水文缆道测验运行操作与使用探讨

段江勇　　戴小群　　左　念

(长江水利委员会水文局 长江中游水文水资源勘测局，湖北 武汉　430012)



水文缆道测验运行操作与使用探讨

段江勇戴小群左念

(长江水利委员会水文局 长江中游水文水资源勘测局，湖北 武汉430012)

摘要：水文外业测验是水文测站的主要工作任务。测验时，准确地采集、处理和传输数据，获取可靠的水文基本资料对防汛抗洪非常重要。多年来，经过不断改造与更新的水文测验设备在整体测验水平上得到了较大提高。随着计算机技术、动力控制技术的不断发展和调速技术的不断提高，水文测站外业测验方式的自动化在实际测量中得到广泛运用。对EKZ-I型水文缆道测验智能控制仪的功能、操作规程以及一般故障处理等作了简要介绍，并指出了操作中应注意的事项。

关键词：水文测验；测验设备；缆道测验；自动化

长江委水文中游局益阳分局的沙头(二)、杨堤(二)、甘溪港3个水文站都修建了水文测验缆道，用以流量测验。沙头(二)站为控制资水尾闾入湖水情的2类精度基本水文站；杨堤(二)站为控制资水东支的3类精度基本水文站；甘溪港为控制资水西支的3类精度基本水文站，其所在河流均为顺逆流不定的河道。

通过这3座水文测验缆道的投运，极大地提升了流量自动化测验技术水平，能快捷并安全地完成流量测验任务。

1　概　述

1.1设备结构与设计原理

水文缆道测验控制设备由计算机、主控接口、计数控制综合仪、流速仪测速装置、调速子系统等五大部分组成。在计算机相应软件的支持下，这五大部分控制各设备运转正常，能自动采集各类原始数据，并进行综合处理。

收集数据、综合处理后，现场打印流量成果表及现场分析图，处理其他水文内业数据。这样就构成了一套比较完整的“EKZ-Ⅰ型水文缆道测验智能控制仪”，详见图1。

图1　EKZ-Ⅰ型水文缆道测验智能控制仪示意

1.2设备各模块功能

1.2.1主控接口功能

(1) 联机工作方式。主控接口是主机与其相关外设联系的纽带，系统控制功能的实现，以及各类数据、信息的交换均需要主控接口完成。控制命令包括外设动作的控制类命令和通道选择的控制类命令。紧急情况下，通过动力控制器也可人工干预运行状态。另外，主控接口还具备水深、起点距、水位、流速4种数据传送功能，以及水面、水底信号的判断处理功能。

(2) 脱机工作方式。由于一部分测站暂未配置微机或使用该系统时主机系列部分临时出现故障，主控接口也可作为单独仪器使用，其主要功能基本上与联机状态相同。所不同的是联机状态部分功能的实现由主机在通讯方式上与主控接口完成信息交换，而脱机方式时，各种功能的实现则是通过面板上的各种按键完成。脱机工作时主控接口对流速信号的接收处理可作为计时计数器使用。

(3) 信号处理前置器。前置器位于操作台下半部分变频器旁，在变频开关接通状况下，才能给前置处理器供电，该装置具备两个功能，即信号接收处理功能与信号隔离功能。

1.2.2信息采集控制接口功能

(1) 水深计数。水深计数属于计数控制接口的子项目内容之一，其主要作用是通过钢丝绳的湿绳长测量水深值。自动测流时，通过水面信号清零水深计数器，依靠水底信号停止铅鱼运行(先读水深值再停机以减少误差)。

(2) 起点距计数。与水深计数方式基本相似，通过软件参数预置，可进行精度校验。

(3) 逻辑通道选择控制。逻辑通道选择控制部分由控制、发射、放大、室内接收处理、水下接收处理等组成。

1.2.3编码器

编码器有两类，即起点距编码器和水深编码器。

1.2.4水下信号源

水下信号源由水面信号装置、水底信号装置以及流速仪信号输出组成。

1.2.5动力控制器

动力控制器属于调速子系统的一部分，其主要功能是接收主控接口传输的各类控制命令并执行相应的动作(上升、下降、前进、后退、停止)，也可人工干预手动操作。

2　计数调试

2.1起点距

将起点距计数器清零，并记下该处位置，然后以不同速度前进，到达对岸后再返回到原始位置，起点距计数器计数值为零或接近于零，即可判定起点距计数器工作正常。下一步进行起点距率定，率定方法如下。

(1) 在起始点将起点距计数器清零；

(2) 用经纬仪在断面的基点处测出行车运行至测流或测深线位置的角度，并转化为相应的起点距值，然后分别记录对应的起点距计数显示值；

(3) 铅鱼返回到相应的测流、测深线，并复核该点的经纬仪角度值所对应的起点距值是否与原来相同或相近；

(4) 通过多次来回运行，再回到原点，判断是否存在校正误差(检验是否满足测验规范要求)；

(5) 经过多次试验，铅鱼返回到原点时，计数回零或基本上接近于零。在测流和测深垂线处，起点距计数器值与经纬仪相应角度所对应的实际起点距数据，在前进或返回至测线时相同或基本相同，表明该起点距计数器满足测控系统方式下自动测距的要求。

2.2水深

水深测量是水文测验的关键项目之一，水文测验资料精度能否满足要求与各点的水深测量值有直接联系，因此，水深测量一定要满足水文测验精度要求[1-2]。水深计数器精度比测方法与步骤如下。

(1) 将水深计数器在铅鱼入水处清零；

(2) 下放铅鱼至河底，再提升出水面，在铅鱼出水处观察水深计数器计数值是否为零，如果为零，则表明计数器工作正常；

(3) 铅鱼下放至入水处，计数器清零，再匀速下放，任选若干点停车，比较水深计数器值与湿绳值并分别记录，至河底再提升铅鱼，分别读得相关数据并依次记录；

(4) 上述方法重复若干次，分析静态误差；

(5) 在自动测流方式下，通过水面信号自动将计数器清零，铅鱼自动测全水深及相对水深，然后通过对比湿绳值与计数器值，分析动态误差。

2.3流速

流速获取是流量测验的重要参数之一，也是建设水文缆道的主要目的[3]。

(1) 信号原理。信号线连接循环钢丝绳，钢丝绳通过绞车上的一个滑轮，而该滑轮连接信号引出线。信号线通过交流接触器(安装在控制台内)，该交流接触器由动力控制器的变频器开关(即钥匙开关)控制。当未打开变频器开关时，信号线与地相通，打开后，信号线才连通。连通后到达计数控制接口，再从计数控制接口到信号处理前置器中，转换成5 V直流信号再传回至主控接口中。因此，一旦任意一个路径出现故障，即使水下信号源正常，信号也将无法传回。

(2) 水下信号源。由水面信号装置、水底信号装置、流速信号处理、输出、双音频信号接收处理等几个部分组成。当铅鱼下放入水后，在水面极板处输出一正脉冲，脉冲消失后，等待水底信号输出。河底信号未到之前，无流速信号输出；河底信号到位以后，发一正脉冲到悬索，同时将水下流速仪信号状态置位，再上升时才有流速仪信号输出到主控接口，主控接口与电脑连接自动记录流速。

3　软件操作规程

“EKZ-Ⅰ型水文缆道测验智能控制仪”主要用于水文测站的外业测验及资料整理，其主要功能是通过计算机控制测流过程，并现场打印资料成果。

3.1软件调试

首次使用应用软件时，用户必须调试，其主要任务是进行主控接口通讯(即端口测试)以及相关参数的预置(即数据维护)等工作。

3.1.1相关参数的预置

安装调试时，首先应输入以下有关数据。

(1) 使用测站站名；

(2) 使用测站大断面数据；

(3) 起点距计数值与实际起点距对应数据；

(4) 水深计数值与实际水深对应数据；

(5) 铅鱼返回时，提升运动轨迹曲线拟合坐标数据；

(6) 参数预置表中所有选项；

(7) 流速仪定位数据；

(8) 垂线设置。

3.1.2主控接口通讯

与主控接口通讯主要包括两方面功能的调试。

(1) 主机对端口的数据传输功能；

(2) 主机对端口的控制命令传送功能 。

3.2软件操作

运行程序时，主控接口联/脱开关置于“联”，显示窗口显示“cbsu-1”(按复位键可得)；直/交开关位置根据信号状态选择(直流信号置于“直”，交流信号置于“交”)，此时才能正式开始自动测验。(注：非自动测验可不选择开关位置，而应将联/脱开关置于“脱”。)

软件菜单栏中共有8个菜单，每个菜单均有各自的子菜单，用于执行不同的功能。下面分别介绍各个菜单的功能及其使用。

3.2.1端口测试

端口测试用于在测验作业前检查控制仪各部件的状态是否正常，包括[控制口测试]和[数据口测试]两个部分。

3.2.2数据维护

正确录入初始化参数，是保证测验数据准确的前提。初次使用该软件的用户，必须进行参数预置，否则会导致软件使用异常。

(1) 修改测站设置。测站名称决定软件的归属，根据各测站测验项目的不同，软件将提供相应的功能。

(2)编辑大断面资料。大断面资料在软件中主要用于自动测验时实时显示大断面图，输入实时水位值时，能够计算并显示左、右水边的高程，大断面数据输入一定要准确可靠，编辑时可只录入起点距和河底高程，序号一栏可由程序自动编排。

(3)校验起点距。缆道主索总有一定的弧度，同时也会随自然条件的不同而发生变化，因此，为了提高测验精度应定期进行校验。利用经纬仪测量值和光电计数器显示值进行对比，得到若干组数据，通过该项功能将数据录入到软件内，由软件自动进行分段线性处理，从而得到实际的起点距数据。

(4)校验水深。其操作与校验起点距相同。

(5) 流速仪种类。每个测站均拥有多部不同流速仪，为方便测验过程中流速仪选择及更换，用户可将测验所需用到的流速仪依次列出，内容包括牌号、转次、K值、C值、使用累计方式及相应累计值(小时数或次数)。根据规范使用累计方式分为累计小时数和累计次数两种。

(6) 校正缆道主索垂度。为了准确校正偏角引起的水深误差，用户应将起点距和与之对应的缆道主索垂度观测值录入表框中，同时还需要录入缆道主索高度、缆道参数、铅鱼重量、悬索直径等参数值。

3.2.3测量作业

测量作业包括全自动测量作业、半自动测量作业、全人工测量作业、自动转人工测量作业等，其中任一种均可完成流量测验。

3.2.4数据处理

当测验作业完成后，测验人员应及时校对测验数据，该软件提供了[数据处理]菜单，其中包括[资料校核]、[悬沙输入] 和[现场四随分析数据整理]3项子菜单。

4　一般故障处理

4.1无水下信号输出

(1) 检测钢丝绳与铅鱼之间的电压，当托板托起时是否有交流电压(3 V左右)；

(2) 检测信号能否到达接口，用一根电线连接信号接口地与铅鱼外壳；

(3) 检测水下信号源是否有足够电压。

处理办法如下。

(1) 检测缆道钢丝绳是否与钢塔短路；

(2) 水下信号电池充电；

(3) 更换接口。

4.2无水面信号输出

在岸上将水面极板的下极板接通铅鱼外壳，看是否有信号，后两个都接外壳是否无信号声音。

处理办法：更换铅鱼线路。

4.3无水底信号输出

(1) 在岸上，用万用表电压档红表笔接钢丝绳，黑表笔接铅鱼外壳，检测托起托板是否有电压(3 V左右)；

(2) 检查水底信号干簧管是否损坏或托板是否卡死。

处理办法：更换干簧管。

4.4动力控制器按键停止不动作

处理方法：立即复位主控接口或关闭变频开关，检查相应继电器。

4.5主控接口与计数控制接口无显示

处理办法：更换保险或开关电源。

4.6水下信号有输出，而接口接收不到

处理办法：首先检查给信号前置处理器供电的蓄电池电压，若低于10.5 V，需立即充电至12 V以上；若充电后，蓄电池电压正常，但是信号前置处理器在水下信号正常输出时，指示灯不亮，则判定为该信号前置处理器损坏，需更换处理。

4.7起点距或水深不计数

(1) 若起点距不计数，水深计数，调换两根编码器连接线后，发现起点距计数而水深不计数，则判断起点距编码器损坏；

(2) 检测编码器连接线是否断路，将编码器连接线1和2脚短接、3和4脚短接后，在另一头用万用表监测1和2脚、3和4脚是否连通，不连通即表明该连接线在中间部分已断开。

处理办法。

(1) 更换编码器；

(2)用备用编码器连接线路。

5　操作注意事项

(1) 在靠近两岸铁塔或退回到站房中时，要确保退回或前进速度较慢。下放铅鱼在接近河底时，需减慢速度，下放速度决不可过大，否则铅鱼将随钢丝绳下垮。

(2) 铅鱼上升到较高处时，如需继续上升，请务必减慢速度，以较低速度缓慢上升。

(3) 尽量避免铅鱼在水面下进行铅鱼前进或者后退的操作[4]。

(4) 当铅鱼下放到河底，需注意主控接口是否收到河底信号。若收到信号，则需注意是否主控接口从2灯闪烁转变为3灯闪烁，未转换则有可能即使来信号，铅鱼仍然处于不停下放之中。

(5) 如果未收到河底信号，则需密切注意缆道的上循环索是否下垮，如下垮则证明已放到河底。

(6) 铅鱼测流运行过程中，主测人员及瞭望人员应密切注意河面来往船只，及时通知过往船只注意安全避让。

6　建议与改进

(1) 在操作过程中，可以考虑钢丝绳的密度、直径、气温、铁塔高程，以及铅鱼自重等相关物理值，软件在起点距的率定计算中使用到高等数学的微积分，这使空载和负载起点距率定更为简化和有效。这样可有效减少起点距率定所需观测点的数目，提高起点距率定的精度。

(2) 在极端冰冻气候下，设计者应提供循环索加热除冰装置，以减少测验中的误差并提高安全系数。

参考文献：

[1]SL443-2009水文缆道测验规范[S].

[2]GB50179-1993河流流量测验规范[S].

[3]马庆云.水文勘测工[M].郑州：黄河水利出版社，2003.

[4]陆玉琴，陶武亮，夏良谦.水文铅鱼缆道的绝缘方法[J].人民长江，2012，43(增)：170-171.

(编辑：朱晓红)

收稿日期：2016-05-15

作者简介：段江勇，男，长江水利委员会水文局长江中游水文水资源勘测局，工程师.

文章编号：1006-0081(2016)07-0018-04

中图法分类号：P332

文献标志码：A