虚拟仪器技术在水利工程测量中应用

1、虚拟仪器技术在水利工程测量中应用摘要：虚拟仪器是最新的pc技术，是先进的测量技 术和强大的软件包等多种技术的集成。本文以水利测量自动 化、集成化和水利信息数字化为背景，探讨了虚拟仪器在实 际水利测量中的应用和综合测量仪器的开发方法。关键词：虚拟仪器；3s；数字河流；labview随着计算机技术、3s (rs, gis, gps)技术以及先进测 量手段在水利工程中的广泛应用，水利工程测量进入了一个 新的发展阶段。作为水利学科主要研究对象的江河湖海等大 尺度客体，其影响因素纷繁复杂，内部运行规律难以准确描 述。传统的水利测量仪器普遍存在着开发周期较长、功能单 一、测量点分散、种类少、可靠性低、实时

2、性和扩展性差等 缺点。正在兴起的虚拟仪器技术正好能满足水利测量仪器进 一步发展的需求。利用这项新的仪器开发技术还能方便地对 现有的测量仪器进行功能扩展，保证获得较高的精度和可靠 性，以及较好的实时性。利用这项新的技术设计的测量仪器, 还便于组成强大的测量网络，并与计算机技术进行系统集 成，实现数据融合，适应水利工程数字化发展的趋势。一、虚拟仪器技术简介虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效 灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。自问世 以来，世界各国的工程师和科学家们都已将ni labview图 形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产 品质量、缩短了产品投放市场

3、的时间，并提高了产品开发和 生产效率。使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相 连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较 大范围内提高生产效率。虚拟仪器具有性能高、扩展性强、 节约时间、无缝集成的特点，备受使用着青睐。基于多种总线系统推出和研制的虚拟仪器，大多由三大 功能模块组成，即对被测信号的分析与处理、采集与控制、 测量结果的输出与表达。传统仪器是有硬件和固化的软件组 成，如果计算机能完成对这些功能移植，插上各种控制转换 卡以及数据采集卡，在计算机屏幕上利用软件生成所需的仪 器面板并进行信号的分析、处理和显示，这样就构成了一台 简单的虚拟仪器。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了

4、解决信号的输入输 出和转换，软件才是整个仪器系统的关键。任何一个使用者 都可以通过修改软件的方法，很方便地改变、增减仪器系统 的功能与规模和进行维护，所以有'软件就是仪器”之说。ni公司推出的软件包labview是虚拟仪器系统开发的标 准平台。labview的编程和其他高级语言不同，它是基于一 种图形化的语言一一g语言的编程。创建虚拟仪器的过程共 分以下三步。（一）创建虚拟仪器的交互式用户接口（称为前面板）, 它模仿了实际仪器的面板。通过鼠标和键盘输入数据、控制 按钮，可在计算机屏幕上观看结果。在前面板上输入量被称 为控制（controls）、输出量被称为显示以各种图标和显示（indi

5、cators）控制形式出现，如开关、旋钮、图表、按钮、 图形等，这就有了直观易懂的前面板。（二）虚拟仪器从流程图中接收命令（用g语言创建）。流程图是一个编程问题的图形化解决方案，也是虚拟仪器的 源代码。每一个程序前面板都对应着一段框图程序。框图程 序由端口、节点、图框和连线构成。其中，端口向程序前面 板的控制和显示传递数据，用节点实现函数和功能调用，图 框被用来实现结构化程序控制命令，而连线代表程序执行过 程中的数据流，定义框图内的数据流动方向。（三）创建虚拟仪器的图标和连接。图标是子程序在其 他程序框图中被调用的节点表现形式；而连接器则表示节点 数据的输入/输出口，就像函数的参数。用户必须指

6、定连接 器端口与前面板的控制和显示 对应。这样，其他的虚拟 仪器才能将数据传输给一个子仪器。图标和连接允许将此仪 器作为最高级的程序，也可以作为其他程序或子程序。labview自带有许多开发者可能用到的丰富的工具软件 包。例如，它整合了 gpib、vxi、rs-232和rs-485以及数 据采集卡等硬件通信的全部功能。内置了强大的网络接口和 开发模块，甚至支持tcp/ip、ftp等协议。自带的600多个 仪器驱动程序可驱动超过50多家厂商所制造的仪器，可以 大幅度地减少开发软件所需的时间。功能超强且庞大的分析函数库，足以与专业数学分析套 装软件相匹敌，这些函数库包括统计、回归分析、线性代数、

7、数字信号处理、时域、频域分析、数字滤波器以及三维图形 处理等。二、虚拟仪器技术在水利测控系统中的应用应用方案1利用虚拟仪器技术可方便地对常规的水利测量仪器进 行改造，从而设计出功能强大的用于水利测量的系统。常规的水利测量仪器如水位仪，旋桨，热丝流速仪以及 电磁流量计等，都可以方便地通过接口转换卡转换成符合虚 拟仪器总线标准的设备，从而集成到虚拟测控系统中，完全 依靠一台计算机就可控制多台测量仪器。当然还可以通过在 计算机上插上合适的板卡对一些对象进行动态监控，如控制 闻门的步进电机就是常常需要监控的对象，从而组成一个独 立的测控系统。根据实践，利用labview开发出的虚拟仪器 测控系统，做出

8、的控制界面内容丰富、漂亮，控制方便可靠, 实时性好，编程容易。另外，现在发展的一些比较先进的流 场流速测量技术，如激光多普勒测速仪(pda)、三维热丝风 速仪、粒子图像测速仪(piv)等在开发过程中需要对多台 测量装置进行实时同步控制，如piv还需要对所得的图像进 行匹配和数据处理，如果使用传统的思路和语言如vb、vc+ 等开发，工作量很大，利用labview来进行开发，则会大大 降低开发的周期和难度。得到的大量数据还可很方便地进行 各种处理，进行图形化显示和互相交换，甚至与其他软件平 台进行数据交换。总之，利用虚拟仪器的设计方法，可以设 计出许多性能优异的服务于水利测量的仪器。应用方案2利用

9、labview强大的网络功能可以进行远程现场在线测 控，在室内就可以对水域现场进行准确的测量，便于无人值 守的水文观测站的建立。labview还封装了 tcp类库，其中 的internet工具箱还为应用系统增加了 e-mail.ftp和web 能力，可以很方便地开发出网络应用程序，应用于远程在线 自动测控系统。这些功能在水利测量中有着广泛的应用前 景。利用它可以把水情、雨情等固定的观测站很方便地组成 网络，并把测得的各种数据送到流域信息中心，为科学研究、 水文预报、水利调度和决策提供科学依据。它的这些强大功 能很适合构成3s系统的底层平台，共同组成无缝连接的立 体信息系统。gps系统对大面积环

10、境进行动态监测，以及对 遥感图片进行定量的描述都需要地面观测仪器进行快速准 确的数据采集，这正是虚拟仪器的特长；反过来借助gps和 rs技术能优化地面观测站点的动态分布，减少测点，进而缩 短传输路线和减少传输量。如果把这些技术很好地互相结合 就可以形成空间、地面及水下的三维立体信息网，能更好地 为水利学科的研究和有关决策提供丰富准确的数据。应用方案3利用labview对漏孔漏率的测量原理为：首先待参考室 和变容室内的压力达到动态平衡后，将差压阀门关闭，得其 内压力为p用绝压规测测量，然后关闭隔离阀门，打开差压 阀门，此时变容室和漏孔处于连通状态，这时不断流入变容 室的被测漏孔流出的气体，变容室中的压力开始增大，当达 到设定值（比如+2 pa）参考室与变容室之间的压力差（用 差压规测量）时，以便增大变容室的体积活塞被驱动退出变 容室使变容室中的压力下降，当压力差于变参考室与变容室 之间为设定值（比如-2 pa）时，活塞停止运动，这时压力 又开始增大在变容室中。总之，在信息化技术发展飞速的今天，只有不断的将新 的高科技技术运用到生活生产中去，才能实现技术发展的价 值。虚拟仪器技术在水利测量中的成功应用，对水利建设的 发展起到积极的推动作用，无论是测量，调度还是监控都能 取得非常良好的效果。参考文献：1 司环宇，文恒，苗恒录，贺元甲.labview虚拟仪器 技术在水利测