智慧感知技術(shù)在黃河口實(shí)體模型中的應(yīng)用

陳俊 王天奕 徐奕蒙 王磊 郭澤斌 丘瑾煒

摘? 要：為了實(shí)驗(yàn)人員更好地研究黃河，進(jìn)而治理黃河，珠江水利科學(xué)研究院重建了黃河口實(shí)體模型，并將基于分布式泵群控制技術(shù)的海域潮汐自動(dòng)化控制技術(shù)、PIV大范圍表面流場監(jiān)測技術(shù)和來水來沙全自動(dòng)控制技術(shù)等國內(nèi)先進(jìn)智慧感知技術(shù)、量測儀器、控制系統(tǒng)及試驗(yàn)設(shè)施應(yīng)用其中。這些技術(shù)為國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“黃河口演變與流路穩(wěn)定綜合治理研究（項(xiàng)目編號(hào)：2017YFC0405500）”提供了有力的科研技術(shù)支撐，也能更好地滿足其他大型潮汐物理模型控制和測量的應(yīng)用需要。該模型基本能夠?qū)崿F(xiàn)黃河口潮型、潮位和潮流的自動(dòng)模擬相似，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)的效果。

關(guān)鍵詞：黃河口? 實(shí)體模型? 潮汐控制? PIV? 來水來沙控制

中圖分類號(hào)：TP273 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2021）05（c）-0069-05

Application of Intelligent Perception Technology in the Physical Model of the Yellow River Estuary

CHEN Jun? WANG Tianyi? XU Yimeng? WANG Lei? GUO Zebin? QIU Jinwei

（Pearl River Water Resources Research Institute， Guangzhou， Guangdong Province， 510611? China）

Abstract： In order for the experimenters to better study the Yellow River and to manage the Yellow River， the Pearl River Water Resources Research Institute reconstructed the physical model of the Yellow River Estuary. Incoming water and sand automatic control technology and other domestic advanced technologies， measuring instruments， control systems and test facilities are used in it. These technologies provide strong scientific research and technical support for the national key research and development project "Yellow River Estuary Evolution and Flow Stability Comprehensive Treatment Research （Project Number： 2017YFC0405500）"， and can better meet other large-scale tidal physical model control and measurement applications need. This model can basically realize the similarity of the automatic simulation of the tide pattern， tide level and tidal current of the Yellow River Estuary， achieving the expected design effect.

Key Words： Yellow River Estuary; Entity model; Tide control; PIV; Incoming water and sediment control

黃河是世界上最難治理的河流，而河口的治理更是難點(diǎn)中的難點(diǎn)。黃河口演化環(huán)境的復(fù)雜性，使得黃河口沖淤演變較其他江河的河口具有特殊的規(guī)律，開展有關(guān)河口問題的研究，必須借助于物理模型試驗(yàn)并結(jié)合實(shí)測資料及數(shù)學(xué)模型才可望得到有效解決[1]。因此，建設(shè)黃河口實(shí)體模型是認(rèn)識(shí)黃河口演變基本規(guī)律、河口治理與決策科學(xué)性、地區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展及生態(tài)環(huán)境保護(hù)、河口洪情預(yù)測的要求，是“數(shù)字河口”完善和河口治理方案必不可少的中試環(huán)節(jié)，也是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代治黃和科技治黃的必然選擇，同時(shí)更是響應(yīng)習(xí)近平總書記在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會(huì)上的講話“讓黃河成為造福人民的幸福河”的號(hào)召[2]。

1? 黃河口實(shí)體模型

黃河口實(shí)體模型位于黃河水利科學(xué)研究院模型黃河試驗(yàn)基地的黃河口物理模型試驗(yàn)大廳。2018年，珠江水利科學(xué)研究院根據(jù)黃河口模型平面圖（見圖1）對(duì)其進(jìn)行了重建，重建后的黃河口實(shí)體模型見圖2。

該實(shí)體模型長44 m，寬20 m，可模擬原型范圍144 km2。其中模型的水平比尺λL=600，垂直比尺λH=60，流量比尺λQ=278 855，流速比尺λV=7.75，懸移質(zhì)粒徑比尺λd=0.94，床沙粒徑比尺λD=2.87，水流運(yùn)動(dòng)時(shí)間比尺λt=77.46，含沙量比尺λS=1.75。

依托國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“黃河口演變與流路穩(wěn)定綜合治理研究（項(xiàng)目編號(hào)：2017YFC0405500）”，圍繞黃河口的演變及穩(wěn)定流路，利用野外觀測數(shù)據(jù)、實(shí)體模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬及其混合模擬等手段，開展黃河口演變與流路穩(wěn)定綜合治理研究。其中，黃河口實(shí)體模型實(shí)現(xiàn)的先進(jìn)智慧感知技術(shù)有：海域潮汐自動(dòng)化控制技術(shù)、PIV流場監(jiān)測技術(shù)和來水來沙全自動(dòng)控制技術(shù)。

2? 海域潮汐自動(dòng)化控制技術(shù)

黃河口實(shí)體模型潮汐控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)潮流、潮位及泥沙等多因子同步耦合模擬，可滿足港口、河口海岸及近海工程中水流泥沙的基礎(chǔ)理論及應(yīng)用等方面的研究需求，能進(jìn)行海岸演變、港口碼頭修建和人工島等大尺度模型比尺下的完整實(shí)驗(yàn)研究[3]。

黃河口實(shí)體模型潮汐控制系統(tǒng)分別由3個(gè)部分構(gòu)成：生潮單元系統(tǒng)、潮汐量測儀器系統(tǒng)及整體軟件系統(tǒng)。

2.1 生潮單元系統(tǒng)

生潮單元系統(tǒng)采用分布式泵群控制技術(shù)，可按照給定的潮位過程曲線或者流量過程曲線實(shí)時(shí)控制模型潮位，并能根據(jù)模型各部位不同的流速、流向變化過程來控制模型的潮流過程，從而實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)場內(nèi)潮流控制。

三面造潮，既可單獨(dú)使用，又可聯(lián)動(dòng)運(yùn)行，造潮采用頻率控制和泵群（包括電機(jī)）的方式實(shí)現(xiàn)，能滿足渾水試驗(yàn)的要求。

2.1.1 生潮單元系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，黃河口實(shí)體試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨龅貙?shí)現(xiàn)三面造潮（見圖3），即海區(qū)的三面均設(shè)為控制邊界，共部置22臺(tái)水泵，可靈活定義為下游邊界及左、右邊界。所有控制邊界均采用水位控制，布設(shè)水位儀測量水位，計(jì)算機(jī)根據(jù)控制算法結(jié)果，通過變頻器直接控制水泵的電機(jī)，通過調(diào)節(jié)加在電機(jī)上的交流電壓頻率來改變電機(jī)的運(yùn)行速度，從而調(diào)節(jié)水泵的進(jìn)出水流量，達(dá)到產(chǎn)生漲潮落潮的目的。

生潮單元的多邊界采用分布式泵群控制技術(shù)，通過潮汐專用測控軟件按照給定的潮位過程曲線或者流量過程曲線實(shí)時(shí)靈活控制下游邊界及左、右邊界的水流動(dòng)力條件，并根據(jù)模型各部位不同的流速、流向變化過程來控制模型的潮流過程，可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)場內(nèi)潮流控制。

2.1.2 生潮單元系統(tǒng)系統(tǒng)構(gòu)成

潮汐模擬單元采用TCP/IP協(xié)議的分布式工業(yè)控制技術(shù)，由中央控制主機(jī)、變頻器、雙向潛水泵、水位儀、流速儀和工業(yè)以太網(wǎng)等組成，如圖5所示[5]。中心監(jiān)控計(jì)算機(jī)布置在控制中心，主要用于實(shí)時(shí)過程控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析及存儲(chǔ)、人機(jī)對(duì)話、報(bào)警、實(shí)時(shí)過程圖表及曲線顯示、打印輸出等。

由于該生潮單元設(shè)計(jì)方案采用分布式泵群控制技術(shù)，可以尋址單獨(dú)控制每一臺(tái)潛水泵，因此既可將A、B、C區(qū)作為獨(dú)立控制邊界，也可針對(duì)任一區(qū)域進(jìn)行分段細(xì)分，進(jìn)行分區(qū)或分段內(nèi)的泵群組合控制，從而實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)場內(nèi)潮流控制，模擬沿岸流、旋轉(zhuǎn)流和多向流等復(fù)雜流態(tài)，滿足不同類型、不同規(guī)模的模型試驗(yàn)研究。

2.1.3 生潮單元系統(tǒng)控制算法

該生潮單元運(yùn)用專家預(yù)估PID自適應(yīng)控制算法通過變頻器控制水泵矢量變化產(chǎn)生水位有規(guī)律地上升和下降，實(shí)現(xiàn)模擬自然界的潮起潮落過程，水位值由水位儀通過以太網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸至控制系統(tǒng)，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)[6]。故量測儀器的精度、應(yīng)用軟件的控制精度和響應(yīng)速度以及通信線路的實(shí)時(shí)性等是項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵。通過多種方案比選，水位儀采用珠江水利科學(xué)研究院自主研發(fā)的GS-6光柵式水位儀，精度可達(dá)到0.05 mm;控制軟件采用珠江水利科學(xué)研究院研發(fā)的最新版黃河口實(shí)體模型生潮測控系統(tǒng)，該軟件采用自適應(yīng)的控制算法，很好地解決了水位跟蹤滯后和波動(dòng)的問題，控制穩(wěn)定可靠、精度高，潮位曲線跟蹤控制水位均方差小于0.2 mm，絕對(duì)誤差小于1 mm，相位測量誤差小于5 s，最大潮差10 cm，且可以由給定的調(diào)和常數(shù)，自動(dòng)生成潮位曲線;儀器和計(jì)算機(jī)之間的通信采用無線以太網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)相結(jié)合的方式，既保證了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，又提供了工作的便捷性。

2.2 潮汐量測儀器系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)黃河口實(shí)體模型潮汐控制系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，用到的量測儀器有：GS-6自動(dòng)跟蹤水位儀;LS-8C八線紅外流速采集儀;LSC-40流速測桿。這些量測儀器均為珠江水利科學(xué)研究院自主研發(fā)。

儀表配電柜布置在模型四周，柜內(nèi)安裝有線和無線網(wǎng)絡(luò)路由器及電源插座?，F(xiàn)場各種儀器設(shè)備就近有線和無線接入儀表配電柜，借助以太網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)分區(qū)數(shù)據(jù)量測的同步進(jìn)行，便于中心監(jiān)控計(jì)算機(jī)控制生潮設(shè)備，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的靈活搭配組合。

2.3 整體系統(tǒng)軟件

該軟件系統(tǒng)采用WINDOWS 7平臺(tái)下的VC++開發(fā)，利用多線程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)實(shí)時(shí)控制，多過程的同步顯示;可實(shí)現(xiàn)測量、顯示、實(shí)時(shí)控制和率定等功能，提高了軟件系統(tǒng)的控制精度和運(yùn)算速度，方便用戶使用。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了生潮和加沙一體化的功能，并具備智能潮汐控制和水力學(xué)要素實(shí)時(shí)采集等功能，各要素的控制和采集可分布控制又可聯(lián)動(dòng)運(yùn)行[7]。

在已有的潮汐控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，增加網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫、專家PID控制策略和以太網(wǎng)通信功能等，使該生潮系統(tǒng)更加完美。系統(tǒng)軟件走潮控制界面見圖6。

3? PIV流場監(jiān)測技術(shù)

流場PIV技術(shù)實(shí)時(shí)測量系統(tǒng)由珠江水利科學(xué)研究院自主研發(fā)，是運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)和粒子跟蹤測速技術(shù)研制開發(fā)的大范圍表面流場測速系統(tǒng)。該系統(tǒng)由圖像采集、流場分析和流場后處理等模塊構(gòu)成，可幫助用戶高效便捷地掌握水工模型、河工模型、港工模型及水槽等試驗(yàn)中大范圍的表面流場信息。同時(shí)，該系統(tǒng)具有強(qiáng)大的分析功能，便于用戶完成測量數(shù)據(jù)的各種分析處理工作。它的應(yīng)用節(jié)省用戶的試驗(yàn)時(shí)間，提高試驗(yàn)的效率和精度，保證科學(xué)研究的準(zhǔn)確性和可信度。該系統(tǒng)使用簡單方便，分析快捷準(zhǔn)確，結(jié)果穩(wěn)定可靠[8]。

黃河口實(shí)體模型PIV鏡頭覆蓋區(qū)域見圖7，實(shí)測PIV表面流場分布見圖8。

該系統(tǒng)計(jì)算準(zhǔn)確、快速，無需過多人為干預(yù)，能連續(xù)反映流態(tài)的過程變化;標(biāo)定程序與邊界生成簡單，通過采集標(biāo)定點(diǎn)和邊界點(diǎn)坐標(biāo)即可快速實(shí)現(xiàn)邊界生成和坐標(biāo)標(biāo)定;適用于各種不同的視蹤粒子，如塑料顆粒和紙花;單路有效測量面積可達(dá)4 m2×5 m2;系統(tǒng)的測量誤差小于7%;流場計(jì)算結(jié)果可直接供AutoCAD應(yīng)用;測速范圍為0.15～8 m/s。

4? 來水來沙全自動(dòng)控制技術(shù)

系統(tǒng)用于黃河口實(shí)體模型河道到入?？诘膩硭畞砩衬M，包括進(jìn)口清水流量和渾水流量的測量和控制。該系統(tǒng)由北京尚水信息技術(shù)股份有限公司研發(fā)。

4.1 清水控制

為提高清水控制精度，該模型采用2套供水管路可更精準(zhǔn)地控制清水最大流量和最小流量的調(diào)節(jié)。水泵采用先進(jìn)的變頻控制系統(tǒng)以滿足實(shí)驗(yàn)對(duì)流量的不同需求，不僅控制精度高，而且操作方便。

流量反饋控制分別采用管道流量計(jì)采集數(shù)據(jù)，然后反饋至軟件控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)流量精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。

流量控制過程為上位機(jī)的軟件程序發(fā)送初始流量的控制指令到綜合控制箱，通過綜合控制箱轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)后發(fā)送到變頻器，通過變頻器調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速來控制水泵的出流，使管道中產(chǎn)生了一定的流量，此時(shí)電磁流量計(jì)測量管道的流量并反饋給綜合控制箱，進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換后發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)軟件根據(jù)當(dāng)前流量與目標(biāo)流量的差值，發(fā)出下一步的控制指令調(diào)節(jié)水泵，如此反復(fù)，通過多次閉環(huán)調(diào)節(jié)使管道中的流量達(dá)到目標(biāo)流量。

4.2 渾水控制

系統(tǒng)設(shè)置兩套水泵分別從兩個(gè)攪拌池內(nèi)抽取攪拌后的渾水，可根據(jù)攪拌池內(nèi)水量靈活控制任何一路水泵開閉，渾水流量控制通過孔口箱加沙流量控制模塊進(jìn)行，孔口箱加沙流量控制模塊可實(shí)現(xiàn)渾水小流量的精準(zhǔn)控制，從而提高實(shí)驗(yàn)精度。

孔口箱加沙流量控制模塊主體孔口箱可存儲(chǔ)一定容量的初始泥漿，采用溢流設(shè)計(jì)以維持固定的水位高度，孔口采用橫條式矩形斷面設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)過流面積與流量的線性變化。

開度控制執(zhí)行模塊采用電動(dòng)伸縮式閘門設(shè)計(jì)，通過伺服電機(jī)提供動(dòng)力，控制閘門在水平方向按照設(shè)定的行程精確移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)孔口開度大小的精確調(diào)節(jié)，結(jié)合開度-流量關(guān)系曲線，實(shí)現(xiàn)渾水流量精確控制。

5? 結(jié)語

黃河口實(shí)體模型可模擬黃河口海域海洋動(dòng)力過程及尾閭河道演變、水沙運(yùn)動(dòng)過程，研究不同流路淤積延伸、發(fā)育出汊過程，為黃河口清水溝流路水沙調(diào)配及穩(wěn)定百年的黃河口入海流路方案研究提供技術(shù)支撐。該文以重建后的黃河口實(shí)體模型為例，介紹了海域潮汐自動(dòng)化控制技術(shù)、PIV流場監(jiān)測技術(shù)和來水來沙全自動(dòng)控制技術(shù)在物理模型試驗(yàn)中的應(yīng)用?；诜植际奖萌嚎刂萍夹g(shù)的潮汐控制系統(tǒng)能很好地滿足物理模型的要求，具有技術(shù)含量高、控制精度高、易于安裝維護(hù)、運(yùn)行操作簡便等特點(diǎn)。流場PIV技術(shù)實(shí)時(shí)測量系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、快速地測量大范圍的表面流場信息。來水來沙全自動(dòng)控制技術(shù)用于黃河口實(shí)體模型河道到入海口的來水來沙模擬。

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