楊明霞 ，壽穎杰 ，汪小東 ，林建棟

（1. 衢州學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，浙江 衢州 324000；2. 浙江九州治水科技股份有限公司，浙江 衢州 324000）

1 研究內(nèi)容

1.1 研究背景

越來越多的內(nèi)陸河道應(yīng)用水閘控制，構(gòu)成內(nèi)湖并與其他河流進(jìn)行水體交換，控制內(nèi)河水位水質(zhì)在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，保證區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展[1]。水閘作為擋潮、防洪沖沙的重要口門樞紐如何經(jīng)過綜合應(yīng)用管理，及時(shí)有效地將內(nèi)湖的水質(zhì)與水位控制在正常范圍內(nèi)，防止一些突發(fā)自然災(zāi)害造成的危害，保障內(nèi)湖地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，是一個(gè)值得研討的問題。隨著城市社會(huì)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)河道水閘的智能調(diào)度處理內(nèi)湖的水位水質(zhì)問題是水利智能化建設(shè)的趨向。

本設(shè)計(jì)以衢州市信安湖為研究對象。衢江流域（28°28'～29°34'N，118°23'～119°32'E）位于浙江省西部衢州市柯城區(qū)的信安湖（28°56'N，118°58'E），穿過衢州西區(qū)和主城區(qū)而過，是衢江流域面積和影響力最大的分段，沿岸人口數(shù)量眾多，污水和化學(xué)需氧量占衢江干流的 30% 以上，所以信安湖因此被稱為衢江水位水質(zhì)的壓力計(jì)[2]。本設(shè)計(jì)實(shí)際研究區(qū)域：包括衢江衢江大橋、石梁溪白云大橋、廟源溪杭金衢高速公路大橋、烏溪江浙贛鐵路新大橋、衢江沈家大橋的水域。對信安湖核心區(qū)域進(jìn)行實(shí)地考察，信安湖核心區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)狹長的 M 形，可以簡化得到模型圖，如圖 1 所示。在此模型圖中，本設(shè)計(jì)以衢州學(xué)院為中心，對信安湖上下游及水利樞紐進(jìn)行分析研究。

圖1 信安湖核心區(qū)域模型圖

1.2 研究的因素

本設(shè)計(jì)中是根據(jù)對信安湖地區(qū)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，主要對水環(huán)境相關(guān)的兩大因素——水質(zhì)和水位，以及閘門的兩大因素——孔道流量和開度進(jìn)行研究。

1.2.1 水位

手動(dòng)檢測出過去 1 a 信安湖水位變化，如表 1所示。

表1 信安湖 2017 年水位 m

據(jù)表 1 所知，信安湖最低水位在 7 月，正好屬于枯水期，為 3.55 m（高程 3.55 m）；最高水位在6 月，屬于汛期，為 11.48 m（高程 63.39 m）；1 a 平均水位為 6.74 m（高程 59.5 m）。

1.2.2 水質(zhì)

由于信安湖水域?qū)儆诰坝^湖，且下游沿岸為衢州市衢江區(qū)主要灌溉區(qū)，所以水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為 IV 類水[3]。本設(shè)計(jì)的目的是將水質(zhì)盡可能控制在 IV 類，至少為 V 類水，即將氨氮含量控制在 ≤ 1.5 mg/L 的范圍內(nèi)，所以設(shè)目標(biāo)水質(zhì)濃度為 1.5 mg/L。

1.2.3 水閘孔道流量

根據(jù)瞬時(shí)流量的不斷檢測和累加，可以計(jì)算得到閘門開啟后流過閘門的水體積，即如下公式：

式中：q 為從閘門開啟起到閘門閉合止的總水體積；qi為每個(gè)時(shí)間點(diǎn)檢測到的瞬時(shí)流量；i 為從開啟到關(guān)閉的各個(gè)檢測時(shí)間點(diǎn)；n 為從開啟到關(guān)閉的總共檢測時(shí)間點(diǎn)。當(dāng)對閘門進(jìn)行調(diào)度時(shí)，檢測到的瞬時(shí)流量不斷在變化，如圖 2 所示。

圖2 閘門孔道瞬時(shí)流量圖

1.2.4 閘門開度

閘門的起降高低是由閘門的開度表示的。從2017 年最高水位 11.48 m 和實(shí)地情況得知，本設(shè)計(jì)閘門設(shè)置高度為 12 m，故閘門最大開度為 12 m。為了方便起見，將閘門調(diào)度時(shí)的開度設(shè)置為 4，8 和12 m（全開）3 檔，暫不考慮其他開度。

2 水質(zhì)檢測

隨著傳感器技術(shù)發(fā)展，最先進(jìn)的傳感器已具有自識別和自校正的功能，以及網(wǎng)絡(luò)功能[4]。本設(shè)計(jì)采用 W-TPC01 型氨氮傳感器，此氨氮智能傳感器為氨氣敏、銨離子、pH 和溫度 4 個(gè)探頭的組合，不必實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行化學(xué)檢測，此傳感器應(yīng)用于現(xiàn)場快速檢測水中的氨氮含量，還利用數(shù)據(jù)擬合處理提高測量精度[5]。

pH 值用來度量水的酸堿性，是溶液酸堿度的量化單位，是水質(zhì)檢測的重要指標(biāo)之一。pH 值在定義中視為 H+離子濃度的負(fù)對數(shù)即：

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)整體流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體流程以應(yīng)用層為中心，也是系統(tǒng)的應(yīng)用層架構(gòu)運(yùn)行的流程，其流程圖如圖 3 所示。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，首先需要對系統(tǒng)整體進(jìn)行參數(shù)初始化，隨后需要對整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)部件進(jìn)行檢查，檢查是否有部件參數(shù)未初始化等。

圖3 系統(tǒng)整體流程圖

當(dāng)系統(tǒng)可以正常工作時(shí)，分為 2 個(gè)子系統(tǒng)的流程運(yùn)行。其中，水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，經(jīng)過檢測數(shù)據(jù)后，導(dǎo)入數(shù)據(jù)中心，延時(shí)一段時(shí)間后，一輪水環(huán)境監(jiān)測便完成了，該子系統(tǒng)進(jìn)行下一輪監(jiān)測。因?yàn)樗h(huán)境監(jiān)測是定時(shí)輪循檢測，所以需要延時(shí)計(jì)數(shù)[4]。而在閘門調(diào)度系統(tǒng)中，系統(tǒng)先需要檢查數(shù)據(jù)中心是否有數(shù)據(jù)。如果沒有數(shù)據(jù)，則需要通過水環(huán)境檢測系統(tǒng)進(jìn)行獲?。挥袛?shù)據(jù)的話，利用算法模型進(jìn)行計(jì)算，并判斷是否超過水域的納污能力，最后得到調(diào)度方案，實(shí)現(xiàn)閘門調(diào)度，該子系統(tǒng)進(jìn)行下一輪獲取數(shù)據(jù)和計(jì)算判斷。

3.2 水環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是整體系統(tǒng)的其中一個(gè)子系統(tǒng)，當(dāng)整體系統(tǒng)需要得到水環(huán)境的相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)，則開始運(yùn)行水環(huán)境檢測系統(tǒng)的流程。其流程圖如圖 4所示。

水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)同樣需要初始化參數(shù)，初始化完成后，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先已排序的監(jiān)測點(diǎn)的順序進(jìn)行檢測數(shù)據(jù)。如設(shè)選擇某監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行檢測，系統(tǒng)對該監(jiān)測點(diǎn)索求數(shù)據(jù)，同時(shí)系統(tǒng)自身開始定時(shí)計(jì)數(shù)并等待接收數(shù)據(jù)。若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)接收到監(jiān)測點(diǎn)反饋的數(shù)據(jù)，則保存數(shù)據(jù)并繼續(xù)選擇其他監(jiān)測點(diǎn)索求數(shù)據(jù)。

圖4 水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)流程圖

在水環(huán)境檢測系統(tǒng)中的各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，分別有水位和水質(zhì)傳感器，上位機(jī)依次進(jìn)行輪循索求。在水質(zhì)或水位傳感器內(nèi)部，傳感器自身進(jìn)行不斷檢測、處理數(shù)據(jù)并保存至傳感器自帶的緩沖區(qū)中。當(dāng)水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)對各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的傳感器進(jìn)行索求數(shù)據(jù)時(shí)，水質(zhì)傳感器或水位傳感器會(huì)產(chǎn)生串口中斷并進(jìn)行中斷處理，即將緩沖區(qū)中最新數(shù)據(jù)傳送出去。同理，在閘門調(diào)度系統(tǒng)中，閘門開度和流量傳感器的內(nèi)部流程與水質(zhì)或水位傳感器內(nèi)部流程相同。

3.3 閘門調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)整體系統(tǒng)對已經(jīng)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行算法模型計(jì)算后，得到信安湖水質(zhì)已超過當(dāng)前納污能力時(shí)，則需要對閘門進(jìn)行調(diào)度以改善信安湖水環(huán)境。對于閘門調(diào)度系統(tǒng)，現(xiàn)已知水質(zhì)已超過納污能力，需要先對調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行初始化參數(shù)，同時(shí)檢測出閘門當(dāng)前狀態(tài)的開度。得到開度數(shù)據(jù)后，進(jìn)行模型算法計(jì)算，并判斷當(dāng)前閘門需要開啟的孔數(shù)與開度[6]。

依據(jù)所需的孔數(shù)與開度，以命令方式控制 PLC的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)閘門的升降；同時(shí)，需要對閘門已開的孔道進(jìn)行檢測當(dāng)前的水流量，保證在水中污染物擴(kuò)散開且濃度下降情況下，信安湖的水位及其作為景觀湖的作用等不受影響。依據(jù) 1.2.3 水閘孔道流量的原理，進(jìn)行檢測。當(dāng)流量已達(dá)到之前計(jì)算所需的預(yù)計(jì)時(shí)，則需要檢測當(dāng)前閘門開度，此時(shí)檢測的開度數(shù)據(jù)，是為了檢測閘門自身是否發(fā)生位移，保證閘門安全關(guān)閉。依據(jù)開度數(shù)據(jù)，再次以命令方式控制 PLC 的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)閘門升降。一次閘門調(diào)度便結(jié)束，但上位機(jī)需要計(jì)時(shí)一段時(shí)間并不斷去數(shù)據(jù)中心取數(shù)據(jù)，檢測是否超過納污能力和防止閘門在短時(shí)間內(nèi)頻繁升降。其流程圖如圖 5 所示。

4 結(jié)語

圖5 閘門調(diào)度系統(tǒng)流程圖

講述了設(shè)計(jì)研究的背景及其相關(guān)意義，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡單的基于物聯(lián)網(wǎng)的水環(huán)境監(jiān)測與閘門調(diào)度的系統(tǒng)。由于設(shè)計(jì)并不是嚴(yán)格地按照實(shí)際場地進(jìn)行的設(shè)計(jì)，所以不能完全描述水環(huán)境的實(shí)際狀況；針對閘門調(diào)度的模型也由于因素的研究較少?zèng)]有完全完善，今后將進(jìn)一步研究，完善調(diào)度算法模型的構(gòu)建。