何 博 吳彥文 張東寧

（昆明電器科學(xué)研究所，昆明 650221）

1 引言

當(dāng)前水安全和水資源問題已經(jīng)成為全世界關(guān)注的熱點(diǎn)問題。建設(shè)水情安全監(jiān)控和預(yù)測(cè)系統(tǒng)，建立兼顧防災(zāi)和水資源優(yōu)化管理的保障系統(tǒng)，對(duì)水情及堤壩安全長(zhǎng)期實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、預(yù)報(bào)事故，尤其對(duì)于突發(fā)事故先兆，保證迅速做出反應(yīng)，并實(shí)施自動(dòng)控制，為管理部門提供多層次管理信息，為決策提供強(qiáng)有力的可靠支持，為水利工程和相關(guān)地區(qū)提供安全保障等均具有重大意義。

從現(xiàn)代水利和水利工程管理的角度上看，建設(shè)水情安全監(jiān)控和預(yù)測(cè)系統(tǒng)，在兼顧防災(zāi)、水資源優(yōu)化調(diào)度的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用，充分發(fā)揮水利工程的效益也具有重要價(jià)值。

雖然市面上已經(jīng)存在一些自動(dòng)水情測(cè)驗(yàn)裝置，但由于沒有統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、各地水情情況的地域性差距很大、水情測(cè)驗(yàn)設(shè)備投資力度不同、維護(hù)困難，所以應(yīng)用范圍都比較有限，因此借國際報(bào)汛站—西雙版納允景洪水文站改造之機(jī)研發(fā)一套新型江河水情測(cè)驗(yàn)控制系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)組成及控制原理

2.1 系統(tǒng)組成

（1）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備

包括電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、雙向計(jì)米輪、索道、鉛魚（集成有入水、觸底、沖轉(zhuǎn)等開關(guān)量信號(hào)）、無線信號(hào)發(fā)射器等組成。用于在河岸現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)設(shè)定的方式實(shí)施測(cè)量。

（2）控制設(shè)備

主要包括斷路器、接觸器、變頻器、觸摸屏、可編程序邏輯控制器、無線信號(hào)接收器等組成。用于根據(jù)設(shè)定的方式控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，并通過無線信號(hào)接收器得到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的反饋信息顯示于觸摸屏上，同時(shí)可人工使用觸摸屏對(duì)當(dāng)前測(cè)量進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

（3）人機(jī)交互

主要包括現(xiàn)場(chǎng)總線、個(gè)人電腦、數(shù)據(jù)庫服務(wù)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件組成。用于設(shè)定、更改每次測(cè)量的位置、測(cè)量方式；動(dòng)態(tài)跟蹤測(cè)量結(jié)果繪制河流斷面圖；通過現(xiàn)場(chǎng)總線得到實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫中方便日后查詢對(duì)比；根據(jù)測(cè)量結(jié)果結(jié)合河流參數(shù)得出河道流量、輸沙率、水邊點(diǎn)等計(jì)算量，并按指定格式輸出Excel報(bào)表。

2.2 系統(tǒng)控制

系統(tǒng)控制包括：手動(dòng)方式、自動(dòng)鉛魚測(cè)量方式、自動(dòng)ADCP（超聲多普勒流速剖面儀）走行。

（1）手動(dòng)方式

通過操作控制臺(tái)上的按鈕控制水平、垂直移動(dòng)，由兩個(gè)多圈電位器分別調(diào)節(jié)水平、垂直移動(dòng)速度，觸摸屏和后臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)跟蹤顯示當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，記錄測(cè)量數(shù)據(jù)。

（2）自動(dòng)鉛魚測(cè)量方式

在洪水預(yù)報(bào)中，流域內(nèi)降雨量和河流水位流量測(cè)量是最主要的參數(shù)， 其中流量的測(cè)量既是洪水預(yù)報(bào)的基本參數(shù)，又是檢驗(yàn)洪水預(yù)報(bào)精度的主要手段，所以， 流流量快速準(zhǔn)確的測(cè)量是提高洪水預(yù)報(bào)精度的主要手段之一。天然河道的斷面流量測(cè)量，主要使用流速面積法。由于天然河道多不規(guī)則，斷面邊界條件復(fù)雜，其流態(tài)紊亂，如圖1所示。

圖1 測(cè)流斷面示意圖

由于直接測(cè)量面積較困難，通常的測(cè)量方法是采用部分面積和部分流速計(jì)算法。先根據(jù)要求將斷面分為若干條垂線， 每?jī)蓷l垂線間的面積為部分面積，由相鄰兩條垂線上所測(cè)各點(diǎn)流速計(jì)算出部分面積的平均流速。要測(cè)量一斷面流量就必須測(cè)量所有斷面垂線上的各條垂線水深、各垂線的起點(diǎn)距。通過計(jì)算得到部分面積流速，計(jì)算出部分流量，斷面流量則為部分流量的總和。由此可見， 目前所使用的流速面積法，施測(cè)斷面流量的過程是非常復(fù)雜的，且對(duì)測(cè)量設(shè)備有較高的要求。水文纜道測(cè)流，已作為安全可靠的測(cè)流設(shè)備在水文部門廣泛使用。其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 纜道基本結(jié)構(gòu)圖

在啟動(dòng)鉛魚自動(dòng)測(cè)量方式前需要進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)定畫面進(jìn)行參數(shù)設(shè)置（如圖3所示），參數(shù)包括計(jì)算參數(shù)：由所選傳感器等設(shè)備的特性決定，在不更換硬件設(shè)備的情況下只需設(shè)定一次。運(yùn)行參數(shù)：設(shè)定運(yùn)行速度及限位報(bào)警值。測(cè)量設(shè)置：包括實(shí)測(cè)/借用斷面測(cè)量選擇（借用斷面測(cè)量不進(jìn)行每一條垂線上的實(shí)際深度測(cè)量，借用上一次實(shí)測(cè)的垂線深度），測(cè)量垂線的數(shù)量，測(cè)量垂線起點(diǎn)距設(shè)置，垂線上的測(cè)速方法選擇（一點(diǎn)法、二點(diǎn)發(fā)、三點(diǎn)法、五點(diǎn)法、一點(diǎn)法測(cè)水面、一點(diǎn)法測(cè)水深一半位置）。

圖3 鉛魚測(cè)量參數(shù)設(shè)定界面

完成設(shè)置后即可起動(dòng)測(cè)量，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置控制纜道使鉛魚從水邊點(diǎn)出發(fā)測(cè)量設(shè)定垂線上的深度及速度，測(cè)量過程中把測(cè)量結(jié)果存儲(chǔ)在SQL數(shù)據(jù)庫中并在人機(jī)界面上實(shí)時(shí)繪制河道斷面圖，測(cè)量完最后一條垂線后自動(dòng)返回初始位置，運(yùn)行界面如圖4。

鉛魚自動(dòng)測(cè)流完成后，利用VB編寫的應(yīng)用程序可以按人工輸入的時(shí)間在 SQL數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行歷史測(cè)量查詢，查詢結(jié)果顯示在“測(cè)量查詢”界面（見圖5）并可以輸出為Excel格式的標(biāo)準(zhǔn)報(bào)表。

圖4 鉛魚自動(dòng)測(cè)量界面

圖5 測(cè)量結(jié)果查詢

（3）自動(dòng)鉛魚測(cè)量方式

使用走航（或固定）式 ADCP（超聲多普勒流速剖面儀）進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)的現(xiàn)代方法；其原理為：超聲波發(fā)出的聲波被另一個(gè)接收體（水中的懸浮物）反射，如果該聲源相對(duì)于接收體是移動(dòng)的，接收體接收到的聲波頻率將會(huì)與聲源的發(fā)射頻率有差異，測(cè)量頻差，可計(jì)算得到水流的速度及面積。

1）ADCP盲區(qū)：測(cè)量的最小距離，當(dāng)目標(biāo)與ADCP探頭距離小于盲區(qū)時(shí)測(cè)量不準(zhǔn)確。

2）左（右）水邊點(diǎn)：左（右）岸邊水深大于測(cè)量盲區(qū)的起點(diǎn)，即為ADPC走航起（終）點(diǎn)。

3）三體船：裝載 ADCP在河面上走航外形似船的載體。

4）底跟蹤法：ADCP在測(cè)量過程中假設(shè)河底為沒有沙石移動(dòng)的平面，通過發(fā)射與接收聲波的頻率差來計(jì)算相對(duì)位置及速度的方法。使ADCP平穩(wěn)的接近直線的運(yùn)行可以減少底跟蹤測(cè)量產(chǎn)生的誤差。

由于河道寬纜道很長(zhǎng)，必然導(dǎo)致纜道因?yàn)橹亓﹃P(guān)系存在一個(gè)下垂弧度，使裝載 ADCP的三體船在水流沖刷的作用下走出一條弧線軌跡（理想狀態(tài)下是一條垂直于河道的直線）而且容易使船身搖晃帶來較大誤差。為了減少測(cè)量誤差，系統(tǒng)提供了邊水平走航邊修正纜道垂度的功能，其原理為：使用全站儀測(cè)量得纜道每隔10m處的垂度并輸入到系統(tǒng)中，假設(shè)每10m內(nèi)的垂度是均勻分布的，在 ADCP走航過程中實(shí)時(shí)計(jì)算纜道垂度，控制垂直起降電機(jī)的轉(zhuǎn)向和速度來抵消纜道垂度。設(shè)置界面如圖6所示。

圖6 ADCP走航設(shè)置界面

啟動(dòng)ADPC走航時(shí)系統(tǒng)首先根據(jù)ADPC盲區(qū)、當(dāng)前水位高程和最近一次實(shí)測(cè)斷面圖自動(dòng)計(jì)算走航的左、右水邊點(diǎn)，然后自動(dòng)將三體船放置于右水邊點(diǎn)水面（項(xiàng)目中右水邊點(diǎn)為起點(diǎn)，左水邊點(diǎn)為終點(diǎn)）水面按設(shè)定的速度進(jìn)行對(duì)纜道垂度有補(bǔ)償?shù)淖吆绞綔y(cè)量，使ADCP盡可能平穩(wěn)的走航至左水邊點(diǎn)后自動(dòng)返回完成一次走航測(cè)量，走航過程中可以設(shè)置任意位置暫停，進(jìn)行ADCP的定點(diǎn)方式測(cè)量后繼續(xù)走航。測(cè)量結(jié)果如圖7。

圖7 ADCP走航測(cè)量結(jié)果

3 系統(tǒng)特點(diǎn)及運(yùn)行現(xiàn)狀

系統(tǒng)綜合應(yīng)用了電工技術(shù)、PLC（可編程邏輯控制器）控制理論、現(xiàn)場(chǎng)總線、SQL數(shù)據(jù)庫、VB編程、計(jì)算機(jī)組態(tài)監(jiān)控等多種先進(jìn)技術(shù)，在不斷的調(diào)試、改進(jìn)中使系統(tǒng)具備了以下特點(diǎn)：

（1）測(cè)流系統(tǒng)穩(wěn)定性和測(cè)量精度較老系統(tǒng)均有提高。

（2）即能實(shí)現(xiàn)鉛魚自動(dòng)測(cè)流也能控制 ADCP自動(dòng)走行，具備手動(dòng)、半自動(dòng)、自動(dòng)三種控制模式，實(shí)測(cè)水深、借用斷面、固定垂線上多點(diǎn)測(cè)量、任意點(diǎn)測(cè)量等測(cè)量方法。

（3）動(dòng)態(tài)跟蹤鉛魚（三體船），實(shí)時(shí)繪制測(cè)量斷面，自動(dòng)根據(jù)水位計(jì)算ADCP走航起（終）點(diǎn)，走航過程中對(duì)纜道下垂弧度進(jìn)行了修正。

（4）系統(tǒng)擴(kuò)展能力及通用性強(qiáng)—預(yù)留了多種接口可擴(kuò)展接入各類型的傳感器并可以在人機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示，利用SQL數(shù)據(jù)庫使測(cè)量數(shù)據(jù)管理方便，運(yùn)算速度快，可靠性高，安全保密。

（5）VB編程實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)格式的報(bào)表生成及打印，無需再由人工填寫報(bào)表。

新系統(tǒng)已于2009年4月在西雙版納允景洪水文站投運(yùn)至今一切正常，并受到云南省水文水資源局的好評(píng)。

[1] 水文纜道機(jī)電設(shè)備及測(cè)驗(yàn)儀器通用技術(shù)條件.中華人民共和國水利部,1999.10.

[2] 岳利軍.水文測(cè)驗(yàn)面臨的新問題及其對(duì)策[J]. 赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007.11.