改進(jìn)Apriori算法的行蓄洪區(qū)水閘控制方法

陳 艷

(敦煌市水利事務(wù)中心，甘肅 敦煌 620982)

行蓄洪區(qū)作為我國重要的防洪建設(shè)工程，在防御洪水中，起到了削峰與行洪的作用，對(duì)控制流域內(nèi)的水情與工情具有直接影響[1]?，F(xiàn)階段，我國大部分行蓄洪區(qū)建設(shè)狀況良好，具有完善的水利管理制度與規(guī)程，為水庫的泄洪能力起到了保障[2]。水閘作為行蓄洪區(qū)中的重要組成部分，主要負(fù)責(zé)對(duì)大壩、泄洪洞、行蓄洪區(qū)封閉水工建筑物孔口，調(diào)節(jié)其過流流量與水位[3]。在行蓄洪區(qū)與水利工程協(xié)同發(fā)展的趨勢(shì)下，對(duì)于水閘控制質(zhì)量與效率的要求逐漸升高。通常情況下，水閘結(jié)構(gòu)由啟閉設(shè)備、錨固構(gòu)件以及活動(dòng)部件3個(gè)部分共同組成，各個(gè)結(jié)構(gòu)部件之間緊密關(guān)聯(lián)，具有良好的使用性能[4]。在水閘啟閉過程中，受到過流流量的影響，閘門會(huì)出現(xiàn)不同程度的振動(dòng)，需要采用科學(xué)合理的水閘控制方法，對(duì)其進(jìn)行控制，避免閘門振動(dòng)量級(jí)較大，對(duì)相鄰水工建筑物造成破壞[5]。然而，傳統(tǒng)的行蓄洪區(qū)水閘控制方法在應(yīng)用過程中存在一定的不足，主要體現(xiàn)在底緣型式選擇不夠合理，破壞了底緣水流狀態(tài)[6]。當(dāng)閘門的垂直動(dòng)水壓力較大時(shí)，無法在快速時(shí)間內(nèi)對(duì)過流流量以及動(dòng)水壓力做出精確計(jì)算，并制定相應(yīng)解決方案截?cái)嗨?，相?duì)來說，較不適用于水動(dòng)力較大的行蓄洪區(qū)[7]。

改進(jìn)Apriori算法能夠有效地改善上述問題，通過數(shù)據(jù)挖掘與數(shù)據(jù)分析的原理，對(duì)行蓄洪區(qū)的水流情況作出計(jì)算，并制定對(duì)應(yīng)的防洪方案[8]。

為解決上述方法的不足，本文在傳統(tǒng)行蓄洪區(qū)水閘控制方法的基礎(chǔ)上，引入改進(jìn)Apriori算法，提出了一種新的水閘控制方法，為提高行蓄洪區(qū)的穩(wěn)定與可持續(xù)發(fā)展提供保障。

1 行蓄洪區(qū)水閘控制方法設(shè)計(jì)

1.1 建立水閘結(jié)構(gòu)分析模型

本文設(shè)計(jì)的行蓄洪區(qū)水閘控制方法中，首先，需要對(duì)水閘結(jié)構(gòu)進(jìn)行全方位、全過程的分析，獲取水閘結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)特征數(shù)據(jù)信息。科學(xué)合理的水閘結(jié)構(gòu)分析模型，對(duì)獲取水閘結(jié)構(gòu)特征數(shù)據(jù)信息具有重要的意義，因此，本文結(jié)合相互作用分析原理，建立了水閘結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。首先，對(duì)行蓄洪區(qū)的基底反力分布情況與分布規(guī)律做出深入分析，提取行蓄洪區(qū)基底的地質(zhì)條件與對(duì)應(yīng)的水閘結(jié)構(gòu)形式。依據(jù)半無限大彈性地基理論，計(jì)算行蓄洪區(qū)在受到力的作用時(shí)，基底地基的沉陷值，計(jì)算公式為：

(1)

式中，ψij—行蓄洪區(qū)基底地基受力作用下的沉陷值；L—行蓄洪區(qū)地基土層的厚度；Ea—行蓄洪區(qū)基底地基的壓縮模量；ri—行蓄洪區(qū)在荷載作用下，水閘單元的寬度；pi—行蓄洪區(qū)在荷載作用下，水閘單元的長(zhǎng)度。

將獲取到的行蓄洪區(qū)地基沉陷值作為模型的輸入層，輸入到模型結(jié)構(gòu)中，設(shè)定模型中，行蓄洪區(qū)地基為線彈性體，平面彈性體的受力作用較均勻，單位力作用在模型中的半平面邊界上，對(duì)水閘的運(yùn)行狀況不會(huì)產(chǎn)生較大影響[9]。

依據(jù)半解析法原理，將水閘桿系結(jié)構(gòu)與行蓄洪區(qū)平面地基劃分為模型中的兩個(gè)子結(jié)構(gòu)，采用有限單元法，獲取水閘上部結(jié)構(gòu)的單位位移，結(jié)合行蓄洪區(qū)地基與水閘接觸面之間的平衡條件，得出水閘結(jié)構(gòu)的位移與內(nèi)力變化。

1.2 基于改進(jìn)Apriori算法計(jì)算水閘動(dòng)力作用荷載

在上述水閘結(jié)構(gòu)分析模型建立結(jié)束后，獲取到行蓄洪區(qū)受到外力作用時(shí)，基底地基的沉陷值，在此基礎(chǔ)上，采用改進(jìn)Apriori算法，計(jì)算行蓄洪區(qū)水閘動(dòng)力作用荷載，為水閘的高效控制提供數(shù)據(jù)支持。

改進(jìn)Apriori算法具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，能夠獲取水閘控制中所需數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性，提高水閘控制的質(zhì)量與效率。水閘的動(dòng)力作用荷載包括水閘閘門的自重、水閘閘門底緣上托力、水閘埋件摩阻力等共同組成[10]。首先，采用改進(jìn)Apriori算法，計(jì)算水閘平面閘門的啟閉力，計(jì)算公式分別為：

Fa=q1(M1+M2)-n2P+G1

(2)

Fb=n2P+P1+W1+P2-(M1+M2)

(3)

Fc=q1(M1+M2)+P2+n2P+P1+W1

(4)

式中，F(xiàn)a、Fb、Fc—行蓄洪區(qū)水閘閘門的閉門力、持住力與啟門力；q1—水閘閘門的摩阻力安全系數(shù)；M1—水閘閘門的支撐摩阻力；M2—水閘閘門的止水摩擦力；n2—水閘閘門閉門時(shí)的自重修正系數(shù)；P—水閘閘門自重；G1—水閘閘門底緣上托力；P1—行蓄洪區(qū)水閘加重塊重量；W1—作用于水閘閘門的水柱壓力；P2—水閘閘門受到的下吸力。

通過計(jì)算，獲取到行蓄洪區(qū)水閘平面閘門的啟閉力，反映水閘的動(dòng)力作用荷載，在此基礎(chǔ)上，得出水閘水平方向的動(dòng)水壓力。

1.3 設(shè)計(jì)行蓄洪區(qū)水閘控制中心

基于行蓄洪區(qū)水閘動(dòng)力作用荷載計(jì)算結(jié)束后，獲取到水閘水平方向的動(dòng)水壓力，在此基礎(chǔ)上，為了實(shí)現(xiàn)水閘高精度控制的目標(biāo)，本文在行蓄洪區(qū)設(shè)置了水閘控制中心，通過控制中心，根據(jù)行蓄洪區(qū)內(nèi)水位的實(shí)際變化情況，對(duì)水閘進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。根據(jù)行蓄洪區(qū)水位的動(dòng)態(tài)變化及各個(gè)閘門布設(shè)位置情況，設(shè)置水閘控制中心所在位置，避免控制中心距離水閘閘門較遠(yuǎn)，超出能夠控制的范圍。在控制中心合理布設(shè)計(jì)算機(jī)，保證計(jì)算機(jī)的使用性能，通過計(jì)算機(jī)上的遠(yuǎn)程控制功能，實(shí)時(shí)監(jiān)控行蓄洪區(qū)內(nèi)的變化情況。

設(shè)定水閘閘門的開度標(biāo)準(zhǔn)值與顯示值，將計(jì)算機(jī)與水閘控制柜連接，通過計(jì)算機(jī)，進(jìn)入水閘操控界面，進(jìn)入編輯模式，結(jié)合行蓄洪區(qū)過流流量與動(dòng)水壓力的變化規(guī)律，不斷修正水閘閘門開度標(biāo)準(zhǔn)值。在水閘閘門周圍安裝雷達(dá)水位計(jì)，將水位計(jì)一端與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集終端連接在一起，保證控制中心能夠?qū)崟r(shí)獲取行蓄洪區(qū)內(nèi)水位的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，通過控制中心的顯示屏，檢查水閘的運(yùn)行模式與啟閉狀態(tài)是否符合行蓄洪區(qū)水位變化的需求，實(shí)時(shí)調(diào)整水閘的運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)行蓄洪區(qū)水閘高精度、全過程控制的目標(biāo)。

2 實(shí)驗(yàn)分析

綜合上述內(nèi)容，為本文設(shè)計(jì)的行蓄洪區(qū)水閘控制方法的整體流程。在此基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的改進(jìn)Apriori算法的行蓄洪區(qū)水閘控制方法的可行性，進(jìn)行了如下文所示的實(shí)驗(yàn)。本次實(shí)驗(yàn)選取某地區(qū)X行蓄洪區(qū)為研究目標(biāo)，該行蓄洪區(qū)水閘位于近軌道區(qū)，水閘為3孔水閘，每個(gè)孔的凈寬約為2.95m，底板厚度約為1.25m，水閘所在墩厚為1.00m，高程為2.55m。水閘閘室內(nèi)的垂直水流向?qū)挒?0.25m，順?biāo)飨蜷L(zhǎng)為6.87m。水閘閘門尺寸約為5.4m×5.8m，水閘橫梁自上向下的編號(hào)依次為A1、A2、A3、A4，水閘閘門結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。

圖1 X行蓄洪區(qū)水閘閘門結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1所示，水閘閘門豎梁自左向右編號(hào)依次為B1、B2、B3，水閘采用電弧焊的焊接方式，在長(zhǎng)期使用下，水閘的使用性能與使用壽命顯著下降。當(dāng)前，該行蓄洪區(qū)水閘采用手動(dòng)化控制的方式，控制效率與質(zhì)量得不到保障，無法根據(jù)行蓄洪區(qū)水位的動(dòng)態(tài)變化，及時(shí)作出相應(yīng)的操控動(dòng)作，缺乏智能化與自動(dòng)化的控制功能。將上述本文設(shè)計(jì)的改進(jìn)Apriori算法的行蓄洪區(qū)水閘控制方法應(yīng)用到X行蓄洪區(qū)中。首先，采用有限元分析模型，深入分析水閘閘門允許的最大應(yīng)力，在初始應(yīng)力的基礎(chǔ)上，獲取X行蓄洪區(qū)水閘閘門各個(gè)位置的應(yīng)力情況，見表1。

表1水閘閘門各個(gè)位置應(yīng)力情況 單位：MPa

由表1可知，為X行蓄洪區(qū)水閘閘門各個(gè)位置的應(yīng)力情況，在此基礎(chǔ)上，計(jì)算行蓄洪區(qū)的河道沖擊力，公式為：

Fa=Sρv2

(5)

式中，F(xiàn)a—行蓄洪區(qū)河道沖擊力；S—行蓄洪區(qū)河道水面積；ρ—行蓄洪區(qū)河道水密度；v—行蓄洪區(qū)河道水流流速。通過計(jì)算，獲取X行蓄洪區(qū)的河道沖擊力，根據(jù)河道沖擊力，判斷水閘閘門控制的最大應(yīng)力是否符合要求。設(shè)置水閘的使用功能，根據(jù)水閘上下游流量與水流流速的動(dòng)態(tài)變化，調(diào)節(jié)行蓄洪區(qū)水位，實(shí)現(xiàn)行蓄洪區(qū)水閘控制的目標(biāo)。

為了更加直觀地驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的行蓄洪區(qū)水閘控制方法的可行性，采用對(duì)比分析的實(shí)驗(yàn)方法，將上述本文設(shè)計(jì)的改進(jìn)Apriori算法的行蓄洪區(qū)水閘控制方法，與傳統(tǒng)的浮筒式水閘控制方法進(jìn)行對(duì)比，設(shè)置實(shí)驗(yàn)次數(shù)為6次，利用有限元分析模型與MATLAB分析測(cè)定，測(cè)定兩種方法應(yīng)用后，水閘構(gòu)件的等效應(yīng)力與位移變化，對(duì)比結(jié)果見表2。

表2 兩種控制方法水閘構(gòu)件等效應(yīng)力與位移變化對(duì)比

根據(jù)表2的對(duì)比結(jié)果可知，在兩種行蓄洪區(qū)水閘控制方法中，本文設(shè)計(jì)的改進(jìn)Apriori算法的行蓄洪區(qū)水閘控制方法，其應(yīng)用后水閘的等效應(yīng)力較大，水閘閘門位移較小，較傳統(tǒng)控制方法相比，水閘構(gòu)件連接的穩(wěn)固性較高。在此基礎(chǔ)上，在水閘閘門相對(duì)開度不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)下，對(duì)比兩種控制方法的水閘閘門面板中心時(shí)均壓力的變化情況，如圖2所示。

圖2 兩種方法閘門面板時(shí)均壓力對(duì)比

如圖2的對(duì)比結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)的改進(jìn)Apriori算法的行蓄洪區(qū)水閘控制方法，較傳統(tǒng)控制方法相比，其閘門面板中心時(shí)均壓力在閘門相對(duì)開度的增長(zhǎng)下呈現(xiàn)大幅度下降趨勢(shì)，更加符合行蓄洪區(qū)靜水壓力的分布趨勢(shì)，可行性較高。

3 結(jié)語

綜上所述，為了改善傳統(tǒng)行蓄洪區(qū)水閘控制方法的不足，本文在傳統(tǒng)水閘控制方法的基礎(chǔ)上，引入改進(jìn)Apriori算法，提出了一種新的行蓄洪區(qū)水閘控制方法。通過本文的研究，有效地提升了水閘的控制效率與質(zhì)量，使水閘閘門的等效應(yīng)力得到了顯著提升，符合行蓄洪區(qū)靜水壓力的分布趨勢(shì)與水閘控制的需求，對(duì)我國水利工程與行蓄洪區(qū)的協(xié)同發(fā)展具有重要研究意義。