魚道過魚監(jiān)測系統(tǒng)的研究與應用

王世玉，宋海峰，陳正平，羅招貴

[1.新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設管理局，新疆烏魯木齊 830000；2.國網(wǎng)新源控股有限公司回龍分公司，河南省南陽市 473000；3.南瑞集團（國網(wǎng)電力科學研究院）有限公司，江蘇省南京市 211106]

0 引言

為了利用豐富的水資源，修建攔水壩等水利工程改變了河流的自然形態(tài)，使生活其中的魚類生存所需的生態(tài)環(huán)境條件、水文情勢發(fā)生變化，最終對魚類資源產(chǎn)生影響，如水中魚類的遷移洄游。為了保護天然漁業(yè)資源、保障水生生態(tài)系統(tǒng)的連續(xù)性和多樣性，需要在修建有攔河壩等水利工程的地方修建生態(tài)補償工程[1]。2015年，由國家能源局頒布的《水電工程過魚設施設計規(guī)范》（NB/T 35054—2015）中將生態(tài)補償工程（過魚設施）劃分為仿自然通道、魚閘、集運魚系統(tǒng)及魚道4類，其中以魚道工程最為常見。魚道是一種呈連續(xù)階梯狀的水槽式構筑物，主要形式包括池式魚道、槽式魚道和其他特殊形態(tài)的魚道。

國內魚道工程的建設開始時間較早，但魚道工程對于魚類洄游效果如何以前尚沒有可靠的監(jiān)測手段[2]，近年來隨著國家對生態(tài)環(huán)境越來越重視，國家對魚道工程運行情況的監(jiān)測提出了明確要求，如《水利水電工程魚道設計導則》（SL 609—2013）中要求：“魚道應在適當位置設置觀察室，或圖像監(jiān)控設施?！蓖瑫r明確“魚道觀測內容主要包括魚道流速、水深、流量，上、下游水位，過魚數(shù)量、規(guī)格、種類等，在特殊水位組合情況下，可通過對魚道進、出口閘門進行聯(lián)合控制，降低魚道內流速，滿足過魚要求?！?在《水電工程過魚設施設計規(guī)范》（NB/T 35054—2015）中要求：“過魚設施應布置觀測室，在觀測室中應布置觀測窗，可配備攝像機、魚探儀、計數(shù)器、顯示器等必要的觀測和記錄設備。觀測設備應能自動進行晝夜連續(xù)觀測，適應不同的氣候條件，識別不同魚類種類和大小。記錄設備應能記錄過魚時間，統(tǒng)計過魚數(shù)量，并存儲過魚過程的影像。過魚設施運行期應開展過魚效果的觀測、記錄和統(tǒng)計分析，并對設施的運行狀態(tài)進行評估。過魚設施運行管理單位應建立完善的觀測評估資料檔案管理制度，定期對過魚設施的運行效果進行評估，并報上級部門和環(huán)境保護行政主管部門等?！?/p>

目前魚道過魚情況監(jiān)測主要采用國外進口產(chǎn)品，對于不同魚道工程適應性調整比較困難，給魚道過魚監(jiān)測的全面推廣帶來一定困難，為此研制一套適合國內魚道工程特點、具有靈活配置性的魚道監(jiān)測裝置很有必要。

1 功能設計

在魚道典型斷面設置監(jiān)測裝置，監(jiān)測水位、水溫、流速等信息采集為魚類洄游習性分析提供原始數(shù)據(jù)；監(jiān)測通過斷面魚的數(shù)量、長度及實時圖像[3]，為過魚情況的統(tǒng)計分析提供依據(jù)，主要功能設計如下：

（1）多參數(shù)監(jiān)測。魚道過魚監(jiān)測除了監(jiān)視過魚情況外，還能監(jiān)測水溫、流速等環(huán)境狀態(tài)，以便最終實現(xiàn)過魚情況綜合分析。

（2）觀測裝置自動清洗。根據(jù)國內已建魚道類似過魚監(jiān)測系統(tǒng)應用情況，由于河道水質一般比較渾濁，特別在汛期，裝置在水中長時間運行后，裝置表面附著大量污垢，影響觀測效果，需人工定期清理去污，因此，系統(tǒng)設計了自動清洗功能，以提高觀測效果、降低裝置運行維護工作量。

（3）綜合監(jiān)控與分析。對魚道閘門、水位、水溫、流速、視頻、過魚計數(shù)等各類數(shù)據(jù)進行綜合監(jiān)控和分析，實現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)視、聯(lián)動與統(tǒng)計分析。

2 系統(tǒng)設計

根據(jù)上述功能設計，需要設計研究一套監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)魚道過魚觀測和觀測統(tǒng)計分析與展示[4]，系統(tǒng)主要包括觀魚監(jiān)測裝置與過魚監(jiān)測分析軟件兩部分。

2.1 系統(tǒng)總體結構

魚道過魚監(jiān)測系統(tǒng)主要包括現(xiàn)地觀測裝置及過魚監(jiān)測分析軟件兩部分。過魚觀測裝置主要實現(xiàn)過魚計數(shù)及過魚視頻記錄。過魚監(jiān)測分析軟件主要實現(xiàn)過魚數(shù)據(jù)、圖像采集、存儲、統(tǒng)計分析及展示與查詢。過魚觀測裝置安裝在魚道內，過魚監(jiān)測分析軟件部署在監(jiān)控室服務器或工作站上。觀測裝置與監(jiān)控室服務器之間通過光纖或網(wǎng)絡線進行連接，以保證計數(shù)數(shù)據(jù)及視頻數(shù)據(jù)的可靠傳輸。為防止因網(wǎng)絡中斷等原因導致觀測數(shù)據(jù)、圖像丟失，系統(tǒng)采用了分布部署方式，即在監(jiān)測裝置附近和監(jiān)控室均部署監(jiān)測系統(tǒng)軟件?？紤]到現(xiàn)場工況較差，現(xiàn)場采用工控機，在監(jiān)控室配置服務器或工作站，正常情況下兩個地方均進行數(shù)據(jù)采集與展示，當網(wǎng)絡中斷或其他原因，監(jiān)控室軟件系統(tǒng)無法工作時，現(xiàn)地工控機進行采集與存儲待網(wǎng)絡恢復后，將數(shù)據(jù)自動同步至監(jiān)控室監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)網(wǎng)絡結構圖如圖1所示。

2.2 觀測裝置通用功能設計

根據(jù)觀測需求，過魚監(jiān)測主要包括過魚計數(shù)與視頻采集。水下過魚計數(shù)擬采用紅外光柵方式，并進行密封處理，視頻采用水下攝像頭，防護等級按IP68進行設計處理?，F(xiàn)地觀測裝置由掃描單元和攝像單元組成，主要包含光柵組件、光柵清潔部件、水下相機部件、溫度傳感器等設備，系統(tǒng)結構需保證各測量設備的安裝位置符合要求，并考慮整體結構簡潔緊湊、布局合理、安裝和維護方便等要素（見圖2）。

圖1 魚道過魚監(jiān)測系統(tǒng)總體結構圖Figure 1 Overall structure chart of fish monitoring system

掃描單元包括兩對光柵組件，主要負責過魚計數(shù)、過魚長度及游速測量、過魚輪廓形體數(shù)據(jù)采集；攝像單元包括水下攝像機、閃光燈及水溫傳感器，主要負責過魚視頻錄像及水溫測量。

現(xiàn)地觀測裝置的核心是控制單元?？刂茊卧捎酶呒?、模塊化設計，主控單元除包含控制處理功能外，還配置有3路RS232、1路RS485、1個以太網(wǎng)接口、6路DI輸入以及4路DO輸出接口，模擬量輸入作為單獨模塊設計、配置。紅外光柵通過RS232接入控制單元，其他溫度、流速、水位等通過4～20mA接入控制器，實現(xiàn)水溫測量、流速測量以及水質監(jiān)測等數(shù)據(jù)采集及環(huán)境監(jiān)測功能（見圖3）。

2.3 觀測裝置提升功能設計

魚道過魚現(xiàn)地觀測裝置長期放置在水下，根據(jù)已建魚道工程類似觀測裝置的應用情況，大部分裝置均存在攝像頭、掃描光柵在水下使用一段時間后，容易被污物覆蓋，影響計數(shù)及圖像采集，需要定期進行水下人工清洗或拆除清洗，維護不便、工作量大。為了防止魚道水質渾濁導致觀測設備需頻繁定期清洗的問題，本套裝置在設計時為水下高清攝像機及掃描單元配備了自動清洗裝置，通過軟件控制能定時完成自動清洗工作，以提高裝置的穩(wěn)定性和可用性，降低后期的維護工作量。

圖2 現(xiàn)地觀測裝置原理設計圖Figure 2 Schematic diagram of in-situ observation device

在掃描單元、和攝像機單元均配置清潔電機及清潔刷，并與控制單元連接，可以定時自啟動清潔，也可以在監(jiān)測軟件上遠程操作啟動清潔。自動清洗裝置原理圖如圖4所示。

2.4 監(jiān)測軟件設計

魚道監(jiān)測系統(tǒng)既要考慮實時數(shù)據(jù)采集的快速性，又要考慮統(tǒng)計數(shù)據(jù)查詢的便捷性，因此軟件采用C/S與B/S相結合的方式，前端軟件采用C/S架構，主要實現(xiàn)紅外計數(shù)、視頻圖像及水溫等環(huán)境數(shù)據(jù)的實時、快速采集及基本的界面顯示與查詢。后端采用B/S架構，實現(xiàn)工程各魚道裝置數(shù)據(jù)的匯總、統(tǒng)計分析與綜合展示查詢[5]，相關管理人員通過瀏覽器即可查詢相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)。同時B/S軟件還支持魚類選擇設置輸入接口，便于過魚種類的統(tǒng)計分析。軟件邏輯框架圖如圖5所示。

3 現(xiàn)場應用

本系統(tǒng)選擇在新疆某水利樞紐工程進行試驗應用。該項目現(xiàn)場地處新疆荒漠地區(qū)，夏天戶外最高溫能達到攝氏40℃；冬天魚道會結冰，為非過魚期，魚道內觀測裝置需拆除，因此裝置應方便白拆卸和安裝。為此，裝置在設計時，掃描單元和攝像單元通過螺栓和螺母連接，水下部分通過膨脹螺栓固定在水泥地面上，現(xiàn)地觀測裝置與控制單元之間采用航空插頭連接，方便安裝拆卸。

圖3 環(huán)境數(shù)據(jù)采集示意圖Figure 3 Environmental data collect

圖4 自動清洗裝置原理圖Figure 4 Schematic diagram of automatic cleaning device

圖5 軟件邏輯框架圖Figure 5 Software logic framework diagram

根據(jù)項目現(xiàn)場環(huán)境及運行特點，考慮到在冬季氣溫極低條件下魚道結冰分布情況，以及盡量減少魚道沿岸垃圾造成的堵塞影響，最終選定現(xiàn)地觀測裝置安裝于魚道上游休息池、靠近魚道出口閘門處。對應控制箱安裝于魚道出口閘門控制室內，通過光纜接入管理處信息內網(wǎng)，實現(xiàn)遠程在線觀測。

為了引導魚類通過現(xiàn)地觀測裝置洄游[6]裝置進行過魚計數(shù)，在現(xiàn)地觀測裝置前端加裝一套不銹鋼格柵，格柵縫隙約3cm，不妨礙水流及小魚通過。

現(xiàn)地監(jiān)測裝置安裝施工實景圖如圖6所示。

圖6 現(xiàn)地觀測裝置安裝實景圖Figure 6 Install pictures of in-situ observation device

4 結束語

本過魚監(jiān)測裝置系統(tǒng)在現(xiàn)場安裝后，實現(xiàn)了過魚的計數(shù)及過魚過程的視頻記錄，并根據(jù)現(xiàn)場安裝調試及試運行過程中的運行情況，對系統(tǒng)進行多次改進設計，目前已完成軟、硬件的優(yōu)化完善，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性及自動清潔等提升功能進行進一步完善。該系統(tǒng)將能更好地滿足魚道工程現(xiàn)場過魚監(jiān)測與統(tǒng)計分析，下一步將在軟件方面進行進一步的整合，實現(xiàn)魚道閘門、視頻系統(tǒng)數(shù)據(jù)的整合，實現(xiàn)對魚道各類信息的融合及進行統(tǒng)一的展示與統(tǒng)計分析，為魚道過魚效果進行全面的評價提供技術支撐。