周康 劉其鑫 李作斌 徐征和

摘?要：山東引黃水閘的測流設施大部分修建于20世紀八九十年代，受當時經(jīng)濟環(huán)境、技術(shù)水平限制，普遍為人工測流，測量精度低、效率低、安全隱患大。提高測流精度及測流方式的現(xiàn)代化、自動化、信息化是引黃供水工作亟待解決的技術(shù)性難題。結(jié)合山東黃河實際情況，開展山東引黃水閘渠首智能流量測驗系統(tǒng)方案設計、系統(tǒng)實施及觀測資料可靠性分析，驗證智能流量測驗系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。實施效果表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，測量精度符合要求，明顯提高了引黃供水計量工作的效率和質(zhì)量，為黃河渠首引水計量提供了現(xiàn)代化、自動化、信息化技術(shù)保障，也可為同類水閘的智能流量測驗提供技術(shù)借鑒。

關(guān)鍵詞：智能測流系統(tǒng);引黃水閘;供水計量;信息化;自動化

中圖分類號：TV213.4;TV674;P332.4;TV882.1?文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.05.029

Abstract： Most of the flow measuring facilities of the Yellow Riverdiversion sluice in Shandong Province were built in the 1980s and 1990s. Restricted by the economic environment and technical level at that time， the flow measurement is generally manual， with low accuracy， low efficiency and great potential safety problem. To improve the accuracy of flow measurement and the modernization， automation and informatization of flow measurement methods are the technical issues to be solved urgently. Combined with the actual situation of the Yellow River in Shandong Province， the scheme design， system implementation and reliability analysis of the observation data of the intelligent flow measurement system of the Yellow River diversion sluice in Shandong Province were carried out to verify the stability and reliability of the intelligent flow measurement system. The implementation results show that the system is stable and reliable， the measurement accuracy meets the requirements， which has significantly improved the efficiency and quality of water supply measurement of the Yellow River. It has provided modern， automatic and information-based technical guarantee for the measurement of water diversion at the headworks of the Yellow River and also provided technical reference for the intelligent flow measurement of similar sluices.

Key words： intelligent flow measurement system; Yellow River diversion sluice; water supply measurement; information technology; automation

黃河山東段共有渠首引黃水閘63座，設計總引水能力為2 423.3 m3/s，其測流設施大部分修建于20世紀八九十年代，受當時經(jīng)濟環(huán)境、技術(shù)水平限制，普遍采用人力絞車或者測量便橋進行人工測流，測量精度低、效率低、安全隱患大。目前沿黃地區(qū)需水量呈逐年遞增的趨勢，水資源供需矛盾日益突出，提高測流精度以及測流方式的現(xiàn)代化、自動化、信息化是引黃供水工作亟待解決的重要課題。筆者結(jié)合山東黃河實際情況，開展山東引黃水閘渠首智能流量測驗系統(tǒng)方案設計、系統(tǒng)實施及觀測資料可靠性分析，驗證智能流量測驗系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

1?系統(tǒng)設計的原則和目標[1-7]

系統(tǒng)設計以互聯(lián)網(wǎng)為依托，嚴格按照《水文測驗實用手冊》中的規(guī)范開發(fā)研制，集測、報、整、算為一體，并通過網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程集中測流控制，全面實現(xiàn)無人值守水文纜道遠程測流的目標。軟件設計采用模塊化結(jié)構(gòu)，使其具備先進性、可靠性、實用性、可擴展性。系統(tǒng)設計目標為降低工作強度，提高工作效率、測量精度和智能化程度，確保系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，同時操作簡便。各項技術(shù)指標按照有關(guān)水文測驗規(guī)范、水文行業(yè)技術(shù)標準要求嚴格控制，測量數(shù)據(jù)和計算成果達到水文行業(yè)規(guī)范要求。

2?系統(tǒng)組成及功能[8-11]

系統(tǒng)從功能結(jié)構(gòu)上分為4個部分：機械部分、控制部分、局域網(wǎng)部分和軟件部分。

2.1?機械部分

機械部分由纜道、電動絞車和吊箱等組成，主要設備及其功能如下：

（1）纜道包括主索、循環(huán)索和副拉索。行車架沿主索往返移動，測流吊箱由循環(huán)索懸吊于行車架下方，終端機通過網(wǎng)絡遠程發(fā)送指令，纜道控制室設備驅(qū)動控制鉛魚移動。

（2）在副拉索上設計安裝了一套具有自動跟蹤定位功能的牽引索，實施對鉛魚和流速儀的牽引，糾正鉛魚定位時受水流和副拉索垂度影響產(chǎn)生的偏角。

（3）集多種測速方法為一體的多功能測流吊箱具有流速儀測速、水面自動除草測速、雷達測速等多種測速方法，兼有夜間照明、視頻監(jiān)控、信號傳輸處理、吊箱位置校準等功能。吊箱內(nèi)設備操作靈活方便，不受環(huán)境、光線等外界因素的影響。

（4）在整個系統(tǒng)的關(guān)鍵部位設置有多重機械保護限位裝置，以保護儀器設備的運行安全。

2.2?控制部分

控制部分的核心設備有終端機、交流變頻器和PLC控制器，共同控制整個測流設備在水平、垂直方向的運行，測流設備的收放，以及各種測流信號的采集、識別、傳輸、處理等工作。

2.3?局域網(wǎng)部分

測流系統(tǒng)內(nèi)部為一小型局域網(wǎng)，網(wǎng)絡內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸由微波通信完成，計算機與移動設備之間數(shù)據(jù)傳輸設計為無線通信，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖1所示。設備選用高端成熟產(chǎn)品，為監(jiān)控視頻等大數(shù)據(jù)量的傳輸提供安全可靠的保障。遠程終端機通過網(wǎng)絡實現(xiàn)對本系統(tǒng)局域網(wǎng)內(nèi)設備的遠程操作及實時監(jiān)控，實現(xiàn)了遠程自動測流的目標。

2.4?軟件部分

（1）系統(tǒng)采用Microsoft.NET操作系統(tǒng)編程框架開發(fā)平臺，控制軟件高度優(yōu)化，集成了多種核心編程技術(shù)，系統(tǒng)界面簡潔、功能齊全、操作簡單、智能化程度高。

（2）操作界面集視頻監(jiān)控、語音提示、參數(shù)設置、測量方法自動生成及修改、測量過程全程預覽、各測點補測、重測、數(shù)據(jù)精算及保存、測量實時顯示等功能于一體，測量功能齊全，可操作性強。

（3）建立多種數(shù)據(jù)模型，對采集數(shù)據(jù)按照水文測驗規(guī)范和水文行業(yè)技術(shù)標準自動進行分析計算，確保數(shù)據(jù)達到水文資料整編規(guī)范要求，實現(xiàn)各種上報數(shù)據(jù)自動計算、填寫、保存等目標要求。

（4）系統(tǒng)開放性強，測量數(shù)據(jù)可以通過電子表格、數(shù)據(jù)庫、文本等多種形式對外交互傳輸。

3?系統(tǒng)操作功能

系統(tǒng)操作全部通過計算機完成，操作界面采用C++語言編寫，畫面簡潔明了、操作簡單、功能齊全。界面分為工藝模擬區(qū)、視頻監(jiān)控及控制區(qū)、手動操作區(qū)、測量操作區(qū)4個區(qū)域。

3.1?工藝模擬區(qū)

直觀顯示河流纜道斷面全景圖及水流放大圖，測流時動態(tài)模擬纜道斷面測流全過程（鉛魚位置、測點位置、測點狀態(tài)等），實時顯示測流過程中關(guān)鍵數(shù)據(jù)，還可通過滑塊查看不同起點距對應水深。

3.2?視頻監(jiān)控及控制區(qū)

界面包含3個視頻監(jiān)控窗口，可相互切換及進行縮放，并附帶云臺控制，能夠?qū)φ麄€測流過程進行全方位實時監(jiān)控。

3.3?手動操作區(qū)

手動操作區(qū)主要用于吊箱電源、視頻電源及照明電源的開關(guān)操作，手動、自動切換操作，變頻器高低速切換操作，鉛魚的收放操作，浮標流速儀的收放操作等。

3.4?測量操作區(qū)

分為基本操作和擴展操作兩種。

基本操作主要有填寫水尺讀數(shù)及水尺零點高程、施測號數(shù)、風向、風力等，手動切換全景圖和水流斷面放大圖，自動測量開始，自動測量停止，打印報表（流量記錄計算表），開啟水平校準按鈕校準起點距位置。

擴展操作包括參數(shù)設置、測量設置和實時預覽。參數(shù)設置分為上位機參數(shù)設置及下位PLC參數(shù)設置兩部分，分別按功能描述完成相應參數(shù)的修改;測量設置可生成左右垂線起點距，測流垂線數(shù)，自動生成對應垂線的測量方法，還可以對自動生成的測量方法進行任意修改;實時預覽以表格形式實時監(jiān)控測量數(shù)據(jù)，可以對可疑測點數(shù)據(jù)進行重測、補測等操作。測量結(jié)束后系統(tǒng)對測量數(shù)據(jù)進行分析計算，生成斷面流量記錄計算表。

4?系統(tǒng)的技術(shù)特點

4.1?創(chuàng)新性

①根據(jù)超聲波液位計測得距水面距離和淤積深度，智能判斷出兩側(cè)水邊線起始點;②可精確計算出明渠梯形斷面面積;③流速儀可在測流時時刻與水流方向保持一致;④鉛魚自動跟蹤定位裝置有效地解決了水流偏角和副拉索垂度導致的水深測量誤差和起點距定位誤差;⑤系統(tǒng)適用于旋槳式流速儀、電磁式流速儀和雷達測速;⑥系統(tǒng)在計算機軟件控制下，可實現(xiàn)測流全過程的可視化與自動控制，自動進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)計算及報表打印等。

4.2?智能性

①鉛魚入水后，根據(jù)不同水深，智能判斷鉛魚測流時的停留位置，實現(xiàn)一鍵測流，并導出符合水沙測驗規(guī)范的流量測驗表格;②按給定的測線、測點自動運動到位，并自動采集流速信號，針對不同情況可進行系數(shù)更改;③測量完畢自動回收測流設備;④測流過程中，可實現(xiàn)對漂浮物的緊急避讓，避讓成功后，系統(tǒng)自動重新定位，繼續(xù)測流。

4.3?安全性

為應對突發(fā)情況，本系統(tǒng)采用自動和手動聯(lián)合控制。測流倉加裝了應急限位開關(guān)，可以在設備失控情況下緊急停車，避免發(fā)生事故。

4.4?偽信號處理

偽信號是流速儀的機械式觸點在運動時產(chǎn)生抖動所導致的，是影響測流精度的重要干擾因素。為此，系統(tǒng)設計了無模型自適應控制。無模型自適應控制是一種新的控制方法，其僅利用被控系統(tǒng)的I/O數(shù)據(jù)，且控制器中不包含被控過程數(shù)學模型的任何信息。該控制算法和控制器兼有現(xiàn)代控制理論與經(jīng)典PID控制的優(yōu)點，不依賴被控對象的數(shù)學模型，保證系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定性，控制效果良好。

5?對比測驗

按照水文測驗規(guī)范要求，在劉春家等5座引黃水閘安裝了該系統(tǒng)，分別檢驗該套智能測流系統(tǒng)的運行情況、準確性及使用范圍。

5.1?比測斷面選擇

劉春家等5座引黃水閘出水口距離控制斷面100 m左右，寬度為20～50 m，隨流量不同有所變化，滿足測驗段選擇要求。渠道底坡較為平整，含沙量約為0.5 kg/m3，河道兩邊較為平整，糙率較小，河段內(nèi)無大塊石阻水，無大旋渦、斜流、回流、死水及急劇沖淤等現(xiàn)象。

5.2?比測方法及數(shù)據(jù)分析

5.2.1?比測方法

比測方法的制定參考《河流流量測驗規(guī)范》（GB 50179—2015）[12]。本次觀測資料可靠性分析只以最具代表性的劉春家水閘為例，劉春家水閘根據(jù)水位通過控制閘門高低來確定放水流量，根據(jù)3 a日均流量算出高、中、低水位，制定每個水位下的測驗次數(shù)。

水位流量級劃分根據(jù)水資源管理與調(diào)度需要、引水需求及影響水位變化的各種因素，選擇適合水閘特點的劃分方法?？紤]各種因素，采用頻率法進行流量級劃分，并符合下列規(guī)定：①根據(jù)水閘實測最大流量QM，計算流量頻率并繪制頻率曲線，取頻率p為90%所對應的流量為高水位流量;②根據(jù)水閘平均流量Q—，計算流量頻率并繪制頻率曲線，取頻率p為50%、10%所對應的流量為中水位流量和低水位流量。

頻率按下式計算：

式中：p為頻率;m為隨機變量按大小遞減順序排列的序號;n為隨機變量的個數(shù)，不宜少于20。

5.2.2?比測數(shù)據(jù)分析

劉春家站比測數(shù)據(jù)對比，見表1。

5.2.3?比測結(jié)果分析

分別于2017年8月8—11日、15日、27日、28日和9月27—28日，在劉春家站對不同流量進行了人工纜道（人工測流船）、智能纜道同步比測，共比測36次。相對誤差絕對值有28次在3%以內(nèi)，有8次在3%～5%之間，均在5%范圍內(nèi)，按照水文測驗規(guī)范要求，智能纜道測流合格率為100%。

5.3?誤差分析評價

以人工纜道或測流船為標準值，智能流量測驗系統(tǒng)測量值相對誤差絕對值不超過5%為合格標準，比測結(jié)果符合水文測驗規(guī)范要求，合格率100%。

引黃渠道為明渠，水流為非均勻流，在黃河含沙量高時，可能產(chǎn)生紊流和水流擾動現(xiàn)象，斷面沖淤嚴重。測流時起點距不同，垂線數(shù)也不完全相同，將會導致最終斷面流量不完全相同。

智能流量測驗系統(tǒng)與人工纜道或測流船測流均使用流速儀，儀器相同，測流方法相同，結(jié)果有一些誤差，但是都在水文測驗規(guī)范規(guī)定的誤差范圍內(nèi)。采用智能流量測驗系統(tǒng)測流是可行的，也是科學合理的。

5.4?存在問題及改進措施

渠首智能流量測驗系統(tǒng)能較好地控制測驗時機，縮短流量測驗歷時，提高測驗精度，增強流量測驗的安全性。系統(tǒng)在測驗過程中仍存在測驗誤差，需在整個測驗過程中加以控制。

（1）軟質(zhì)淤泥河床的渠道測深誤差。通過多閘、多次測流發(fā)現(xiàn)，在軟質(zhì)淤泥河床或斷面有淤積的渠道中，受自重作用影響，鉛魚到達河底時陷入淤泥中，造成顯示器顯示水深大于實際水深，最大誤差為0.1 m。遇到這種情況需對水深進行適當調(diào)整。

（2）鉛魚下放速度過快，主索彈跳引起的測深誤差。鉛魚入水后下放速度過快，在接觸河床的瞬間失重，懸索受水流沖擊而彎曲。通過多站次比測試驗，顯示器顯示的水深大于實際水深，最大誤差達0.08 m。與人工纜道相比，智能纜道河底信號器安裝在鉛魚下面的托板上，存在“鉛魚在接觸河床的瞬間失重，測量水深大于實際水深”的現(xiàn)象。遇到這種情況需對水深進行適當調(diào)整。

（3）流速儀接觸絲抖動引起的測速誤差。目前引黃水閘使用的是轉(zhuǎn)子式流速儀，接觸方式為接觸絲接觸。測速過程中，因流速儀接觸絲抖動或多次接觸，出現(xiàn)多余的流速信號，造成所測垂線流速大于實際流速。干簧管式流速儀采用電子計數(shù)器，不會出現(xiàn)多余信號。

6?結(jié)?語

目前該智能流量測驗系統(tǒng)已在山東黃河17座引黃水閘完成站點建設并投入使用，經(jīng)過大量的比測試驗和反復的設備調(diào)整完善，各站點系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，測量精度符合要求，達到了設計目標。系統(tǒng)各運行使用單位反饋的信息顯示，系統(tǒng)投入應用以來，對減少一線閘管人員戶外工作時間、加強人身安全防護、提高引黃供水計量工作的效率和質(zhì)量等方面均發(fā)揮了積極作用，該系統(tǒng)很好地滿足了各應用單位的實際工作需求，為黃河渠首引水計量提供了現(xiàn)代化、自動化、信息化技術(shù)保障，也可為同類水閘的智能流量測驗提供技術(shù)借鑒。

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