□游巍亭(河南省許昌水文水資源勘測局)

一、流量智能測控系統(tǒng)功能

流量智能測控系統(tǒng)具有全自動、半自動、人工測驗3種方式。利用該系統(tǒng)可實現(xiàn)流量的自動測驗及大斷面測量。系統(tǒng)應(yīng)具有水面、河底、流速儀等信號采集、傳輸及解調(diào)功能；起點距、水深計數(shù)信號的采集與處理功能；直讀流速功能；緊急避讓功能、異常中斷保護功能；垂線自動布設(shè)、流速自動測驗、鉛魚自動行進；流量動態(tài)計算、流量過程線的繪制、徑流量的計算等功能。

水深是流量測驗與計算的重要數(shù)據(jù)之一，準確與否直接影響測流精度。水深數(shù)據(jù)可以通過兩種途徑得到：一是借用大斷面，將原來實測的大斷面作為目前的實際斷面，推求水深及測點位置；二是實測水深，通過水面和河底測得實際水深。規(guī)范要求測流要用實測水深。測水深涉及到水面信號、河底信號及水深計數(shù)。

在確定水面以后，水深計數(shù)器清零，鉛魚向下運動，水深計數(shù)器開始計數(shù)。以上次施測大斷面為參考，鉛魚快到河底時，使鉛魚下降速度慢下來，減輕河底對鉛魚的沖擊力，提高測量精度，鉛魚觸底后水深計數(shù)器停止計數(shù)，該數(shù)值加上水面信號傳感器與鉛魚觸底托板的相對高差后，即可算出實際水深。

由于河道中某一點的流速在不同時刻是在不斷變化的，即存在脈動現(xiàn)象，因此我們難以測得某點的瞬時流速。但這一點的流速在一些時段內(nèi)的平均值卻是穩(wěn)定的，為了有效減少流速脈動的影響，一般流速儀采用多轉(zhuǎn)輸出一信號的方式。目前廣泛使用的LS25－1型旋漿式流速儀是采用20轉(zhuǎn)一響（輸出一信號），即在水流的作用下，流速儀螺旋漿向一定方向轉(zhuǎn)動，當(dāng)螺旋漿轉(zhuǎn)夠20轉(zhuǎn)時，流速儀內(nèi)的接觸絲接觸一次，水下信號裝置發(fā)出一個流速儀信號。由于大部分流速儀是以接觸絲的導(dǎo)通來傳遞流速信號的，在接觸絲接觸的瞬間，會出現(xiàn)抖動。在纜道信號采集電路里作了延時整形電路，依據(jù)測驗時選用的不同型號流速儀選用相應(yīng)的延時參數(shù)，能有效地去掉因流量儀抖動產(chǎn)生的假信號。

過去往往用一定歷時的時段平均流速作為這一點的真實流速進行計算，測速歷時一般有50s和100s兩種選擇。開始測流后，從流速儀傳來第一個信號計時器清零并開始計時間T及計相應(yīng)流速儀信號N，達到測流歷時后，再來一個流速儀信號結(jié)束計時計信號數(shù)。用選用流速儀的K值和C值用公式（1）計算這一點的流速。

式中：N為測速時段內(nèi)流速儀的響數(shù)（也就是接觸絲的導(dǎo)通次數(shù)），T為測速歷時，乘20是由于用了20轉(zhuǎn)一響的流速儀；V為該點的流速，可以在顯示器上直接顯示出來。

布設(shè)垂線是通過起點距來體現(xiàn)的，起點距通過光電編碼器測得。起點距用于確定流速儀的水平位置，又用來計算水面寬。首先在岸上設(shè)置一個參考點作為零點，流速儀從這一點向河道行進，到達河邊后，結(jié)合水面寬度，根據(jù)流量測驗規(guī)范要求，在相應(yīng)的起點距處設(shè)置測流垂線。

在測流過程中，經(jīng)常會有漂浮物從上游急速漂來，為了保護測流設(shè)施不受破壞，需要將鉛魚迅速從水中提出水面以避讓漂浮物。針對這種情況系統(tǒng)設(shè)有“緊急避讓”功能，在需要避讓漂浮物時，操作人員可直接點擊該按鈕，系統(tǒng)自動終止各項任務(wù)，同時保存下該點的起點距及相對水深等重要參數(shù)數(shù)據(jù)，使鉛魚以最快速度提升、旁移避開漂浮物，等漂浮物漂走后，可點擊“復(fù)位”功能鍵，系統(tǒng)讀出保存的起點距和相對水深等數(shù)據(jù)，使鉛魚回到原位置繼續(xù)執(zhí)行測流工作。

在遇到異常中斷情況，如流速儀掛上水草、水下信號故障檢修、突然斷電等現(xiàn)象時，為了縮短測流時間，減少參數(shù)輸入的工作量，系統(tǒng)將K值、C值和測流歷時、大斷面、垂線分布、已測垂線及測點流速等參數(shù)放入磁盤中，只要恢復(fù)測流工作，就可以讀入磁盤中保存的數(shù)據(jù)，繼續(xù)按照中斷時測流狀態(tài)測流。

當(dāng)流量比較穩(wěn)定時，在全自動和半自動模式下測流，系統(tǒng)可以根據(jù)測驗規(guī)范要求、水面寬及大斷面情況，智能生成既具有最少數(shù)量垂線，又滿足測驗精度要求的推薦垂線布設(shè)方案，可以人工對該方案的垂線數(shù)進行增加或減少，同時可以調(diào)整每條垂線采用幾點法進行測流。系統(tǒng)根據(jù)確定的垂線，從第一條垂線開始，自動測水面、河底，算出水深。根據(jù)該條垂線確定的幾點法，然后把流速儀移到測速點位置，進入測速狀態(tài)，從第一個流速儀信號來了以后，開始計時，同時計算流速，并把每一個流速儀信號的流速保存起來，如果流速比較平穩(wěn)，自動選擇50s歷時，如果流速不太平穩(wěn)，選擇100s測流歷時。在測流歷時到了以后，再來一個流速儀信號，結(jié)束計數(shù)計時，并計算流速。同時，流速儀移向下一個測速點，依次完成第一條垂線上各測點的流速測量，為了縮短測流歷時，流速儀在向上提的同時，也移向下一條垂線，并在垂線處提出水面30cm，然后再下降定水面、河底、水深及測各點的流速，這樣循環(huán)任務(wù)直到測完每一條垂線。

由于洪水時期河道中的水位是不斷變化的，特別是在河寬較大的情況下，測一次流量需要很長時間，在測流的過程中，水位可能比剛開始測流時高很多，也可能低很多，水面寬也有很大的變化。若還按剛開始測流時的水位定的垂線進行測流，可能會有一定的誤差，這時可根據(jù)實際情況動態(tài)地增加或減少垂線。

纜道流速儀測流采用的是流速面積法，它是根據(jù)流速在垂線上的分布規(guī)律，先求一條垂線的平均流速，再求兩條垂線間的平均流速，將平均流速乘以兩條垂線間的部分面積，得兩條垂線間的部分流量，將所有部分流量加起來，就是斷面相應(yīng)流量。這個過程比較復(fù)雜，人工計算需要20～30min，往往延誤報汛時間，不利于防汛。利用系統(tǒng)的高級智能功能，可在測流結(jié)束的同時，計算出實測流量，為防汛搶險贏得寶貴的時間。

二、流量智能測控系統(tǒng)的構(gòu)成

流量智能測控系統(tǒng)可分成幾大部分：即水下信號采集部分、信號傳輸部分、傳動部分、控制部分與主控計算機等組成。

水下信號包括水面信號、河底信號及流速儀信號，為了提高精度，增加可靠性，根據(jù)設(shè)備的特點，這3種信號的采集采用不同的傳感器。

水面信號采用感應(yīng)式傳感器，在沒有入水之前，感應(yīng)片與地之間的電阻無窮大，當(dāng)流速儀入水時，由于水體的導(dǎo)電性，感應(yīng)片與地之間的電阻為5K～10K。

河底信號采用水銀開關(guān)或干簧管采集，在鉛魚到達河底之前，托盤沒有托起，水銀開關(guān)或干簧管斷開。當(dāng)鉛魚到達河底時，托盤托起，水銀開關(guān)或干簧管接觸，轉(zhuǎn)換電路工作，送出河底信號。

流速儀信號的傳感器是流速儀內(nèi)部的接觸絲，為了防止接觸絲因抖動產(chǎn)生干擾信號，當(dāng)接觸絲接觸時通過去抖動電路后，送出流速信號。

水下信號是流量計算的關(guān)鍵，水深、轉(zhuǎn)數(shù)全根據(jù)水下信號來確定，因此，測流精度很大程度上受水下信號傳輸可靠性的影響。

在纜道的自動測驗中，如何將水下各傳感器信號準確無誤地傳到室內(nèi)接收儀器中，是一個十分重要的問題，也是影響水文纜道建設(shè)發(fā)展的關(guān)鍵問題。要想使測流歷時短、流量精度高，必須有可靠穩(wěn)定的傳輸方式。水下信號傳輸采用抗干擾能力強的數(shù)據(jù)編碼調(diào)制信號。

流量智能測控系統(tǒng)的動力及控制部分為水文纜道自動測流操作臺，水文纜道自動測流操作臺主要由交流無級變頻調(diào)速系統(tǒng)、手動操作系統(tǒng)、流速儀定位系統(tǒng)、計算機控制部分組成。

主控計算機是1臺PIII級以上的工控機，具有較高的運算速度及很強的抗干擾能力，用于全自動測流時對纜道實施自動控制、流量自動計算、實測流量表的打印、數(shù)據(jù)的存儲等。它通過I/O及D/A接口接收水面信號、河底信號、流速儀信號、流速儀位置，控制流速儀行進位置、變頻器運轉(zhuǎn)頻率，指揮控制臺完成測流動作。

三、流量智能測控系統(tǒng)硬件設(shè)計

流量智能測控系統(tǒng)硬件設(shè)計包括動力調(diào)速模塊、流速儀定位模塊及抗干擾措施3部分組成。

流量智能測控系統(tǒng)的動力調(diào)速系統(tǒng)采用交流變頻調(diào)速。變頻調(diào)速系統(tǒng)適用電機范圍廣，調(diào)速范圍大，控制靈活，能自動平滑加速、減速，有多種用途的外部控制信號接口，易于構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)或計算機控制系統(tǒng)。具有欠壓、過壓、過流、過載、過熱、短路、失速等安全保護和故障診斷報警等功能。

流速儀定位模塊通過增量光電編碼器結(jié)合水面信號及河底信號，用于確定流速儀當(dāng)前所在的位置。

流速儀的定位是流量測驗的關(guān)鍵之一，其最簡便的方法是采用繩長計數(shù)器。繩長計數(shù)器的傳感器將循環(huán)索水平運動長度和鉛魚上提下放時懸索的運動長度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進行計數(shù)，計數(shù)結(jié)果能傳送到操作臺，并能以數(shù)字方式顯示。

用來對繩長進行計數(shù)的傳感器有很多種，其中在自動測量系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的是光電編碼器，它作為系統(tǒng)的一個主要反饋元件，為儀器及其外圍部件提供訊息，用來檢測機械傳動裝置的升降、線位移、角位移、線速度、角速度等靜、動態(tài)量，進行準確的定位和測量。

形成干擾的基本要素有3個：一是干擾源，指產(chǎn)生干擾的元件、設(shè)備或信號，用數(shù)學(xué)語言描述如下：du/dt，di/dt大的地方就是干擾源。如：雷電、繼電器、可控硅、電機、高頻時鐘等都可能成為干擾源。二是傳播路徑，指干擾從干擾源傳播到敏感器件的通路或媒介。典型的干擾傳播路徑是通過導(dǎo)線的傳導(dǎo)和空間的輻射。三是敏感器件，指容易被干擾的對象。如：A/D、D/A變換器，主控計算機，數(shù)字IC，弱信號放大器等。

抗干擾設(shè)計的基本原則是：抑制干擾源，切斷干擾傳播路徑，提高敏感器件的抗干擾性能。

抑制干擾源就是盡可能地減小干擾源的du/dt，di/dt。這是抗干擾設(shè)計中最優(yōu)先考慮和最重要的原則，常常會起到事半功倍的效果。減小干擾源的du/dt主要是通過在干擾源兩端并聯(lián)電容來實現(xiàn)。減小干擾源的di/dt則是在干擾源回路串聯(lián)電感或電阻以及增加續(xù)流二極管來實現(xiàn)。

四、流量智能測控及計算軟件設(shè)計

前面介紹的水面、河底、流速儀、增量光電編碼器等信號只是一開關(guān)量，本身并不能出來流速數(shù)據(jù)；流速儀的水平方向行進、垂直方向的升降及行進或升降速度的快慢，也不是變頻器自身能夠完成的。這些工作都需要在智能設(shè)備——主控計算機的控制下才能實現(xiàn)。根據(jù)信號在主控計算機中的流向，軟件設(shè)計包括信號測量、信號控制及數(shù)學(xué)計算3個方面，這3個方面是交織進行的。

信號測量通過輸入口及計數(shù)器用于測量水面信號、河底信號及流速儀位置。前面介紹的流速儀定位模塊就是用來采集流速儀位置數(shù)據(jù)的。水平方向光電編碼器用于確定流速儀的水平位置，水面信號、河底信號及垂直方向光電編碼器用于確定流速儀入水位置。流速儀信號用于測算流速。

信號控制通過功率輸出口及DA轉(zhuǎn)換器用于控制流速儀的前進、后退、提升、下降及停車，以及行進的快慢。

計算功能存在于整個測流過程。首先主控計算機根據(jù)當(dāng)時水位及水面寬按照《河流流量測驗規(guī)范》要求生成垂線分布數(shù)據(jù)，控制流速儀從水平方向向第一條垂線方向行進。當(dāng)流速儀快行進到這一垂線位置時，主控計算機控制水平方向變頻器減速運行，以使流速儀停車時慣性最小。當(dāng)流速儀行進到這一垂線位置時，主控計算機控制水平方向變頻器停止運行，啟動垂直方向變頻器使流速儀向下運動，到達水面后，信號采集裝置檢測到水面并發(fā)送水面信號，主控計算機收到水面信號后，把水深計數(shù)器清零，流速儀繼續(xù)向下運動，水深計數(shù)器開始計數(shù)。通過參考上次施測大斷面資料，流速儀接近河底時，主控計算機控制垂直方向變頻器減速，以減小流速儀及鉛魚撞擊河底的力量。流速儀到達水底后，信號采集裝置檢測到河底并發(fā)送河底信號，主控計算機收到河底信號后，水深計數(shù)器停止計數(shù)。此時水深計數(shù)器值為實際水深，主控計算機按照測驗規(guī)范根據(jù)水深確定用幾點法測流，并提升流速儀到相應(yīng)水深處停車，然后開始測該點流速。

計算機在開始測速后等待第一個流速儀信號，接收到第一個流速儀信號后開始計時計數(shù)，同時這一時刻以后到結(jié)束該點測速的所有信號及時間存在計算機中，并運用延時電路，剔除干擾信號，保留真正的流速儀信號。同時對流速進行動態(tài)計算，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析前后2次流速之間的誤差＜1%時，即認為該流速為該點的真實流速。

這一點流速測完后，該點相對水深、流速儀轉(zhuǎn)數(shù)、測流歷時、流速等數(shù)據(jù)在屏幕上顯示出來，主控計算機控制流速儀移向下一個測速點或垂線，直到全部測完為止。這時計算機自動計算出實測流量，打印出實測流量表，自動形成水情電報報文，通過信息收發(fā)器或調(diào)制解調(diào)器將報文傳送到防汛水情部門。

五、總結(jié)和展望

通過上面的研究，結(jié)合生產(chǎn)實踐，河南省水文水資源局與許昌水文水資源勘測局合作開發(fā)了基于計算機控制的HLH2-1型流量智能測控系統(tǒng)，由一個水下信號采集編碼發(fā)送器、信號解碼器、光電增量編碼器、雙變頻器、操作臺、I/O接口卡及DA轉(zhuǎn)換卡、主控計算機及智能測控軟件組成，并于2003年在化行水文站投入使用，應(yīng)用效果穩(wěn)定、良好，2006年洪水期間首次采用該系統(tǒng)使用流速儀法完整地測到了全部洪峰過程，系統(tǒng)經(jīng)受了洪水的考驗，為很少有洪水發(fā)生的化行水文站獲得了寶貴的水文資料。

隨后，該系統(tǒng)又推廣應(yīng)用到了河南省8處重要水文站中，都發(fā)揮了應(yīng)有的作用。

目前該系統(tǒng)已基本達到了預(yù)期的研究目標(biāo)，在今后發(fā)展中，應(yīng)繼續(xù)探索新的流量測驗方法，普及提高流量測驗自動化水平，縮短測流時間。同時，力爭做到控制、測驗一體化，按統(tǒng)一標(biāo)準制造，完成產(chǎn)品定型設(shè)計與生產(chǎn)。提高水下儀器收發(fā)訊號可靠性，增強纜道有線或無線信號傳輸抗干擾、抗衰減能力，提高系統(tǒng)整體可靠性水平。