褚杰輝，鄭樹明，張玉勝，王興盛

（黃河水利委員會(huì)中游水文水資源局，山西 晉中030600）

黃委中游水文水資源局管轄37處水文站，擔(dān)負(fù)著黃河中游頭道拐至龍門區(qū)間干支流水文測(cè)報(bào)任務(wù)。吊箱是完成日常水文測(cè)驗(yàn)工作的主要測(cè)流設(shè)備，常規(guī)的吊箱需要上人作業(yè)，測(cè)流時(shí)作業(yè)人員在運(yùn)行的吊箱上將流速儀通過(guò)懸桿放入河流中進(jìn)行施測(cè)流速，測(cè)深桿打入水中施測(cè)水深，橫式采樣器采集沙樣，而由于測(cè)區(qū)位于黃土高原丘陵溝壑區(qū)，洪水暴漲暴落，浪高流急，漂浮物較多，流速儀、測(cè)深桿經(jīng)常被纏繞，導(dǎo)致吊箱隨之大幅擺動(dòng)，尤其洪水經(jīng)常發(fā)生在夜間，對(duì)測(cè)流人員人身安全及其不利。

ASC-Ⅰ型水文吊箱自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)在室內(nèi)遠(yuǎn)程控制吊箱完成自動(dòng)化測(cè)流、測(cè)深等測(cè)控操作，可極大地減輕水文工作者的工作強(qiáng)度，降低工作危險(xiǎn)，提高了水文測(cè)驗(yàn)的科技含量和時(shí)效性。

1 系統(tǒng)概述

ACS-Ⅰ型水文吊箱自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)，是黃委中游水文水資源局研制的一種水上高空運(yùn)載水文儀器進(jìn)行遙控水文測(cè)驗(yàn)的設(shè)備。

水文吊箱自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)由水平運(yùn)行、垂直升降、電動(dòng)懸桿、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸、無(wú)線監(jiān)控、流量演算等部分組成。電動(dòng)懸桿可安裝旋槳流速儀和超聲波測(cè)深儀進(jìn)行流速和水深的測(cè)量，也可以通過(guò)吊箱上安裝的微波流速儀進(jìn)行非接觸式流速測(cè)量。

該系統(tǒng)既可以實(shí)現(xiàn)在室內(nèi)遠(yuǎn)程控制自動(dòng)吊箱自動(dòng)化測(cè)流、測(cè)深等測(cè)控操作，也可以由操作者獨(dú)立在吊箱上完成測(cè)流、測(cè)深、取沙等水文測(cè)驗(yàn)工作；并且各種操作方式的優(yōu)點(diǎn)兼顧，既可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的電器操作——按鈕、旋鈕操作，也可以實(shí)現(xiàn)由屏幕式軟件化精確操作及目前市場(chǎng)主流的觸屏式操作。

2 系統(tǒng)組成

1）水平運(yùn)行。吊箱的水平運(yùn)行采用5.5KW水文絞車，由室內(nèi)控制操作臺(tái)進(jìn)行控制，變頻調(diào)速。起點(diǎn)距測(cè)控主要由PLC、編碼器及其它附件組成，可精確計(jì)算吊箱運(yùn)行起點(diǎn)距。

2）垂直升降。吊箱垂直升降采用其底部自帶的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，蝸輪蝸桿傳動(dòng)，低壓輸電供電（在特殊情況下可以暫時(shí)使用自帶蓄電池供電）。能在操作室通過(guò)室內(nèi)控制操作臺(tái)遙控控制，也可在吊箱上獨(dú)立控制。

吊箱設(shè)多重保護(hù)裝置。在吊箱底部安裝超聲波測(cè)距探頭，可隨時(shí)測(cè)量吊箱至水面距離，達(dá)到設(shè)置距離時(shí)吊箱停止下降；在吊箱懸吊索頂部安裝限位裝置，吊箱上升至限定位置時(shí)停止運(yùn)行；并且在軟件上也可以限定吊箱運(yùn)行空間，保證吊箱升降安全運(yùn)行。緊急情況下可手搖升降吊箱。

3）電動(dòng)懸桿。由直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可安裝超聲波測(cè)深儀和旋槳流速儀，可在操作臺(tái)和吊箱進(jìn)行控制，能對(duì)測(cè)點(diǎn)水深進(jìn)行精確定位。

4）無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?？蓪⑽⒉魉賰x、旋漿流速儀和測(cè)深儀采集的信號(hào)傳輸至室內(nèi)控制臺(tái)。

5）無(wú)線監(jiān)控。吊箱上安裝無(wú)線監(jiān)控?cái)z像頭，可對(duì)吊箱運(yùn)行情況和流速儀、測(cè)深儀入水工作情況進(jìn)行監(jiān)視。

6）流量演算。將采集的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行演算，輸出成果。

3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ACS-Ⅰ型水文吊箱自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)，從功能上可分為：總控演算系統(tǒng)；起點(diǎn)距測(cè)控系統(tǒng)；吊箱及懸桿升降控制系統(tǒng)；吊箱數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)；遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)。從結(jié)構(gòu)上可分為吊箱測(cè)控系統(tǒng)和操作室控制系統(tǒng)兩部分。吊箱和操作室之間通過(guò)無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)和無(wú)線網(wǎng)橋通訊聯(lián)接，互為備份。

1）室內(nèi)操作控制臺(tái)。室內(nèi)操作控制臺(tái)可以控制吊箱水平運(yùn)行、吊箱升降、懸桿升降等，可以選擇工頻和變頻兩種控制方式，在變頻條件下可以使用“速度調(diào)節(jié)旋鈕”調(diào)節(jié)速度大小。可選擇自動(dòng)和手動(dòng)運(yùn)行方式，選擇”自動(dòng)”時(shí)，使用自動(dòng)測(cè)控軟件來(lái)控制吊箱的運(yùn)行和測(cè)流等。

2）吊箱控制系統(tǒng)。吊箱控制系統(tǒng)位于吊箱左上角部位的操作面板上，包括“觸摸屏”和“手動(dòng)控制按鈕”。吊箱控制系統(tǒng)既可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制吊箱的水平運(yùn)行、垂直升降、定位以及懸桿的上升下降等遠(yuǎn)程控制；也可以控制整個(gè)測(cè)流活動(dòng)的運(yùn)行，數(shù)據(jù)查看和設(shè)定等。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化操作，同時(shí)兼顧傳統(tǒng)操作開關(guān)按鈕，使整個(gè)操作既簡(jiǎn)單又方便。

4 系統(tǒng)軟件

1）測(cè)流軟件。自動(dòng)測(cè)流軟件功能豐富，界面簡(jiǎn)潔，操作簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高，既能對(duì)吊箱的水平運(yùn)行、垂直升降、懸桿上升下降等進(jìn)行精準(zhǔn)定位，也可以通過(guò)旋漿流速儀或微波流速儀實(shí)現(xiàn)對(duì)水面和不同水深的水流速度的精確測(cè)量，并自動(dòng)記錄、分析測(cè)量數(shù)據(jù)和各水文參數(shù)。例如天氣，測(cè)量開始、結(jié)束時(shí)間，測(cè)量人員，儀器使用等多種信息。

同時(shí)在測(cè)流過(guò)程中可以實(shí)時(shí)更改水流參數(shù)，使整個(gè)測(cè)流過(guò)程更加精確，更加合理。在測(cè)流方式的選擇上，既可以選擇自由測(cè)流以測(cè)量任意位置的水流速度，也可以通過(guò)讀入斷面數(shù)據(jù)，自動(dòng)確定測(cè)量垂線，系統(tǒng)即可自動(dòng)完成連續(xù)測(cè)流工作。操作界面上動(dòng)畫顯示設(shè)備狀態(tài)，操作人員可以清楚地看到系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和測(cè)流狀態(tài)。系統(tǒng)也可以根據(jù)不同測(cè)站的實(shí)際情況來(lái)設(shè)置各種原始參數(shù)，便于操作人員的使用。

2）演算軟件。完成流量測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)編輯、計(jì)算流量測(cè)驗(yàn)記載計(jì)算表（流速儀）、生成實(shí)測(cè)流量成果表、繪制斷面水深、流速橫向分布圖及套繪圖。

可以有效正確實(shí)現(xiàn)有關(guān)表格編輯、計(jì)算、繪圖并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)及成果文件。計(jì)算過(guò)程及成果圖表格式、精度指標(biāo)符合水文測(cè)驗(yàn)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

5 系統(tǒng)運(yùn)行情況

ACS-Ⅰ型水文吊箱自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)于2011年5月研制成功，2011年6月15日至2012年12月5日在萬(wàn)家寨水文站進(jìn)行試運(yùn)行，其間共測(cè)流338次，測(cè)輸沙率36次，取單沙402次，實(shí)測(cè)最大流量3730m3/s、最大流速4.77m/s、最大水深6.40m，測(cè)驗(yàn)成果全部符合規(guī)范，并通過(guò)了中游水文局驗(yàn)收。2013年在黃河萬(wàn)家寨、河曲水文站正式投入使用。

其設(shè)施設(shè)備性能和參數(shù)及水文測(cè)驗(yàn)精度均滿足《水文纜道測(cè)驗(yàn)規(guī)范》、《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》、《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，設(shè)施設(shè)備運(yùn)行正常、穩(wěn)定。目前新一代的水文吊箱自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)，ACS-Ⅱ型水文自動(dòng)吊箱正在黃河吳堡水文站安裝調(diào)試，主要對(duì)電動(dòng)懸桿升降控制、無(wú)線信號(hào)和數(shù)據(jù)傳輸方式、供電電纜收放機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了升級(jí)改造。