EKL型水文纜道控制臺升級設(shè)計(jì)與應(yīng)用

魏國晉 ，周學(xué)斌 ，張 亞

（1. 青海省水文水資源勘測局，青海 西寧 810001；2. 南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京 210012）

0 引言

明渠流量是重要的水文監(jiān)測要素，運(yùn)用水文纜道流量測驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行明渠流量測驗(yàn)是目前公認(rèn)的精度較高的流量測驗(yàn)方式，而且流速儀法也是我國對在線流量測驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行率定的最主要方法[1]，因此，應(yīng)用流速儀測流的纜道控制臺在纜道流量測驗(yàn)工作中有著廣泛應(yīng)用。目前全國建有 2 000 余座使用纜道測流的水文站，這些站點(diǎn)多數(shù)使用半自動(dòng)水文纜道控制臺（以下簡稱纜道控制臺），水文纜道測流屬于流速-面積實(shí)測流量法，纜道控制臺必須人工操作測得代表點(diǎn)流速，進(jìn)而人工計(jì)算垂線平均流速、部分面積流量再積分得到全斷面流量[2]。流量測驗(yàn)過程大部分是由人工完成的，不能自動(dòng)生成數(shù)據(jù)信息，但由于纜道控制臺仍能夠正常使用，如果直接更換淘汰，會造成不必要的浪費(fèi)，并且需要大量的資金。若在現(xiàn)有纜道控制臺基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)改造，就能達(dá)到既節(jié)約資金，又能提高設(shè)備性能的目的。因此，開展纜道控制臺的自動(dòng)化升級工作對于提高我國流量測驗(yàn)自動(dòng)化水平是很有意義的。

1 現(xiàn)狀及需求分析

目前，四川省廣安市各水文站使用的是 EKL-1型半自動(dòng)水文纜道控制臺（以下簡稱 EKL-1 型纜道控制臺）。EKL-1 型纜道控制臺由人工操作控制鉛魚啟停，通過儀表參數(shù)的設(shè)置和各種信號的采集可實(shí)現(xiàn)垂線、出水預(yù)置高度、水深自動(dòng)清零和河底信號等自動(dòng)停車功能[3]，同時(shí)，在流量測算方面，可以自動(dòng)記錄測流歷時(shí)和流速信號，并根據(jù)測流歷時(shí)和流速信號算出流速。但是，使用這種半自動(dòng)控制臺進(jìn)行流量測驗(yàn)，需要專業(yè)人員實(shí)時(shí)操作才能完成斷面流量測驗(yàn)任務(wù)。

結(jié)合“以人為本”和現(xiàn)代水文發(fā)展理念，引進(jìn)高新技術(shù)和自動(dòng)化水平更高的水文測驗(yàn)設(shè)備是全國水文系統(tǒng)都在推進(jìn)的工作[4]，而且四川省有些地方的工作環(huán)境相對艱苦，也更需要加快此項(xiàng)工作的推進(jìn)速度。四川省對現(xiàn)有控制臺進(jìn)行自動(dòng)化升級需開展的研究工作如下：

1）信息共享。增加自動(dòng)生成流量測驗(yàn)成果報(bào)表功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集計(jì)算的自動(dòng)化，并將現(xiàn)地測量的流量數(shù)據(jù)自動(dòng)導(dǎo)出，上傳至中心站數(shù)據(jù)庫進(jìn)行統(tǒng)一管理。

2）自動(dòng)控制。增加一套纜道控制臺的自動(dòng)測流軟件，由計(jì)算機(jī)替代人工完成整個(gè)測流過程，與纜道測流相關(guān)的各種參數(shù)和運(yùn)行控制模式也在計(jì)算機(jī)上設(shè)置。

3）動(dòng)力部分充分利用現(xiàn)有的半自動(dòng)纜道控制臺的硬件，同時(shí)仍保留半自動(dòng)控制臺的現(xiàn)地控制功能，達(dá)到節(jié)約成本的目的。

2 總體方案設(shè)計(jì)

在纜道控制臺上進(jìn)行自動(dòng)化升級的核心任務(wù)是增加測控裝置和上位機(jī)流量自動(dòng)測驗(yàn)軟件。測控裝置是上位機(jī)與纜道控制臺及多路數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)臉蛄海瑴y控裝置與纜道控制臺的數(shù)據(jù)采集端并聯(lián)，二者可同步接收測距和測流信號；測控裝置的電機(jī)控制端、變頻調(diào)速端通過轉(zhuǎn)換開關(guān)與纜道控制臺內(nèi)部的控制繼電器和變頻器連接，使測控裝置與控制臺對電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)互鎖，二者同一時(shí)間只有一路能夠控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，保障設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。自動(dòng)化升級總體方案如圖 1 所示。

上位機(jī)的主要功能是人機(jī)交互和數(shù)據(jù)處理、計(jì)算、存儲，通過上位機(jī)，用戶可以實(shí)時(shí)查看測流數(shù)據(jù)和鉛魚的運(yùn)行位置，自動(dòng)測流任務(wù)也在上位機(jī)進(jìn)行配置。此外，與纜道測流相關(guān)的各類參數(shù)，如大斷面資料、流速儀和流量計(jì)算參數(shù)等也均在上位機(jī)設(shè)置。上位機(jī)軟件可通過離線和在線 2 種方式獲取測控裝置中的距離、水深及測流數(shù)據(jù)，再根據(jù)設(shè)置好的計(jì)算參數(shù)（如岸邊系數(shù)等）自動(dòng)生成標(biāo)準(zhǔn)的流量成果表，報(bào)表數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)本地存儲和中心站數(shù)據(jù)庫上傳、云同步。

測控裝置、上位機(jī)和纜道控制臺等共同構(gòu)成測流現(xiàn)地信息采集處理系統(tǒng)。測流現(xiàn)地信息采集處理系統(tǒng)相比于原有的纜道控制臺有更高的執(zhí)行效率、信息采集處理和通訊能力，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集計(jì)算自動(dòng)化。上位機(jī)軟件兼容局域網(wǎng)、公網(wǎng)通訊，可將現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)導(dǎo)出發(fā)送至中心站，實(shí)現(xiàn)信息共享。具體優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）效率。運(yùn)用變頻和自動(dòng)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)垂線位置的自動(dòng)停車，行車速度在 0～2 m/s 范圍內(nèi)預(yù)先設(shè)定，運(yùn)行時(shí)根據(jù)設(shè)定速度自動(dòng)運(yùn)行，工作效率比人工操作時(shí)高。

2）精度。起點(diǎn)距、入水深計(jì)數(shù)分辨力按照毫米級設(shè)計(jì)，可確保水平測距精度 0.1 m，垂直測距精度0.01 m。流速信號由測控裝置接收，可接收各類轉(zhuǎn)子式流速儀信號，裝置內(nèi)置去抖延時(shí)功能，以確保流速信號不會錯(cuò)記。

3）安全。具備各類過流、過壓、過熱等電氣保護(hù)功能，還具備上、下、進(jìn)、退四向行車限位保護(hù)，防止現(xiàn)地控制臺收不到上位機(jī)指令時(shí)一直動(dòng)作發(fā)生意外。

4）可靠性。方案中的所有硬件設(shè)備均滿足 0～50℃（設(shè)備存儲溫度可達(dá) -25℃）環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行要求，結(jié)構(gòu)上采用隔離設(shè)計(jì)，保證金屬外殼不與任何強(qiáng)電設(shè)備接觸。同時(shí)，設(shè)備的電磁抗干擾度滿足歐洲標(biāo)準(zhǔn)《EN 61000-6-2∶2005》要求[5]，水下信號源具備 IP68 防護(hù)等級。

5）通訊?，F(xiàn)地支持無線 Wi-Fi 和有線 RS-485/232 串口通訊，遠(yuǎn)程支持無線 4G 和有線 RJ45 網(wǎng)口通訊[6]。

3 測控裝置設(shè)計(jì)

3.1 信息共享

原有 EKL-1 型纜道控制臺測量數(shù)據(jù)是直接進(jìn)入測距儀和流速測算儀的，由于沒有設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)輸出接口，因此不能與其它設(shè)備共享數(shù)據(jù)。增加測控裝置后可以將接收到的光柵編碼器和纜道信號通過通訊接口傳輸給上位機(jī)。測控裝置設(shè)計(jì)的通訊接口，可以將接收的鉛魚起點(diǎn)距、入水深，以及水面、流速和河底信號等信息實(shí)時(shí)上傳至上位機(jī)。上位機(jī)通過RS-485/232 接口，下達(dá)測流參數(shù)和指令，例如測流垂線位置、各垂線測點(diǎn)數(shù)、鉛魚運(yùn)行命令等，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測流。上位機(jī)與測控裝置實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息的雙向通訊。

3.2 動(dòng)態(tài)顯示

動(dòng)態(tài)顯示起點(diǎn)距、入水深、流速信號和測流歷時(shí)等數(shù)據(jù)信息，使操作者能實(shí)時(shí)了解測流工作狀態(tài)，對出現(xiàn)的中斷、卡頓和報(bào)錯(cuò)現(xiàn)象能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，避免由于信息丟失造成對設(shè)備的失控。上位機(jī)接收數(shù)據(jù)信息的正確性和時(shí)效性要求測控裝置具備同步顯示功能，通過測控裝置的液晶顯示屏動(dòng)態(tài)顯示所接收的數(shù)據(jù)信息是否與上位機(jī)同步，若不同步，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。動(dòng)態(tài)顯示的內(nèi)容還包括測控裝置本身的工作狀態(tài)，如供電電壓、板載溫度等參數(shù)[7]，這些參數(shù)的顯示對人工檢查設(shè)備十分重要。

3.3 自動(dòng)測流

測控裝置是全自動(dòng)測流的執(zhí)行單元，用戶通過上位機(jī)將擬測垂線位置和每條垂線的測驗(yàn)任務(wù)下達(dá)給測控裝置，此時(shí)，只要做好測流前的準(zhǔn)備工作，如對準(zhǔn)鉛魚起點(diǎn)位置，流速儀、信號源安裝等，就可以由上位機(jī)發(fā)指令給測控裝置完成全自動(dòng)測流過程。半自動(dòng)測流中，測控裝置可根據(jù)用戶在上位機(jī)上的操作，按步驟完成手動(dòng)控制，率定校準(zhǔn)，測流速、水深和水位等工作，自動(dòng)測流參數(shù)設(shè)置、率定及運(yùn)行過程如圖 2 所示。

3.4 智能預(yù)警

測控裝置的智能預(yù)警功能包括通訊、數(shù)據(jù)信息和工況 3 個(gè)部分的預(yù)警。測控裝置與上位機(jī)通訊設(shè)計(jì)了糾錯(cuò)功能，當(dāng)收發(fā)時(shí)間、數(shù)據(jù)長度、校驗(yàn)碼等有誤時(shí)，即觸發(fā)通訊故障預(yù)警，若未人工排除當(dāng)前通訊訊道故障，系統(tǒng)會自動(dòng)切換訊道（RS-232/485與 Wi-Fi 切換）重新進(jìn)行信息交互；數(shù)據(jù)信息的校核由測控裝置完成，對異常數(shù)據(jù)均可由設(shè)定閾值進(jìn)行判斷，如流速信號、測流歷時(shí)、起點(diǎn)距和入水深計(jì)數(shù)信號等，若超過設(shè)定閾值，裝置會及時(shí)發(fā)出數(shù)據(jù)出錯(cuò)預(yù)警，并將異常數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記；工況預(yù)警是對測控裝置出現(xiàn)電源欠壓、過流、超過設(shè)定待機(jī)時(shí)間等問題時(shí)[8]，自動(dòng)中斷正在執(zhí)行的任務(wù)，發(fā)出音響警報(bào)，并中斷當(dāng)前工作。

3.5 安全保護(hù)

安全保護(hù)主要有以下 2 個(gè)部分：

1）電源保護(hù)。電源保護(hù)與異常預(yù)警協(xié)同動(dòng)作，當(dāng)發(fā)現(xiàn)外接電源異常時(shí)，自動(dòng)切換為內(nèi)部電池供電，電源恢復(fù)正常時(shí)，再轉(zhuǎn)為外部供電同時(shí)給電池充電。

2）運(yùn)動(dòng)限位保護(hù)。運(yùn)動(dòng)限位保護(hù)是指對鉛魚的升、降、進(jìn)、退行程的限位，測控裝置可輸入限位閾值，當(dāng)超過閾值時(shí)，程序會自動(dòng)停車。鉛魚沿4 個(gè)方向運(yùn)動(dòng)中，上升不限位是最危險(xiǎn)的，一旦超過允許上升的高度未停車，鉛魚懸索就有繃斷的風(fēng)險(xiǎn)。因此，對于鉛魚的上升方向，除了閾值停車外，還增加了行程開關(guān)停車功能，當(dāng)升降游輪碰到行程開關(guān)時(shí)，任何情況下裝置都會立即停止上升運(yùn)行。

4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

4.1 圖形化的人機(jī)界面

人機(jī)界面是測流系統(tǒng)和用戶之間進(jìn)行信息交互的媒介，上位機(jī)人機(jī)界面使用 VB 開發(fā)，可在Windows XP 及以上系統(tǒng)安裝運(yùn)行，適用于各類型PC 機(jī)、工控機(jī)。

界面具備斷面模擬圖，用戶可預(yù)輸入斷面資料，也可根據(jù)實(shí)測值保存當(dāng)前的斷面信息，二者均可生成斷面模擬圖。在參數(shù)設(shè)置菜單內(nèi)，根據(jù)實(shí)際需要從率定過的水平位置中選取測流垂線，以保證測點(diǎn)水平位置的精準(zhǔn)性。測流方式支持最多五點(diǎn)法測流，基本涵蓋了纜道測流常用的測點(diǎn)選擇方式。斷面模擬圖可根據(jù)參數(shù)設(shè)置中輸入的水位值實(shí)時(shí)修正水面線位置，實(shí)測水深模式下，每條垂線測得水深值后，均會提示是否修正斷面，用戶可自行確定是否更新當(dāng)前斷面資料。

主界面設(shè)計(jì)了手動(dòng)控制按鍵，流速計(jì)數(shù)、起點(diǎn)距、入水深、速度等數(shù)據(jù)均可顯示在主界面上，在參數(shù)設(shè)置中可設(shè)定流速儀型號，流速儀檢定公式中的儀器常數(shù) a 和水力螺距 b 及測流歷時(shí)等。人機(jī)界面與半自動(dòng)纜道控制臺上的測距儀、流速測算儀、速度表均同步顯示數(shù)據(jù)，但參數(shù)配置相互獨(dú)立，這樣即使二者中有一故障，另一個(gè)仍可獨(dú)立運(yùn)行。水面、流速、河底信號在界面內(nèi)設(shè)置指示燈，與測控裝置內(nèi)部信號蜂鳴器同步發(fā)出信號提示，解決了嘈雜環(huán)境下纜道測流信號提示音微弱的問題。

4.2 流量成果表的自動(dòng)生成

流量成果表是纜道測流的最終成果，原有半自動(dòng)纜道控制臺不能自動(dòng)生成。改造后的纜道測流系統(tǒng)增加了流量成果表自動(dòng)生成功能，可生成 Excel版流量成果表，流量成果表的格式按照國標(biāo) GB 50179—2015 《河流流量測驗(yàn)規(guī)范 》制定[9]。

4.3 中心站的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

在中心站建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，即大數(shù)據(jù)中心，用于存儲各站點(diǎn)上傳的測流數(shù)據(jù)和運(yùn)行信息。數(shù)據(jù)庫設(shè)置多級訪問權(quán)限，根據(jù)不同的職級開放訪問數(shù)據(jù)的范圍和類型[10]。對于需要共享的數(shù)據(jù)信息，中心站數(shù)據(jù)庫可連接公有云平臺，方便相關(guān)單位訪問、下載；對于行業(yè)內(nèi)部重要的數(shù)據(jù)信息，則連接私有云平臺不對外公開。單個(gè)站點(diǎn)的上位機(jī)軟件支持?jǐn)?shù)據(jù)離線存儲（最大 2 GB），根據(jù)數(shù)據(jù)的更新日期自動(dòng)覆蓋，當(dāng)具備通信條件后，可將離線存儲的數(shù)據(jù)自動(dòng)打包上傳至中心站數(shù)據(jù)庫。

5 應(yīng)用情況

以四川省廣安九龍水文站應(yīng)用自動(dòng)化升級后的纜道測流系統(tǒng)的測深、測速、測距等比測數(shù)據(jù)分析應(yīng)用情況。測試時(shí)間為 2018 年 4 月 16 日，測試點(diǎn)九龍水文站為國家基本水文站，每年 4 月中旬進(jìn)入汛期，斷面輸水量逐漸增大，是纜道測流的主要工作時(shí)間，所測得的水深、流速等數(shù)據(jù)作為全年斷面重要的水文資料納入統(tǒng)一整編，數(shù)據(jù)代表性較強(qiáng)，能夠直觀反映測量儀器設(shè)備的性能。

5.1 測深

測得的水深數(shù)據(jù)對比表如表 1 所示。

表1 測深數(shù)據(jù)對比表

表 1 中的人工值是用測深桿測得的數(shù)據(jù)，測量值是改造后的纜道測流系統(tǒng)用鉛魚在相同垂線自動(dòng)測得的數(shù)據(jù)。通過比對發(fā)現(xiàn)二者之間相對誤差較小，系統(tǒng)測深精度能夠得到保障。

5.2 測速

測得的流速數(shù)據(jù)對比表如表 2 所示。

表 2 中的流速是由纜道測流系統(tǒng)根據(jù)流速儀信號數(shù)和測流歷時(shí)，根據(jù)流速儀檢定公式（v = b × n/t +a = 0.199 3 n/t + 0.009 3）自動(dòng)計(jì)算出的結(jié)果，v計(jì)是人工驗(yàn)算的結(jié)果。通過人工驗(yàn)算可以看出，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算的流速和人工計(jì)算結(jié)果完全一致。

表2 測速數(shù)據(jù)對比表

5.3 測距

測距數(shù)據(jù)對比表如表 3 所示。

表3 測距數(shù)據(jù)對比表

表 3 中的標(biāo)準(zhǔn)值是由全站儀測得的相對于 0 點(diǎn)的水平距離，測量值是升級后的纜道測流系統(tǒng)測距儀上面顯示的水平距離，從比測結(jié)果可以看出，兩者誤差很小，滿足規(guī)范要求。

經(jīng)過試驗(yàn)，升級后的自動(dòng)水文纜道測流系統(tǒng)可以預(yù)先設(shè)定測流垂線和垂線測點(diǎn)，在啟動(dòng)自動(dòng)測流后，能依次到達(dá)垂線位置進(jìn)行測深、測速，自動(dòng)完成全部測流任務(wù)。當(dāng)測流斷面出現(xiàn)異常情況（如出現(xiàn)漂浮物）時(shí)，可人工暫停測流任務(wù)；當(dāng)異常情況消除后，能繼續(xù)啟動(dòng)自動(dòng)測流完成剩余任務(wù)。在測量精度方面符合 GB/T 32749—2016《水文纜道機(jī)電設(shè)備及測驗(yàn)儀器通用技術(shù)條件》關(guān)于纜道測深、測距、測速精度相對誤差 ≤ ± 1% 的要求。

6 結(jié)語

給出一種半自動(dòng)水文纜道控制臺自動(dòng)化升級的應(yīng)用案例，在充分利用原有設(shè)備功能上增加測控裝置和上位機(jī)，充分利用原有的測流和測距信號，通過增加外設(shè)通訊接口、上位機(jī)自動(dòng)測流控制計(jì)算軟件，提高性能水平。經(jīng)過實(shí)際測試對比，證明自動(dòng)化升級后的纜道測流系統(tǒng)在數(shù)據(jù)測量精度上達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，縮短了測量周期，提高了工作效率，實(shí)現(xiàn)了測流控制臺的信息共享，達(dá)到自動(dòng)化改造的目的。

科技的發(fā)展是迅速的，智能識別 AI 技術(shù)在人員跟蹤定位、車輛識別等方面已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，纜道測流過程中遇到的漂浮物、船只等目前尚需人工判斷做出應(yīng)急操作，今后的全自動(dòng)纜道測流將結(jié)合AI 技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識別預(yù)警，進(jìn)一步向纜道測站現(xiàn)地?zé)o人化目標(biāo)邁進(jìn)。