付 琛， 徐 清

(1. 無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院， 江蘇 無錫 214153;2. 無錫市清新智控自動(dòng)化技術(shù)有限公司， 江蘇 無錫 214011)

河道流量測(cè)驗(yàn)是水文測(cè)量中必不可少的一項(xiàng)工作，它對(duì)水利工程建設(shè)管理、防汛抗旱、水資源管理與保護(hù)工作等都起著非常重要的作用[1]。水文纜道鉛魚流速儀測(cè)流方式是傳統(tǒng)水文站的主要水文測(cè)驗(yàn)手段，也是當(dāng)前國(guó)內(nèi)大部分水文站所采用的方式[2-3]。但是采用水文纜道測(cè)流目前還存在著如下問題：(1) 自動(dòng)化程度不高，勞動(dòng)強(qiáng)度大且工作效率低，至少需要2名人員分別操作動(dòng)力設(shè)備、測(cè)量?jī)x器和成果計(jì)算軟件才能完成測(cè)流任務(wù)；(2) 流量測(cè)量裝置功耗高，需要頻繁更換電源，這使得水文站隨時(shí)測(cè)流存在困難；(3) 傳統(tǒng)鉛魚入水姿態(tài)存在偏差，導(dǎo)致測(cè)流精度存在誤差；(4) 鉛魚監(jiān)測(cè)的信號(hào)(水面、水底、流速)傳輸效果不好[4-5]，為了解決該問題，有學(xué)者提出利用纜道循環(huán)索作載波信號(hào)導(dǎo)體，采用改變脈寬的數(shù)字編、解碼技術(shù)，通過2KHZ的載波調(diào)制信號(hào)進(jìn)行“無線”回傳，但是這種方式信號(hào)容易受到干擾，尤其是惡劣天氣影響更大，從而造成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確；(5) 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)僅能傳輸?shù)桨哆吙刂剖?，?shù)據(jù)不能直接上傳至云端保存，水利信息化程度偏低，這在一定程度上影響了水文測(cè)驗(yàn)工作的質(zhì)量與效率[6]。因此，結(jié)合現(xiàn)代化變頻調(diào)速技術(shù)、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)管控技術(shù)、通信技術(shù)等，開發(fā)一種節(jié)能型的帶水流流向辨識(shí)的水文纜道WEB監(jiān)控系統(tǒng)，將具有極其重要的研究意義與設(shè)計(jì)應(yīng)用價(jià)值。

一、水文纜道測(cè)流原理

河道流量主要采用流速-面積法進(jìn)行測(cè)量。所謂流速-面積法[7-8]，即以流速垂線為界，將水?dāng)嗝鎰澐譃槿舾蓞^(qū)域，然后通過測(cè)量河道斷面的某些點(diǎn)、線的流速平均值乘以斷面面積，分片求和計(jì)算得知河道流量。其斷面面積劃分示意如圖1所示，相應(yīng)的斷面總流量計(jì)算流程依次如式(1)～(4)所示。斷面的垂線水平間距以及垂線段測(cè)速位置主要依據(jù)《河流流量測(cè)量規(guī)范》《灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范》等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定。

A2-A7兩兩垂線間的斷面面積為：

(1)

岸邊兩側(cè)部分A1、A8的斷面面積為：

(2)

(3)

斷面的總流量為：

(4)

其中，di是指某一流速垂線處的水深；i是測(cè)速垂線的序號(hào)；wi是指某一部分的斷面寬度；Ai是指某斷面的面積；vi是指某一部分的斷面平均流速；Q是指斷面的總流量。

圖1 河道斷面面積劃分示意

二、水文纜道測(cè)流裝置簡(jiǎn)介

水文纜道測(cè)流裝置如圖2所示。該裝置主要由水文絞車、測(cè)流鉛魚、測(cè)驗(yàn)吊箱、PC以及配套電氣控制柜組成。其中，水文絞車主要由兩臺(tái)異步電機(jī)與配套的滑輪組件組成，用來驅(qū)動(dòng)測(cè)流鉛魚進(jìn)行上下、進(jìn)退運(yùn)行，帶動(dòng)測(cè)驗(yàn)吊箱進(jìn)退運(yùn)行。在水文絞車轉(zhuǎn)動(dòng)軸上安裝有增量式光電編碼器，用以精確測(cè)量測(cè)驗(yàn)吊箱以及測(cè)流鉛魚所在位置。測(cè)驗(yàn)吊箱內(nèi)置有測(cè)流信號(hào)處理電子裝置，主要用于協(xié)同測(cè)流鉛魚移動(dòng)并接收測(cè)流鉛魚發(fā)來的測(cè)量信號(hào)，同時(shí)負(fù)責(zé)與遠(yuǎn)程測(cè)驗(yàn)房核心控制器PLC之間的數(shù)據(jù)交互。測(cè)流鉛魚中安裝有水面、水底、流速儀三個(gè)傳感器，主要用于測(cè)量水深與流速。以上三個(gè)傳感器輸出均為開關(guān)量信號(hào)，輸出信號(hào)與測(cè)驗(yàn)吊箱中單片機(jī)進(jìn)行有線連接，以此解決信號(hào)傳輸中的不確定性。PC以及配套電氣控制柜主要是完成水文測(cè)流的遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)控以及信息化數(shù)據(jù)處理。

圖2 水文纜道測(cè)流裝置示意

三、水文纜道自動(dòng)測(cè)流WEB監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了能夠?qū)崿F(xiàn)水文纜道就地手動(dòng)(自動(dòng))測(cè)流、就地(遠(yuǎn)程)參數(shù)設(shè)置與流量測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢等功能，該自動(dòng)測(cè)流WEB系統(tǒng)主要按照?qǐng)D3所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行硬件連接。

系統(tǒng)的操作終端為PC機(jī)和測(cè)驗(yàn)房?jī)?nèi)的電氣控制柜。其中，測(cè)驗(yàn)房?jī)?nèi)電氣控制柜的核心控制器PLC主要是負(fù)責(zé)與上位PC端以及下位測(cè)流電子裝置之間的通信，同時(shí)利用水文絞車機(jī)械裝置，通過與變頻器之間的交互實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)驗(yàn)吊箱以及測(cè)流鉛魚位置的水平與垂直位置的控制[9]。單片機(jī)作為下位測(cè)流電子裝置的主要控制器[10]，其供電受遠(yuǎn)程PLC無線遙控。它的主要功能如下：(1)接收鉛魚傳輸?shù)乃嬉约八鬃藨B(tài)信號(hào)，接收由流速儀傳來的脈沖信號(hào)；(2)發(fā)送測(cè)流以及姿態(tài)結(jié)果給測(cè)驗(yàn)房電氣控制柜內(nèi)的PLC，實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量與顯示。PLC與遠(yuǎn)程PC以及單片機(jī)之間主要通過以太網(wǎng)連接，采用MODBUS TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信；其中PLC與單片機(jī)之間通過無線AP構(gòu)建網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)。

四、自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

(一)基于智能鉛魚的水深與流速測(cè)量精度提升技術(shù)

利用鉛魚定點(diǎn)測(cè)流時(shí)，一般采用懸索纜道將裝有旋槳式流速儀的鉛魚垂直放入水下預(yù)定位置即可。但是在鉛魚入水后，一方面水流沖擊力的影響會(huì)導(dǎo)致濕繩干繩懸索偏角過大，引發(fā)水深測(cè)量誤差；另一方面會(huì)在鉛魚姿態(tài)未穩(wěn)定就開始啟動(dòng)流速儀脈沖計(jì)數(shù)，從而使得系統(tǒng)獲得的流速值與實(shí)際值偏差過大。為了提高測(cè)量精度，基于卡爾曼濾波算法的智能鉛魚設(shè)計(jì)方法[11-12]，在該鉛魚中增加了MPU9250型低功耗姿態(tài)傳感器，通過I2C轉(zhuǎn)串口方式與單片機(jī)進(jìn)行通信，利用卡爾曼濾波算法對(duì)陀螺儀、加速度計(jì)兩大傳感器獲取的姿態(tài)角進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，從而獲得鉛魚的橫滾角、俯仰角以及偏航角。若橫滾角和俯仰角之間的偏差不超過5°則認(rèn)為鉛魚已經(jīng)穩(wěn)定，然后啟用流速儀檢測(cè)。另外，利用獲取到的偏航角進(jìn)行水深系數(shù)矯正。

圖3 自動(dòng)測(cè)流WEB監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

(二)綠色節(jié)能防干擾技術(shù)

傳統(tǒng)的水文測(cè)量裝置功耗較高，往往需要頻繁更換電池。但是水文纜道測(cè)量河道形式不一，這給實(shí)際測(cè)量帶來了一定的困難。為此，采用了以下兩種措施進(jìn)行綠色節(jié)能：(1) 在測(cè)驗(yàn)房以及吊箱上安裝了一對(duì)低功耗的遙控收發(fā)裝置。其中，測(cè)驗(yàn)房外的遙控發(fā)射裝置啟用受PLC控制，而吊箱上的遙控接收裝置一直處于在線狀態(tài)。當(dāng)需要測(cè)量時(shí)，則采用如圖4所示的電路開啟遙控發(fā)射裝置，從而發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，當(dāng)遙控接收裝置接收到信號(hào)后輸出開關(guān)信號(hào)激活單片機(jī)測(cè)流裝置，投入使用。(2) 在吊箱內(nèi)安裝的單片機(jī)測(cè)流裝置由蓄電池供電。當(dāng)單片機(jī)測(cè)流裝置投入使用時(shí)，利用太陽(yáng)能板對(duì)蓄電池充電，保證測(cè)量過程中電源供給充足。(3) 單片機(jī)測(cè)流裝置電路中選用LTC3440高效率開關(guān)電源電路以及STM8L型超低功耗的CPU。

圖4 就地單片機(jī)測(cè)量裝置節(jié)能型供電方法示意

許多學(xué)者利用索道采用無線回傳的方式進(jìn)行測(cè)流信號(hào)的傳輸，但是其容易受到干擾。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，系統(tǒng)中采用了如下兩種方法：(1) 鉛魚與單片機(jī)測(cè)流裝置間采用屏蔽導(dǎo)線直連方式；(2) 單片機(jī)與PLC之間在軟件上設(shè)置了心跳包程序，即單片機(jī)通電后定時(shí)N秒發(fā)送在線檢測(cè)數(shù)據(jù)，PLC在N+3秒內(nèi)檢測(cè)是否收到單片機(jī)發(fā)送的在線檢測(cè)數(shù)據(jù)。如果在N+3秒內(nèi)PLC檢測(cè)到有數(shù)據(jù)，則認(rèn)為通信正常，同時(shí)將在線檢測(cè)數(shù)據(jù)清零，并再次進(jìn)行通信檢測(cè)。如果在N+3秒內(nèi)PLC未檢測(cè)到有數(shù)據(jù)，則認(rèn)為通信錯(cuò)誤，同時(shí)停止所有動(dòng)作并進(jìn)行報(bào)警。

五、自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)PLC程序的實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)的工作流程如圖5所示：遠(yuǎn)程PC端設(shè)置好測(cè)試模式后，發(fā)送測(cè)試命令，PLC收到該命令后，利用遙控方式開啟蓄電池供電，同時(shí)檢測(cè)PLC與單片機(jī)之間通信是否正常。一切準(zhǔn)備工作就緒后，若系統(tǒng)處理手動(dòng)模式，則通過測(cè)驗(yàn)房?jī)?nèi)電氣柜按鈕進(jìn)行固定點(diǎn)位測(cè)流；若系統(tǒng)處于自動(dòng)模式，則首先由PLC驅(qū)動(dòng)測(cè)驗(yàn)吊箱到達(dá)測(cè)試起點(diǎn)距，進(jìn)行該點(diǎn)位的河道水深測(cè)量，從而確定測(cè)試的垂直點(diǎn)位數(shù)；然后再由PLC按照各個(gè)不同的垂直測(cè)試點(diǎn)位，通過變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)的方式調(diào)節(jié)水文絞車上測(cè)流鉛魚以及測(cè)流吊箱的位置，由單片機(jī)完成測(cè)速信號(hào)、鉛魚姿態(tài)的采集以及數(shù)據(jù)處理。獲取到流量數(shù)據(jù)后，由單片機(jī)、PLC以及PC、云平臺(tái)服務(wù)器之間的以太網(wǎng)通信完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析、處理以及管理等。當(dāng)所有測(cè)試點(diǎn)位全部完成后，由系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)測(cè)流鉛魚以及測(cè)驗(yàn)吊箱回至零點(diǎn)。

圖5 自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)的工作流程

六、自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)上位PC端監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)遠(yuǎn)程PC端在控制系統(tǒng)中有著很重要的作用，它是系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制者。根據(jù)測(cè)流系統(tǒng)的相關(guān)要求，上位機(jī)需實(shí)現(xiàn)以下功能：(1) 參數(shù)(測(cè)流起點(diǎn)距、測(cè)流垂線點(diǎn)位數(shù)、位置調(diào)節(jié)速度、岸邊系數(shù)等)設(shè)置與精度修正；(2) 手自動(dòng)測(cè)速命令發(fā)送；(3) 測(cè)速過程視頻監(jiān)控[13]；(4) 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)顯示；(5) 斷面流量計(jì)算；(6) 實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)顯示及存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。根據(jù)以上需要實(shí)現(xiàn)的功能，這里選用人機(jī)交互便捷、網(wǎng)絡(luò)通信功能強(qiáng)大、界面設(shè)計(jì)圖形化的VB.NET高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行監(jiān)控程序設(shè)計(jì)，在現(xiàn)場(chǎng)投入運(yùn)行后的監(jiān)控主界面、數(shù)據(jù)查詢畫面分別如圖6、圖7所示。

通過將PLC、通信單元以及應(yīng)用PC終端構(gòu)建成局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了“分布式控制”與“集中式管理”，真正實(shí)現(xiàn)了“互聯(lián)網(wǎng)+”在水文監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程遙測(cè)、自動(dòng)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及信息化管理。2018年8月起，系統(tǒng)相繼投入運(yùn)用到福建以及貴州等多個(gè)河道的流量測(cè)量，通過現(xiàn)場(chǎng)為期10多天的人工測(cè)流、自動(dòng)測(cè)流數(shù)據(jù)的比對(duì)發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)流與人工測(cè)流的數(shù)據(jù)相對(duì)誤差基本控制在4.5%左右，但是自動(dòng)測(cè)流效率明顯提升；與不帶測(cè)流姿態(tài)修正的自動(dòng)測(cè)流數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)其測(cè)流數(shù)據(jù)的重復(fù)精度較高。另外，在該系統(tǒng)中引入了遠(yuǎn)程桌面模式，方便了用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)管控。

圖6 遠(yuǎn)程PC端監(jiān)控主畫面