晏 天 李 帆

（國家海洋局南海標(biāo)準(zhǔn)計量中心，廣州510300）

1 引言

海洋潮位是海洋觀測、調(diào)查和監(jiān)測的重要參數(shù)之一，通過觀測海洋波浪、潮位的變化可以實時了解海洋的變化，提高海洋預(yù)報的精度，有效預(yù)防和應(yīng)對全球日益嚴(yán)重的颶風(fēng)、風(fēng)暴潮等海洋災(zāi)害。實際工作中，根據(jù)應(yīng)用場景和使用條件的不同，采用多種原理的潮位測量儀器（以下簡稱驗潮儀）可以較為準(zhǔn)確的測量到海洋的潮位數(shù)據(jù)，驗潮儀的實驗室檢定和校準(zhǔn)設(shè)備為驗潮儀檢定裝置，該裝置包含一整套水塔系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)等，可模擬海洋潮位的變化，對驗潮儀的計量特性進(jìn)行綜合評價，將驗潮儀的量值有效溯源至國家基標(biāo)準(zhǔn)。

在工業(yè)生產(chǎn)和計量測試領(lǐng)域，常用閉環(huán)的方法控制溫度、壓力、流量等連續(xù)變化量，驗潮儀檢定裝置是一種典型的流量控制系統(tǒng)，過去很長一段時間，國內(nèi)驗潮儀檢定裝置受技術(shù)水平所限，自動化程度較低，控制流程較為繁瑣、單一。經(jīng)過多年的發(fā)展，驗潮儀檢定裝置從半自動，單一控制方式轉(zhuǎn)向為多種控制方法兼存，高自動化集成閉環(huán)控制為主的實現(xiàn)方法。研究人員設(shè)計了基于數(shù)字圖像和激光測距的驗潮儀檢定系統(tǒng)，較好地解決了海洋潮位的高精度、自動化測量技術(shù)，較好地解決了閉環(huán)控制下的圖像處理、伺服電機和水泵閥門等部分協(xié)調(diào)工作的技術(shù)難點，能較好地應(yīng)用于驗潮儀的檢定和校準(zhǔn)。但這些方法中，圖像識別模塊還須利用標(biāo)識物來輔助進(jìn)行判別，控制方式還較為單一。

本裝置的搭建目標(biāo)是建立關(guān)于驗潮儀檢定裝置水位與圖像識別的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，在閉環(huán)控制下實現(xiàn)潮汐水位變化圖像識別，精確檢測到透明管水基線與銦鋼尺刻線讀值，并可以模擬仿真半日潮和全日潮變化規(guī)律，具備手動、自動和手機APP 遠(yuǎn)程控制功能。最后，對所建計量標(biāo)準(zhǔn)裝置的計量特性進(jìn)行相應(yīng)的分析和評價。

2 驗潮儀檢定裝置設(shè)計需求分析

驗潮儀檢定裝置主要用于浮子式驗潮儀、聲學(xué)驗潮儀和壓力驗潮儀的檢定和校準(zhǔn)，根據(jù)三種類型驗潮儀的檢定規(guī)程對裝置的要求，提出一種驗潮儀檢定裝置設(shè)計需求。

水塔系統(tǒng)：水塔的內(nèi)徑不小于1m，水塔測量范圍最大值不低于10m；最大靜態(tài)允許誤差±1mm；動態(tài)響應(yīng)時間小于1s；同時具備手動和自動控制兩種控制模式，具備相應(yīng)的安全防護結(jié)構(gòu)和儀器吊裝設(shè)備；銦鋼尺的測量范圍不小于10m；銦鋼尺在常年受49N 拉力下示值誤差穩(wěn)定性不大于0.1mm；標(biāo)尺間隔（最小刻度值）1mm；水位識別的分辨率應(yīng)優(yōu)于1mm，能自動識別和記錄水位值。

給排水系統(tǒng)：水位有效高度變化范圍（0～10）m；水位變化速率（0～300）mm/min；可調(diào)節(jié)設(shè)定待檢水位水面穩(wěn)定時間，并不大于2min；水泵揚程不小于15m；水位靜置48h 不漏水；能模擬半日潮和全日潮；實現(xiàn)水位從低到高和從高到低的正反行程控制；經(jīng)人工調(diào)節(jié)后水位控制點的誤差不大于±20mm；能自動規(guī)劃水位檢定點，自動調(diào)節(jié)到達(dá)每個檢定點附近，其誤差應(yīng)優(yōu)于±50mm。

隨動伺服系統(tǒng)：工業(yè)相機測量及轉(zhuǎn)換失真度優(yōu)于±0.01mm；伺服電機采用絕對值編碼器，與標(biāo)準(zhǔn)高精度水位計的測量分辨率、邏輯編程同步響應(yīng)，響應(yīng)時間不大于0.01ms。

中心控制系統(tǒng)：中心控制采用閉環(huán)控制模式；能夠?qū)崿F(xiàn)無線遠(yuǎn)程控制；能實現(xiàn)水位數(shù)據(jù)抓取和處理，并出具相應(yīng)的證書報告。故障自檢系統(tǒng)能在閉環(huán)控制模式基礎(chǔ)上，執(zhí)行邏輯編程，通過故障代碼的形式，顯示在操作界面。

3 驗潮儀檢定裝置的設(shè)計

通過以上設(shè)計需求，設(shè)計一種基于圖像識別的驗潮儀檢定裝置，其設(shè)計圖如圖1所示。該檢定裝置通過給排水系統(tǒng)對水塔系統(tǒng)供水，水塔系統(tǒng)下部聯(lián)通管與透明管連接。通過隨動伺服系統(tǒng)隨動平臺上的CCD 相機對透明管水基線水位變化連續(xù)拍照。將拍攝圖像信息同步傳輸?shù)?G 數(shù)據(jù)釆集器，經(jīng)PLC 連接到終端工控機。同時電動調(diào)節(jié)閥在終端工控機的指令下，對4mA～20mA 模擬信號精度調(diào)節(jié)過流截面流量，實現(xiàn)精確水位變化與隨動平臺移動同步聯(lián)控，且可高度模擬半日潮和全日潮。

圖1 驗潮儀檢定裝置的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of tide gauge verification device

水塔系統(tǒng)包括水塔和其附屬件。其中水塔內(nèi)徑1m，水塔水位最大高度為10m，材料為304 不銹鋼，水塔上固定有銦鋼尺，銦鋼尺的測量范圍不小于10m。透明管與銦鋼尺平行固定于水塔上，與CCD 相機距離一致，通過連通器與水塔水位保持一致。水塔上固定連接的溫度傳感器和光電浮子水位計用于監(jiān)測整套裝置中水塔的水溫和水位。

給排水系統(tǒng)包括給水系統(tǒng)與排水系統(tǒng)，管路為串并聯(lián)組合，當(dāng)截止閥單向開啟至電動球閥M，通過離心液體泵、電動調(diào)節(jié)閥E、流量計L 至二位三通換向閥M至水塔，其他調(diào)節(jié)設(shè)備關(guān)閉時，可實現(xiàn)由蓄水池給水塔供水。當(dāng)開啟二位三通換向閥M至電動球閥M至離心液體泵、電動調(diào)節(jié)閥E、流量計L 至電動球閥M至截止閥，其他調(diào)節(jié)設(shè)備關(guān)閉時，可實現(xiàn)由水塔給蓄水池排水。管路中壓力傳感器與水塔的壓頭變化同步，管路中截止球閥是檢修時用于放氣，平時處于關(guān)閉狀態(tài)。

隨動伺服系統(tǒng)包含了CCD 相機以及相應(yīng)驅(qū)動系統(tǒng)，鋁合金桁架固定于墻面和地面上，桁架上鋪設(shè)精密不銹鋼軌道，軌道上搭建有隨動平臺，平臺上架設(shè)有CCD 相機，通過伺服驅(qū)動機構(gòu)控制。

中心控制系統(tǒng)由4G 數(shù)據(jù)采集器、工控機、伺服系統(tǒng)和PLC 構(gòu)成。

該驗潮儀檢定裝置是基于圖像識別的閉環(huán)控制方式和原理，其控制原理在于：

（1）在閉環(huán)控制狀態(tài)下，流量計的變化與電動調(diào)節(jié)閥的信號同步共享聯(lián)調(diào)。

（2）電動球閥、二位三通換向閥、電動調(diào)節(jié)閥均采用4mA～20mA 模擬量控制方式，實現(xiàn)水塔系統(tǒng)水位變化的精度控制。

（3）隨動伺服平臺移動系統(tǒng)中的伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)與流量計信息共享，實現(xiàn)水位變化隨動同步。

（4）CCD 相機跟蹤連續(xù)拍攝水位變化，且將拍攝信息同步傳輸?shù)?G 數(shù)據(jù)釆集器。

（5）管路設(shè)備給排水系統(tǒng)和隨動伺服平臺移動系統(tǒng)信息共享，通過高精度流量計輸出的流量與水塔系統(tǒng)的軟件處理，反饋到后臺PC 終端控制器高度模擬仿真，實現(xiàn)半日潮和全日潮的潮汐變化規(guī)律。

（6）4G 數(shù)據(jù)釆集器存儲的信息一路經(jīng)PLC 傳輸?shù)浇K端，另一路發(fā)送云平臺，經(jīng)由手機藍(lán)牙系統(tǒng)處理，通過手機APP 實現(xiàn)驗潮儀檢定裝置遠(yuǎn)程控制。

其軟件運行圖如圖2所示。

圖2 驗潮儀檢定裝置軟件運行圖Fig.2 Software operation diagram of tide gauge verification device

4 驗潮儀檢定裝置計量特性評價

基于圖像識別的驗潮儀檢定裝置計量特性評價主要是對其計量標(biāo)準(zhǔn)引入的不確定度進(jìn)行分析，以此做為該基于圖像識別的驗潮儀檢定裝置是否能做為開展各種類型驗潮儀檢定和校準(zhǔn)的重要依據(jù)。

該計量標(biāo)準(zhǔn)裝置計量標(biāo)準(zhǔn)器和配套設(shè)備不確定度來源包括CCD 相機引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

u

、銦鋼尺因環(huán)境溫度變化引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

u

、銦鋼尺穩(wěn)定性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

u

、CCD 相機自動讀數(shù)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

u

、CCD 相機水平面與透明管水位線不處于同一水平面引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

u

。

4.1 CCD 相機引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1

4.2 銦鋼尺因環(huán)境溫度變化引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2

銦鋼尺由銦瓦材料制造，溫度變化會引起長度發(fā)生變化從而引入不確定度。根據(jù)JJG 741 的描述要求，銦鋼尺的溫度系數(shù)

α

不大于±0.5 ×10℃，使用環(huán)境溫度為（5～35）℃，則環(huán)境引起的長度變化最大值公式為：

式中：

t

——環(huán)境溫度；

L

——銦鋼尺長度。最終銦鋼尺變化量

ΔL

值為7.5 ×10mm，引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

u

可忽略不計。

4.3 銦鋼尺穩(wěn)定性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u3

4.4 CCD 相機自動讀數(shù)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u4

4.5 CCD 相機水平面與透明管水位線不處于同一水平面引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u5

4.6 驗潮儀檢定裝置計量標(biāo)準(zhǔn)的擴展不確定度U95

由上述各引入的不確定度分量合成該計量標(biāo)準(zhǔn)裝置的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

u

＝0.139mm。則該基于圖像識別的驗潮儀檢定裝置計量標(biāo)準(zhǔn)的擴展不確定度為

U

＝0.28mm。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于圖像識別的驗潮儀檢定裝置，該裝置在閉環(huán)條件下進(jìn)行控制，實現(xiàn)潮汐水位變化圖像識別，精確檢測到透明管水基線與銦鋼尺刻線讀值，并可以模擬仿真半日潮和全日潮變化規(guī)律，具備手動、自動和手機APP 遠(yuǎn)程控制多種控制方式。具備圖像識別效率高，控制方式先進(jìn)的特點。

通過對該裝置計量標(biāo)準(zhǔn)的不確定度進(jìn)行分析，其擴展不確定度為

U

＝0.28mm。根據(jù)《JJF 1094測量儀器特性評定》對計量標(biāo)準(zhǔn)裝置測量結(jié)果評價的規(guī)定和要求（檢定和校準(zhǔn)結(jié)果的擴展不確定度

U

／

驗潮儀MPEV 是否小于1/3），以及被檢各種類型驗潮儀計量特性指標(biāo)的實際情況，利用該檢定裝置開展驗潮儀的檢定和校準(zhǔn)過程中，由計量標(biāo)準(zhǔn)器和配套設(shè)備引入的測量不確定度分量較小。因此，該裝置能較好滿足浮子式驗潮儀、聲學(xué)驗潮儀和壓力驗潮儀的檢定和校準(zhǔn)需求，具有較高的實用價值。