引黄水闸智能流量测验系统设计与应用

周康 刘其鑫 李作斌 徐征和

摘 要：山东引黄水闸的测流设施大部分修建于20世纪八九十年代，受当时经济环境、技术水平限制，普遍为人工测流，测量精度低、效率低、安全隐患大。提高测流精度及测流方式的现代化、自动化、信息化是引黄供水工作亟待解决的技术性难题。结合山东黄河实际情况，开展山东引黄水闸渠首智能流量测验系统方案设计、系统实施及观测资料可靠性分析，验证智能流量测验系统的稳定性与可靠性。实施效果表明，该系统运行稳定可靠，测量精度符合要求，明显提高了引黄供水计量工作的效率和质量，为黄河渠首引水计量提供了现代化、自动化、信息化技术保障，也可为同类水闸的智能流量测验提供技术借鉴。

关键词：智能测流系统;引黄水闸;供水计量;信息化;自动化

中图分类号：TV213.4;TV674;P332.4;TV882.1 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.05.029

Abstract： Most of the flow measuring facilities of the Yellow Riverdiversion sluice in Shandong Province were built in the 1980s and 1990s. Restricted by the economic environment and technical level at that time， the flow measurement is generally manual， with low accuracy， low efficiency and great potential safety problem. To improve the accuracy of flow measurement and the modernization， automation and informatization of flow measurement methods are the technical issues to be solved urgently. Combined with the actual situation of the Yellow River in Shandong Province， the scheme design， system implementation and reliability analysis of the observation data of the intelligent flow measurement system of the Yellow River diversion sluice in Shandong Province were carried out to verify the stability and reliability of the intelligent flow measurement system. The implementation results show that the system is stable and reliable， the measurement accuracy meets the requirements， which has significantly improved the efficiency and quality of water supply measurement of the Yellow River. It has provided modern， automatic and information-based technical guarantee for the measurement of water diversion at the headworks of the Yellow River and also provided technical reference for the intelligent flow measurement of similar sluices.

Key words： intelligent flow measurement system; Yellow River diversion sluice; water supply measurement; information technology; automation

黃河山东段共有渠首引黄水闸63座，设计总引水能力为2 423.3 m3/s，其测流设施大部分修建于20世纪八九十年代，受当时经济环境、技术水平限制，普遍采用人力绞车或者测量便桥进行人工测流，测量精度低、效率低、安全隐患大。目前沿黄地区需水量呈逐年递增的趋势，水资源供需矛盾日益突出，提高测流精度以及测流方式的现代化、自动化、信息化是引黄供水工作亟待解决的重要课题。笔者结合山东黄河实际情况，开展山东引黄水闸渠首智能流量测验系统方案设计、系统实施及观测资料可靠性分析，验证智能流量测验系统的稳定性与可靠性。

1 系统设计的原则和目标[1-7]

系统设计以互联网为依托，严格按照《水文测验实用手册》中的规范开发研制，集测、报、整、算为一体，并通过网络实现远程集中测流控制，全面实现无人值守水文缆道远程测流的目标。软件设计采用模块化结构，使其具备先进性、可靠性、实用性、可扩展性。系统设计目标为降低工作强度，提高工作效率、测量精度和智能化程度，确保系统性能稳定可靠，同时操作简便。各项技术指标按照有关水文测验规范、水文行业技术标准要求严格控制，测量数据和计算成果达到水文行业规范要求。

2 系统组成及功能[8-11]

系统从功能结构上分为4个部分：机械部分、控制部分、局域网部分和软件部分。

2.1 机械部分

机械部分由缆道、电动绞车和吊箱等组成，主要设备及其功能如下：

（1）缆道包括主索、循环索和副拉索。行车架沿主索往返移动，测流吊箱由循环索悬吊于行车架下方，终端机通过网络远程发送指令，缆道控制室设备驱动控制铅鱼移动。

（2）在副拉索上设计安装了一套具有自动跟踪定位功能的牵引索，实施对铅鱼和流速仪的牵引，纠正铅鱼定位时受水流和副拉索垂度影响产生的偏角。

（3）集多种测速方法为一体的多功能测流吊箱具有流速仪测速、水面自动除草测速、雷达测速等多种测速方法，兼有夜间照明、视频监控、信号传输处理、吊箱位置校准等功能。吊箱内设备操作灵活方便，不受环境、光线等外界因素的影响。

（4）在整个系统的关键部位设置有多重机械保护限位装置，以保护仪器设备的运行安全。

2.2 控制部分

控制部分的核心设备有终端机、交流变频器和PLC控制器，共同控制整个测流设备在水平、垂直方向的运行，测流设备的收放，以及各种测流信号的采集、识别、传输、处理等工作。

2.3 局域网部分

测流系统内部为一小型局域网，网络内数据传输由微波通信完成，计算机与移动设备之间数据传输设计为无线通信，网络结构如图1所示。设备选用高端成熟产品，为监控视频等大数据量的传输提供安全可靠的保障。远程终端机通过网络实现对本系统局域网内设备的远程操作及实时监控，实现了远程自动测流的目标。

2.4 软件部分

（1）系统采用Microsoft.NET操作系统编程框架开发平台，控制软件高度优化，集成了多种核心编程技术，系统界面简洁、功能齐全、操作简单、智能化程度高。

（2）操作界面集视频监控、语音提示、参数设置、测量方法自动生成及修改、测量过程全程预览、各测点补测、重测、数据精算及保存、测量实时显示等功能于一体，测量功能齐全，可操作性强。

（3）建立多种数据模型，对采集数据按照水文测验规范和水文行业技术标准自动进行分析计算，确保数据达到水文资料整编规范要求，实现各种上报数据自动计算、填写、保存等目标要求。

（4）系统开放性强，测量数据可以通过电子表格、数据库、文本等多种形式对外交互传输。

3 系统操作功能

系统操作全部通过计算机完成，操作界面采用C++语言编写，画面简洁明了、操作简单、功能齐全。界面分为工艺模拟区、视频监控及控制区、手动操作区、测量操作区4个区域。

3.1 工艺模拟区

直观显示河流缆道断面全景图及水流放大图，测流时动态模拟缆道断面测流全过程（铅鱼位置、测点位置、测点状态等），实时显示测流过程中关键数据，还可通过滑块查看不同起点距对应水深。

3.2 视频监控及控制区

界面包含3个视频监控窗口，可相互切换及进行缩放，并附带云台控制，能够对整个测流过程进行全方位实时监控。

3.3 手动操作区

手动操作区主要用于吊箱电源、视频电源及照明电源的开关操作，手动、自动切换操作，变频器高低速切换操作，铅鱼的收放操作，浮标流速仪的收放操作等。

3.4 测量操作区

分为基本操作和扩展操作两种。

基本操作主要有填写水尺读数及水尺零点高程、施测号数、风向、风力等，手动切换全景图和水流断面放大图，自动测量开始，自動测量停止，打印报表（流量记录计算表），开启水平校准按钮校准起点距位置。

扩展操作包括参数设置、测量设置和实时预览。参数设置分为上位机参数设置及下位PLC参数设置两部分，分别按功能描述完成相应参数的修改;测量设置可生成左右垂线起点距，测流垂线数，自动生成对应垂线的测量方法，还可以对自动生成的测量方法进行任意修改;实时预览以表格形式实时监控测量数据，可以对可疑测点数据进行重测、补测等操作。测量结束后系统对测量数据进行分析计算，生成断面流量记录计算表。

4 系统的技术特点

4.1 创新性

①根据超声波液位计测得距水面距离和淤积深度，智能判断出两侧水边线起始点;②可精确计算出明渠梯形断面面积;③流速仪可在测流时时刻与水流方向保持一致;④铅鱼自动跟踪定位装置有效地解决了水流偏角和副拉索垂度导致的水深测量误差和起点距定位误差;⑤系统适用于旋桨式流速仪、电磁式流速仪和雷达测速;⑥系统在计算机软件控制下，可实现测流全过程的可视化与自动控制，自动进行数据采集、数据处理、数据计算及报表打印等。

4.2 智能性

①铅鱼入水后，根据不同水深，智能判断铅鱼测流时的停留位置，实现一键测流，并导出符合水沙测验规范的流量测验表格;②按给定的测线、测点自动运动到位，并自动采集流速信号，针对不同情况可进行系数更改;③测量完毕自动回收测流设备;④测流过程中，可实现对漂浮物的紧急避让，避让成功后，系统自动重新定位，继续测流。

4.3 安全性

为应对突发情况，本系统采用自动和手动联合控制。测流仓加装了应急限位开关，可以在设备失控情况下紧急停车，避免发生事故。

4.4 伪信号处理

伪信号是流速仪的机械式触点在运动时产生抖动所导致的，是影响测流精度的重要干扰因素。为此，系统设计了无模型自适应控制。无模型自适应控制是一种新的控制方法，其仅利用被控系统的I/O数据，且控制器中不包含被控过程数学模型的任何信息。该控制算法和控制器兼有现代控制理论与经典PID控制的优点，不依赖被控对象的数学模型，保证系统闭环稳定性，控制效果良好。

5 对比测验

按照水文测验规范要求，在刘春家等5座引黄水闸安装了该系统，分别检验该套智能测流系统的运行情况、准确性及使用范围。

5.1 比测断面选择

刘春家等5座引黄水闸出水口距离控制断面100 m左右，宽度为20～50 m，随流量不同有所变化，满足测验段选择要求。渠道底坡较为平整，含沙量约为0.5 kg/m3，河道两边较为平整，糙率较小，河段内无大块石阻水，无大旋涡、斜流、回流、死水及急剧冲淤等现象。

5.2 比测方法及数据分析

5.2.1 比测方法

比测方法的制定参考《河流流量测验规范》（GB 50179—2015）[12]。本次观测资料可靠性分析只以最具代表性的刘春家水闸为例，刘春家水闸根据水位通过控制闸门高低来确定放水流量，根据3 a日均流量算出高、中、低水位，制定每个水位下的测验次数。

水位流量级划分根据水资源管理与调度需要、引水需求及影响水位变化的各种因素，选择适合水闸特点的划分方法。考虑各种因素，采用频率法进行流量级划分，并符合下列规定：①根据水闸实测最大流量QM，计算流量频率并绘制频率曲线，取频率p为90%所对应的流量为高水位流量;②根据水闸平均流量Q—，计算流量频率并绘制频率曲线，取频率p为50%、10%所对应的流量为中水位流量和低水位流量。

频率按下式计算：

式中：p为频率;m为随机变量按大小递减顺序排列的序号;n为随机变量的个数，不宜少于20。

5.2.2 比测数据分析

刘春家站比测数据对比，见表1。

5.2.3 比测结果分析

分别于2017年8月8—11日、15日、27日、28日和9月27—28日，在刘春家站对不同流量进行了人工缆道（人工测流船）、智能缆道同步比测，共比测36次。相对误差绝对值有28次在3%以内，有8次在3%～5%之间，均在5%范围内，按照水文测验规范要求，智能缆道测流合格率为100%。

5.3 误差分析评价

以人工缆道或测流船为标准值，智能流量测验系统测量值相对误差绝对值不超过5%为合格标准，比测结果符合水文测验规范要求，合格率100%。

引黄渠道为明渠，水流为非均匀流，在黄河含沙量高时，可能产生紊流和水流扰动现象，断面冲淤严重。测流时起点距不同，垂线数也不完全相同，将会导致最终断面流量不完全相同。

智能流量测验系统与人工缆道或测流船测流均使用流速仪，仪器相同，测流方法相同，结果有一些误差，但是都在水文测验规范规定的误差范围内。采用智能流量测验系统测流是可行的，也是科学合理的。

5.4 存在问题及改进措施

渠首智能流量测验系统能较好地控制测验时机，缩短流量测验历时，提高测验精度，增强流量测验的安全性。系统在测验过程中仍存在测验误差，需在整个测验过程中加以控制。

（1）软质淤泥河床的渠道测深误差。通过多闸、多次测流发现，在软质淤泥河床或断面有淤积的渠道中，受自重作用影響，铅鱼到达河底时陷入淤泥中，造成显示器显示水深大于实际水深，最大误差为0.1 m。遇到这种情况需对水深进行适当调整。

（2）铅鱼下放速度过快，主索弹跳引起的测深误差。铅鱼入水后下放速度过快，在接触河床的瞬间失重，悬索受水流冲击而弯曲。通过多站次比测试验，显示器显示的水深大于实际水深，最大误差达0.08 m。与人工缆道相比，智能缆道河底信号器安装在铅鱼下面的托板上，存在“铅鱼在接触河床的瞬间失重，测量水深大于实际水深”的现象。遇到这种情况需对水深进行适当调整。

（3）流速仪接触丝抖动引起的测速误差。目前引黄水闸使用的是转子式流速仪，接触方式为接触丝接触。测速过程中，因流速仪接触丝抖动或多次接触，出现多余的流速信号，造成所测垂线流速大于实际流速。干簧管式流速仪采用电子计数器，不会出现多余信号。

6 结 语

目前该智能流量测验系统已在山东黄河17座引黄水闸完成站点建设并投入使用，经过大量的比测试验和反复的设备调整完善，各站点系统运行稳定可靠，测量精度符合要求，达到了设计目标。系统各运行使用单位反馈的信息显示，系统投入应用以来，对减少一线闸管人员户外工作时间、加强人身安全防护、提高引黄供水计量工作的效率和质量等方面均发挥了积极作用，该系统很好地满足了各应用单位的实际工作需求，为黄河渠首引水计量提供了现代化、自动化、信息化技术保障，也可为同类水闸的智能流量测验提供技术借鉴。

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【责任编辑 张 帅】