王志超 李帆 晏天 李慶超 陸遙

摘要：為使儀器檢測(cè)能力滿足海洋觀測(cè)業(yè)務(wù)發(fā)展對(duì)潮位測(cè)量?jī)x器性能的要求 ， 結(jié)合各類驗(yàn)潮儀的檢定規(guī)程 ，設(shè)計(jì)潮汐測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)裝置 ， 應(yīng)用先進(jìn)的電氣控制技術(shù)進(jìn)行水位精準(zhǔn)控制和潮汐模擬 ， 實(shí)現(xiàn)儀器定點(diǎn)值測(cè)量和動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試 ， 通過圖像識(shí)別軟件實(shí)現(xiàn)水位和標(biāo)尺動(dòng)態(tài)識(shí)別 ， 提高標(biāo)準(zhǔn)值的精確度 ， 并集成遠(yuǎn)程控制功能 ，提升儀器檢測(cè)效率 ，使裝置能對(duì)潮位測(cè)量?jī)x器開展完善合理且高效的檢測(cè) ， 從而進(jìn)行全面系統(tǒng)的儀器性能評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：海洋計(jì)量;水位測(cè)量;潮汐模擬;動(dòng)態(tài)識(shí)別;遠(yuǎn)程控制

中圖分類號(hào)：P7????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1005-9857（2022）03-0064-04

Systematic Design of the Tidal Measuring Standard Equipment

WANG Zhichao，Ll Fan，YAN Tian，LIQingchao，LU Yao

（South China Sea Center of Ocean Standards and Metrology，sOA，Guangzhou 510715，China）

Abstract：In order to make the detection capability of the instrument meet the performance requirementsof the ocean observation business development for the tidal level measuring instrument，combined withthe verification procedures of various tide gauges，advanced electrical control technology was applied forprecise water level control and tidal simulation，and to realize instrument fixed-point value measurementand dynamic response test，realize the dynamic identification of water level and scale through image rec-ognition software，and to improve the acuracy of standard value，integrating remote control function toimprove instrument detection efficiency，so that the device could carry out perfect，reasonable and effi-cient detection of tide level measuring instruments，so as to conduct a comprehensive and systematic e-valuation of instrument performance.

Keywords ：Oceanographic metrology，Water level measurement，Tidal simulation，Dynamic iden-tification，Remote monitoring

0 引言

準(zhǔn)確的海洋潮汐測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)海洋預(yù)警預(yù)報(bào)、海洋工程、海洋運(yùn)輸和海洋科研等工作意義重大。海洋潮位測(cè)量?jī)x器主要有浮子式、壓力式和超聲波式驗(yàn)潮儀等 ，驗(yàn)潮儀的檢定校準(zhǔn)技術(shù)在20世紀(jì)90年代已經(jīng)較為成熟 ，儀器檢定規(guī)程相繼發(fā)布實(shí)施[1-3] ，但相應(yīng)的計(jì)量檢定裝置一直處于僅能滿足相應(yīng)規(guī)程要求的水平 ，建設(shè)功能更加完善的驗(yàn)潮儀檢定校準(zhǔn)裝置 ，是海洋觀測(cè)業(yè)務(wù)發(fā)展的迫切要求和重要保障。

南海標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有驗(yàn)潮儀檢定裝置實(shí)現(xiàn)功能的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn) ，完善全日潮和半日潮的模擬、水位和標(biāo)尺動(dòng)態(tài)識(shí)別計(jì)算等功能[4-5] ， 實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制和實(shí)時(shí)測(cè)量 ，集成藍(lán)牙和4G 網(wǎng)絡(luò)通信模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程控制 ，提升裝置自動(dòng)化程度 ，建設(shè)完成潮汐測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)裝置。本研究闡述了該裝置系統(tǒng)工作原理和設(shè)計(jì)思路 ，并進(jìn)行了圖像動(dòng)態(tài)識(shí)別和潮汐模擬測(cè)試 ， 評(píng)估水位測(cè)量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

1 工作原理

潮汐測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)裝置由10m 水塔、給排水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和水位測(cè)量系統(tǒng)等組成。水位控制由工控機(jī)或移動(dòng)終端發(fā)送指令到 PLC控制器控制給排水系統(tǒng)完成 ，控制范圍為0 9m;水位測(cè)量由 CCD相機(jī)獲取透明管內(nèi)水位和銦鋼尺圖像 ，通過動(dòng)態(tài)識(shí)別軟件識(shí)別水位線計(jì)算水位值。裝置標(biāo)準(zhǔn)器為10 m銦鋼尺 ，示值分辨力1 mm，年穩(wěn)定性小于0.4 mm。控制系統(tǒng)參考標(biāo)準(zhǔn)為光電式水位計(jì)和流量計(jì) ，光電式水位計(jì)量程0～10m，示值分辨力1mm，最大測(cè)量誤差0.05%滿量程。流量計(jì)測(cè)量范圍0 0.03 m3/s， 最大測(cè)量誤差2%滿量程。裝置工作原理如圖1所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

給排水管路設(shè)備包括水泵、電動(dòng)球閥、流量計(jì)和壓力表等 ，通過工控機(jī)軟件向 PLC控制器發(fā)送指令控制管路設(shè)備運(yùn)行 ，工控機(jī)與 PLC控制器通過以太網(wǎng)連接。水位控制安全變化速率范圍為010 mm/s，可以選擇兩種控制模式 ，流量控制模式通過流量計(jì)反饋 ，水位控制模式通過光電式水位計(jì)反饋 ，水位控制模式精度更高。

進(jìn)行潮汐模擬時(shí) ，設(shè)定目標(biāo)水位和到達(dá)目標(biāo)水位時(shí)間間隔。全日潮、半日潮模擬分別預(yù)設(shè)24個(gè)、12個(gè)目標(biāo)水位值 ， 由網(wǎng)絡(luò)計(jì)時(shí)器進(jìn)行時(shí)序控制。工控機(jī)軟件通過預(yù)設(shè)目標(biāo)水位和時(shí)間間隔計(jì)算所需水位變化速率和對(duì)應(yīng)給排水速率 ， 發(fā)送指令到 PLC控制器調(diào)節(jié)變頻器輸出。在設(shè)定時(shí)間間隔內(nèi)依次自動(dòng)完成目標(biāo)水位控制 ， 實(shí)現(xiàn)潮汐模擬功能 ， 水位值時(shí)序變化要求能形成接近平滑的正弦波曲線。潮汐模擬控制流程如圖2所示。

2.2 圖像動(dòng)態(tài)識(shí)別設(shè)計(jì)

圖像動(dòng)態(tài)識(shí)別分為視頻跟蹤和圖像信息提取兩部分。 CCD相機(jī)隨動(dòng)平臺(tái)由伺服電機(jī)控制 ， 可以跟隨水位變化移動(dòng) ，隨動(dòng)平臺(tái)跟隨模式可選擇水位跟隨或速度跟隨 ，水位跟隨模式通過圖像動(dòng)態(tài)識(shí)別水位線位置反饋 ，速度跟隨模式通過標(biāo)準(zhǔn)水位計(jì)反饋 ， 由于圖像動(dòng)態(tài)識(shí)別響應(yīng)不如標(biāo)準(zhǔn)水位計(jì)響應(yīng)快 ，一般采用速度跟隨模式 ，保證水位線在監(jiān)控畫面中心線上。

CCD相機(jī)以每秒25幀速率采集圖像 ， 當(dāng)水位變化速率為10 mm/s 時(shí) ， 每幀圖像移動(dòng)距離為0.4 mm ，移動(dòng)速率較低 ， 圖像處理可以看做是靜態(tài)圖像處理過程 ，簡(jiǎn)化了圖像處理計(jì)算。圖像信息提取需甄別畫面像素點(diǎn) ， CCD 相機(jī)取景高度為10 mm ，分辨率為1280×1024，每個(gè)像素對(duì)應(yīng)高度約為0.01 mm ，為提高計(jì)算效率 ， 采用10個(gè)像素為1個(gè)單元格 ，理論精度可達(dá)0.1 mm 。圖像處理采用灰度識(shí)別法 ， 分兩個(gè)步驟進(jìn)行 ， 首先進(jìn)行銦鋼尺刻度識(shí)別 ，選擇銦鋼尺某一刻度值作為標(biāo)定值 ，在水位移動(dòng)過程中不斷識(shí)別銦鋼尺刻度線進(jìn)行長(zhǎng)度累加計(jì)算 ，確定畫面中每個(gè)刻度對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值;再進(jìn)行水位識(shí)別 ， 由于水位線處灰度值與透明管其他位置有明顯差異 ，通過灰度識(shí)別確定水位線位置 ，結(jié)合水位線相對(duì)銦鋼尺刻度位置 ， 即可計(jì)算并顯示水位值。水位完全穩(wěn)定時(shí) ，軟件可于凹液面最低處精準(zhǔn)識(shí)別 ， 由讀數(shù)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量?jī)H需考慮 CCD相機(jī)靶面相對(duì)于水位線的位置[6]?；叶茸R(shí)別參數(shù)根據(jù)照明強(qiáng)度設(shè)置 ，軟件一次圖像處理計(jì)算過程平均耗時(shí)2ms。圖像動(dòng)態(tài)識(shí)別需保證銦鋼尺刻度清晰 ，測(cè)量過程照明均勻 ，可在 CCD相機(jī)鏡頭處放置環(huán)形 LED燈提供光源 ，如有需要 ，還需在透明管內(nèi)放置醒目薄片狀漂浮物。圖像動(dòng)態(tài)識(shí)別流程如圖3所示。

2.3 無線通信模塊設(shè)計(jì)

除工控機(jī)控制外 ， 裝置集成無線通信模塊 ， 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。無線通信模塊包括藍(lán)牙模塊和4G 網(wǎng)絡(luò)模塊 ，藍(lán)牙連接有效傳輸距離為10m ， 主要用于設(shè)備檢修時(shí)通過移動(dòng)終端控制裝置運(yùn)行 ，4G 網(wǎng)絡(luò)連接理論上可以在任何有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域連接裝置 PLC控制器 ，可在長(zhǎng)時(shí)間潮汐模擬測(cè)試過程中實(shí)現(xiàn)無人值守 ， 通過移動(dòng)終端控制和監(jiān)控裝置運(yùn)行 ，并將儀器測(cè)試和裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器保存。進(jìn)行無線連接時(shí) ， 可以選擇藍(lán)牙和4G 網(wǎng)絡(luò)連接中的一種方式 ， 通信指示燈亮起后 ， PLC連接指示燈也亮起 ， 表示連接成功 ， 無線通信軟件實(shí)現(xiàn)功能與工控機(jī)軟件一致 ，如圖4所示。

3 裝置系統(tǒng)測(cè)試

進(jìn)行裝置系統(tǒng)圖像動(dòng)態(tài)識(shí)別測(cè)試和潮汐模擬測(cè)試 ，評(píng)估裝置系統(tǒng)性能。

3.1 動(dòng)態(tài)識(shí)別測(cè)試

測(cè)試水位上升和下降過程隨動(dòng)平臺(tái)跟蹤和圖像處理軟件動(dòng)態(tài)識(shí)別性能 ，步驟如下：

（1）控制水位回到0 m ， 切換 CCD相機(jī)隨動(dòng)平臺(tái)手動(dòng)控制模式使隨動(dòng)平臺(tái)回到零位;

（2）標(biāo)定軟件標(biāo)尺線;

（3）切換 CCD相機(jī)隨動(dòng)平臺(tái)自動(dòng)控制模式 ，選擇速度跟隨;

（4）設(shè)置目標(biāo)水位為2 m ， 水位變化速率3.0 mm/s，到達(dá)目標(biāo)水位后 ，設(shè)置目標(biāo)水位為0 m ， 完成一次給排水測(cè)試。

動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果如表1所示 ， 其中起止零位讀數(shù)為水位線穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)讀數(shù)。結(jié)果表明 ， 隨動(dòng)平臺(tái)跟蹤和圖像動(dòng)態(tài)識(shí)別響應(yīng)良好 ， 以銦鋼尺作為讀數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的圖像動(dòng)態(tài)識(shí)別結(jié)果準(zhǔn)確。水位上升時(shí) ， 水位線平直清晰 ，可以進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別 ， 水位下降時(shí) ， 表面張力使凹液面較為明顯 ， 會(huì)拉長(zhǎng)水位線陰影區(qū) ， 使動(dòng)態(tài)識(shí)別水位線高于實(shí)際水位 ，讀值需進(jìn)行修正。

3.2 潮汐模擬測(cè)試

潮汐模擬是在一段時(shí)間內(nèi)模擬水位正弦波曲線變化 ，設(shè)波高為4 m ， 峰峰值為8 m，一次全日潮周期變化時(shí)間為4 h， 則潮汐模擬標(biāo)準(zhǔn)正弦函數(shù)為 y=4sin（πx/2）+4，水位變化設(shè)置如表2所示 ，實(shí)際水位控制變化曲線如圖5所示。結(jié)果表明 ， 裝置通過時(shí)序變化預(yù)設(shè)階段水位值進(jìn)行潮位模擬的方法可以較好地模擬潮汐變化正弦函數(shù)曲線 ， 水位控制系統(tǒng)給排水速率變化過渡平滑。

4 結(jié)語

測(cè)試結(jié)果表明 ， 本研究介紹的潮汐測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)裝置 ，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確高效的圖像動(dòng)態(tài)識(shí)別和潮汐模擬控制 ，用以進(jìn)行儀器動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試 ， 能為水位測(cè)量類產(chǎn)品研發(fā)、水位測(cè)量新方法研究和驗(yàn)潮儀檢定校準(zhǔn)方法改進(jìn)提供更好的試驗(yàn)平臺(tái)。無線通信模塊提升了裝置自動(dòng)化水平 ， 應(yīng)用于儀器設(shè)備檢修、遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫?， 能進(jìn)一步提高儀器檢測(cè)工作效率。

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