本发明涉及信息，尤其涉及一种基于多通道超声波阵列的明渠流量测量方法及系统。
背景技术：
1、随着经济的发展和人口的增加，水资源的利用效率成为社会关注的焦点之一。水利明渠闸门是水利水电工程重要的组成部分，它利用明渠闸门控制流量和调节水位，以达到减轻或消除水旱灾害，满足人们生活和生产需求，在防洪治涝、农业灌溉、水力发电、航运交通、生态环境保护等方面发挥着重要作用。水利明渠闸门在保障水资源利用的同时，也需要严格的运行管理和控制。
2、传统的明渠流量测量方法主要依赖人工操作，存在控制精度有限、人力成本高的缺点。而且，在复杂的水流环境下，传统的测量方法难以实现水流的智能化管理，无法对明渠闸门进行有效的控制。
技术实现思路
1、本发明为解决上述技术问题，提出了一种基于多通道超声波阵列的明渠流量测量方法及系统，以解决至少一个上述技术问题。
2、为实现上述目的，一种基于多通道超声波阵列的明渠流量测量方法，应用于多通道超声波流速测量装置，多通道超声波流速测量装置包括超声波传感器；应用于液位测量设备，液位测量设备包括外壳、感应面板、数据传输模块、供电电池以及单片机，其中感应面板、单片机、数据传输模块以及供电电池设置在外壳内部；外壳为用于保护设备；感应面板包括多个感应区、多个感应电容转换电路、液位测量电极、液体参考电极、环境参考电极以及电容数字转换器，数据传输模块用于实现液位测量设备与数据服务器之间的通信，使液位测量设备通过无线网络将测量得到的数据传输给数据服务器；供电电池用于为液位测量设备供电；单片机为采用32位处理器架构，用于对液位数据进行采集、处理以及传输，通过内置的电容数字转换器将感应面板采集到的模拟信号转换为数字信号；该基于多通道超声波阵列的明渠流量测量方法包括以下步骤：
3、步骤s1：利用液位测量设备对待测液体进行测量，从而获得液位数据；
4、步骤s2：获取明渠闸门结构数据，通过多通道超声波流速测量装置获取明渠闸门分层流速数据，对明渠闸门分层流速数据以及液位数据进行计算，从而获得明渠流量数据；根据明渠闸门结构数据、明渠闸门分层流速数据、明渠流量数据以及液位数据构建明渠闸门开关公式，其中明渠闸门开关公式具体为：
5、；
6、为明渠闸门阈值，为明渠闸门前侧面的液位值，为明渠闸门后侧面的液位值，为明渠闸门重量，为明渠闸门体积，为明渠流量值；
7、步骤s3：获取历史水文数据以及明渠闸门历史开关数据，对历史水文数据以及明渠闸门历史开关数据进行计算，从而得到明渠闸门历史数据集；
8、步骤s4：根据明渠闸门开关公式并利用明渠闸门历史数据集构建明渠闸门智能开关模型；
9、步骤s5：获取实时液位数据以及实时明渠闸门分层流速数据，对实时液位数据以及实时明渠闸门分层流速数据进行计算，从而得到明渠闸门指令数据；
10、步骤s6：根据明渠闸门指令数据进行计算，从而得到明渠闸门开启模式，以发送至明渠闸门控制模块执行明渠闸门运行作业。
11、本发明利用液位测量设备对待测液体进行测量，使用液位测量装备测量待测液体能减少人工测量的工作量，提高了工作效率，降低操作风险，并能增加液位数据的准确性和真实性，从而获得液位数据；获取明渠闸门结构数据，通过多通道超声波流速测量装置获取明渠闸门分层流速数据，对明渠闸门分层流速数据以及液位数据进行计算，从而获得明渠流量数据；根据明渠闸门结构数据、明渠闸门分层流速数据、明渠流量数据以及液位数据构建明渠闸门开关公式，构建明渠闸门开关公式能提高明渠闸门的开关控制精度和稳定性，从而得到明渠闸门开关公式；获取历史水文数据以及明渠闸门历史开关数据，对历史水文数据以及明渠闸门历史开关数据进行计算，从而得到明渠闸门历史数据集，明渠闸门历史数据集可以为智能水利明渠闸门控制系统提供参考依据，进而提高系统的精度和效率；根据明渠闸门开关公式并利用明渠闸门历史数据集构建明渠闸门智能开关模型，明渠闸门智能开关模型利用明渠闸门开关公式和明渠闸门历史数据集能够构建了更为准确和稳定的数学模型，能够更好地预测当前水文环境下明渠闸门的控制状态，避免人为误差和数据错误对水利工程造成的影响；获取实时液位数据以及实时明渠闸门分层流速数据，对实时液位数据以及实时明渠闸门分层流速数据进行计算，根据实时液位数据和实时明渠闸门分层流速数据进行计算，能得到更加准确和真实的数据，提高水利工程的精度，从而得到明渠闸门指令数据；根据明渠闸门指令数据进行计算，从而得到明渠闸门开启模式，以发送至明渠闸门控制模块执行明渠闸门运行作业，利用计算得到的明渠闸门开启模式，可以实现对水闸的信息，提高水利工程的智能化程度，可以得到最佳的明渠闸门开启模式，从而确保明渠闸门的精准控制，提高水位的稳定性和准确性，减少了人工干预的工作量，提高了明渠闸门安全运行的可靠性和稳定性，降低了水利工程的人力成本。
12、可选地，感应面板上多个感应区从下到上依次等距布置，多个感应区分别与多个感应电容转换电路一一对应，每个感应区与对应的感应电容转换电性连接，每相邻两个的感应区之间设置有一个液位测量电极，液体参考电极位于感应面板的底部，环境参考电极位于感应面板的顶部，且处于液位测量量程以外的位置，液位测量电极与电容数字转换器对应，每个液位测量电极与对应的电容数字转换器电性连接，液体参考电极和环境参考电极均与每个电容数字转换器连接，感应电容转换电路和电容数字转换器均与单片机连接；
13、感应区为导电面，根据产生的感应电容值大小能够区分有无液体覆盖；
14、感应区和液位测量电极在测量液位时不直接接触待测液体，以实现隔离式测量；
15、感应面板上的感应区数量由液位量程确定。
16、本发明中的感应面板上每个感应区都可以被视为一个电容器，液位测量电极作为另一个电容器的一部分，液体和环境参考电极也作为电容器的一部分。因为液体参考电极和环境参考电极都是固定的，所以它们的电容不会改变，而液位测量电极的电容会随着液位的变化而改变，这种基于电容测量原理的感应面板精度高、响应时间快以及可靠性高。感应区根据产生的感应电容值大小区分有无液体覆盖能够实现对液位的快速准确判断，能有效减少误报率，降低误诊率，提高液位检测的精度和灵敏度。感应区为导电面可以适用于各种液体环境，并且有精度高响应速度快的特点。隔离式测量可以保护电极和感应区免受液体的腐蚀或损害，提高测量设备的寿命和可靠性，隔离式测量不直接接触液体，减少了测量误差的可能性，提高了测量的准确性和稳定性。感应区数量的核实选择能够提高液位控制的精度和速度。
17、可选地，步骤s1具体为：
18、步骤s11：将液位测量设备部分或全部浸没于待测液体后，感应面板对待测液体从下往上检测，根据感应面板中感应区产生的感应电容值大小进行数字转换，获得感应区输出状态，其中感应区输出状态包括有液体状态以及无液体状态；
19、步骤s12：根据感应区输出状态通过判别处理得到当前液位线所在的感应区，将当前液位线所在的感应区对应高度作为第一级测量结果数据；
20、步骤s13：获取液位测量电极的电容值、液体参考电极的电容值以及环境参考电极的电容值，对液位测量电极的电容值、液体参考电极的电容值以及环境参考电极的电容值进行计算，获得第二级测量结果数据，其中第二级测量结果数据为当前液位线所在的感应区与上方的感应区之间的液位高度；
21、步骤s14：对第一级测量结果数据以及第二级测量结果数据进行计算，从而得到液位数据。
22、本发明将液位测量设备部分或全部浸没于待测液体，感应面板对待测液体从下往上检测，从下往上检测比从上往下检测更容易应对液位的变化，能够检测更广泛的液位范围。根据感应面板中感应区产生的感应电容值大小进行数字转换，能够快速、准确以及高敏感度的得出感应区输出状态，从而获得感应区输出状态。根据感应区输出状态通过判别处理得到当前液位线所在的感应区，将当前液位线所在的感应区对应高度作为第一级测量结果数据。获取液位测量电极的电容值、液体参考电极的电容值以及环境参考电极的电容值，对液位测量电极的电容值、液体参考电极的电容值以及环境参考电极的电容值进行计算，获得第二级测量结果数据，利用液位测量电极的电容值、液体参考电极的电容值以及环境参考电极的电容值进行计算可以修正测量结果中的误差，提高测量精度和可靠性，从而更加准确地测量液位高度。对第一级测量结果数据以及第二级测量结果数据进行计算，从而得到液位数据。将第一级测量结果数据和第二级测量结果数据进行计算，可以得到更为准确、可靠的液位数据。
23、可选地，步骤s3具体为：
24、获取历史水文数据以及明渠闸门历史开关数据，利用明渠闸门开关公式对历史水文数据进行计算，从而得到明渠闸门历史水文数据；
25、对明渠闸门历史水文数据以及明渠闸门历史开关数据基于时间顺序进行时序合并，从而生成明渠闸门历史数据集。
26、本发明获取历史水文数据以及明渠闸门历史开关数据，利用明渠闸门开关公式对历史水文数据进行计算，可以有效计算出明渠闸门的高度和宽度的最佳值、明渠闸门的最佳开门时间和关门时间，从而得到明渠闸门历史水文数据。对明渠闸门历史水文数据以及明渠闸门历史开关数据基于时间顺序进行时序合并，能够更好地分析水文条件对明渠闸门开关的影响，能够获取明渠闸门的正常运行范围和存在异常的情况，提高明渠闸门运行的稳定性、准确性以及可靠性，从而生成明渠闸门历史数据集。
27、可选地，步骤s4具体为：
28、利用明渠闸门开关公式对明渠闸门历史数据集进行计算，从而得到明渠闸门开关阈值数据集，其中明渠闸门开关阈值数据集包括明渠闸门全开阈值数据、明渠闸门挡流阈值数据与明渠闸门半开阈值数据；
29、根据明渠闸门开关公式并利用明渠闸门开关阈值数据构建明渠闸门智能开关模型；
30、将明渠闸门智能开关模型作为输入数据，输入至数据分析模块，实现数据分析模块对实时数据进行监测分析。
31、本发明利用明渠闸门开关公式对明渠闸门历史数据集进行计算，可以得到合适的明渠闸门开关阈值数据集，提高明渠闸门的稳定性和可靠性，避免出现操作失误和设备故障，从而得到明渠闸门开关阈值数据集。根据明渠闸门开关公式并利用明渠闸门开关阈值数据构建明渠闸门智能开关模型，构建明渠闸门智能开关模型能避免传统的明渠闸门开关可能存在的误判、误操作等问题，提高了明渠闸门开关的准确度和稳定性，可以自动实现明渠闸门的开启和关闭，避免了人工干预的成本，从而节约了成本，智能开关模型的自动化操作可以有效降低了操作人员的风险，提高了操作的安全性。将明渠闸门智能开关模型作为输入数据，输入至数据分析模块，实现数据分析模块对实时数据进行监测分析，能够帮助监测发生的故障和隐患，以提高系统的效率和安全性。
32、可选地，步骤s6具体为：
33、步骤s61：根据明渠闸门开关阈值数据对明渠闸门指令数据进行分类计算，从而得到明渠闸门开启模式数据，其中明渠闸门开启模式数据包括明渠闸门全开模式数据、明渠闸门半开模式数据以及明渠闸门挡流模式数据；
34、步骤s62：将明渠闸门开启模式数据发送至明渠闸门控制模块执行明渠闸门运行作业，使明渠闸门根据明渠闸门开启模式数据使用不同的明渠闸门开启模式，其中明渠闸门开启模式包括明渠闸门全开模式、明渠闸门半开模式以及明渠闸门挡流模式；
35、步骤s63：获取实时的明渠闸门开启模式，并在明渠闸门开启模式与对应的明渠闸门开启模式数据不符时，改变明渠闸门开启模式，以使明渠闸门开启模式与明渠闸门开启模式数据相匹配。
36、本发明根据明渠闸门开关阈值数据对明渠闸门指令数据进行分类计算，从而得到明渠闸门开启模式数据，能够得出不同开启模式下的水流情况，进而确定最佳的开启模式，能够提高明渠闸门使用寿命，延长设备的维护周期，减少明渠闸门故障。将明渠闸门开启模式数据发送至明渠闸门控制模块执行明渠闸门运行作业，使明渠闸门根据明渠闸门开启模式数据使用不同的明渠闸门开启模式。获取实时的明渠闸门开启模式，并在明渠闸门开启模式与对应的明渠闸门开启模式数据不符时，改变明渠闸门开启模式，以使明渠闸门开启模式与开启模式数据相匹配，获取实时的明渠闸门开启模式并做出适当的调整，可以确保设备按照合适的模式进行工作，提高设备的稳定性和可靠性，适当的开启模式可以使设备工作更加高效，节约资源和成本，改变明渠闸门开启模式以适应当前工作状态可以最大程度地提高设备的效率。
37、可选地，步骤s12具体包括以下步骤：
38、从下往上检测感应区输出状态，直至检测出连续两个感应区输出状态为无液体状态，从而得到液位感应区；
39、在液位感应区的上方继续往上检测感应区输出状态；若往上检测出感应区输出状态都为无液体状态，则判别当前液位位于液位感应区，并将这液位感应区位于下方的感应区高度作为第一级测量结果数据。
40、本发明从下往上检测感应区输出状态，直至检测出连续两个感应区输出状态为无液体状态，通过检测的连续两个感应区输出状态为无液体状态，可以排除单个感应区输出状态的错误，从而提高了可靠性，从而得到液位感应区。在液位感应区的上方继续往上检测感应区输出状态；若往上检测出感应区输出状态都为无液体状态，则判别当前液位位于液位感应区，并将这液位感应区位于下方的感应区高度作为第一级测量结果数据，采用多级测量，将液位感应区位于下方的感应区高度作为第一级测量结果数据，不但可以减小误差，还可以提高测量的精度和准确度，从而更准确地测量液位的高度。
41、可选地，其中步骤s13中的对液位测量电极的电容值、液体参考电极的电容值以及环境参考电极的电容值进行计算具体为：
42、根据液位测量电极的电容值、液体参考电极的电容值以及环境参考电极的电容值构建感应区距离公式，其中感应区距离公式具体为：
43、；
44、其中，为感应区距离，为当前液位线的液位测量电极的电容值，为没有待测液体时的液位测量电极的电容值，为液体参考电极的电容值，为环境参考电极的电容值，为转换系数；
45、本发明中的感应区距离公式充分考虑了影响感应区距离的当前液位线的液位测量电极的电容值，没有待测液体时的液位测量电极的电容值，液体参考电极的电容值，环境参考电极的电容值，形成了的函数关系，实现了利用当前液位线的液位测量电极的电容值、没有待测液体时的液位测量电极的电容值、液体参考电极的电容值以及环境参考电极的电容值计算感应区距离，并通过转换系数的引入，可以根据待测液体的种类适当调整转换系数，进一步提高转换系数的适用性，该公式考虑到不同液体对电极电容值的影响，适用于各种液体的测量，能够有效提高感应区距离的准确性和真实性。
46、利用感应区距离公式对液位测量电极的电容值、液体参考电极的电容值以及环境参考电极的电容值进行计算，获得感应区距离，并将感应区距离作为第二级测量结果数据。
47、本发明根据液位测量电极的电容值、液体参考电极的电容值以及环境参考电极的电容值构建感应区距离公式，构建感应区距离公式可以消除电极、液体及环境等因素对电容的影响，减小误差，提高液位测量的精度。利用感应区距离公式对液位测量电极的电容值、液体参考电极的电容值以及环境参考电极的电容值进行计算，获得感应区距离，并将感应区距离作为第二级测量结果数据，使用感应区距离作为第二级测量结果数据，可以避免电容测量中不稳定的因素对测量结果的影响，从而获得更加稳定的测量信号。
48、可选地，步骤s61中的分类计算为利用优化二级模型进行分类计算，其中优化二级模型的构建方法包括以下步骤：
49、通过预设的划分比例对明渠闸门指令数据进行划分，从而获得训练集和测试集；
50、利用catboost算法对训练集以及测试集进行建模，从而得到catboost一级模型；
51、利用决策树算法对训练集以及测试集进行建模，从而得到决策树一级模型；
52、利用catboost一级模型以及决策树一级模型对测试集进行预测，从而得到预测结果；
53、利用预测结果通过支持向量机建模算法进行建模，从而构建二级模型，并利用测试集对二级模型进行迭代均方值误差拟合，从而获得优化二级模型。
54、本发明中的优化二级模型，将潮位范围数据通过预设的划分比例进行划分，将明渠闸门指令数据进行划分能够防止过拟合、验证模型的能力以及提高模型的可靠性，从而得到训练集和测试集。使用catboost算法对训练集以及测试集进行建模，catboost算法能够有效降低过拟合风险、能够自动参数调优、预测准确度高的优势，从而得到catboost一级模型。使用决策树算法对训练集以及测试集进行建模，决策树算法能够有效地进行特征选择，可以提高模型精度和效率，能够有效降低噪声数据的影响，从而得到决策树一级模型。利用catboost一级模型以及决策树一级模型对测试集进行预测，从而得到预测结果。利用预测结果通过线性回归方法进行建模，从而构建二级模型，使用catboost一级模型以及决策树一级模型对测试集进行预测的预测结果作为特征来训练二级向量机模型，与使用单个模型相比，这种集成学习技术可以带来更好的准确性和鲁棒性。利用测试集对二级模型进行迭代均方值误差拟合，从而获得优化二级模型，利用测试集对二级模型进行迭代均方误差拟合可以有效地优化模型的预测性能，提高模型的泛化能力，并评估模型的预测性能。
55、可选地，本说明书中还提供一种基于多通道超声波阵列的明渠流量测量系统，包括：
56、至少一个处理器；以及，
57、与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
58、存储器存储有可被至少一个处理器执行的计算机程序，计算机程序被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行上述任一项的基于多通道超声波阵列的明渠流量测量方法。
59、本发明中一种基于多通道超声波阵列的明渠流量测量系统，该系统能够实现本发明任意一种基于多通道超声波阵列的明渠流量测量方法，用于联合各个设备之间的操作与信号传输的媒介，以完成基于多通道超声波阵列的明渠流量测量方法，系统内部结构互相协作，从而完善水利明渠闸门的控制和应用，实现对水利明渠闸门的智能化控制。