新型無(wú)絞車全自動(dòng)化水文纜道測(cè)流系統(tǒng)在芭蕉水文站的應(yīng)用

楊 軍,李 濤,王正義

(四川省廣安水文水資源勘測(cè)中心,四川 廣安 638000)

1 芭蕉水文站概況

芭蕉水文站位于四川省廣安市鄰水縣城南鎮(zhèn)安豐村八組,站址地理坐標(biāo)為東經(jīng)106°57′25″,北緯30°18′29″,距廣安市市區(qū)約47 km,集雨面積為851 km2,距河口55.5 km,上游有龍安鎮(zhèn)水位站,下游有四?；舅恼?屬長(zhǎng)江一級(jí)支流御臨河水系。該站為四川省廣安市2012-2013年中小河流水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目建成的中小河流防汛專用水文站,于2017年建成,2018年投入運(yùn)行,由廣安水文中心管理,采取駐巡結(jié)合模式,主要功能為防汛減災(zāi)、水資源管理,兼顧收集中小河流水文資料,分析演變規(guī)律。

近幾年,四川水文加大資金投入,全力推進(jìn)水文現(xiàn)代化建設(shè),全面啟動(dòng)水文基礎(chǔ)能力提升建設(shè),實(shí)現(xiàn)水文自動(dòng)化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化。芭蕉水文站被納入其中進(jìn)行升級(jí)改造,重要內(nèi)容就是拆除傳統(tǒng)絞車式纜道,新建新型無(wú)絞車全自動(dòng)化水文纜道測(cè)流系統(tǒng)。該系統(tǒng)于2022年12月安裝調(diào)試完成,2023年1月正式投入運(yùn)行。

2 新型無(wú)絞車全自動(dòng)化水文纜道系統(tǒng)工作原理及優(yōu)勢(shì)

2.1 系統(tǒng)組成

新型無(wú)絞車全自動(dòng)化水文纜道測(cè)流系統(tǒng)主要由纜繩、鋼塔、塔基、程序控制器(PLC)、編碼傳感器、伺服電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)信息傳輸系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)、視頻輔助系統(tǒng)、避雷接地系統(tǒng)等構(gòu)成[1]。由獨(dú)立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成全部操作,通過設(shè)置斷面參數(shù)、垂線參數(shù)、流速儀參數(shù)、測(cè)流參數(shù)開啟手動(dòng)或全自動(dòng)測(cè)流。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)設(shè)定好的參數(shù),按照既定程序完成測(cè)點(diǎn)測(cè)流,同時(shí)完成流速及流量計(jì)算,并把采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行云端存儲(chǔ),用戶可以隨時(shí)調(diào)用采集數(shù)據(jù)和打印測(cè)流成果。

2.2 主要技術(shù)指標(biāo)[2]

(1)纜道跨度：50～300 m

(2)鉛魚質(zhì)量：≤200 kg

(3)水平運(yùn)行速度：≤1.0 m/s

(4)垂直運(yùn)行速度：≤0.5 m/s

(5)電機(jī)功率和形式：1.5 kW×2伺服電機(jī)(配專用減速機(jī))

(6)控制核心：PLC(可編程邏輯控制器)×2

(7)流速儀信號(hào)：直流水體回路(俗稱：無(wú)線)

(8)適應(yīng)流速儀：現(xiàn)行所有轉(zhuǎn)漿和轉(zhuǎn)葉流速儀,適合所有信號(hào)數(shù)流速儀。

(9)水位接口：RS485(MODEMBUS-RTU協(xié)議),可連接雷達(dá)式、氣泡式水位計(jì)。條件許可也可從網(wǎng)絡(luò)讀取斷面的基本水位計(jì)數(shù)據(jù)。

(10)操作方式：計(jì)算機(jī)界面操作。包括“手動(dòng)”“自動(dòng)”。

(11)夜間模式：開啟具有補(bǔ)光的攝像系統(tǒng),攝像機(jī)自動(dòng)跟蹤鉛魚運(yùn)行,當(dāng)鉛魚入水后攝像機(jī)監(jiān)視鉛魚前方的水面。

(12)纜道安全系數(shù)：地錨>3.5、鋼塔≈3、主索≈3、循回索≈3、起重索≈2。

2.3 系統(tǒng)原理

全自動(dòng)化纜道測(cè)流系統(tǒng)控制原理大致分為三部分,分別為電腦操作端、行車控制系統(tǒng)、鉛魚控制系統(tǒng)。

電腦操作端由網(wǎng)頁(yè)代碼編程,實(shí)現(xiàn)瀏覽器網(wǎng)頁(yè)操作,不需要額外安裝應(yīng)用軟件,可進(jìn)行纜道動(dòng)作命令輸入及信號(hào)采集計(jì)算。行車控制系統(tǒng)與鉛魚控制系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立,分別由各自PLC進(jìn)行邏輯控制。行車控制系統(tǒng)控制行車前進(jìn)后退即起點(diǎn)距方向運(yùn)動(dòng),鉛魚控制系統(tǒng)控制鉛魚上升下降即水深方向運(yùn)動(dòng)。

系統(tǒng)主要測(cè)流控制流程為電腦操作頁(yè)面發(fā)出控制命令,通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)至行車及鉛魚PLC,經(jīng)過PLC計(jì)算后將命令傳遞給行車及鉛魚所屬伺服電機(jī)并控制鉛魚入水,入水后由電腦端啟動(dòng)測(cè)流命令,鉛魚將收集到的流速信號(hào)回傳,計(jì)算后將結(jié)果上傳至電腦端[3]。完成測(cè)流后以相同方式將鉛魚開回鉛魚放置臺(tái)即完成全部操作。

2.4 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

全自動(dòng)化纜道測(cè)流系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)絞車?yán)|道存在諸多優(yōu)勢(shì)。本系統(tǒng)使用程序控制器(PLC)代替繼電器控制,降低了硬件發(fā)生故障的可能;用數(shù)據(jù)采集卡工業(yè)控制系統(tǒng)代替測(cè)速測(cè)算儀,確保了鉛魚定位精度及流速儀測(cè)流精度[4]。除此之外,全自動(dòng)化纜道測(cè)流系統(tǒng)還具有以下系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)[2]：

(1)摒棄了傳統(tǒng)纜道所需的纜道絞車、控制臺(tái),無(wú)需新建站房安裝此設(shè)備,監(jiān)測(cè)斷面只需建設(shè)兩座鋼塔,全部機(jī)械、控制裝置均安裝于鋼塔上。與傳統(tǒng)水文纜道相比,可有效解決傳統(tǒng)水文纜道占地面積大、征地難、造價(jià)高的問題。

(2)采用循回和起重相互獨(dú)立的機(jī)電及纜繩系統(tǒng),使纜道動(dòng)力系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了,進(jìn)一步提高了設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。鉛魚水平和垂直的運(yùn)行系統(tǒng)雖相互獨(dú)立,但通過遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制端以軟件形式將其整合和協(xié)調(diào),融入了現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)的控制概念,充分體現(xiàn)其先進(jìn)性、科學(xué)性和實(shí)用性。

(3)采用先進(jìn)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),使鉛魚運(yùn)行速度、距離可精確量化,可達(dá)毫米級(jí),進(jìn)一步優(yōu)化省去了傳統(tǒng)纜道繁瑣的傳感和控制系統(tǒng)。

(4)行車采用雙纜支撐,受風(fēng)和水流的影響較小,減小單根主繩的上下和左右晃動(dòng),鉛魚入水偏角也得到抑制,使其運(yùn)行更加平穩(wěn)、順暢。

(5)采用太陽(yáng)能輔助微型發(fā)電機(jī)加高效蓄電池供電,使水文纜道無(wú)需市電或大電功率發(fā)電機(jī)供電,不再需要配備危險(xiǎn)系數(shù)高的380V三相動(dòng)力電,建設(shè)和使用不再受電源限制,因此更為便捷、安全、可靠。

(6)該系統(tǒng)具有完善的極限(極高、極低、極近、極遠(yuǎn))保護(hù)功能,且地面上沒有工作索,輔以視頻跟蹤監(jiān)視等功能,纜道運(yùn)行具有很高的安全性能,能滿足水文現(xiàn)代化、自動(dòng)化、智能化提出的“無(wú)人值守”的要求。

(7)該系統(tǒng)行車上裝載安裝電波流速儀進(jìn)行中高水測(cè)驗(yàn),與流速儀的中低水測(cè)驗(yàn)配合,可實(shí)現(xiàn)流量全變幅測(cè)驗(yàn)。

(8)廣泛采用不銹鋼、合金鋁材等特殊材料,主索、巡回索、起重索等均不需打油養(yǎng)護(hù),減輕了維護(hù)運(yùn)行勞動(dòng)量和成本,有效地避免了因纜道打油不徹底導(dǎo)致的安全隱患。

(9)借助無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通信(4G、5G)和計(jì)算機(jī)通信,可實(shí)現(xiàn)纜道在任意有網(wǎng)絡(luò)的地方遠(yuǎn)程操作控制。

(10)通過計(jì)算機(jī)可實(shí)現(xiàn)測(cè)流的遠(yuǎn)程手動(dòng)操作和自動(dòng)操作,并通過植入算法,可實(shí)現(xiàn)在線即時(shí)輸出符合水文規(guī)范要求的成果資料,有效地解決了因人工計(jì)算錯(cuò)誤等因素造成的資料不可用的問題。

(11)該系統(tǒng)具有工況遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制及自檢等功能,確保設(shè)備隨時(shí)處于良好狀態(tài)。

3 新型無(wú)絞車全自動(dòng)化水文纜道系統(tǒng)在芭蕉水文站測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用

芭蕉水文站全自動(dòng)化纜道測(cè)流系統(tǒng)比測(cè)及分析的項(xiàng)目主要包括起點(diǎn)距、鉛魚繩長(zhǎng)、實(shí)測(cè)流量等。比測(cè)結(jié)果基本符合《水文纜道測(cè)驗(yàn)規(guī)范》(SL 443-2009)的具體規(guī)定。

3.1 起點(diǎn)距比測(cè)

全自動(dòng)化纜道測(cè)流系統(tǒng)測(cè)距能夠進(jìn)行纜道主索垂弧度的自動(dòng)修正,其修正主要依據(jù)標(biāo)定分段系數(shù)進(jìn)行,也就是采用實(shí)測(cè)法求得若干段線的修正系數(shù),將其存入數(shù)據(jù)庫(kù),待系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),運(yùn)用軟件修正各段的系數(shù)并求得起點(diǎn)距的精確值[4-5]。

令測(cè)繩實(shí)際長(zhǎng)度分別為：x1,x2,x3,…,xi;水平距離分別為：y1,y2,y3,…,yi;水平距離之差分別為：z1,z2,z3,…,zi;測(cè)繩長(zhǎng)度距離差分別為：w1,w2,w3,…,wi;測(cè)驗(yàn)各段系數(shù)分別為：k1,k2,k3,…,ki。起點(diǎn)距與理論值的差異如圖1所示。

圖1 主索起點(diǎn)距與理論值的差異

由于,分段系數(shù)=水平距離差/測(cè)繩長(zhǎng)距離差,則：

w1=x2-x1

z1=y2-y1

根據(jù)芭蕉水文站的斷面測(cè)量成果,確定起點(diǎn)距比測(cè)河寬B=90.0 m,比測(cè)垂線30根,且均勻分布于斷面。采用全站儀(拓普康GM-100)交匯法測(cè)定垂線起點(diǎn)距與自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)分段系數(shù)配置中的數(shù)值進(jìn)行比測(cè)分析,詳見表1。

表1 芭蕉水文站起點(diǎn)距比測(cè)分析結(jié)果

通過表1分析得出,全自動(dòng)化水文纜道測(cè)流系統(tǒng)實(shí)測(cè)結(jié)果誤差較小,其中絕對(duì)誤差最大為-0.28 m,小于1 m,垂線的定位誤差均未超過河寬的0.5%,實(shí)測(cè)鉛魚回零誤差控制在0.10 m以內(nèi),滿足《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》(GB 50179-2015)的精度要求。

3.2 鉛魚繩長(zhǎng)比測(cè)

芭蕉水文站測(cè)流斷面和基本水尺斷面重合,斷面為“U”型,河段為泥砂河床,河道沖淤變化小。鉛魚繩長(zhǎng)比測(cè)采用全自動(dòng)測(cè)流纜道和全站儀(拓普康GM-100)進(jìn)行對(duì)比分析,通過全自動(dòng)測(cè)流纜道將鉛魚在不同的垂線上分別下降不同高度,讀取電腦端顯示數(shù)值,再用全站儀通過免棱鏡模式觀讀測(cè)量結(jié)果。繩長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)值采用全站儀(拓普康GM-100)施測(cè)結(jié)果,對(duì)比全自動(dòng)纜道施測(cè)鉛魚繩長(zhǎng)的絕對(duì)誤差與相對(duì)誤差,結(jié)果詳見表2。

表2 全站儀與全自動(dòng)化纜道測(cè)流系統(tǒng)繩長(zhǎng)測(cè)量對(duì)比結(jié)果

由表2結(jié)果可知,在31次比測(cè)過程中,全站儀測(cè)量結(jié)果與全自動(dòng)化纜道測(cè)流系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果絕對(duì)誤差最大值為-0.16 m,最大相對(duì)誤差為-1.48%,相對(duì)系統(tǒng)誤差為0.13%,符合《河道流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》(GB 50179-2015)的精度要求。對(duì)于全自動(dòng)化纜道測(cè)流系統(tǒng)在鉛魚繩長(zhǎng)比測(cè)過程中產(chǎn)生的誤差,可通過軟件參數(shù)設(shè)置模塊手動(dòng)修改纜道繩長(zhǎng)系數(shù)進(jìn)行修正。

3.3 實(shí)測(cè)流量對(duì)比分析

新型無(wú)絞車全自動(dòng)化纜道測(cè)流系統(tǒng)自2023年投入使用以來,共施測(cè)流量11份,分布于低中高水位,將實(shí)測(cè)流量成果與芭蕉水文站綜合水位流量關(guān)系曲線的流量進(jìn)行對(duì)比分析,計(jì)算單次流量總隨機(jī)不確定度及系統(tǒng)誤差。分析成果見表3。

表3 芭蕉水文站綜合線與全自動(dòng)化纜道測(cè)流系統(tǒng)實(shí)測(cè)流量結(jié)果比測(cè)分析成果

芭蕉水文站匯水面積851 km2,測(cè)站的主要任務(wù)是防汛減災(zāi)和水資源管理,兼顧收集中小河流水文資料,分析演變規(guī)律,所以芭蕉水文站測(cè)驗(yàn)精度為三類精度站。從表3可得,全自動(dòng)化水文纜道測(cè)流系統(tǒng)測(cè)得的流量結(jié)果與芭蕉水文站綜合水位流量關(guān)系曲線的線上流量最大相對(duì)誤差|δ|=11.11%,系統(tǒng)誤差為0.92%,滿足流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范測(cè)流允許誤差要求。

4 結(jié)論

新型無(wú)絞車全自動(dòng)化水文纜道測(cè)流系統(tǒng)是目前國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的設(shè)備,是以全自動(dòng)測(cè)控軟件系統(tǒng)為核心,并通過對(duì)硬件系統(tǒng)的技術(shù)改造升級(jí),減少了絞車、減少了操作控制臺(tái)、縮短了測(cè)驗(yàn)時(shí)間,減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度,降低了人為操作誤差及硬件故障發(fā)生率,提高了水文測(cè)驗(yàn)的穩(wěn)定性及可靠性。該系統(tǒng)具有的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)操作、遠(yuǎn)程控制、視頻監(jiān)控等功能,做到了全要素全量程全自動(dòng)監(jiān)測(cè),為建立覆蓋全面的“空天地”一體化水文監(jiān)測(cè)體系奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ),促進(jìn)水文數(shù)字孿生、智慧化建設(shè)。