山東引黃閘引水流量智能監(jiān)測設(shè)計與應(yīng)用

王海霞

(山東鄄城縣鄄九路水利局， 山東 鄄城 274600)

我國地域遼闊，不同區(qū)域的水資源差異較大，尤其是北方的水資源相對較為匱乏，為了解決全國的水資源不均衡問題，南水北調(diào)等調(diào)水工程應(yīng)運而生[1-3]。引水水閘對調(diào)水工程的有效實施具有重要的意義，水閘能夠調(diào)節(jié)水位，通過降低水工建筑物內(nèi)的水頭高度，使其具有抵御突發(fā)洪水、澆灌下游農(nóng)田、供水和發(fā)電等諸多作用[4-5]。引黃水閘在山東省分布十分廣泛，數(shù)量高達60余座，設(shè)計引水量總計2420m3/s左右，為解決我國水資源差異具有突出的意義[6-8]。

水閘的水流量監(jiān)測十分重要，但是以往的監(jiān)測設(shè)備過于老舊落后，不僅精度和效率低，甚至還存在較大的安全隱患[9-11]。隨著黃河以北地區(qū)的需水量日益增加，水資源不足的問題更加嚴(yán)重，在無法增加水資源的前提下，對測流精度的提升和測流方式的改進是一項重要的舉措。本文以山東菏澤閆譚閘為研究對象，開展智能流量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，通過現(xiàn)場實施及監(jiān)測數(shù)據(jù)整理，從而驗證監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，為水資源的合理調(diào)配提供技術(shù)支撐。

1 智能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

1.1 設(shè)計原則

智能流量監(jiān)測系統(tǒng)是以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，根據(jù)相關(guān)規(guī)范進行設(shè)計[12]，最終實現(xiàn)集監(jiān)測、報警、整改和計算為一體，并且能夠通過平臺實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，實現(xiàn)現(xiàn)場無人化的目標(biāo)。智能流量監(jiān)測系統(tǒng)以模塊化結(jié)構(gòu)為主，具有先進、可靠、實用和可拓展等優(yōu)點，同時可以降低工作人員的勞動強度、提高測流工作效率及精度并確保監(jiān)測系統(tǒng)長期穩(wěn)定。

1.2 組成及功能

該智能流量監(jiān)測系統(tǒng)從功能結(jié)構(gòu)方面可以劃分為以下4個部分。

(1)機械部分。機械成分又包含纜道、絞車、吊箱和拉索，行車架可以在纜道上往復(fù)運動，牽引著下方的測流吊箱，行車架運動的速率控制通過網(wǎng)絡(luò)從終端機發(fā)送到纜道控制室進行；同時在副拉索上還設(shè)置具備自動跟蹤定位功能的設(shè)備，目的是控制鉛魚和流速儀的位置，同時糾正定位時受水流等外在因素影響產(chǎn)生的角度偏差；測流吊箱內(nèi)含有流速儀、自動除草測速和雷達測速等測速方法，除此之外，還具備夜間照明、監(jiān)控、信號傳輸和位置校準(zhǔn)等諸多先進的功能，受外界因素影響小，操作簡單。最后，在關(guān)鍵的傳輸位置設(shè)置限位保護裝置，確保各儀器設(shè)備的安全運行。

(2)控制部分?？刂撇糠值闹饕O(shè)備由終端設(shè)備、交流頻率變頻器和PLC控制器組成，控制著現(xiàn)場測流設(shè)備的運行和收放，以及收集、處理和計算測流信號。

(3)局域網(wǎng)系統(tǒng)。智能流量監(jiān)測系統(tǒng)實際上是一個局域網(wǎng)，通過微波通信實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸，以無線通信的方式實現(xiàn)計算機和設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

(4)軟件部分。智能流量監(jiān)測系統(tǒng)采用Matlab軟件進行編程控制，系統(tǒng)具有操作簡便、界面簡潔和智能化等優(yōu)點；界面中能自動生成或修改視頻監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置和監(jiān)測方式等內(nèi)容，監(jiān)測過程中能及時預(yù)覽、識別、補測、保存數(shù)據(jù)并實時顯示；根據(jù)相關(guān)規(guī)范[12]和多種數(shù)據(jù)模型，對采集到的數(shù)據(jù)進行自動分析計算；計算結(jié)果可以通過多種文件形式輸出。

2 系統(tǒng)操作及特點

2.1 系統(tǒng)操作簡介

智能流量監(jiān)測過程通過計算機控制，操作界面由Matlab編寫，界面主要分為模擬、手動操作和測量操作3個板塊，如圖2所示。

圖2 智能流量監(jiān)測系統(tǒng)界面

模擬區(qū)能將纜道斷面和水流進行放大展示，在實際監(jiān)測過程中，能將監(jiān)測儀器的位置和狀態(tài)等進行動態(tài)模擬，實時顯示監(jiān)測的主要數(shù)據(jù)，通過鼠標(biāo)能查看實時的水深。手動操作區(qū)域能人工控制各種電源的開關(guān)、切換自動或者人工控制系統(tǒng)以及各種測流儀器的收放等。而測量操作區(qū)域除了可以完成填寫水尺讀數(shù)、切換展示圖、控制測量開始或停止、打印數(shù)據(jù)及校準(zhǔn)位置等基礎(chǔ)功能，還可以完成上位機及下位PLC的不同功能參數(shù)設(shè)置、自動計算和生成左右水邊、左右垂線起點距及測流垂線數(shù)和修改測量方法、重測及補測數(shù)據(jù)、分析和計算數(shù)據(jù)以及生成報告等。

2.2 系統(tǒng)技術(shù)特點

該智能流量監(jiān)測系統(tǒng)與傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)相比而言具備以下突出優(yōu)勢[13-14]：①通過超聲波液位計能準(zhǔn)確地識別水面的距離以及河底淤泥的深度，從而判斷水邊線的位置，基于此便能準(zhǔn)確計算河流截面面積；②通過自動調(diào)節(jié)裝置能使流速儀與水流方向保持一致；③自動跟蹤定位裝置能有效地解決測流裝置因水流偏角等導(dǎo)致的測量誤差；④配合先進的計算機軟件控制系統(tǒng)，能自動控制測流過程及自動采集、處理和計算數(shù)據(jù)。

該智能流量監(jiān)測系統(tǒng)還具備傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)所不具備的智能性、安全性和偽信號處理功能。智能性主要是鉛魚能根據(jù)水深自動設(shè)置最佳的測流位置、自動回收測流裝置和避讓外在物質(zhì)沖擊等；而其安全性主要體現(xiàn)在能切換自動和手動控制，還能在緊急情況下及時停止設(shè)備運動，避免設(shè)備損壞。偽信號處理是指系統(tǒng)利用無模型自適應(yīng)控制處理流速儀在運動過程中產(chǎn)生的抖動等外在因素影響測量精度的情況，無模型自適應(yīng)控制僅利用被控系統(tǒng)的I/O數(shù)據(jù)，其兼?zhèn)洮F(xiàn)代控制和經(jīng)典PID控制的優(yōu)勢，控制效果更佳。

3 現(xiàn)場實測

以山東菏澤閆譚閘為研究對象，測流位置距離出口大約100m，該引水河流寬度大約為30～50m，整個河流測量狀態(tài)較好，與傳統(tǒng)的測流方式進行對比分析，盡可能還原現(xiàn)場長時間的復(fù)雜水流現(xiàn)狀，通過控制下游水閘閘門調(diào)節(jié)水流速率和流量大小。監(jiān)測時間以8h為基準(zhǔn)，共監(jiān)測36次，2種測流方式的流量監(jiān)測結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出，2種監(jiān)測方式所得的流量十分接近，其中25次兩者的監(jiān)測結(jié)果誤差在3%以內(nèi)，其余也處于3%～5%以內(nèi)，均小于規(guī)范要求的5%，因此，該智能監(jiān)測系統(tǒng)的測流合格率達到了100%。

圖3 傳統(tǒng)與智能測流系統(tǒng)流量監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

2種測流方式的河底高程測量結(jié)果如圖4所示。

圖4 傳統(tǒng)與智能測流系統(tǒng)河底高程監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

從圖4中可以看出，2者的測量數(shù)據(jù)十分接近，僅在河流中心位置存在一定出入，導(dǎo)致兩者出現(xiàn)少許區(qū)別的主要原因在于黃河泥沙較多，相對易形成紊流和水流擾動，從而影響測量結(jié)果，但是都在規(guī)范要求的5%誤差范圍之內(nèi)。因此，該智能監(jiān)測系統(tǒng)的高程測量合格率也達到了100%。

該系統(tǒng)也存在一定的不足之處，首先，在軟質(zhì)淤泥河床中監(jiān)測時，由于測流設(shè)備自身的重量作用會使其陷入淤泥之中，從而導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)一定的誤差，一般而言會使得河底高程測量結(jié)果偏大，最大約0.1m；其次，測流設(shè)備下放速度過快也可能導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)一定誤差，在設(shè)備接觸河床時可能會引發(fā)瞬間失重現(xiàn)象，牽引索出現(xiàn)彎曲，導(dǎo)致河底高程測量結(jié)果偏大，最大約0.07m；最后，測流儀器接觸絲抖動也會影響測流精度，抖動等會引發(fā)多余的信號，造成水流流速測量結(jié)果偏大，這種情況可通過干簧管式流速儀得到改善。上述測量誤差均在可控范圍之內(nèi)，且能通過調(diào)整得以改善。因此，該智能流量監(jiān)測系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

本文設(shè)計研發(fā)的智能流量監(jiān)測系統(tǒng)能減少戶外人員的工作時間和強度、增強工作人員自身安全防護、提高引黃供水河流的監(jiān)測工作效率和質(zhì)量，同時先進的信息化技術(shù)為該系統(tǒng)提供了安全可靠的保障。通過在山東菏澤閆譚閘站點進行現(xiàn)場驗證，并與傳統(tǒng)的人工測流方式進行對比，發(fā)現(xiàn)其測量精度符合相關(guān)規(guī)范要求，對同類型的水閘測流具有良好的借鑒意義。但是目前該技術(shù)在現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜多變造成的測量誤差處理方面還存在一定的技術(shù)不足，這給后續(xù)研究提供了方向。