基本信息
- 项目名称：
- 黄河河道冰水情与冰凌图像定点连续测报系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品基于独特的空气、冰与水的物理特性差异检测原理，研制成功新型的“R-T（电阻-温度梯度）冰水情自动检测传感器”，融合了太阳能供电、计算机信息处理、移动通信等多种现代电子信息技术，研制了不受地域与气候环境限制的黄河河道冰水情与冰凌图像定点连续测报系统。首次通过远程无人自动检测方式获取了系统的黄河冰水情与冰凌图像数据，为黄河冰凌灾害的预报提供了一种可行的工程应用技术与设备。
- 详细介绍：
- 实现冰层内部物理状态连续自动检测是南北极科考、防凌减灾、水文、水电工程安全运行、环保气象等领域的前沿课题，也是黄河冰凌灾害预报系统建设中急需解决的重大工程难题。利用卫星遥感、雷达扫描、声纳、冰模型仿真预测及人工量测等方法一直是冰水情冰凌监测的主流技术，它们存在的共同缺陷是无法实现对冰层内部状态变化完整与连续的监测，难于应用于地理、水文环境复杂的黄河河道冰水情自动检测及冰凌灾害预报中。如何实现在恶劣的野外环境下对黄河河道冰水情信息的长期连续自动监测，成为目前建设现代化的黄河冰凌灾害预报系统面临的最大“技术瓶颈”。本作品基于独特的空气、冰与水的物理特性差异检测原理，研制成功新型的“R-T（电阻-温度梯度）冰水情自动检测传感器”，融合了太阳能供电、计算机信息处理、移动通信等多种现代电子信息技术，研制了不受地域与气候环境限制的黄河河道冰水情与冰凌图像定点连续测报系统。与黄河水利委员会黄河水利科学研究院、黄河宁蒙水文局、黄河万家寨水利枢纽有限公司防汛办等单位科技人员合作，将设备安装于内蒙黄河头道拐、蒲滩拐河道，经过两个冬春季的现场工程试验，突破了对河道冰层内部连续自动检测的理论与技术难关，首次通过远程无人自动检测方式获取了系统的黄河冰水情与冰凌图像数据，为黄河冰凌灾害的预报提供了一种可行的工程应用技术与设备。这一技术还被成功应用于东北额尔古纳河冰下水位、四川巴塘高海拔大坝冰层厚度自动检测工程中，并与中国极地研究中心冰川室签定了开展南极海冰观测试验的合作意向书，显示出广阔的工业应用前景。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的：实现在恶劣的野外环境下对黄河河道冰水情信息的长期连续自动测报，为黄河冰凌灾害的预报提供充足的冰水情数据，以达到预防凌汛灾害的目的。 基本思路：本作品基于独特的空气、冰与水的物理特性差异检测原理，研制 “R-T（电阻-温度梯度）冰水情自动检测传感器”，融合太阳能供电、计算机信息处理、移动通信多种现代电子信息技术，研制了不受地域与气候环境限制的黄河河道冰水情与冰凌图像定点连续测报系统。 创新点： 1）提出利用空气、冰与水的电阻、温度值差异实现对黄河河道冰层内部物理状态、冰厚与冰下水位实现定点连续自动监测的方法。 2）设计级联工作模式和拨码开关分压电阻调节模式，使传感器不受河水深度和水质影响，广泛应用于黄河各测点以及江河湖泊水库冰水情监测。 3）远程控制摄像头转动，实现现场冰凌图像多角度观测，河道冰凌图像可视化监测。 4）数据处理部分，提出最小二乘法变点冰水情数据处理算法和基于亮度均衡的图像阈值分割算法，解决了原始采样数据中奇异值引起误判的难题，提高了冰情数据分析的准确度，计算河道冰凌的密度。 系统技术指标如下： 可测量物理量：冰层内部电阻、温度梯度值；冰层厚度；冰下水位；水位；冰凌密度 冰厚或水位量程：2~4 m 温度梯度量程：2~4 m 分辩率：±1cm 冰/水温测量范围：-30℃~+65℃，误差≤0.5℃ 数据内部存储容量：2G（最高32G） 供电方式：太阳能/蓄电池DC 12V 信号传输方式：SD插卡转存/3G视频传输/GPRS传输
科学性、先进性
- 本作品是申请人和项目组全体成员在参加教育部高等学校博士学科点专项科研基金项目“基于空气、冰与水的物理特性差异检测方法与冰水情信息全天候自动监测领域的应用机理研究”（项目编号：20091402110004）、2009年山西省研究生优秀创新项目“GSM/GPRS黄河河道冰、水情及冰凌灾害远程遥测系统的研制（项目编号：80010402100171）”资助下，采用独特的基于空气、冰与水的物理特性差异检测原理，突破了对冰层内部、冰水混合层范围连续自动检测的理论与技术难关，将获得的原创性理论研究成果与黄河宁蒙段河道冰水情和冰凌灾害监测与预报实际应用项目相结合，与黄河水利委员会黄河水利科学研究院、黄河宁蒙水文局、黄河万家寨水利枢纽有限公司防汛办等单位科技人员合作，将设备安装于内蒙黄河头道拐、蒲滩拐河道，经过两个冬春季的现场工程试验，突破了对河道冰层内部连续自动检测的理论与技术难关，首次通过远程无人自动检测方式获取了系统的黄河冰水情与冰凌图像数据，为黄河冰凌灾害的预报提供了一种可行的工程应用技术与设备。
获奖情况及鉴定结果
- 2011年5月在“中国电子学会电路与系统分会图论与系统优化专业委员会2011年学术年会”发表论文两篇： 1）《基于亮度均衡化的图像阈值分割技术在黄河冰凌监测中的应用》 2）《基于R-T冰水情自动检测传感器的河道冰层厚度自动判定算法研究》 2010年4月获“GSM/GPRS河道冰、水情信息与冰凌图像远程自动监测系统在黄河头道拐河道冰水情定点连续自动测报的应用证明” 2010年7月获得为中国南极27次科考提供10套冰情检测设备并与中国极地中心冰川室联合开展南极中山站海冰观测试验的“证明” 2011年4月获“合作进行黄河万家寨水利枢纽水电大坝冰情监测工程试验的证明” 2011年5月获“基于空气、冰与水的物理特性差异冰水情检测方法与设备在额尔古纳河齐乾站点应用证明” 2011年5月获“基于空气、冰与水的物理特性差异冰水情检测方法与设备在四川省巴塘县党恩测冰站点应用证明”
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 通过学校知识产权办公室转让
作品可展示的形式
- 实物，现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本作品基于独特的空气、冰与水的物理特性差异检测原理，研制成功不受地域与气候环境限制的黄河河道冰水情与冰凌图像定点连续测报系统。首次通过远程无人自动检测方式获取了系统的黄河冰水情与冰凌图像数据，为黄河冰凌灾害的预报提供了一种可行的工程应用技术与设备。 本作品成果可能的推广应用领域： 1）水文信息自动化领域。包括：河道、湖泊、水库、明渠、长距离输水工程、海岸等冰、水情信息的全天候连续自动监测 2）环境与气象监测领域。包括：南、北极海冰观测、陆地冰川、冻土层、湿地等物理状态变化的监测 3）灾害预警领域。包括：黄河流域及北方冬季结冰地区河流的冰凌灾害预报、电力网冻雨覆冰灾害监测 4）科学研究、工业测量领域。包括：冰的力学强度、工业材料力学强度等的检测 由于本作品方法独特，可靠性高，成本较低，目前已与多家单位合作，将中试产品推广应用，已初步建成“黄河河道冰水情和冰凌图像定点连续测报系统”、“额尔古纳河冰下水位自动测报系统”、“四川巴塘水坝冰层厚度自动测报系统”等实际应用系统。
同类课题研究水平概述
- 目前，国内外对冰生消过程的测量可以采用冰模型仿真预测和现场物理检测两种不同的途径加以实现。实际应用于工程冰层厚度检测的现场物理检测方法又可以依据检测方式的不同进一步划分为接触与非接触两种不同的检测类型。非接触型检测方法则是冰水情检测传感器不与冰体发生直接的接触，通过声学、光学、电磁学等高科技手段对被测介质进行非接触式的测量，依据声、光、电磁信号的变化检测冰水情信息；而接触型冰层厚度检测方法在进行冰水情检测的过程中，冰水情检测传感器需要与被测冰体发生直接接触，通过传感器与介质的直接接触而检测出冰水情信息。 常见的非接触型冰层厚度检测方法包括： 1）通过卫星、雷达或者空中拍摄进行大范围区域的冰水情遥测 2）通过物理电磁学探测方法进行小范围固定区域的冰层厚度检测 非接触型冰水情检测方法一般说来操作方便、数据便于处理，但是造价昂贵、测量误差 大、对环境的要求也比较苛刻，不宜应用于河道的冰水情自动测报系统中 常见的常用接触型冰层厚度检测方法有： 1）传统的人工直接测量法 2）不冻孔测桩式冰厚测试法 3）冰芯固体直流导电特性检测（ECM）方法 4）基于磁滞位移传感器的冰层厚度检测方法 接触型现场物理检测方法的优点是数据可靠，操作维护简便，但大多数方法存在自动化程度低、劳动强度高、危险性大等缺点，不能保证在同一地点自动连续检测或在多地点同步进行自动化连续检测 不论是通过冰模型预测或是通过物理实时监测系统实现对冰层厚度、冰凌灾害的自动监测预报时，掌握整个冰层内部冰情状态连续变化的信息都是一个必不可少的前提。而上面所提到的各种冰情检测方法，都存在一个共同的缺陷：无法实现对冰层内部冰情状态变化的连续自动检测，也就意味着无法获取完整、连续的冰情变化数据，从而成为影响整个冰情检测预报水平的技术瓶颈。冰情检测过程以及相应的检测设备是在十分恶劣的环境下进行的，由于没有可靠的冰情自动连续监测方法与设备，我国水文观测站、长期依靠人工进行冰情观测，观测次数少，实时性差，导致冬季水文资料匮乏，很难建立可供冰凌预报的冰情数学模型。解决这一问题的根本出路是寻求一种可以适应恶劣的野外工作环境、对能反映河道冰层内部冰情状态及冰情参数（如冰层厚度、冰下水位、温度、冰凌密度等）进行连续自动化检测的方法及设备。
