基于水工模型试验数字信息管理系统的建设技术探讨

周大鹏

（辽宁省水利水电科学研究院，辽宁沈阳 110003）



基于水工模型试验数字信息管理系统的建设技术探讨

周大鹏

（辽宁省水利水电科学研究院，辽宁沈阳 110003）

【摘 要】水工模型试验中数据采集具有数量大、频次密等特征，采用电子技术和信息技术有机结合，将自动采集代替传统人工观测。本文阐述了从水位、流量、流速等监测项目入手，采用数字化信息管理系统实施对数据的日常监测和管理，在工作强度和效率上使日常监测的任务简便化、规范化，保障水工模型试验能够安全、准确地如期完成。

【关键词】水工模型；流量控制；信息管理；监控系统

1　引 言

水工模型试验是水利工程安全、稳定、可靠运行的有力保障，是一项重要的基础性研究工作。在按比尺缩小的模型中复演与原型相似的水流，进行水工建筑物各种水力学问题研究的试验，用于验证工程设计和泄流消能方式的合理性与可行性。由于模型试验过程中需要长期、连续性的监测，安排专职技术人员开展试验工作，尤其是观测阶段，人员投入多、劳动量大，如何采用现代化的管理手段，实施自动化监测和数字化管理是当前模型试验亟须解决的问题。

2　研究目的

水工模型试验内容涉及泄流建筑物、水电站、船闸、鱼道等各类水工建筑物，通过模型试验对工程布置方案进行比较、优化建筑物过流部位的体型、解决下游消能防冲、通航水流条件、结构稳定性等问题的研究，将试验结果应用于工程实践中。模型设计本身是对工程项目合理性的验证，同时可通过优化模型结构来降低工程投资，并进一步发展水力学理论。

一般水工模型试验监测需要在预定区域或断面上布置测点，设置量测水位、流速、流量、压强、流态、地形的仪器设备，并取得原始测读数据。随着电子技术和信息系统领域的科技创新，把自动监测和信息管理技术引入水工模型观测中，将增强观测的准确性，提高观测的频次，实现自动化和数字化管理，将烦琐的工作简单化，最终降低人员劳动强度，提高工作效率，为试验进度安排提供富余的空间。

3　系统架构及关键技术

水工模型试验数字信息管理系统作为水工模型实验中的辅助模块，将日常的人工观测转化为自动观测。该系统结合水闸整体模型试验开展系统功能的规划，其系统架构主要包括给水流量自动控制系统、模型水位流速实时监测系统、试验场视频监控系统和监控中心建设四个部分。

3.1给水流量自动控制系统

试验场提供对3个试验区给水流量的自动测量、调节和控制，即主场区头部量水堰、玻璃槽区头部管路、副场区管路（如右图所示）。

3.1.1供水系统

现场试验总水源由二楼的开敞式恒位水箱统一供水，经3条独立的管路分别向各场区提供试验给水。主场区头部给水由管路提供经量水堰测控，其中:小流量用三角堰，大流量由宽顶堰或三角堰配合完成。试验所需来水流量在堰上水头确定后，经主管路粗调和辅管路精调实现流量控制，全过程为人工测量和调节。

3.1.2 自控设计

设计主场区用电脑模拟人工过程，经主辅管路调流和量水堰反馈，实现来水流量自动控制。将试验所需工况点流量或变流量范围数组输入计算机，由其控制水位计自动采集堰上水头，经电脑运算后发出调控指令，反馈给电调机构控制阀门调节流量，全过程闭环控制，实现对已建宽顶堰或三角堰的堰上水头-流量控制。主管路配置电磁阀以实现远程断流控制。其他区包括玻璃槽区头部管路出口1处和副场区管路出口4处，安装经电脑控制的电动调节阀门，实现与主场区同等级的来水量自动测控。

流量自动控制系统图

3.2模型水位流速实时监测系统

3.2.1现状分析

模型现状水位测量采用静压管人工读数，通过人工调节测针进行读数，流速采用手持多普勒仪测速，经人工操作记录并处理数据。

3.2.2自控设计

按照规范要求，水位测针用于测量恒定流水位，自动跟踪水位计、压力传感器用于测量恒定流和非恒定流水位，波高仪用于测量水面波动，毕托管、旋桨式流速仪用于测量流速。设计采用电脑模拟人工试验过程，在不取消人工试验条件的前提下，自动采集各试验点的水位和流速，实现试验数据的电脑自动采集和处理。可采用两种方案实施。

a.方案一:现状系统改造。水位数据采集在现状人工静压管水位测读基础上，于每个测压管上安装对应的压力计，由计算机实现压力（水位）数据的自动采集和处理。

流速数据采集仍用原手持多普勒仪测速，经人工操作记录并输入计算机，实现数据处理。

b.方案二:新建测控系统。采用经电子化的经典毕托管理论和技术，自动采集测点的压力（水位）和流速，经数字接口传入主控计算机实现数据采集和处理。

3.3试验场视频监视系统

3.3.1现状概况

现状仅有16个定位摄像机，分布于模型主视场上空区域，直接监视水面投入示踪粒子的运动轨迹，实现对流场的定时拍摄和流场流态分析。其形成的视场结构因每场试验的模型结构不同而异，由人工调整，安装于大厅棚顶。不足之处是人工调整安装需高空作业，劳动强度大，人员和设备的危险性高，定位点坐标很难准确。

3.3.2自控设计

设计思路采取疏密矩阵方式，实现主视场流态分析和全视场视频监控。将大厅划分成8个视区（编号: A、B、C、D、E、F、G、H），形成4个组（编号:［A、B］［C、D］［E、F］［G、H］）。

各视区视场设备安装的区域范围为15m×15m，总覆盖区域范围为30m×60m，安装具备360°旋转功能的全视场网络高清摄像机，监控图像经交换机转储至硬盘录像机中，实现全场的监视。［C、D］［E、F］为密集区，通过配置带预留孔矩阵的固定式轻型框架，在其中安装视场密集型摄像机，并可依试验模型的不同灵活调整摄像机位置，实现对主视场流场流态的定点拍摄，以便于做流场分析使用。

3.4监控中心建设

监控中心是用于采集现场必设的监测项目和监视现场的运行工况管理的中心，包括中心监控室和试验显示屏两个部分。

3.4.1中心监控室

中心监控室由现状仓储间改造建设。试验人员可在监控室内的操作台实现监测数据采集、监视图像管理、流量自动调控等。监控管理平台为3×3的电视墙，由9台液晶显示器组成。下面3台显示器对应为网络硬盘录像机采集的图像、堰体流量、模型水位流速。上面6台显示器对应摄像机采集的图像，可实现多画面的切换。视频监视软件采用网络版结构，每一监视点对应固定IP，可实施远程异地管理与控制。

水工模型试验数字信息管理系统软件采用C/S模式进行开发，利用组态软件实施控制与管理，过程控制采用闭环式结构，优化水泵、阀门的控制方案，保障定时、定量、定位供水的需求，采集试验过程中多变量的动态数据，实现资料的整编和分析。

3.4.2试验场显示单元

在试验大厅的侧墙上安装彩色电子显示屏，用于显示场区视频及工作成果。

4　结 语

水工模型试验数字信息管理系统是水工模型试验观测工作发展的趋势，在系统建设过程中，应遵循以下几点:

a.根据不同模型试验要求，量身定做适用此模型的量测自动监测项目。

b.为保障系统建设的稳定性和准确性，应在量测设备安装前，对设备进行严格的率定，人工与自动进行对比试验，满足要求后，方可安设。

c.影像示踪技术建议采用高像素的高清摄像设备。■

参考文献

［1］ 蔡辉，马洪蛟，孙典红.水工模型水位的自动控制优化算法［J］.河海大学学报:（自然科学版），2002（5）:95-97.

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［3］ 虞邦义，武锋，蔡华.临淮岗洪水控制工程水工模型自动检测与控制系统［J］.水利水电技术，2002（6）:59-62.

［4］ 彭玲，王世玉，赵精华.博塔玛依隧洞出口段水工模型试验研究综述［J］.水利建设与管理，2008（6）:84-87.

［5］ 邵云琦.清河闸水工模型试验研究［J］.吉林水利，2014 （9）:24-28.

DO l:1O.16616/j.cnki.11-4446/TV.2O16.O2.OO9

Discussion on the construction technology based on the hydraulic model test digital information management system

ZHOU Dapeng
（Research Institute ofWater Resources and HydroPower，Liaoning Province，Shenyang 110003，China）

Abstract：Data co11ection in the hydrau1ic mode1 test is characterized by 1arge quantity，dense frequency，etc.E1ectronic techno1ogy is organica11y combined with information techno1ogy.Automatic co11ection is used for rep1acing traditiona1 artificia1observation.In the paper，it is expounded that digita1 information management system is used for imp1ementing dai1ymonitoring and management on data from the perspectives ofwater 1eve1，f1ow capacity，ve1ocity and othermonitoring projects.Dai1ymonitoring tasks become convenient and standardized in working intensity and efficiency，thereby ensuring that hydrau1icmode1 tests can be safe1y and accurate1y comp1eted on schedu1e.

Key words：hydrau1ic mode1；f1ow contro1；information management；monitoring system

中图分类号：TV131

文献标志码：A

文章编号：1005-4774（2016）02-0031-03