段江勇　　戴小群　　左　念

(長江水利委員會水文局 長江中游水文水資源勘測局，湖北 武漢　430012)

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水文纜道測驗運行操作與使用探討

段江勇戴小群左念

(長江水利委員會水文局 長江中游水文水資源勘測局，湖北 武漢430012)

摘要：水文外業(yè)測驗是水文測站的主要工作任務(wù)。測驗時，準確地采集、處理和傳輸數(shù)據(jù)，獲取可靠的水文基本資料對防汛抗洪非常重要。多年來，經(jīng)過不斷改造與更新的水文測驗設(shè)備在整體測驗水平上得到了較大提高。隨著計算機技術(shù)、動力控制技術(shù)的不斷發(fā)展和調(diào)速技術(shù)的不斷提高，水文測站外業(yè)測驗方式的自動化在實際測量中得到廣泛運用。對EKZ-I型水文纜道測驗智能控制儀的功能、操作規(guī)程以及一般故障處理等作了簡要介紹，并指出了操作中應(yīng)注意的事項。

關(guān)鍵詞：水文測驗；測驗設(shè)備；纜道測驗；自動化

長江委水文中游局益陽分局的沙頭(二)、楊堤(二)、甘溪港3個水文站都修建了水文測驗纜道，用以流量測驗。沙頭(二)站為控制資水尾閭?cè)牒榈?類精度基本水文站；楊堤(二)站為控制資水東支的3類精度基本水文站；甘溪港為控制資水西支的3類精度基本水文站，其所在河流均為順逆流不定的河道。

通過這3座水文測驗纜道的投運，極大地提升了流量自動化測驗技術(shù)水平，能快捷并安全地完成流量測驗任務(wù)。

1　概　述

1.1設(shè)備結(jié)構(gòu)與設(shè)計原理

水文纜道測驗控制設(shè)備由計算機、主控接口、計數(shù)控制綜合儀、流速儀測速裝置、調(diào)速子系統(tǒng)等五大部分組成。在計算機相應(yīng)軟件的支持下，這五大部分控制各設(shè)備運轉(zhuǎn)正常，能自動采集各類原始數(shù)據(jù)，并進行綜合處理。

收集數(shù)據(jù)、綜合處理后，現(xiàn)場打印流量成果表及現(xiàn)場分析圖，處理其他水文內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)。這樣就構(gòu)成了一套比較完整的“EKZ-Ⅰ型水文纜道測驗智能控制儀”，詳見圖1。

圖1　EKZ-Ⅰ型水文纜道測驗智能控制儀示意

1.2設(shè)備各模塊功能

1.2.1主控接口功能

(1) 聯(lián)機工作方式。主控接口是主機與其相關(guān)外設(shè)聯(lián)系的紐帶，系統(tǒng)控制功能的實現(xiàn)，以及各類數(shù)據(jù)、信息的交換均需要主控接口完成。控制命令包括外設(shè)動作的控制類命令和通道選擇的控制類命令。緊急情況下，通過動力控制器也可人工干預(yù)運行狀態(tài)。另外，主控接口還具備水深、起點距、水位、流速4種數(shù)據(jù)傳送功能，以及水面、水底信號的判斷處理功能。

(2) 脫機工作方式。由于一部分測站暫未配置微機或使用該系統(tǒng)時主機系列部分臨時出現(xiàn)故障，主控接口也可作為單獨儀器使用，其主要功能基本上與聯(lián)機狀態(tài)相同。所不同的是聯(lián)機狀態(tài)部分功能的實現(xiàn)由主機在通訊方式上與主控接口完成信息交換，而脫機方式時，各種功能的實現(xiàn)則是通過面板上的各種按鍵完成。脫機工作時主控接口對流速信號的接收處理可作為計時計數(shù)器使用。

(3) 信號處理前置器。前置器位于操作臺下半部分變頻器旁，在變頻開關(guān)接通狀況下，才能給前置處理器供電，該裝置具備兩個功能，即信號接收處理功能與信號隔離功能。

1.2.2信息采集控制接口功能

(1) 水深計數(shù)。水深計數(shù)屬于計數(shù)控制接口的子項目內(nèi)容之一，其主要作用是通過鋼絲繩的濕繩長測量水深值。自動測流時，通過水面信號清零水深計數(shù)器，依靠水底信號停止鉛魚運行(先讀水深值再停機以減少誤差)。

(2) 起點距計數(shù)。與水深計數(shù)方式基本相似，通過軟件參數(shù)預(yù)置，可進行精度校驗。

(3) 邏輯通道選擇控制。邏輯通道選擇控制部分由控制、發(fā)射、放大、室內(nèi)接收處理、水下接收處理等組成。

1.2.3編碼器

編碼器有兩類，即起點距編碼器和水深編碼器。

1.2.4水下信號源

水下信號源由水面信號裝置、水底信號裝置以及流速儀信號輸出組成。

1.2.5動力控制器

動力控制器屬于調(diào)速子系統(tǒng)的一部分，其主要功能是接收主控接口傳輸?shù)母黝惪刂泼畈?zhí)行相應(yīng)的動作(上升、下降、前進、后退、停止)，也可人工干預(yù)手動操作。

2　計數(shù)調(diào)試

2.1起點距

將起點距計數(shù)器清零，并記下該處位置，然后以不同速度前進，到達對岸后再返回到原始位置，起點距計數(shù)器計數(shù)值為零或接近于零，即可判定起點距計數(shù)器工作正常。下一步進行起點距率定，率定方法如下。

(1) 在起始點將起點距計數(shù)器清零；

(2) 用經(jīng)緯儀在斷面的基點處測出行車運行至測流或測深線位置的角度，并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的起點距值，然后分別記錄對應(yīng)的起點距計數(shù)顯示值；

(3) 鉛魚返回到相應(yīng)的測流、測深線，并復(fù)核該點的經(jīng)緯儀角度值所對應(yīng)的起點距值是否與原來相同或相近；

(4) 通過多次來回運行，再回到原點，判斷是否存在校正誤差(檢驗是否滿足測驗規(guī)范要求)；

(5) 經(jīng)過多次試驗，鉛魚返回到原點時，計數(shù)回零或基本上接近于零。在測流和測深垂線處，起點距計數(shù)器值與經(jīng)緯儀相應(yīng)角度所對應(yīng)的實際起點距數(shù)據(jù)，在前進或返回至測線時相同或基本相同，表明該起點距計數(shù)器滿足測控系統(tǒng)方式下自動測距的要求。

2.2水深

水深測量是水文測驗的關(guān)鍵項目之一，水文測驗資料精度能否滿足要求與各點的水深測量值有直接聯(lián)系，因此，水深測量一定要滿足水文測驗精度要求[1-2]。水深計數(shù)器精度比測方法與步驟如下。

(1) 將水深計數(shù)器在鉛魚入水處清零；

(2) 下放鉛魚至河底，再提升出水面，在鉛魚出水處觀察水深計數(shù)器計數(shù)值是否為零，如果為零，則表明計數(shù)器工作正常；

(3) 鉛魚下放至入水處，計數(shù)器清零，再勻速下放，任選若干點停車，比較水深計數(shù)器值與濕繩值并分別記錄，至河底再提升鉛魚，分別讀得相關(guān)數(shù)據(jù)并依次記錄；

(4) 上述方法重復(fù)若干次，分析靜態(tài)誤差；

(5) 在自動測流方式下，通過水面信號自動將計數(shù)器清零，鉛魚自動測全水深及相對水深，然后通過對比濕繩值與計數(shù)器值，分析動態(tài)誤差。

2.3流速

流速獲取是流量測驗的重要參數(shù)之一，也是建設(shè)水文纜道的主要目的[3]。

(1) 信號原理。信號線連接循環(huán)鋼絲繩，鋼絲繩通過絞車上的一個滑輪，而該滑輪連接信號引出線。信號線通過交流接觸器(安裝在控制臺內(nèi))，該交流接觸器由動力控制器的變頻器開關(guān)(即鑰匙開關(guān))控制。當(dāng)未打開變頻器開關(guān)時，信號線與地相通，打開后，信號線才連通。連通后到達計數(shù)控制接口，再從計數(shù)控制接口到信號處理前置器中，轉(zhuǎn)換成5 V直流信號再傳回至主控接口中。因此，一旦任意一個路徑出現(xiàn)故障，即使水下信號源正常，信號也將無法傳回。

(2) 水下信號源。由水面信號裝置、水底信號裝置、流速信號處理、輸出、雙音頻信號接收處理等幾個部分組成。當(dāng)鉛魚下放入水后，在水面極板處輸出一正脈沖，脈沖消失后，等待水底信號輸出。河底信號未到之前，無流速信號輸出；河底信號到位以后，發(fā)一正脈沖到懸索，同時將水下流速儀信號狀態(tài)置位，再上升時才有流速儀信號輸出到主控接口，主控接口與電腦連接自動記錄流速。

3　軟件操作規(guī)程

“EKZ-Ⅰ型水文纜道測驗智能控制儀”主要用于水文測站的外業(yè)測驗及資料整理，其主要功能是通過計算機控制測流過程，并現(xiàn)場打印資料成果。

3.1軟件調(diào)試

首次使用應(yīng)用軟件時，用戶必須調(diào)試，其主要任務(wù)是進行主控接口通訊(即端口測試)以及相關(guān)參數(shù)的預(yù)置(即數(shù)據(jù)維護)等工作。

3.1.1相關(guān)參數(shù)的預(yù)置

安裝調(diào)試時，首先應(yīng)輸入以下有關(guān)數(shù)據(jù)。

(1) 使用測站站名；

(2) 使用測站大斷面數(shù)據(jù)；

(3) 起點距計數(shù)值與實際起點距對應(yīng)數(shù)據(jù)；

(4) 水深計數(shù)值與實際水深對應(yīng)數(shù)據(jù)；

(5) 鉛魚返回時，提升運動軌跡曲線擬合坐標(biāo)數(shù)據(jù)；

(6) 參數(shù)預(yù)置表中所有選項；

(7) 流速儀定位數(shù)據(jù)；

(8) 垂線設(shè)置。

3.1.2主控接口通訊

與主控接口通訊主要包括兩方面功能的調(diào)試。

(1) 主機對端口的數(shù)據(jù)傳輸功能；

(2) 主機對端口的控制命令傳送功能 。

3.2軟件操作

運行程序時，主控接口聯(lián)/脫開關(guān)置于“聯(lián)”，顯示窗口顯示“cbsu-1”(按復(fù)位鍵可得)；直/交開關(guān)位置根據(jù)信號狀態(tài)選擇(直流信號置于“直”，交流信號置于“交”)，此時才能正式開始自動測驗。(注：非自動測驗可不選擇開關(guān)位置，而應(yīng)將聯(lián)/脫開關(guān)置于“脫”。)

軟件菜單欄中共有8個菜單，每個菜單均有各自的子菜單，用于執(zhí)行不同的功能。下面分別介紹各個菜單的功能及其使用。

3.2.1端口測試

端口測試用于在測驗作業(yè)前檢查控制儀各部件的狀態(tài)是否正常，包括[控制口測試]和[數(shù)據(jù)口測試]兩個部分。

3.2.2數(shù)據(jù)維護

正確錄入初始化參數(shù)，是保證測驗數(shù)據(jù)準確的前提。初次使用該軟件的用戶，必須進行參數(shù)預(yù)置，否則會導(dǎo)致軟件使用異常。

(1) 修改測站設(shè)置。測站名稱決定軟件的歸屬，根據(jù)各測站測驗項目的不同，軟件將提供相應(yīng)的功能。

(2)編輯大斷面資料。大斷面資料在軟件中主要用于自動測驗時實時顯示大斷面圖，輸入實時水位值時，能夠計算并顯示左、右水邊的高程，大斷面數(shù)據(jù)輸入一定要準確可靠，編輯時可只錄入起點距和河底高程，序號一欄可由程序自動編排。

(3)校驗起點距。纜道主索總有一定的弧度，同時也會隨自然條件的不同而發(fā)生變化，因此，為了提高測驗精度應(yīng)定期進行校驗。利用經(jīng)緯儀測量值和光電計數(shù)器顯示值進行對比，得到若干組數(shù)據(jù)，通過該項功能將數(shù)據(jù)錄入到軟件內(nèi)，由軟件自動進行分段線性處理，從而得到實際的起點距數(shù)據(jù)。

(4)校驗水深。其操作與校驗起點距相同。

(5) 流速儀種類。每個測站均擁有多部不同流速儀，為方便測驗過程中流速儀選擇及更換，用戶可將測驗所需用到的流速儀依次列出，內(nèi)容包括牌號、轉(zhuǎn)次、K值、C值、使用累計方式及相應(yīng)累計值(小時數(shù)或次數(shù))。根據(jù)規(guī)范使用累計方式分為累計小時數(shù)和累計次數(shù)兩種。

(6) 校正纜道主索垂度。為了準確校正偏角引起的水深誤差，用戶應(yīng)將起點距和與之對應(yīng)的纜道主索垂度觀測值錄入表框中，同時還需要錄入纜道主索高度、纜道參數(shù)、鉛魚重量、懸索直徑等參數(shù)值。

3.2.3測量作業(yè)

測量作業(yè)包括全自動測量作業(yè)、半自動測量作業(yè)、全人工測量作業(yè)、自動轉(zhuǎn)人工測量作業(yè)等，其中任一種均可完成流量測驗。

3.2.4數(shù)據(jù)處理

當(dāng)測驗作業(yè)完成后，測驗人員應(yīng)及時校對測驗數(shù)據(jù)，該軟件提供了[數(shù)據(jù)處理]菜單，其中包括[資料校核]、[懸沙輸入] 和[現(xiàn)場四隨分析數(shù)據(jù)整理]3項子菜單。

4　一般故障處理

4.1無水下信號輸出

(1) 檢測鋼絲繩與鉛魚之間的電壓，當(dāng)托板托起時是否有交流電壓(3 V左右)；

(2) 檢測信號能否到達接口，用一根電線連接信號接口地與鉛魚外殼；

(3) 檢測水下信號源是否有足夠電壓。

處理辦法如下。

(1) 檢測纜道鋼絲繩是否與鋼塔短路；

(2) 水下信號電池充電；

(3) 更換接口。

4.2無水面信號輸出

在岸上將水面極板的下極板接通鉛魚外殼，看是否有信號，后兩個都接外殼是否無信號聲音。

處理辦法：更換鉛魚線路。

4.3無水底信號輸出

(1) 在岸上，用萬用表電壓檔紅表筆接鋼絲繩，黑表筆接鉛魚外殼，檢測托起托板是否有電壓(3 V左右)；

(2) 檢查水底信號干簧管是否損壞或托板是否卡死。

處理辦法：更換干簧管。

4.4動力控制器按鍵停止不動作

處理方法：立即復(fù)位主控接口或關(guān)閉變頻開關(guān)，檢查相應(yīng)繼電器。

4.5主控接口與計數(shù)控制接口無顯示

處理辦法：更換保險或開關(guān)電源。

4.6水下信號有輸出，而接口接收不到

處理辦法：首先檢查給信號前置處理器供電的蓄電池電壓，若低于10.5 V，需立即充電至12 V以上；若充電后，蓄電池電壓正常，但是信號前置處理器在水下信號正常輸出時，指示燈不亮，則判定為該信號前置處理器損壞，需更換處理。

4.7起點距或水深不計數(shù)

(1) 若起點距不計數(shù)，水深計數(shù)，調(diào)換兩根編碼器連接線后，發(fā)現(xiàn)起點距計數(shù)而水深不計數(shù)，則判斷起點距編碼器損壞；

(2) 檢測編碼器連接線是否斷路，將編碼器連接線1和2腳短接、3和4腳短接后，在另一頭用萬用表監(jiān)測1和2腳、3和4腳是否連通，不連通即表明該連接線在中間部分已斷開。

處理辦法。

(1) 更換編碼器；

(2)用備用編碼器連接線路。

5　操作注意事項

(1) 在靠近兩岸鐵塔或退回到站房中時，要確保退回或前進速度較慢。下放鉛魚在接近河底時，需減慢速度，下放速度決不可過大，否則鉛魚將隨鋼絲繩下垮。

(2) 鉛魚上升到較高處時，如需繼續(xù)上升，請務(wù)必減慢速度，以較低速度緩慢上升。

(3) 盡量避免鉛魚在水面下進行鉛魚前進或者后退的操作[4]。

(4) 當(dāng)鉛魚下放到河底，需注意主控接口是否收到河底信號。若收到信號，則需注意是否主控接口從2燈閃爍轉(zhuǎn)變?yōu)?燈閃爍，未轉(zhuǎn)換則有可能即使來信號，鉛魚仍然處于不停下放之中。

(5) 如果未收到河底信號，則需密切注意纜道的上循環(huán)索是否下垮，如下垮則證明已放到河底。

(6) 鉛魚測流運行過程中，主測人員及瞭望人員應(yīng)密切注意河面來往船只，及時通知過往船只注意安全避讓。

6　建議與改進

(1) 在操作過程中，可以考慮鋼絲繩的密度、直徑、氣溫、鐵塔高程，以及鉛魚自重等相關(guān)物理值，軟件在起點距的率定計算中使用到高等數(shù)學(xué)的微積分，這使空載和負載起點距率定更為簡化和有效。這樣可有效減少起點距率定所需觀測點的數(shù)目，提高起點距率定的精度。

(2) 在極端冰凍氣候下，設(shè)計者應(yīng)提供循環(huán)索加熱除冰裝置，以減少測驗中的誤差并提高安全系數(shù)。

參考文獻：

[1]SL443-2009水文纜道測驗規(guī)范[S].

[2]GB50179-1993河流流量測驗規(guī)范[S].

[3]馬慶云.水文勘測工[M].鄭州：黃河水利出版社，2003.

[4]陸玉琴，陶武亮，夏良謙.水文鉛魚纜道的絕緣方法[J].人民長江，2012，43(增)：170-171.

(編輯：朱曉紅)

收稿日期：2016-05-15

作者簡介：段江勇，男，長江水利委員會水文局長江中游水文水資源勘測局，工程師.

文章編號：1006-0081(2016)07-0018-04

中圖法分類號：P332

文獻標(biāo)志碼：A