引黃水閘智能流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

周康 劉其鑫 李作斌 徐征和

摘?要：山東引黃水閘的測(cè)流設(shè)施大部分修建于20世紀(jì)八九十年代，受當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)環(huán)境、技術(shù)水平限制，普遍為人工測(cè)流，測(cè)量精度低、效率低、安全隱患大。提高測(cè)流精度及測(cè)流方式的現(xiàn)代化、自動(dòng)化、信息化是引黃供水工作亟待解決的技術(shù)性難題。結(jié)合山東黃河實(shí)際情況，開(kāi)展山東引黃水閘渠首智能流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)實(shí)施及觀測(cè)資料可靠性分析，驗(yàn)證智能流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。實(shí)施效果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，測(cè)量精度符合要求，明顯提高了引黃供水計(jì)量工作的效率和質(zhì)量，為黃河渠首引水計(jì)量提供了現(xiàn)代化、自動(dòng)化、信息化技術(shù)保障，也可為同類(lèi)水閘的智能流量測(cè)驗(yàn)提供技術(shù)借鑒。

關(guān)鍵詞：智能測(cè)流系統(tǒng);引黃水閘;供水計(jì)量;信息化;自動(dòng)化

中圖分類(lèi)號(hào)：TV213.4;TV674;P332.4;TV882.1?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.05.029

Abstract： Most of the flow measuring facilities of the Yellow Riverdiversion sluice in Shandong Province were built in the 1980s and 1990s. Restricted by the economic environment and technical level at that time， the flow measurement is generally manual， with low accuracy， low efficiency and great potential safety problem. To improve the accuracy of flow measurement and the modernization， automation and informatization of flow measurement methods are the technical issues to be solved urgently. Combined with the actual situation of the Yellow River in Shandong Province， the scheme design， system implementation and reliability analysis of the observation data of the intelligent flow measurement system of the Yellow River diversion sluice in Shandong Province were carried out to verify the stability and reliability of the intelligent flow measurement system. The implementation results show that the system is stable and reliable， the measurement accuracy meets the requirements， which has significantly improved the efficiency and quality of water supply measurement of the Yellow River. It has provided modern， automatic and information-based technical guarantee for the measurement of water diversion at the headworks of the Yellow River and also provided technical reference for the intelligent flow measurement of similar sluices.

Key words： intelligent flow measurement system; Yellow River diversion sluice; water supply measurement; information technology; automation

黃河山東段共有渠首引黃水閘63座，設(shè)計(jì)總引水能力為2 423.3 m3/s，其測(cè)流設(shè)施大部分修建于20世紀(jì)八九十年代，受當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)環(huán)境、技術(shù)水平限制，普遍采用人力絞車(chē)或者測(cè)量便橋進(jìn)行人工測(cè)流，測(cè)量精度低、效率低、安全隱患大。目前沿黃地區(qū)需水量呈逐年遞增的趨勢(shì)，水資源供需矛盾日益突出，提高測(cè)流精度以及測(cè)流方式的現(xiàn)代化、自動(dòng)化、信息化是引黃供水工作亟待解決的重要課題。筆者結(jié)合山東黃河實(shí)際情況，開(kāi)展山東引黃水閘渠首智能流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)實(shí)施及觀測(cè)資料可靠性分析，驗(yàn)證智能流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

1?系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則和目標(biāo)[1-7]

系統(tǒng)設(shè)計(jì)以互聯(lián)網(wǎng)為依托，嚴(yán)格按照《水文測(cè)驗(yàn)實(shí)用手冊(cè)》中的規(guī)范開(kāi)發(fā)研制，集測(cè)、報(bào)、整、算為一體，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中測(cè)流控制，全面實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守水文纜道遠(yuǎn)程測(cè)流的目標(biāo)。軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，使其具備先進(jìn)性、可靠性、實(shí)用性、可擴(kuò)展性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)為降低工作強(qiáng)度，提高工作效率、測(cè)量精度和智能化程度，確保系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，同時(shí)操作簡(jiǎn)便。各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)按照有關(guān)水文測(cè)驗(yàn)規(guī)范、水文行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求嚴(yán)格控制，測(cè)量數(shù)據(jù)和計(jì)算成果達(dá)到水文行業(yè)規(guī)范要求。

2?系統(tǒng)組成及功能[8-11]

系統(tǒng)從功能結(jié)構(gòu)上分為4個(gè)部分：機(jī)械部分、控制部分、局域網(wǎng)部分和軟件部分。

2.1?機(jī)械部分

機(jī)械部分由纜道、電動(dòng)絞車(chē)和吊箱等組成，主要設(shè)備及其功能如下：

（1）纜道包括主索、循環(huán)索和副拉索。行車(chē)架沿主索往返移動(dòng)，測(cè)流吊箱由循環(huán)索懸吊于行車(chē)架下方，終端機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程發(fā)送指令，纜道控制室設(shè)備驅(qū)動(dòng)控制鉛魚(yú)移動(dòng)。

（2）在副拉索上設(shè)計(jì)安裝了一套具有自動(dòng)跟蹤定位功能的牽引索，實(shí)施對(duì)鉛魚(yú)和流速儀的牽引，糾正鉛魚(yú)定位時(shí)受水流和副拉索垂度影響產(chǎn)生的偏角。

（3）集多種測(cè)速方法為一體的多功能測(cè)流吊箱具有流速儀測(cè)速、水面自動(dòng)除草測(cè)速、雷達(dá)測(cè)速等多種測(cè)速方法，兼有夜間照明、視頻監(jiān)控、信號(hào)傳輸處理、吊箱位置校準(zhǔn)等功能。吊箱內(nèi)設(shè)備操作靈活方便，不受環(huán)境、光線等外界因素的影響。

（4）在整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部位設(shè)置有多重機(jī)械保護(hù)限位裝置，以保護(hù)儀器設(shè)備的運(yùn)行安全。

2.2?控制部分

控制部分的核心設(shè)備有終端機(jī)、交流變頻器和PLC控制器，共同控制整個(gè)測(cè)流設(shè)備在水平、垂直方向的運(yùn)行，測(cè)流設(shè)備的收放，以及各種測(cè)流信號(hào)的采集、識(shí)別、傳輸、處理等工作。

2.3?局域網(wǎng)部分

測(cè)流系統(tǒng)內(nèi)部為一小型局域網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸由微波通信完成，計(jì)算機(jī)與移動(dòng)設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)為無(wú)線通信，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。設(shè)備選用高端成熟產(chǎn)品，為監(jiān)控視頻等大數(shù)據(jù)量的傳輸提供安全可靠的保障。遠(yuǎn)程終端機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)本系統(tǒng)局域網(wǎng)內(nèi)設(shè)備的遠(yuǎn)程操作及實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程自動(dòng)測(cè)流的目標(biāo)。

2.4?軟件部分

（1）系統(tǒng)采用Microsoft.NET操作系統(tǒng)編程框架開(kāi)發(fā)平臺(tái)，控制軟件高度優(yōu)化，集成了多種核心編程技術(shù)，系統(tǒng)界面簡(jiǎn)潔、功能齊全、操作簡(jiǎn)單、智能化程度高。

（2）操作界面集視頻監(jiān)控、語(yǔ)音提示、參數(shù)設(shè)置、測(cè)量方法自動(dòng)生成及修改、測(cè)量過(guò)程全程預(yù)覽、各測(cè)點(diǎn)補(bǔ)測(cè)、重測(cè)、數(shù)據(jù)精算及保存、測(cè)量實(shí)時(shí)顯示等功能于一體，測(cè)量功能齊全，可操作性強(qiáng)。

（3）建立多種數(shù)據(jù)模型，對(duì)采集數(shù)據(jù)按照水文測(cè)驗(yàn)規(guī)范和水文行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)進(jìn)行分析計(jì)算，確保數(shù)據(jù)達(dá)到水文資料整編規(guī)范要求，實(shí)現(xiàn)各種上報(bào)數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算、填寫(xiě)、保存等目標(biāo)要求。

（4）系統(tǒng)開(kāi)放性強(qiáng)，測(cè)量數(shù)據(jù)可以通過(guò)電子表格、數(shù)據(jù)庫(kù)、文本等多種形式對(duì)外交互傳輸。

3?系統(tǒng)操作功能

系統(tǒng)操作全部通過(guò)計(jì)算機(jī)完成，操作界面采用C++語(yǔ)言編寫(xiě)，畫(huà)面簡(jiǎn)潔明了、操作簡(jiǎn)單、功能齊全。界面分為工藝模擬區(qū)、視頻監(jiān)控及控制區(qū)、手動(dòng)操作區(qū)、測(cè)量操作區(qū)4個(gè)區(qū)域。

3.1?工藝模擬區(qū)

直觀顯示河流纜道斷面全景圖及水流放大圖，測(cè)流時(shí)動(dòng)態(tài)模擬纜道斷面測(cè)流全過(guò)程（鉛魚(yú)位置、測(cè)點(diǎn)位置、測(cè)點(diǎn)狀態(tài)等），實(shí)時(shí)顯示測(cè)流過(guò)程中關(guān)鍵數(shù)據(jù)，還可通過(guò)滑塊查看不同起點(diǎn)距對(duì)應(yīng)水深。

3.2?視頻監(jiān)控及控制區(qū)

界面包含3個(gè)視頻監(jiān)控窗口，可相互切換及進(jìn)行縮放，并附帶云臺(tái)控制，能夠?qū)φ麄€(gè)測(cè)流過(guò)程進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.3?手動(dòng)操作區(qū)

手動(dòng)操作區(qū)主要用于吊箱電源、視頻電源及照明電源的開(kāi)關(guān)操作，手動(dòng)、自動(dòng)切換操作，變頻器高低速切換操作，鉛魚(yú)的收放操作，浮標(biāo)流速儀的收放操作等。

3.4?測(cè)量操作區(qū)

分為基本操作和擴(kuò)展操作兩種。

基本操作主要有填寫(xiě)水尺讀數(shù)及水尺零點(diǎn)高程、施測(cè)號(hào)數(shù)、風(fēng)向、風(fēng)力等，手動(dòng)切換全景圖和水流斷面放大圖，自動(dòng)測(cè)量開(kāi)始，自動(dòng)測(cè)量停止，打印報(bào)表（流量記錄計(jì)算表），開(kāi)啟水平校準(zhǔn)按鈕校準(zhǔn)起點(diǎn)距位置。

擴(kuò)展操作包括參數(shù)設(shè)置、測(cè)量設(shè)置和實(shí)時(shí)預(yù)覽。參數(shù)設(shè)置分為上位機(jī)參數(shù)設(shè)置及下位PLC參數(shù)設(shè)置兩部分，分別按功能描述完成相應(yīng)參數(shù)的修改;測(cè)量設(shè)置可生成左右垂線起點(diǎn)距，測(cè)流垂線數(shù)，自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)垂線的測(cè)量方法，還可以對(duì)自動(dòng)生成的測(cè)量方法進(jìn)行任意修改;實(shí)時(shí)預(yù)覽以表格形式實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)量數(shù)據(jù)，可以對(duì)可疑測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行重測(cè)、補(bǔ)測(cè)等操作。測(cè)量結(jié)束后系統(tǒng)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，生成斷面流量記錄計(jì)算表。

4?系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

4.1?創(chuàng)新性

①根據(jù)超聲波液位計(jì)測(cè)得距水面距離和淤積深度，智能判斷出兩側(cè)水邊線起始點(diǎn);②可精確計(jì)算出明渠梯形斷面面積;③流速儀可在測(cè)流時(shí)時(shí)刻與水流方向保持一致;④鉛魚(yú)自動(dòng)跟蹤定位裝置有效地解決了水流偏角和副拉索垂度導(dǎo)致的水深測(cè)量誤差和起點(diǎn)距定位誤差;⑤系統(tǒng)適用于旋槳式流速儀、電磁式流速儀和雷達(dá)測(cè)速;⑥系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)軟件控制下，可實(shí)現(xiàn)測(cè)流全過(guò)程的可視化與自動(dòng)控制，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)計(jì)算及報(bào)表打印等。

4.2?智能性

①鉛魚(yú)入水后，根據(jù)不同水深，智能判斷鉛魚(yú)測(cè)流時(shí)的停留位置，實(shí)現(xiàn)一鍵測(cè)流，并導(dǎo)出符合水沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范的流量測(cè)驗(yàn)表格;②按給定的測(cè)線、測(cè)點(diǎn)自動(dòng)運(yùn)動(dòng)到位，并自動(dòng)采集流速信號(hào)，針對(duì)不同情況可進(jìn)行系數(shù)更改;③測(cè)量完畢自動(dòng)回收測(cè)流設(shè)備;④測(cè)流過(guò)程中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)漂浮物的緊急避讓?zhuān)茏尦晒螅到y(tǒng)自動(dòng)重新定位，繼續(xù)測(cè)流。

4.3?安全性

為應(yīng)對(duì)突發(fā)情況，本系統(tǒng)采用自動(dòng)和手動(dòng)聯(lián)合控制。測(cè)流倉(cāng)加裝了應(yīng)急限位開(kāi)關(guān)，可以在設(shè)備失控情況下緊急停車(chē)，避免發(fā)生事故。

4.4?偽信號(hào)處理

偽信號(hào)是流速儀的機(jī)械式觸點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生抖動(dòng)所導(dǎo)致的，是影響測(cè)流精度的重要干擾因素。為此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了無(wú)模型自適應(yīng)控制。無(wú)模型自適應(yīng)控制是一種新的控制方法，其僅利用被控系統(tǒng)的I/O數(shù)據(jù)，且控制器中不包含被控過(guò)程數(shù)學(xué)模型的任何信息。該控制算法和控制器兼有現(xiàn)代控制理論與經(jīng)典PID控制的優(yōu)點(diǎn)，不依賴被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，保證系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定性，控制效果良好。

5?對(duì)比測(cè)驗(yàn)

按照水文測(cè)驗(yàn)規(guī)范要求，在劉春家等5座引黃水閘安裝了該系統(tǒng)，分別檢驗(yàn)該套智能測(cè)流系統(tǒng)的運(yùn)行情況、準(zhǔn)確性及使用范圍。

5.1?比測(cè)斷面選擇

劉春家等5座引黃水閘出水口距離控制斷面100 m左右，寬度為20～50 m，隨流量不同有所變化，滿足測(cè)驗(yàn)段選擇要求。渠道底坡較為平整，含沙量約為0.5 kg/m3，河道兩邊較為平整，糙率較小，河段內(nèi)無(wú)大塊石阻水，無(wú)大旋渦、斜流、回流、死水及急劇沖淤等現(xiàn)象。

5.2?比測(cè)方法及數(shù)據(jù)分析

5.2.1?比測(cè)方法

比測(cè)方法的制定參考《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB 50179—2015）[12]。本次觀測(cè)資料可靠性分析只以最具代表性的劉春家水閘為例，劉春家水閘根據(jù)水位通過(guò)控制閘門(mén)高低來(lái)確定放水流量，根據(jù)3 a日均流量算出高、中、低水位，制定每個(gè)水位下的測(cè)驗(yàn)次數(shù)。

水位流量級(jí)劃分根據(jù)水資源管理與調(diào)度需要、引水需求及影響水位變化的各種因素，選擇適合水閘特點(diǎn)的劃分方法?？紤]各種因素，采用頻率法進(jìn)行流量級(jí)劃分，并符合下列規(guī)定：①根據(jù)水閘實(shí)測(cè)最大流量QM，計(jì)算流量頻率并繪制頻率曲線，取頻率p為90%所對(duì)應(yīng)的流量為高水位流量;②根據(jù)水閘平均流量Q—，計(jì)算流量頻率并繪制頻率曲線，取頻率p為50%、10%所對(duì)應(yīng)的流量為中水位流量和低水位流量。

頻率按下式計(jì)算：

式中：p為頻率;m為隨機(jī)變量按大小遞減順序排列的序號(hào);n為隨機(jī)變量的個(gè)數(shù)，不宜少于20。

5.2.2?比測(cè)數(shù)據(jù)分析

劉春家站比測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，見(jiàn)表1。

5.2.3?比測(cè)結(jié)果分析

分別于2017年8月8—11日、15日、27日、28日和9月27—28日，在劉春家站對(duì)不同流量進(jìn)行了人工纜道（人工測(cè)流船）、智能纜道同步比測(cè)，共比測(cè)36次。相對(duì)誤差絕對(duì)值有28次在3%以內(nèi)，有8次在3%～5%之間，均在5%范圍內(nèi)，按照水文測(cè)驗(yàn)規(guī)范要求，智能纜道測(cè)流合格率為100%。

5.3?誤差分析評(píng)價(jià)

以人工纜道或測(cè)流船為標(biāo)準(zhǔn)值，智能流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量值相對(duì)誤差絕對(duì)值不超過(guò)5%為合格標(biāo)準(zhǔn)，比測(cè)結(jié)果符合水文測(cè)驗(yàn)規(guī)范要求，合格率100%。

引黃渠道為明渠，水流為非均勻流，在黃河含沙量高時(shí)，可能產(chǎn)生紊流和水流擾動(dòng)現(xiàn)象，斷面沖淤嚴(yán)重。測(cè)流時(shí)起點(diǎn)距不同，垂線數(shù)也不完全相同，將會(huì)導(dǎo)致最終斷面流量不完全相同。

智能流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)與人工纜道或測(cè)流船測(cè)流均使用流速儀，儀器相同，測(cè)流方法相同，結(jié)果有一些誤差，但是都在水文測(cè)驗(yàn)規(guī)范規(guī)定的誤差范圍內(nèi)。采用智能流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)流是可行的，也是科學(xué)合理的。

5.4?存在問(wèn)題及改進(jìn)措施

渠首智能流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)能較好地控制測(cè)驗(yàn)時(shí)機(jī)，縮短流量測(cè)驗(yàn)歷時(shí)，提高測(cè)驗(yàn)精度，增強(qiáng)流量測(cè)驗(yàn)的安全性。系統(tǒng)在測(cè)驗(yàn)過(guò)程中仍存在測(cè)驗(yàn)誤差，需在整個(gè)測(cè)驗(yàn)過(guò)程中加以控制。

（1）軟質(zhì)淤泥河床的渠道測(cè)深誤差。通過(guò)多閘、多次測(cè)流發(fā)現(xiàn)，在軟質(zhì)淤泥河床或斷面有淤積的渠道中，受自重作用影響，鉛魚(yú)到達(dá)河底時(shí)陷入淤泥中，造成顯示器顯示水深大于實(shí)際水深，最大誤差為0.1 m。遇到這種情況需對(duì)水深進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

（2）鉛魚(yú)下放速度過(guò)快，主索彈跳引起的測(cè)深誤差。鉛魚(yú)入水后下放速度過(guò)快，在接觸河床的瞬間失重，懸索受水流沖擊而彎曲。通過(guò)多站次比測(cè)試驗(yàn)，顯示器顯示的水深大于實(shí)際水深，最大誤差達(dá)0.08 m。與人工纜道相比，智能纜道河底信號(hào)器安裝在鉛魚(yú)下面的托板上，存在“鉛魚(yú)在接觸河床的瞬間失重，測(cè)量水深大于實(shí)際水深”的現(xiàn)象。遇到這種情況需對(duì)水深進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

（3）流速儀接觸絲抖動(dòng)引起的測(cè)速誤差。目前引黃水閘使用的是轉(zhuǎn)子式流速儀，接觸方式為接觸絲接觸。測(cè)速過(guò)程中，因流速儀接觸絲抖動(dòng)或多次接觸，出現(xiàn)多余的流速信號(hào)，造成所測(cè)垂線流速大于實(shí)際流速。干簧管式流速儀采用電子計(jì)數(shù)器，不會(huì)出現(xiàn)多余信號(hào)。

6?結(jié)?語(yǔ)

目前該智能流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)已在山東黃河17座引黃水閘完成站點(diǎn)建設(shè)并投入使用，經(jīng)過(guò)大量的比測(cè)試驗(yàn)和反復(fù)的設(shè)備調(diào)整完善，各站點(diǎn)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，測(cè)量精度符合要求，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。系統(tǒng)各運(yùn)行使用單位反饋的信息顯示，系統(tǒng)投入應(yīng)用以來(lái)，對(duì)減少一線閘管人員戶外工作時(shí)間、加強(qiáng)人身安全防護(hù)、提高引黃供水計(jì)量工作的效率和質(zhì)量等方面均發(fā)揮了積極作用，該系統(tǒng)很好地滿足了各應(yīng)用單位的實(shí)際工作需求，為黃河渠首引水計(jì)量提供了現(xiàn)代化、自動(dòng)化、信息化技術(shù)保障，也可為同類(lèi)水閘的智能流量測(cè)驗(yàn)提供技術(shù)借鑒。

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