陸乙君，王 俊，金浪濱，汪保福，丁揚(yáng)威

（ 1.杭州定川信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310020；2.蒼南縣橋墩水庫(kù)管理處，溫州 蒼南 325806）

基于“二乘二取二”的船閘液位檢測(cè)系統(tǒng)

陸乙君1，王 俊2，金浪濱1，汪保福1，丁揚(yáng)威1

（ 1.杭州定川信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310020；2.蒼南縣橋墩水庫(kù)管理處，溫州 蒼南 325806）

針對(duì)船閘控制系統(tǒng)中液位誤差大,給閘、閥門(mén)門(mén)體和啟閉設(shè)備帶來(lái)了潛在的破壞因素，設(shè)計(jì)了1套基于“二乘二取二”的船閘液位檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)將輸出的液位信號(hào)通過(guò)“二乘二取二”結(jié)構(gòu)的激光測(cè)距儀液位檢測(cè)裝置及算法處理，顯著提高了液位檢測(cè)的精度和可靠性。

船閘；“二乘二取二”；激光測(cè)距儀

1 問(wèn)題的提出

內(nèi)河水運(yùn)的關(guān)鍵設(shè)施是船閘。船閘是向兩端有閘門(mén)控制的閘室注/泄水、升/降閘室的水位，使船舶能克服航道中水位落差的廂行建筑物，而這一功能的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)船閘閘門(mén)、閥門(mén)的啟閉控制閘室內(nèi)的水位漲落完成的。這種水位的落差本身因?yàn)樗鞯木薮鬀_擊力給閘、閥門(mén)門(mén)體和啟閉設(shè)備帶來(lái)了潛在的破壞因素。為了避免這種因素造成的破壞，在船閘控制過(guò)程中，準(zhǔn)確判斷閘室內(nèi)外水位的變化是非常必要的。

而目前，船閘控制系統(tǒng)中大量使用基于壓力機(jī)理的水位計(jì)，其所代表的傳統(tǒng)水位計(jì)在船閘運(yùn)行中的表現(xiàn)差強(qiáng)人意[1]，易損壞、不易維護(hù)、精確性低、可靠性低等缺點(diǎn)的存在，大大降低了船閘運(yùn)行的可靠性。究其源由有2點(diǎn)：首先，船閘通過(guò)注/泄水進(jìn)行閘室水位的升/降，閘室兩側(cè)的水位呈典型的動(dòng)態(tài)水位特征，故水位計(jì)輸出的液位數(shù)據(jù)、以及液位數(shù)據(jù)派生出的液位差數(shù)據(jù)的精度欠佳；其次，船閘的注/泄水夾雜泥沙、泥沙在閘室淤積產(chǎn)生淤泥，另一方面河床航道中亦存在動(dòng)態(tài)變化的淤泥層，淤泥使壓力式水位計(jì)的液位數(shù)據(jù)以及派生的液位差數(shù)據(jù)偏離真值。閘室的定時(shí)清淤不僅費(fèi)時(shí)耗力，而且降低了船閘的通過(guò)能力。因此，亟待探尋既能排除淤泥影響、又能精準(zhǔn)檢測(cè)動(dòng)態(tài)水位的液位檢測(cè)方法。本文采用激光測(cè)距儀檢測(cè)液位，淤泥對(duì)液位數(shù)據(jù)的負(fù)面影響將不復(fù)存在，有助于提升液位和液位差的檢測(cè)精度；激光反射板所處的測(cè)井中安裝消波網(wǎng)，消波網(wǎng)減小注/泄水時(shí)閘室動(dòng)態(tài)水位的變化幅度，進(jìn)一步提升液位的檢測(cè)精度。借鑒軌道交通的“二乘二取二”安全計(jì)算機(jī)技術(shù)檢測(cè)液位，提高液位檢測(cè)的精度和可靠性，為不斷發(fā)展中的更高層次的運(yùn)行管理需求提供技術(shù)保障。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對(duì)船閘控制系統(tǒng)中液位誤差大，給閘、閥門(mén)門(mén)體和啟閉設(shè)備帶來(lái)了潛在的破壞因素，及船閘亟待挖掘的通行潛能，設(shè)計(jì)了基于“二乘二取二”[2]的船閘液位檢測(cè)系統(tǒng)和方法。

基于“二乘二取二”的船閘液位檢測(cè)系統(tǒng)其特征在于系統(tǒng)由船閘上游液位檢測(cè)裝置（100）、船閘上閘首（1）、船閘上閘首開(kāi)度儀（3）、船閘上閘首注水泵（5）、船閘閘室液位檢測(cè)裝置（200）、船閘下閘首泄水泵（6）、船閘下閘首開(kāi)度儀（4）、船閘下閘首（2）、船閘下游液位檢測(cè)裝置（300），下位機(jī)中央控制器PLC（7）、船閘閘首啟閉機(jī)控制柜（8）、上位機(jī)監(jiān)控PC（9）組成（見(jiàn)圖1）。

圖1 基于“二乘二取二”的船閘液位檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 “二乘二取二”安全計(jì)算機(jī)技術(shù)

“二乘二取二”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2[3]，聯(lián)鎖運(yùn)算層有4個(gè)處理器單位，2個(gè)為一個(gè)系，分為A、B系，各系為“二取二”結(jié)構(gòu)，雙系互為熱備雙硬件冗余工作，系中每一單系均包括雙套采樣機(jī)實(shí)時(shí)校核工作?！岸《奔礊樵?套系統(tǒng)上集成2個(gè)處理器單位，嚴(yán)格同步，實(shí)時(shí)比較，只有2個(gè)單元運(yùn)行時(shí)間一致，才對(duì)外輸出或傳輸運(yùn)算結(jié)果。任何單系檢出故障均可立即倒向備系工作。而2套系統(tǒng)之間可以采取雙系熱備或二重比較。

圖2 “二乘二取二”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

“二乘二取二”系統(tǒng)是熱備系統(tǒng)，無(wú)論當(dāng)前是否為主系，4臺(tái)主機(jī)都要一直工作。正常工作情況下，4臺(tái)主機(jī)均要接收數(shù)據(jù)，并時(shí)刻檢測(cè)接收數(shù)據(jù)的通信端口是否正常工作。一旦檢測(cè)到通信端口工作異常，無(wú)論主系還是備系都要及時(shí)報(bào)告故障情況。每次主機(jī)接收到數(shù)據(jù)時(shí)，都必須對(duì)所有接收到數(shù)據(jù)進(jìn)行二取二表決，當(dāng)表決一致時(shí)，才將數(shù)據(jù)輸出。當(dāng)表決不一致時(shí)，直接報(bào)告主備切換器并視情況進(jìn)行切換。

“二乘二取二”冗余系統(tǒng)的工作狀態(tài)主要介紹系統(tǒng)當(dāng)前的故障情況、主備情況和輸出情況（見(jiàn)表1）。

表1 “二乘二取二”主備系統(tǒng)狀態(tài)表

“二乘二取二”結(jié)構(gòu)構(gòu)成的系統(tǒng)是互為校核與互為備用的組合。“二乘二取二”安全計(jì)算機(jī)技術(shù)做到了保證每個(gè)單位都有自檢測(cè)能力；每系平等關(guān)系且沒(méi)有主次之分；系統(tǒng)定期檢測(cè)。

當(dāng)前的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)主要采用雙機(jī)熱備系統(tǒng)，這種系統(tǒng)在長(zhǎng)期應(yīng)用和發(fā)展中已經(jīng)暴露出軟、硬件設(shè)計(jì)上的缺欠。隨著提速、客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)、大型客運(yùn)站、重點(diǎn)車(chē)站、重載路線(xiàn)的建設(shè)和改造，他們對(duì)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的可靠性、安全性提出了更高的要求，以適應(yīng)鐵路跨越式發(fā)展形式的需要[6]。世界上許多國(guó)家的實(shí)際證明，具有“二乘二取二”冗余結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)具有極高的可靠性和安全性。

3 “二乘二取二”液位檢測(cè)系統(tǒng)

系統(tǒng)選用激光測(cè)距儀，將輸出的液位信號(hào)采用“二乘二取二”結(jié)構(gòu)的激光測(cè)距儀液位檢測(cè)裝置[4]及算法處理，提高液位檢測(cè)的精度和可靠性。

船閘上游液位檢測(cè)裝置（100）、船閘閘室液位檢測(cè)裝置（200）和船閘下游液位檢測(cè)裝置（300）分別位于船閘上游、閘室和下游的左右兩岸，水位計(jì)在船閘廂行建筑物中的分布見(jiàn)圖3。上位機(jī)監(jiān)控PC（9）與下位機(jī)中央控制器PLC（7）相連，船閘上游液位檢測(cè)裝置、船閘閘室液位檢測(cè)裝置和船閘下游液位檢測(cè)裝置的液位信號(hào)輸入至下位機(jī)中央控制器PLC；液位檢測(cè)裝置均按“二乘二取二”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，下位機(jī)中央控制器PLC采用“二乘二取二”算法處理液位檢測(cè)裝置輸入的液位模擬信號(hào)。

圖3 水位計(jì)在船閘廂行建筑物中的分布圖

船閘上游液位檢測(cè)裝置包括船閘上游左岸液位檢測(cè)裝置（110）和船閘上游右岸液位檢測(cè)裝置（120）,左/右兩岸的液位檢測(cè)裝置相同，船閘上游左岸液位檢測(cè)裝置位于船閘上游的左岸，船閘上游右岸液位檢測(cè)裝置位于船閘上游的右岸；船閘閘室液位檢測(cè)裝置和船閘下游液位檢測(cè)裝置與船閘上游液位檢測(cè)裝置類(lèi)同。

船閘上游左岸液位檢測(cè)裝置由船閘上游左岸測(cè)井（111）、船閘上游左岸消波網(wǎng)（112）、船閘上游左岸激光反射板（113）、船閘上游左岸第1激光測(cè)距儀（114）和船閘上游左岸第2激光測(cè)距儀（115）組成[5]，“二乘二取二”水位計(jì)液位檢測(cè)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。船閘上游左岸第1激光測(cè)距儀和船閘上游左岸第2激光測(cè)距儀安裝于船閘上游左岸測(cè)井頂部，船閘上游左岸消波網(wǎng)安裝于船閘上游左岸測(cè)井下端，船閘上游左岸激光反射板懸浮與船閘上游左岸測(cè)井水面，并與船閘上游左岸第1激光測(cè)距儀、船閘上游左岸第2激光測(cè)距儀配套；船閘上游液位檢測(cè)裝置配置4臺(tái)激光測(cè)距儀、左/右岸液位檢測(cè)裝置各配2臺(tái)，通過(guò)RS485與下位機(jī)中央控制器PLC的485口相連；4臺(tái)激光測(cè)距儀構(gòu)成經(jīng)典的、“二乘二取二”液位檢測(cè)架構(gòu)，液位信號(hào)則采用“二乘二取二”的算法處理；在基于“二乘二取二”的船閘液位檢測(cè)系統(tǒng)中，共計(jì)配備6座測(cè)井，12臺(tái)激光測(cè)距儀。

圖4 “二乘二取二”水位計(jì)液位檢測(cè)的結(jié)構(gòu)圖

3.2 “二乘二取二“液位檢測(cè)算法

變量check 100 = 110或120、check 200 = 210或220、check 300 = 310或320分別表征船閘上游左/右岸液位檢測(cè)裝置、船閘閘室左/右岸液位檢測(cè)裝置、船閘下游左/右岸液位檢測(cè)裝置處于檢測(cè)/備用或備用/檢測(cè)狀態(tài)。

船閘上游液位檢測(cè)裝置“二乘二取二”水位計(jì)液位檢測(cè)的流程見(jiàn)圖5，具體操作如下：

ESP：同一水位井液位差標(biāo)準(zhǔn)值

（1）檢測(cè)狀態(tài)的激光測(cè)距儀采樣

船閘上游左岸第1激光測(cè)距儀和船閘上游左岸第2激光測(cè)距儀分別采樣4次液位、通過(guò)RS485上傳至下位機(jī)中央控制器PLC

船閘上游右岸第1激光測(cè)距儀和船閘上游右岸第2激光測(cè)距儀分別采樣4次液位、通過(guò)RS485上傳至下位機(jī)中央控制器PLC

（2）激光測(cè)距儀液位數(shù)據(jù)的中位均值濾波

船閘上游左岸第1激光測(cè)距儀液位數(shù)據(jù)的中位均值濾波，即：

第2激光測(cè)距儀液位數(shù)據(jù)亦中位均值濾波得D115Average

船閘上游右岸第1激光測(cè)距儀液位數(shù)據(jù)的中位均值濾波，即：

船閘閘室液位檢測(cè)裝置、船閘下游液位檢測(cè)裝置的“二乘二取二”水位計(jì)液位檢測(cè)流程，與船閘上游液位檢測(cè)裝置類(lèi)同。

激光測(cè)距儀參數(shù)：最大測(cè)量范圍：10 m；精度：±3 mm；測(cè)量方式：連續(xù)測(cè)量；數(shù)據(jù)采集時(shí)間：1 s；防護(hù)等級(jí)：IP55,可有效防淋雨；技術(shù)參數(shù)輸出：4 ～ 20 mA模擬量輸出、RS485、網(wǎng)口、RS232、USB、GSM模塊。

船閘上游左岸液位檢測(cè)裝置和船閘上游右岸液位檢測(cè)裝置互為備份，由主備檢測(cè)切換變量check 100控制切換；check 100 = 110時(shí)，船閘上游左岸液位檢測(cè)裝置的2支激光測(cè)距儀檢測(cè)上游液位、液位數(shù)據(jù)中位均值濾波、“二乘二取二”表決，若2支激光測(cè)距儀的檢測(cè)數(shù)據(jù)偏差＜ ESP、輸出檢測(cè)的液位，反之check 100 = 120、船閘上游右岸液位檢測(cè)裝置轉(zhuǎn)為檢測(cè)狀態(tài)、故障報(bào)警；check 100 = 120時(shí)，流程與check 100 = 110類(lèi)同；通過(guò)“二乘二取二”液位檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)出船閘上下游和閘室的水位。船閘閘室液位檢測(cè)裝置、船閘下游液位檢測(cè)裝置的“二乘二取二”水位計(jì)液位檢測(cè)原理，與船閘上游液位檢測(cè)裝置類(lèi)同。“二乘二取二”水位計(jì)液位檢測(cè)的原理見(jiàn)圖6。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)船閘液位檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了根本性的改變。利用“二乘二取二”結(jié)構(gòu)的激光測(cè)距儀液位檢測(cè)裝置和“二乘二取二”液位信號(hào)算法處理；消除了傳統(tǒng)水位計(jì)的缺陷，“二乘二取二”技術(shù)提高了液位檢測(cè)的精度和可靠性，使得船閘運(yùn)行可靠性大大提高，節(jié)省了人力資源在維護(hù)上的投入，并為船閘運(yùn)行快速，準(zhǔn)確調(diào)度提供了保障，在更深層次發(fā)揮了其綜合效益。

圖5 “二乘二取二”水位計(jì)液位檢測(cè)流程圖

圖6 “二乘二取二”水位計(jì)液位檢測(cè)的原理圖

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（責(zé)任編輯 姚小槐）

TP273

B

1008 - 701X(2017)03 - 0084 - 05

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.03.024

2016-11-22

陸乙君(1986 - )，男，工程師，碩士，主要從事水利信息自動(dòng)化研究。E-mail：332378294@qq.com