测控一体化闸门的设计与应用*

崔 岢张 杰邓 涛诸小林杨丽丹周新志

(1.成都万江港利科技股份有限公司，成都，610015；2.四川大学智能控制研究所，成都，610065；3.四川大学水利信息化联合实验室，成都，610065)

我国目前仍处于农业灌溉的粗放型管理阶段，虽然通过这几年的飞速发展，部分灌区已经实现了一些闸门的信息化和自动化改造，但在支斗渠级别还有大量人工或其他形式的灌溉闸门在工作，这种老式的闸门多为铸铁或者焊接闸门，技术落后，不能计量，管理完全依靠人工，效率低下，矛盾比较突出[1，2]。近几年，国内测控一体化闸门技术飞速发展，科技水平、智能管理等已经接近国际水平[3]。总体来看，国外农业灌溉已经广泛应用物联网技术，管理理念先进，技术先进，设备先进，部分灌区已经实现了数字化管理[3-5]。国内灌区如果采用国外设备，将面临设备价格高、供货周期长、后期配套服务跟不上等问题[6-8]。

测控一体化闸门的研究与设计并应用渠道的多级联动控制，可实现对渠系网络的智能控制和水量调度，优化灌溉水资源调配，提高渠道灌溉效率[9-12]。

1 闸板的升降结构

闸板的升降设计如图1所示，蜗杆蜗轮减速机为双轴伸结构，两侧各连接一个传动轴卷轮，电机正转时，传动轴带动钢丝绳正向缠绕，向上提升门板，开启闸门；电机反转时，传动轴带动钢丝绳反向缠绕，向下压升导杆，产生闭门力，关闭闸门。

图1 闸板的升降设计

2 测流方法

采用水工建筑物测流方法，利用河、渠、湖、库上已有的堰闸、涵洞、抽水站、水电站等水工泄水建筑物，通过实测水头(水头差)、闸门开启高度等水力因素，经率定分析或利用经验公式确定流量系数或效率系数，用水力学公式计算流量。其基本原理是能量转换和守恒原理。这种转换和守恒定律可由下式表示[13]：

(1)

(2)

(3)

式中：H0——闸上游水头；

H1——闸下游水头；

hw——上下游水头损失；

ω——闸孔局部水头损失系数；

V0——闸上游断面流速；

V1——闸下游断面流速；

φ——流速系数。

以平底闸平板门自由孔流为例，Q=A1V1，A1=Aε，其中A1为闸下过水断面面积；A为闸孔过水断面面积，A=Be；ε为闸孔出流时闸下断面处的垂直收缩系数；B为闸孔总净宽；e为闸门开启高度。因此，流量为：

Q=AεV1

(4)

令流量系数μ=εφ

利用水工模型流场数值模拟技术，提出“计算机三维数值模拟测量法”，其原理是利用水工泄水建筑物，结合渠段特征、渠道衬砌的糙率、水面比降，形成完整的计量模型，从而实现“水位-闸门开度-流量”的关系，通过动态改变流量系数，计算得到过闸流量，实验室计量的精度误差可以达到2%。

3 工程设计

3.1 测控一体化闸门的组成

测控一体化闸门由闸门门框、水位传感器、开度传感器、闸门、驱动装置、控制器太阳能板，通信板块组成。其结构见图2所示。

图2 测控一体化闸门结构

闸门门框采用铝合金结构，安装固定在混凝土渠道的墙壁上，为其他各部分的安装提供基础。水位传感器采用超声波水位测量仪。开度传感器依靠弧形闸门边缘上的参考点监测计算闸门开启状况。闸门由三块铝合金板组成，采用顶面溢流，两侧的铝合金板可发挥渠道边墙的作用。驱动装置包含直流电动机和减速装置，集自动控制与手动操作一体化，即使遭遇连续阴霾天气电池无法正常工作，也可通过手柄启闭闸门。通过太阳能板为整个系统提供能源。通信板块采用运营商的移动网络，将调度中心与现场测控点进行连接。

3.2 测控一体化闸门的组网

采用星型的组网方式使用运营商的移动网络将测控一体化闸门与服务器进行组网，服务器可在本地也可在云端，实现本地及远程控制。通过手机或者PC机登陆远端服务器可远程控制一体化闸门，实现其调度。测控一体化闸门的组网如图3所示。

图3 测控一体化闸门组网

测控一体化闸门多级联动控制如图4所示，可实时采集闸门的开启高度、上下游水位和运行状态等信息，通过远程3G/4G网络发送到控制中心，由控制中心统一调度全部闸门，通过渠道上下游闸门的多级联动控制，实现水资源的优化配置与调度，从而实现按需供水，对渠道水情(如闸门前后水位、闸门开度和流量)进行实时、精确测量，通过下游控制、优化调度、削减灌溉用水最终实现节水目的。

图4 测控一体化闸门多级联动控制

3.3 测控一体化闸门结构设计

测控一体化闸门根据其安装位置可分为节制闸结构和分水闸结构，按其安装的数量可分为单门结构和双门并联结构，其结构设计如图5所示。

图5 测控一体化闸门结构

3.4 软件平台展示

测控一体化闸门系统采用基于云平台的WEB和APP系统，如图6所示，前端基于边缘计算和大数据技术，可自动识别水位高度、水面漂浮物、危险堤岸、非法闯入等场景，自动记录影像资料并向管理人员预警，管理员可以随时随地对闸门进行远程控制和用水管理。配水员随时随地可以通过手机APP进行闸门远程控制、流量统计、实时视频浏览、实时图像抓拍、历史照片浏览、异常故障告警和远程参数设置等操作。

图6 APP界面与实时图片

4 应用实践及效果

在成都市都江堰灌区人民渠一处同心堰试点成功安装并且运行了所设计的测控一体化闸门，其现场如图7所示。按照GB/T 21303-2015《灌溉渠道系统量水规范》，利用流速仪对闸门后一段标准渠道断面进行测量比对，水工建筑物法与流速仪结果对比，如图8所示。通过比对流速仪，当闸门开度在10cm以内时，误差较大，平均误差14%；当开度在10cm～40cm时，误差平稳，平均误差4%。

图7 测控一体化闸门现场

图8 水工建筑物法与流速仪对比

5 结论

本文对测控一体化闸门进行了设计，详细介绍了其测流原理、组成结构与组网方式，并且将所设计的测控一体化闸门投入运行，测控一体化闸门具有单站式设计、可分期投入，扁平化链接、体系化运行，综合性组网、智能化管控等特点，可使全灌区闸门实现可视化监控、信息化管理、精确化计量、精准化控制，实现了渠道调水自动化和信息化，摆脱了传统的粗放式人工管理方式，提高了工作效率，节省了时间和人力。