基于径向基神经网络的明渠流量软测量方法

　　1 引 言

　　河流与渠道内的流量测量在国际标准中统称为明渠流量测量[1]。它能够为整个渠系的计划用水和水量调配等工作提供量化参考，长期观测也可为水利规划设计和科学研究提供数据积累，因此如何迅速、准确地测得明渠流量至关重要。

　　目前用于明渠流量在线测量的方法可分为建筑物测流法和流速-面积法两大类。前者精度高，易于实现自动化测量，但需对已有明渠进行改造，投资大，只适用于少数小型人工渠道。后者根据传感器相对水流的位置关系，又可分为以转子式流速仪为代表的接触式、以多普勒流速剖面仪( ADCP) 为代表的微侵入式以及以电波流速仪为代表的非接触式 3 类[1]。然而，大量实践表明[2-4]，现场环境下流态的复杂度使得明渠流量的实时测量中存在着许多不精确和不确定性问题，并且由于技术和经济的原因，动态流量变量目前尚难以或暂时无法直接通过传感器进行检测，这使得现有明渠测流方法在监测自动化、测量准确度、测量成本和适用范围等方面存在不足。新兴的大尺度粒子图像测速法( LSPIV)[5]是一种极具应用潜力的非接触式流速测量方法，具有布设便捷、测量迅速、可自动遥测的特点，已被应用于美国爱荷华河和法国地中海地区山溪性河流的暴洪流量监测，并被证明具有和 ADCP 相当的测流精度[6]。但敏感度分析也表明: 表面流速系数分析不准确引起的倍乘误差是该方法主要误差源[7]。

　　鉴于此，本文对已广泛用于过程控制领域的软测量技术进行了研究，设计了一种既能替代流速-面积精测法进行快速测量又能保证较高精度，并具有较低测量成本和较广适用范围的测流新方法。该方法利用流速-面积法获取的精测数据，建立了基于 RBFNN 的软测量模型，以模拟明渠的实际流速-水位-流量的内在关系，实现少量水面点流速和单点水位到断面流量的映射。通过将该模型和三线一点流量简测法的测量结果进行实验对比，发现该方法无需进行水面流速系数分析，可以在降低明渠流量测量复杂度的同时，保证较高的测量精度，能够配合 LSPIV 流速仪实现非接触的明渠流量动态监测。

　　2 流速-面积法分析

　　明渠流量是单位时间内通过测量断面的水流体积，即流量 = 断面平均流速 × 过水断面面积。基于上述定义的流速-面积法是我国明渠流量测量中使用最普遍、最成熟的方法。其中流速仪法被认为是明渠流量测量的标准方法，该方法先以测速垂线为界线，将明渠断面划分为几个子区域，再根据实测流速及水深计算各子区域的断面面积、平均流速及流量，然后将各个子区域的流量求和得到总的断面流量。其计算公式如式( 1) 所示: