāi)、水文、水電工程安全運(yùn)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(bào)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(dá)掃描、聲納、冰模型仿真預(yù)測(cè)及人工量測(cè)等方法一直是冰水情冰凌監(jiān)測(cè)的主流技術(shù)，它們存在的共同缺陷是無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)冰層內(nèi)部狀態(tài)變化完整與連續(xù)的監(jiān)測(cè)，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(dòng)檢測(cè)及冰凌災(zāi)害預(yù)報(bào)中。如何實(shí)現(xiàn)在惡劣的野外環(huán)境下對(duì)黃河河道冰水情信息的長(zhǎng)期連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，成為目前建設(shè)現(xiàn)代化的黃河冰凌災(zāi)害預(yù)報(bào)系統(tǒng)面臨的最大“技術(shù)瓶頸”。本作品基于獨(dú)特的空氣、冰與水的物理特性差異檢測(cè)原理，研制成功新型的“R-T（電阻-溫度梯度）冰水情自動(dòng)檢測(cè)傳感器”，融合了太陽(yáng)能供電、計(jì)算機(jī)信息處理、移動(dòng)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(diǎn)連續(xù)測(cè)報(bào)系統(tǒng)。與黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院、黃河寧蒙水文局、黃河萬(wàn)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(guò)兩個(gè)冬春季的現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)，突破了對(duì)河道冰層內(nèi)部連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)的理論與技術(shù)難關(guān)，首次通過(guò)遠(yuǎn)程無(wú)人自動(dòng)檢測(cè)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(bào)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(dòng)檢測(cè)工程中，并與中國(guó)極地研究中心冰川室簽定了開(kāi)展南極海冰觀測(cè)試驗(yàn)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(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 目的：實(shí)現(xiàn)在惡劣的野外環(huán)境下對(duì)黃河河道冰水情信息的長(zhǎng)期連續(xù)自動(dòng)測(cè)報(bào)，為黃河冰凌災(zāi)害的預(yù)報(bào)提供充足的冰水情數(shù)據(jù)，以達(dá)到預(yù)防凌汛災(zāi)害的目的。 基本思路：本作品基于獨(dú)特的空氣、冰與水的物理特性差異檢測(cè)原理，研制 “R-T（電阻-溫度梯度）冰水情自動(dòng)檢測(cè)傳感器”，融合太陽(yáng)能供電、計(jì)算機(jī)信息處理、移動(dòng)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(diǎn)連續(xù)測(cè)報(bào)系統(tǒng)。 創(chuàng)新點(diǎn)： 1）提出利用空氣、冰與水的電阻、溫度值差異實(shí)現(xiàn)對(duì)黃河河道冰層內(nèi)部物理狀態(tài)、冰厚與冰下水位實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)的方法。 2）設(shè)計(jì)級(jí)聯(lián)工作模式和撥碼開(kāi)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(cè)點(diǎn)以及江河湖泊水庫(kù)冰水情監(jiān)測(cè)。 3）遠(yuǎn)程控制攝像頭轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)冰凌圖像多角度觀測(cè)，河道冰凌圖像可視化監(jiān)測(cè)。 4）數(shù)據(jù)處理部分，提出最小二乘法變點(diǎn)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(jì)算河道冰凌的密度。 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)如下： 可測(cè)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(cè)量范圍：-30℃~+65℃，誤差≤0.5℃ 數(shù)據(jù)內(nèi)部存儲(chǔ)容量：2G（最高32G） 供電方式：太陽(yáng)能/蓄電池DC 12V 信號(hào)傳輸方式：SD插卡轉(zhuǎn)存/3G視頻傳輸/GPRS傳輸
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 本作品是申請(qǐng)人和項(xiàng)目組全體成員在參加教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目“基于空氣、冰與水的物理特性差異檢測(cè)方法與冰水情信息全天候自動(dòng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用機(jī)理研究”（項(xiàng)目編號(hào)：20091402110004）、2009年山西省研究生優(yōu)秀創(chuàng)新項(xiàng)目“GSM/GPRS黃河河道冰、水情及冰凌災(zāi)害遠(yuǎn)程遙測(cè)系統(tǒng)的研制（項(xiàng)目編號(hào)：80010402100171）”資助下，采用獨(dú)特的基于空氣、冰與水的物理特性差異檢測(cè)原理，突破了對(duì)冰層內(nèi)部、冰水混合層范圍連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)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(cè)與預(yù)報(bào)實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目相結(jié)合，與黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院、黃河寧蒙水文局、黃河萬(wàn)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(guò)兩個(gè)冬春季的現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)，突破了對(duì)河道冰層內(nèi)部連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)的理論與技術(shù)難關(guān)，首次通過(guò)遠(yuǎn)程無(wú)人自動(dòng)檢測(cè)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(bào)提供了一種可行的工程應(yīng)用技術(shù)與設(shè)備。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 2011年5月在“中國(guó)電子學(xué)會(huì)電路與系統(tǒng)分會(huì)圖論與系統(tǒng)優(yōu)化專業(yè)委員會(huì)2011年學(xué)術(shù)年會(huì)”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(cè)中的應(yīng)用》 2）《基于R-T冰水情自動(dòng)檢測(cè)傳感器的河道冰層厚度自動(dòng)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(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在黃河頭道拐河道冰水情定點(diǎn)連續(xù)自動(dòng)測(cè)報(bào)的應(yīng)用證明” 2010年7月獲得為中國(guó)南極27次科考提供10套冰情檢測(cè)設(shè)備并與中國(guó)極地中心冰川室聯(lián)合開(kāi)展南極中山站海冰觀測(cè)試驗(yàn)的“證明” 2011年4月獲“合作進(jìn)行黃河萬(wàn)家寨水利樞紐水電大壩冰情監(jiān)測(cè)工程試驗(yàn)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(cè)方法與設(shè)備在額爾古納河齊乾站點(diǎn)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(cè)方法與設(shè)備在四川省巴塘縣黨恩測(cè)冰站點(diǎn)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(guò)學(xué)校知識(shí)產(chǎn)權(quán)辦公室轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實(shí)物，現(xiàn)場(chǎng)演示
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 本作品基于獨(dú)特的空氣、冰與水的物理特性差異檢測(cè)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(diǎn)連續(xù)測(cè)報(bào)系統(tǒng)。首次通過(guò)遠(yuǎn)程無(wú)人自動(dòng)檢測(cè)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(bào)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(dòng)化領(lǐng)域。包括：河道、湖泊、水庫(kù)、明渠、長(zhǎng)距離輸水工程、海岸等冰、水情信息的全天候連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè) 2）環(huán)境與氣象監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。包括：南、北極海冰觀測(cè)、陸地冰川、凍土層、濕地等物理狀態(tài)變化的監(jiān)測(cè) 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(bào)、電力網(wǎng)凍雨覆冰災(zāi)害監(jiān)測(cè) 4）科學(xué)研究、工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域。包括：冰的力學(xué)強(qiáng)度、工業(yè)材料力學(xué)強(qiáng)度等的檢測(cè) 由于本作品方法獨(dú)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(diǎn)連續(xù)測(cè)報(bào)系統(tǒng)”、“額爾古納河冰下水位自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)”、“四川巴塘水壩冰層厚度自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)”等實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)。
同類課題研究水平概述
- 目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)冰生消過(guò)程的測(cè)量可以采用冰模型仿真預(yù)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)物理檢測(cè)兩種不同的途徑加以實(shí)現(xiàn)。實(shí)際應(yīng)用于工程冰層厚度檢測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)物理檢測(cè)方法又可以依據(jù)檢測(cè)方式的不同進(jìn)一步劃分為接觸與非接觸兩種不同的檢測(cè)類型。非接觸型檢測(cè)方法則是冰水情檢測(cè)傳感器不與冰體發(fā)生直接的接觸，通過(guò)聲學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)等高科技手段對(duì)被測(cè)介質(zhì)進(jìn)行非接觸式的測(cè)量，依據(jù)聲、光、電磁信號(hào)的變化檢測(cè)冰水情信息；而接觸型冰層厚度檢測(cè)方法在進(jìn)行冰水情檢測(cè)的過(guò)程中，冰水情檢測(cè)傳感器需要與被測(cè)冰體發(fā)生直接接觸，通過(guò)傳感器與介質(zhì)的直接接觸而檢測(cè)出冰水情信息。 常見(jiàn)的非接觸型冰層厚度檢測(cè)方法包括： 1）通過(guò)衛(wèi)星、雷達(dá)或者空中拍攝進(jìn)行大范圍區(qū)域的冰水情遙測(cè) 2）通過(guò)物理電磁學(xué)探測(cè)方法進(jìn)行小范圍固定區(qū)域的冰層厚度檢測(cè) 非接觸型冰水情檢測(cè)方法一般說(shuō)來(lái)操作方便、數(shù)據(jù)便于處理，但是造價(jià)昂貴、測(cè)量誤差 大、對(duì)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(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)中 常見(jiàn)的常用接觸型冰層厚度檢測(cè)方法有： 1）傳統(tǒng)的人工直接測(cè)量法 2）不凍孔測(cè)樁式冰厚測(cè)試法 3）冰芯固體直流導(dǎo)電特性檢測(cè)（ECM）方法 4）基于磁滯位移傳感器的冰層厚度檢測(cè)方法 接觸型現(xiàn)場(chǎng)物理檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)可靠，操作維護(hù)簡(jiǎn)便，但大多數(shù)方法存在自動(dòng)化程度低、勞動(dòng)強(qiáng)度高、危險(xiǎn)性大等缺點(diǎn)，不能保證在同一地點(diǎn)自動(dòng)連續(xù)檢測(cè)或在多地點(diǎn)同步進(jìn)行自動(dòng)化連續(xù)檢測(cè) 不論是通過(guò)冰模型預(yù)測(cè)或是通過(guò)物理實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)冰層厚度、冰凌災(zāi)害的自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)時(shí)，掌握整個(gè)冰層內(nèi)部冰情狀態(tài)連續(xù)變化的信息都是一個(gè)必不可少的前提。而上面所提到的各種冰情檢測(cè)方法，都存在一個(gè)共同的缺陷：無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)冰層內(nèi)部冰情狀態(tài)變化的連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)，也就意味著無(wú)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(gè)冰情檢測(cè)預(yù)報(bào)水平的技術(shù)瓶頸。冰情檢測(cè)過(guò)程以及相應(yīng)的檢測(cè)設(shè)備是在十分惡劣的環(huán)境下進(jìn)行的，由于沒(méi)有可靠的冰情自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)方法與設(shè)備，我國(guó)水文觀測(cè)站、長(zhǎng)期依靠人工進(jìn)行冰情觀測(cè)，觀測(cè)次數(shù)少，實(shí)時(shí)性差，導(dǎo)致冬季水文資料匱乏，很難建立可供冰凌預(yù)報(bào)的冰情數(shù)學(xué)模型。解決這一問(wèn)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(duì)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(jìn)行連續(xù)自動(dòng)化檢測(cè)的方法及設(shè)備。
