基于PSD传感和视频图像技术的人字闸门合拢对中状态监测装置研制

杨全林　高术　金俊

摘 要：以三峡船闸人字闸门合拢对中状态为研究对象，应用PSD光电位移传感技术和视频监控技术，确立了基于PSD传感技术的人字闸门门缝、错位检测方案和基于视频图像技术的人字闸门合拢对中监控方案，完成了监测装置的研制安装和调试试用。通过设备调试和试用：人字闸门门缝、错位检测误差均小于10%，满足人字门功能使用需求;人字闸门门缝、错位检测值信号实时传输至现地和集控系统;人字闸门合拢对中视频信号实时传输至集中监控系统;门缝、错位过大时，集控系统报警提示及时准确。

关键词：人字闸门;PSD;视频监控;门缝错位;合拢对中

中图分类号：U641            文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2019）01-0021-03

船闸人字门“对中”，是人字型闸门特有的运行工艺要求。它是指两扇闸门围绕各自门枢运行至关终停机位后，相对位置必须基本一致，以保证两扇门体合拢承压时形成良好的受力三铰拱，满足船闸安全运行。因此，人字型闸门对中状态的好坏直接关系到船闸运行安全[1]。图1以三峡船闸南线下行关三闸首、一闸首人字门为例，当三闸首、一闸首人字门“对中”状态不佳时，二闸首会紧急关阀，船闸运行会中断运行。由于三峡船闸阀门运行水头高、紧急关阀时开度较大，二闸首紧急关阀会给船闸运行带来阀门井涌水、存在损坏船闸设备等安全风险。

目前，三峡船闸的人字门“对中”状态检测主要通过闸门关终开关和合拢开关来检测定位人字闸门是否有效对中[2]，当其中一种开关信号不能有效到来或者丢失则认为船闸未有效“对中”。由图1可知，采用合拢开关监测“对中”情况主要是事后检测，有一定的滞后性，技术缺点较明显。随着技术的发展，激光测距等“对中”状态检测装置也在船闸闸门对中状态检测中有一定探索和运用，如葛洲坝船闸采用的激光测距人字门合拢对位检测装置，以反射板反射的电流信号转化为人字门门缝、错位，这种方式在信号传输过程中损耗严重，且人字门区域结构复杂，易造成门缝、错位信号误报。以上这些技术都有各自的局限性和不足，亟待对其进行改进或者研制新型人字闸门对中状态综合监测装置。

本文所研制的船闸人字门合拢对中状态监测装置，包括基于PSD光电传感的人字门门缝、错位检测装置和基于视频图像的人字门合拢对中监控装置，综合检测船闸人字门门缝、错位情况和合拢对中状态。

1 基于PSD光电位置传感检测方案

1.1 PSD光电位置传感器原理

PSD[3]（Position Sensitive Detectors）是一种能测量光点在探测器表面上连续位置的光学探测器。PSD由P衬底、PIN光电二极管及表面电阻组成。与CCD探测器相比，PSD有诸多优点，如位置分辨率高，响应速度快和处理电路简单等。另外，位置信号与落在探测器上的光斑形状无关。

如图2中所示，当一束光落在一维PSD 上，相应于光能量的电荷在入射点产生，电荷通过P型电阻层被电极收集。P型层是均匀一体的电阻层，被电极收集到的光电流与入射点和电极间距成反比。

I1和I2是电极的光电流，L和I0分别代表电极间距和总光电流。由此可得出如下公式：

当PSD几何中心设定为坐标原點：

当PSD一端设定为坐标原点：

由公式（3），（4），（7），（8）可以得出：不同的光电流比率对应于不同的与光能量无关的入射光点位置。将产生的光电流比率值经直流处理电路[4]处理，如图3所示的PSD非调制信号处理板，即可得到精确的位置信号。

1.2 人字闸门门缝、错位检测方案

本文研制的人字闸门门缝、错位检测装置包括分别安装在两扇人字门体上的槽钢基座、激光光源、两个PSD位置传感器、设备电源、位移信号处理板、CP341和挡雨罩等。其中，PSD位置检测装置相关设备及其布置图如图4所示，PSD光电位置检测板布置图如图5所示。

如图4所示的人字闸门门缝、错位检测装置中，槽钢基座是带多个跑马眼的设备安装基座，通过调整监测设备的安装位置可适应不同现场安装环境的需要。激光光源是一种远距离照射的十字光标光源，光标打在两块空间垂直布置的PSD位置传感器上形成位移信号，经信号调制分别实时反映船闸人字门门缝、错位情况。所述的位移信号处理板包括PSD位移信号处理电路和PSD非调制信号处理板，将PSD板位移信号处理调制为所需电流信号。所述的CP341模块是西门子公司提供的可通过Dongle（硬件狗）扩展该协议的Modbus 从站，实现Modbus RTU通讯。信号处理板与CP341模块通过R485电缆连接通讯。如图5所示的PSD光电位置检测板将船闸人字门门缝、错位量经位移信号处理板以电流信号形式，通过RS485电缆传递到现地CP341模块及现地PLC系统，并传递到集控单元系统。

人字闸门监测过程如图6所示，船闸人字门关门过程中，闸门开度到达设置的检测开始位时系统得电，PSD位移传感器、激光光源、摄像头开启并开始检测。PSD位移传感器将检测到的门缝、错位信号传送至现地机房和集控单元，摄像头将合拢对中视频信号传送至集中监控系统。在集控单元的人字门门缝、错位值过大时集控报警系统立即报警提示。在船闸人字门开门过程中，闸门开至离开检测位时系统失电，PSD位移传感器、摄像头停机并停止检测。

2 视频图像监控方案

三峡船闸人字门合拢对中监控时段主要集中在人字门关门行程末期直至相邻闸首输水初期。这个阶段，集控人员要能通过监控画面实时监控到人字门的运行情况：人字门导轮、导卡是否能正常进入对中状态、人字门门缝和错位情况是否正常。

本文研制的视频图像监控系统（如图7所示）是基于视频数字化和以太网传输的数字化监控系统，它将现场视频图像信息以光纤作为传输媒介，传输至现地机房光端机和集中控制系统光端机，再经矩阵切换器分别切换到录像机、监视器和DLP大屏。本文能有效避免人字闸门现场复杂恶劣环境的采用的摄像头是带防雨功能的高清摄像头[5]影响。光纤视频监控系统克服了目前监控网络结构复杂、机房或交换机分散的缺点。对离监控中心机房布线距离较大的视频监控点采用光纤作为传输介质，使接入距离几乎不受限制。对传输环境较为恶劣的场合，如存在电磁场信号干扰的场合，能有效克服电磁场干扰。

3 方案实施

人字闸门合拢对中状态监测装置实施方案如图8、图9所示，一扇人字闸门上安装十字光标光源，另一扇人字闸门上安装两块一维PSD位置检测板，分别接收十字光标的其中一束光源产生位置信号，分别反映人字闸门门缝、错位情况，摄像头同时实时监视人字闸门合拢对中状态。

将人字闸门合拢对中状态监测装置现场安装和调试试用，得到门缝、错位实际测量值和系统显示值，其数值记录和分析对比如下表1。

由表1可以看出，所研制的人字闸门门缝、错位检测装置检测误差均小于10%，满足人字门测量精度和功能使用需求。

4 结论

本文所述研制的基于PSD传感技术和视频图像技术的人字闸门合拢对中状态监测装置，经设备调试并投入试用：

（1）人字闸门门缝、错位检测误差均小于10%，满足人字门功能使用需求;

（2）人字闸门门缝、错位检测值信号实时传输至现地和集控系统;

（3）人字闸门合拢对中监视视频信号实时传输至集中监控系统;

（4）门缝、错位过大时，集控系统报警提示及时准确。

参考文献：

[1] 丁益，程细得等.提高三峡船闸运行效率的船闸过闸方式研究[J]. 人民长江， 2015，46（4）：63-66.

[2] 钮新强，童迪.三峡船闸关键技术研究[J]. 水力发电学报， 2009，28（6）：36-42.

[3] 段洁，孙向阳等.PSD在激光位检测系统中的应用研究[J]. 红外与激光工程， 2007，7（36）：281-284.

[4] 何敏，刘荣，闵锐. 位置传感器PSD的应用电路设计[J]. 电子测量与仪器学报， 2009，13（1）：323-326.

[5] 李明.视频采集技术发展趋势[J]. 技术与应用， 2008，6（1）：46-53.