王世玉，宋海峰，陳正平，羅招貴

[1.新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆烏魯木齊 830000；2.國網(wǎng)新源控股有限公司回龍分公司，河南省南陽市 473000；3.南瑞集團(tuán)（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司，江蘇省南京市 211106]

0 引言

為了利用豐富的水資源，修建攔水壩等水利工程改變了河流的自然形態(tài)，使生活其中的魚類生存所需的生態(tài)環(huán)境條件、水文情勢(shì)發(fā)生變化，最終對(duì)魚類資源產(chǎn)生影響，如水中魚類的遷移洄游。為了保護(hù)天然漁業(yè)資源、保障水生生態(tài)系統(tǒng)的連續(xù)性和多樣性，需要在修建有攔河壩等水利工程的地方修建生態(tài)補(bǔ)償工程[1]。2015年，由國家能源局頒布的《水電工程過魚設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB/T 35054—2015）中將生態(tài)補(bǔ)償工程（過魚設(shè)施）劃分為仿自然通道、魚閘、集運(yùn)魚系統(tǒng)及魚道4類，其中以魚道工程最為常見。魚道是一種呈連續(xù)階梯狀的水槽式構(gòu)筑物，主要形式包括池式魚道、槽式魚道和其他特殊形態(tài)的魚道。

國內(nèi)魚道工程的建設(shè)開始時(shí)間較早，但魚道工程對(duì)于魚類洄游效果如何以前尚沒有可靠的監(jiān)測(cè)手段[2]，近年來隨著國家對(duì)生態(tài)環(huán)境越來越重視，國家對(duì)魚道工程運(yùn)行情況的監(jiān)測(cè)提出了明確要求，如《水利水電工程魚道設(shè)計(jì)導(dǎo)則》（SL 609—2013）中要求：“魚道應(yīng)在適當(dāng)位置設(shè)置觀察室，或圖像監(jiān)控設(shè)施。”同時(shí)明確“魚道觀測(cè)內(nèi)容主要包括魚道流速、水深、流量，上、下游水位，過魚數(shù)量、規(guī)格、種類等，在特殊水位組合情況下，可通過對(duì)魚道進(jìn)、出口閘門進(jìn)行聯(lián)合控制，降低魚道內(nèi)流速，滿足過魚要求。” 在《水電工程過魚設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB/T 35054—2015）中要求：“過魚設(shè)施應(yīng)布置觀測(cè)室，在觀測(cè)室中應(yīng)布置觀測(cè)窗，可配備攝像機(jī)、魚探儀、計(jì)數(shù)器、顯示器等必要的觀測(cè)和記錄設(shè)備。觀測(cè)設(shè)備應(yīng)能自動(dòng)進(jìn)行晝夜連續(xù)觀測(cè)，適應(yīng)不同的氣候條件，識(shí)別不同魚類種類和大小。記錄設(shè)備應(yīng)能記錄過魚時(shí)間，統(tǒng)計(jì)過魚數(shù)量，并存儲(chǔ)過魚過程的影像。過魚設(shè)施運(yùn)行期應(yīng)開展過魚效果的觀測(cè)、記錄和統(tǒng)計(jì)分析，并對(duì)設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。過魚設(shè)施運(yùn)行管理單位應(yīng)建立完善的觀測(cè)評(píng)估資料檔案管理制度，定期對(duì)過魚設(shè)施的運(yùn)行效果進(jìn)行評(píng)估，并報(bào)上級(jí)部門和環(huán)境保護(hù)行政主管部門等?！?/p>

目前魚道過魚情況監(jiān)測(cè)主要采用國外進(jìn)口產(chǎn)品，對(duì)于不同魚道工程適應(yīng)性調(diào)整比較困難，給魚道過魚監(jiān)測(cè)的全面推廣帶來一定困難，為此研制一套適合國內(nèi)魚道工程特點(diǎn)、具有靈活配置性的魚道監(jiān)測(cè)裝置很有必要。

1 功能設(shè)計(jì)

在魚道典型斷面設(shè)置監(jiān)測(cè)裝置，監(jiān)測(cè)水位、水溫、流速等信息采集為魚類洄游習(xí)性分析提供原始數(shù)據(jù)；監(jiān)測(cè)通過斷面魚的數(shù)量、長度及實(shí)時(shí)圖像[3]，為過魚情況的統(tǒng)計(jì)分析提供依據(jù)，主要功能設(shè)計(jì)如下：

（1）多參數(shù)監(jiān)測(cè)。魚道過魚監(jiān)測(cè)除了監(jiān)視過魚情況外，還能監(jiān)測(cè)水溫、流速等環(huán)境狀態(tài)，以便最終實(shí)現(xiàn)過魚情況綜合分析。

（2）觀測(cè)裝置自動(dòng)清洗。根據(jù)國內(nèi)已建魚道類似過魚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用情況，由于河道水質(zhì)一般比較渾濁，特別在汛期，裝置在水中長時(shí)間運(yùn)行后，裝置表面附著大量污垢，影響觀測(cè)效果，需人工定期清理去污，因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了自動(dòng)清洗功能，以提高觀測(cè)效果、降低裝置運(yùn)行維護(hù)工作量。

（3）綜合監(jiān)控與分析。對(duì)魚道閘門、水位、水溫、流速、視頻、過魚計(jì)數(shù)等各類數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合監(jiān)控和分析，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)視、聯(lián)動(dòng)與統(tǒng)計(jì)分析。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述功能設(shè)計(jì)，需要設(shè)計(jì)研究一套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)魚道過魚觀測(cè)和觀測(cè)統(tǒng)計(jì)分析與展示[4]，系統(tǒng)主要包括觀魚監(jiān)測(cè)裝置與過魚監(jiān)測(cè)分析軟件兩部分。

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

魚道過魚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括現(xiàn)地觀測(cè)裝置及過魚監(jiān)測(cè)分析軟件兩部分。過魚觀測(cè)裝置主要實(shí)現(xiàn)過魚計(jì)數(shù)及過魚視頻記錄。過魚監(jiān)測(cè)分析軟件主要實(shí)現(xiàn)過魚數(shù)據(jù)、圖像采集、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)分析及展示與查詢。過魚觀測(cè)裝置安裝在魚道內(nèi)，過魚監(jiān)測(cè)分析軟件部署在監(jiān)控室服務(wù)器或工作站上。觀測(cè)裝置與監(jiān)控室服務(wù)器之間通過光纖或網(wǎng)絡(luò)線進(jìn)行連接，以保證計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)及視頻數(shù)據(jù)的可靠傳輸。為防止因網(wǎng)絡(luò)中斷等原因?qū)е掠^測(cè)數(shù)據(jù)、圖像丟失，系統(tǒng)采用了分布部署方式，即在監(jiān)測(cè)裝置附近和監(jiān)控室均部署監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件。考慮到現(xiàn)場工況較差，現(xiàn)場采用工控機(jī)，在監(jiān)控室配置服務(wù)器或工作站，正常情況下兩個(gè)地方均進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與展示，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中斷或其他原因，監(jiān)控室軟件系統(tǒng)無法工作時(shí)，現(xiàn)地工控機(jī)進(jìn)行采集與存儲(chǔ)待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后，將數(shù)據(jù)自動(dòng)同步至監(jiān)控室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.2 觀測(cè)裝置通用功能設(shè)計(jì)

根據(jù)觀測(cè)需求，過魚監(jiān)測(cè)主要包括過魚計(jì)數(shù)與視頻采集。水下過魚計(jì)數(shù)擬采用紅外光柵方式，并進(jìn)行密封處理，視頻采用水下攝像頭，防護(hù)等級(jí)按IP68進(jìn)行設(shè)計(jì)處理?，F(xiàn)地觀測(cè)裝置由掃描單元和攝像單元組成，主要包含光柵組件、光柵清潔部件、水下相機(jī)部件、溫度傳感器等設(shè)備，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)需保證各測(cè)量設(shè)備的安裝位置符合要求，并考慮整體結(jié)構(gòu)簡潔緊湊、布局合理、安裝和維護(hù)方便等要素（見圖2）。

圖1 魚道過魚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Overall structure chart of fish monitoring system

掃描單元包括兩對(duì)光柵組件，主要負(fù)責(zé)過魚計(jì)數(shù)、過魚長度及游速測(cè)量、過魚輪廓形體數(shù)據(jù)采集；攝像單元包括水下攝像機(jī)、閃光燈及水溫傳感器，主要負(fù)責(zé)過魚視頻錄像及水溫測(cè)量。

現(xiàn)地觀測(cè)裝置的核心是控制單元。控制單元采用高集成、模塊化設(shè)計(jì)，主控單元除包含控制處理功能外，還配置有3路RS232、1路RS485、1個(gè)以太網(wǎng)接口、6路DI輸入以及4路DO輸出接口，模擬量輸入作為單獨(dú)模塊設(shè)計(jì)、配置。紅外光柵通過RS232接入控制單元，其他溫度、流速、水位等通過4～20mA接入控制器，實(shí)現(xiàn)水溫測(cè)量、流速測(cè)量以及水質(zhì)監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)采集及環(huán)境監(jiān)測(cè)功能（見圖3）。

2.3 觀測(cè)裝置提升功能設(shè)計(jì)

魚道過魚現(xiàn)地觀測(cè)裝置長期放置在水下，根據(jù)已建魚道工程類似觀測(cè)裝置的應(yīng)用情況，大部分裝置均存在攝像頭、掃描光柵在水下使用一段時(shí)間后，容易被污物覆蓋，影響計(jì)數(shù)及圖像采集，需要定期進(jìn)行水下人工清洗或拆除清洗，維護(hù)不便、工作量大。為了防止魚道水質(zhì)渾濁導(dǎo)致觀測(cè)設(shè)備需頻繁定期清洗的問題，本套裝置在設(shè)計(jì)時(shí)為水下高清攝像機(jī)及掃描單元配備了自動(dòng)清洗裝置，通過軟件控制能定時(shí)完成自動(dòng)清洗工作，以提高裝置的穩(wěn)定性和可用性，降低后期的維護(hù)工作量。

圖2 現(xiàn)地觀測(cè)裝置原理設(shè)計(jì)圖Figure 2 Schematic diagram of in-situ observation device

在掃描單元、和攝像機(jī)單元均配置清潔電機(jī)及清潔刷，并與控制單元連接，可以定時(shí)自啟動(dòng)清潔，也可以在監(jiān)測(cè)軟件上遠(yuǎn)程操作啟動(dòng)清潔。自動(dòng)清洗裝置原理圖如圖4所示。

2.4 監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)

魚道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)既要考慮實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的快速性，又要考慮統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)查詢的便捷性，因此軟件采用C/S與B/S相結(jié)合的方式，前端軟件采用C/S架構(gòu)，主要實(shí)現(xiàn)紅外計(jì)數(shù)、視頻圖像及水溫等環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、快速采集及基本的界面顯示與查詢。后端采用B/S架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)工程各魚道裝置數(shù)據(jù)的匯總、統(tǒng)計(jì)分析與綜合展示查詢[5]，相關(guān)管理人員通過瀏覽器即可查詢相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。同時(shí)B/S軟件還支持魚類選擇設(shè)置輸入接口，便于過魚種類的統(tǒng)計(jì)分析。軟件邏輯框架圖如圖5所示。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

本系統(tǒng)選擇在新疆某水利樞紐工程進(jìn)行試驗(yàn)應(yīng)用。該項(xiàng)目現(xiàn)場地處新疆荒漠地區(qū)，夏天戶外最高溫能達(dá)到攝氏40℃；冬天魚道會(huì)結(jié)冰，為非過魚期，魚道內(nèi)觀測(cè)裝置需拆除，因此裝置應(yīng)方便白拆卸和安裝。為此，裝置在設(shè)計(jì)時(shí)，掃描單元和攝像單元通過螺栓和螺母連接，水下部分通過膨脹螺栓固定在水泥地面上，現(xiàn)地觀測(cè)裝置與控制單元之間采用航空插頭連接，方便安裝拆卸。

圖3 環(huán)境數(shù)據(jù)采集示意圖Figure 3 Environmental data collect

圖4 自動(dòng)清洗裝置原理圖Figure 4 Schematic diagram of automatic cleaning device

圖5 軟件邏輯框架圖Figure 5 Software logic framework diagram

根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場環(huán)境及運(yùn)行特點(diǎn)，考慮到在冬季氣溫極低條件下魚道結(jié)冰分布情況，以及盡量減少魚道沿岸垃圾造成的堵塞影響，最終選定現(xiàn)地觀測(cè)裝置安裝于魚道上游休息池、靠近魚道出口閘門處。對(duì)應(yīng)控制箱安裝于魚道出口閘門控制室內(nèi)，通過光纜接入管理處信息內(nèi)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線觀測(cè)。

為了引導(dǎo)魚類通過現(xiàn)地觀測(cè)裝置洄游[6]裝置進(jìn)行過魚計(jì)數(shù)，在現(xiàn)地觀測(cè)裝置前端加裝一套不銹鋼格柵，格柵縫隙約3cm，不妨礙水流及小魚通過。

現(xiàn)地監(jiān)測(cè)裝置安裝施工實(shí)景圖如圖6所示。

圖6 現(xiàn)地觀測(cè)裝置安裝實(shí)景圖Figure 6 Install pictures of in-situ observation device

4 結(jié)束語

本過魚監(jiān)測(cè)裝置系統(tǒng)在現(xiàn)場安裝后，實(shí)現(xiàn)了過魚的計(jì)數(shù)及過魚過程的視頻記錄，并根據(jù)現(xiàn)場安裝調(diào)試及試運(yùn)行過程中的運(yùn)行情況，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行多次改進(jìn)設(shè)計(jì)，目前已完成軟、硬件的優(yōu)化完善，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及自動(dòng)清潔等提升功能進(jìn)行進(jìn)一步完善。該系統(tǒng)將能更好地滿足魚道工程現(xiàn)場過魚監(jiān)測(cè)與統(tǒng)計(jì)分析，下一步將在軟件方面進(jìn)行進(jìn)一步的整合，實(shí)現(xiàn)魚道閘門、視頻系統(tǒng)數(shù)據(jù)的整合，實(shí)現(xiàn)對(duì)魚道各類信息的融合及進(jìn)行統(tǒng)一的展示與統(tǒng)計(jì)分析，為魚道過魚效果進(jìn)行全面的評(píng)價(jià)提供技術(shù)支撐。