陳 紅,何汶遠,劉 云

(1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院, 南京 210024; 2.河海大學(xué) 水利部水循環(huán)與水動力系統(tǒng)重點實驗室, 南京 210024;3.無錫市新吳區(qū)排水管理中心,江蘇 無錫 214412)

0 引 言

城市排澇已成為水災(zāi)害防治的重點[1],近年來極端天氣頻發(fā),短時強降雨造成城市大面積受淹,導(dǎo)致人員和財產(chǎn)重大損失。泵站是城市排澇主要設(shè)施之一[2],由于軸流泵具有提水量大、適用揚程低和結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于排澇泵站。受現(xiàn)場安裝和運行條件的限制,加上長時間運行設(shè)備老化[3],流道阻力加大,軸流泵無法穩(wěn)定、高效運行,實際出流能力低于理論出流能力。為準(zhǔn)確評估城市排澇能力,有必要對泵站實際出流能力開展測試校核。流量是評價泵站裝置效率和出流能力的關(guān)鍵指標(biāo)之一,水泵流量測量通常采用電磁流量計、差壓式流量計、渦輪流量計、流速儀法、食鹽濃度法以及喇叭管差壓測流法[4-6]。軸流泵進水管一般為喇叭型式,出水管較短,缺乏足夠直管段安裝管道流量計,無法直接測量流量。很多研究者采用間接法測量流量。劉德祥等[5]針對武漢市后湖排污泵站,基于差壓法測流在軸流泵進出管道上安裝壓力測量儀器,開發(fā)了一套流量監(jiān)測系統(tǒng)。張玲一[6]針對小型軸流泵喇叭管開展了差壓法測流,研究發(fā)現(xiàn)測壓位置與流量測量誤差直接相關(guān)。劉光臨等[7]改造了進水管道,運用差壓法實現(xiàn)了大型軸流泵流量監(jiān)測。已有研究表明差壓法雖然適用于軸流泵流量監(jiān)測,但是現(xiàn)場操作復(fù)雜,涉及較多儀器設(shè)備安裝和改造,不利于大規(guī)模開展泵站流量監(jiān)測。近年來,走航式超聲波多普勒剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler,ADCP)廣泛應(yīng)用于明渠流速、流量測量。馬駿等[8]采用ADCP在三峽庫區(qū)開展了單條垂線以及水面區(qū)域固定點的三維瞬時流速測量,測量結(jié)果精度達到了水流結(jié)構(gòu)分析需要。宋政峰等[9]詳細分析了走航式ADCP流量測量主要誤差來源,并提出了相應(yīng)的誤差控制方法。楊錦坤等[10]構(gòu)建了ADCP 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理和質(zhì)量控制的方法,對ADCP原始數(shù)據(jù)進行處理能有效提升流量測量精度。大量應(yīng)用表明ADCP測流具有適用范圍廣、測量精度高、測流效率快等顯著優(yōu)點,可用于泵站進出流渠道流量測量,替代水泵流量的直接測量。

運用數(shù)字圖像技術(shù)、雷達水位計和ADCP,研制了一套泵站過流能力校核系統(tǒng),無需在進出管段安裝壓力測量儀器,直接采用ADCP測量實際流量,對比相同功率、揚程工況下泵站理論流量,實現(xiàn)泵站過流能力復(fù)核。系統(tǒng)具有自動化程度高、對現(xiàn)有泵站裝置改動小等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)開發(fā)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計

為校核泵站過流能力,通過采集泵站功率、揚程和流量,再對比水泵特性曲線上相應(yīng)條件下的理論流量[11],從而評估水泵過流能力的變化。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,分為水泵特性、流量測量、功率監(jiān)測和揚程測量等功能模塊,水泵特性用于記錄水泵的設(shè)計參數(shù),包括流量-揚程、流量-功率關(guān)系。流量測量采用走航式ADCP,測量數(shù)據(jù)直接上傳至Mysql數(shù)據(jù)庫,再經(jīng)濾波等處理得到流量;功率監(jiān)測采用攝像機實時采集水泵電壓表、電流表圖像,經(jīng)圖像處理計算得到功率;揚程測量通過雷達水位計實時監(jiān)測泵站進水池和出水池水位,水位差代表了泵站裝置揚程。流量評估時,系統(tǒng)根據(jù)功率、揚程查詢特性曲線上相應(yīng)的理論流量,對比實際流量,評估流量變化。

圖1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)采用Python語言開發(fā),運用B/S架構(gòu),主界面如圖2所示,主界面引入百度地圖展示泵站位置,可實時查詢儀器儀表數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)以圖片形式存于數(shù)據(jù)庫。水位、流量數(shù)據(jù)通過4G傳輸至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫,系統(tǒng)采用多線程開發(fā),可同時接收多個終端數(shù)據(jù)。

圖2 系統(tǒng)主界面

1.2 儀表數(shù)據(jù)圖像識別

1.2.1 識別原理

功率測量流程如圖3所示,將網(wǎng)絡(luò)攝像機布置在電壓表、電流表前,攝像機采集儀表圖像,傳輸至服務(wù)器,系統(tǒng)讀取圖像,將RGB圖像格式轉(zhuǎn)換為8位灰度圖像,再經(jīng)灰度增強和模板匹配,提取電壓、電流表讀數(shù),計算軸流泵功率[12]。

圖3 功率測量流程

攝像機采集的圖像格式為RGB，為提高處理效率，將RGB彩色圖像轉(zhuǎn)換為黑白灰度圖像[13]，分析圖像直方圖，圖像的R、G基色特征顯著，B基色較弱。因此，提升R、G基色轉(zhuǎn)換權(quán)值，降低B基色權(quán)值，可進一步增強灰度圖像的數(shù)字信號特征，灰色轉(zhuǎn)換方法為

P(x,y)=0.3R(x,y)+0.6G(x,y)+0.1B(x,y)。

(1)

式中:(x,y)為像素坐標(biāo);P(x,y)為黑白灰度值;R(x,y)、G(x,y)、B(x,y)分別為像素點在該坐標(biāo)的顏色。

圖4是進行灰度轉(zhuǎn)換后的圖像,數(shù)字信息清晰。儀表數(shù)字采用點陣形式顯示,大小、形狀及位置等特征信息較為固定,適合采用模板匹配法[14]提取圖像中的數(shù)字。電壓表第一個數(shù)字和第二個數(shù)字分別固定為3和5,第三和第四個數(shù)字存在變化。因此,從第三個數(shù)字開始模板匹配,具體算法如下:

圖4 灰度轉(zhuǎn)換效果

(1)第三個數(shù)字橫坐標(biāo)記為x0,儀表圖像單個數(shù)字橫坐標(biāo)方向長度為12個像素,縱坐標(biāo)方向長度為24個像素,則模板匹配窗口定為12×24。

(2)第三個和第四個數(shù)字可能為0,1,2,…,9中的任一數(shù)字,則設(shè)置10個模板,模板大小為12×24。

(3)計算儀表圖像與模板圖像的匹配系數(shù)rk,即

(2)

式中:fi(i,j)為儀表灰度,i=x0+1,x0+2,…,x0+n,j=1,2,…,m,l=0,1,2,…,p;Tk(i,j)為模板灰度,i=x0+1,x0+2,…,x0+n,j=1,2,…,m,k=0,1,2,…,9。

(4)比較10個匹配系數(shù)rk,rk最大時,模板圖像與儀表圖像一致,即儀表圖像數(shù)字為模板數(shù)字。

(5)依次完成第四個數(shù)字的識別。

采用模板匹配法對圖4(a)進行匹配識別,得到相應(yīng)電壓數(shù)字為355.3、356.8和358.4。根據(jù)識別的電壓和電流數(shù)據(jù)計算得到功率。

1.2.2 視角影響測試

現(xiàn)場測試時攝像機安裝角度存在一定偏差,可能導(dǎo)致圖像產(chǎn)生變形。為提升系統(tǒng)適用范圍,從不同視角測試攝像機采集的圖像,并開展模板識別,定義累積數(shù)字識別準(zhǔn)確數(shù)與總測試次數(shù)的比值為識別率。以攝像機法向軸線垂直儀器儀表中心,分為水平和垂直2個方向偏離,偏離角度為0°、10°、20°和30°,相應(yīng)測試結(jié)果如表1所示。

表1 視角影響測試試驗的識別率

測試結(jié)果表明水平向偏離20°時,識別率超過93%,而垂直向偏離10°,識別率下降到39.11%。模板匹配法中垂直向偏離引起的圖像變形將導(dǎo)致識別率大幅下降,實際應(yīng)用中,應(yīng)減少垂直向偏差。

1.3 ADCP數(shù)據(jù)分析

利用走航式ADCP測量軸流泵出流后明渠斷面流量。斷面垂線間距設(shè)為30 cm,各垂線采用定距測量,每10 cm測量一個點流速。測量中受流態(tài)、環(huán)境噪聲等干擾,部分測量數(shù)據(jù)存在一定偏差。為提升ADCP測流數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性[15],對測量數(shù)據(jù)進行濾波,消除偏差較大的數(shù)據(jù),再采用三次貝塞爾插值運算對缺失數(shù)據(jù)進行填充,提升數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

濾波基準(zhǔn)值采用移動中值法確定,與基準(zhǔn)值偏差>±8%的測量數(shù)據(jù)視為異常數(shù)據(jù),作為噪聲消除。基準(zhǔn)值確定流程為:

(1)根據(jù)ADCP原始數(shù)據(jù),分別計算各垂線平均流速。

(2)以左岸為起始點,以8條垂線平均流速數(shù)據(jù)為一組,其平均值為基準(zhǔn)值。8條垂線平均流速超過基準(zhǔn)值的±8%的數(shù)據(jù)視為異常數(shù)據(jù),予以刪除。

(3)采用貝塞爾插值運算,對刪除的垂線平均流速進行插值,填補空缺垂線平均流速。

(4)向右岸移動1條垂線,并去除最后一個數(shù)據(jù),保證組內(nèi)有8條垂線數(shù)據(jù)。

(5)重復(fù)步驟(2)—步驟(3)。

(6)完成全部數(shù)據(jù)的濾波處理,通過斷面積分得到斷面流量。

(3)

圖5 斷面垂線平均流速濾波前后對比

(4)

2 實踐應(yīng)用

選取無錫市新吳區(qū)某泵站,該泵站始建于2016年,主要承擔(dān)排澇任務(wù),將澇水排至京杭大運河。該泵站包括3臺設(shè)計流量為1.8 m3/s的軸流泵,總流量為5.4 m3/s。近年來,該泵站負責(zé)排澇區(qū)域多次出現(xiàn)被淹現(xiàn)象,初步計算表明泵站實際出流能力小于設(shè)計排澇能力。為校核該泵站實際出流能力,運用泵站過流能力校核系統(tǒng)對3臺軸流泵開展了校核,測試結(jié)果基本一致,其中一臺泵校核數(shù)據(jù)見表2。

表2 相同功率及相同揚程條件下流量數(shù)據(jù)對比

校核結(jié)果表明泵站實際出流能力顯著降低,相同功率條件下出流能力較理論值最大下降9.55%,相同揚程條件下出流能力較理論值最大下降11.52%。因此,該泵站無法滿足設(shè)計排澇需求,需要增加相應(yīng)水泵提升防洪排澇能力。

3 結(jié) 論

城市部分泵站實際出流能力小于設(shè)計出流能力,導(dǎo)致排澇能力減弱,部分城區(qū)發(fā)生了內(nèi)澇。因此,對泵站過流能力進行校核對城市排澇具有重要作用。泵站過流能力校核系統(tǒng)實現(xiàn)了水位、電流電壓等信息的自動采集,利用走航式ADCP測量相應(yīng)流量,結(jié)合移動中值濾波法和貝塞爾插值運算,對ADCP測量數(shù)據(jù)進行濾波處理,有效提升了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。將系統(tǒng)應(yīng)用于無錫市新吳區(qū)某泵站,經(jīng)過測試相同功率條件下出流能力較理論值最大下降了9.55%,相同揚程條件下出流能力較理論值最大下降了11.52%,校核結(jié)果表明泵站實際排澇能力已顯著下降,需要采取有效措施提升排澇能力。

目前僅開展數(shù)個工況條件下的流量檢測,需要進一步開展多工況條件下的流量比測,評估泵站出流能力變化。另外,在多個泵站聯(lián)合調(diào)度時,未考慮泵站實際出流能力變化,僅以設(shè)計流量作為計算依據(jù),進一步降低了排澇效果。因此,有必要將泵站實際出流能力引入聯(lián)合調(diào)度計算,以便制定更加科學(xué)合理的調(diào)度方案。