侯文濤，白美健，陳炳紳，章少輝，史 源

（1.流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)試驗(yàn)室中國水利水電科學(xué)研究院，北京100048；2.云南省玉溪市水務(wù)局，云南玉溪653100）

0 引言

灌區(qū)是我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大公益性基礎(chǔ)設(shè)施，是保證國家糧食安全、用水安全和生態(tài)安全的重要基石，是山水林田湖草系統(tǒng)治理和鄉(xiāng)村振興的關(guān)鍵支撐。灌區(qū)工程是集灌溉水源工程、輸配水工程、排水工程、田間灌溉工程、測(cè)控設(shè)施、管理設(shè)施于一體的系統(tǒng)工程，具有面廣，點(diǎn)多、散、小、偏、遠(yuǎn)的特點(diǎn)[1]。測(cè)控設(shè)施是進(jìn)行灌區(qū)水管理的重要工具，能幫助管理者準(zhǔn)確掌握供給側(cè)“蓄引提調(diào)”多水源來水情況和需求側(cè)用水情況，為灌區(qū)水費(fèi)收取和用水總量與定額管理提供支持[2]。目前，多數(shù)灌區(qū)測(cè)控設(shè)施配套與調(diào)控手段相對(duì)落后，用水戶需求多樣化發(fā)展態(tài)勢(shì)加大了灌區(qū)業(yè)務(wù)的管理難度，傳統(tǒng)管理方式已難以滿足各行業(yè)對(duì)灌區(qū)高質(zhì)量服務(wù)的需求，急需借助信息化管理手段來提高灌區(qū)服務(wù)水平。

測(cè)控技術(shù)與設(shè)施升級(jí)配套是灌區(qū)信息化管理的關(guān)鍵所在。當(dāng)前，隨著灌區(qū)信息化和農(nóng)業(yè)水價(jià)改革工作的推進(jìn)，灌區(qū)用水計(jì)量設(shè)施配套工程建設(shè)工作得到高度重視，量測(cè)水產(chǎn)品百花齊放，超聲波水位計(jì)、雷達(dá)水位計(jì)、磁致伸縮水位計(jì)、電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、雷達(dá)流量計(jì)等先進(jìn)量測(cè)水設(shè)備逐漸被廣泛采用，測(cè)控合一的量水設(shè)備可避免獨(dú)立量水設(shè)施所產(chǎn)生的水頭附加損失，是未來的發(fā)展方向之一。測(cè)控一體化閘門及其調(diào)控技術(shù)結(jié)合計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、計(jì)算水動(dòng)力學(xué)等學(xué)科，使控制系統(tǒng)能夠根據(jù)渠道的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)對(duì)閘門進(jìn)行自動(dòng)控制。第一個(gè)自動(dòng)控制閘門(AMIL GATE)由Neyrpic 旗下的French Group ALSTHOM 設(shè)計(jì)并生產(chǎn)，于1937年首次應(yīng)用于Algeria(Oued Rhiou area)的主干渠（最大流量10 m3/s），盡管沒有執(zhí)行任何控制算法，但其在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)廣受用戶好評(píng)。該自動(dòng)控制閘門通過水位測(cè)井監(jiān)測(cè)閘門上游水位，利用水箱及其他附加結(jié)構(gòu)自動(dòng)控制閘門開度，無需其他能源驅(qū)動(dòng)[3]，但由于其操作靈活性有限，無法適應(yīng)用水需求較為頻繁的灌區(qū)輸配水系統(tǒng)。 因此， USBR(the U.S.Bureau of Reclamation)研發(fā)了三點(diǎn)式控制器（也稱Little-Man），該控制器能夠接收控制點(diǎn)水位實(shí)測(cè)值并反饋其內(nèi)置算法推薦的閘門開度調(diào)節(jié)值，通過設(shè)定相關(guān)參數(shù)（dead-band，靜帶；gateoperate-time，動(dòng)作時(shí)間；gate-rest-time，休眠時(shí)間），實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門的調(diào)控[4]。由此，測(cè)控一體化閘門的研究和發(fā)展正式拉開帷幕。

目前，我國多數(shù)灌區(qū)的分水控制、流量計(jì)量、信息管理等方面自動(dòng)化程度不高，基本上依靠配水員的手動(dòng)操作和經(jīng)驗(yàn)估算，工作效率和用水效率低，與灌區(qū)現(xiàn)代化管理要求有較大差距，無法滿足灌區(qū)水資源優(yōu)化調(diào)度、及時(shí)制定應(yīng)急減災(zāi)策略等多目標(biāo)管理需求。因此，國內(nèi)外專家圍繞測(cè)控一體化閘門及其調(diào)控技術(shù)開展了大量研究工作，本文重點(diǎn)從閘門水力特性適應(yīng)性、過閘流量估算方法和閘群聯(lián)合調(diào)控技術(shù)等方面進(jìn)行梳理分析，并展望未來研究重點(diǎn)。

1 研究現(xiàn)狀分析

1.1 閘門水力特性適應(yīng)性研究

利用閘門對(duì)輸配水過程進(jìn)行干預(yù)時(shí)需要統(tǒng)籌考慮配水靈活性，渠道運(yùn)行穩(wěn)定性與安全約束，防洪需求等多目標(biāo)需求[5]。多目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)受過閘水流水力特性影響顯著，研究人員多從閘門結(jié)構(gòu)入手解決測(cè)控一體化技術(shù)中閘門水力特性適應(yīng)性問題。

常用于灌區(qū)的閘門有下射式孔流板閘、堰高可調(diào)的槽閘等，由于二者具有不同的水力特性，故適用場(chǎng)景不同。板閘的過流方式一般為下射式孔流，槽閘的過流方式為頂面溢流，二者的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。板閘用于流量監(jiān)測(cè)時(shí)，通常無需購買新的成套設(shè)備，且水頭損失低，但其穩(wěn)定水位的能力與槽閘相比較差，不利于聯(lián)合調(diào)控；槽閘的過流形式為頂面溢流，能保證渠道不發(fā)生漫溢，且上下游水位穩(wěn)定，故其在閘群聯(lián)合調(diào)控中的優(yōu)勢(shì)不言而喻[6]。

表1 兩種閘門過流方式的特點(diǎn)[10]Tab.1 The characteristic of weir overflow and orifice flow

上、下游水位是渠道控制和流量計(jì)算的關(guān)鍵要素，水位穩(wěn)定有利于改善渠道水力響應(yīng)特性，因此將“堰”與“閘”相結(jié)合是一個(gè)巧妙的門體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，測(cè)控一體化槽閘就是采用這樣的門體結(jié)構(gòu)。但是，由于其固有的頂面溢流形式會(huì)造成頻繁的閘前淤積，不僅影響傳感器測(cè)量精度，嚴(yán)重時(shí)還影響閘門過流能力。有資料顯示，槽閘受淤積困擾時(shí)測(cè)流精度較正常工作狀態(tài)下降26.8%[7]。針對(duì)淤積問題，一種方法是在分析傳感器結(jié)構(gòu)及其故障原因的基礎(chǔ)上，加裝一種外置的高效自動(dòng)清洗裝置借助高壓水槍對(duì)傳感器濾網(wǎng)進(jìn)行沖洗，在一定程度上解決因淤積而引起的傳感器工作性能下降問題[8]；另一種方法是從水力學(xué)角度入手，通過對(duì)閘門水力性能進(jìn)行深入分析，提出結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單、實(shí)用的控水設(shè)備，使閘門的過流底面與渠底皆可齊平，有利于集中沖沙，緩解閘前淤積壓力[9]。

1.2 過閘流量估算方法研究

過閘流量的估算通常是利用實(shí)測(cè)的水位、流速和閘門開度等數(shù)據(jù)，通過過閘流量計(jì)算模型間接獲得流量，過閘流量計(jì)算模型可分為機(jī)理模型、軟測(cè)量模型[11]，模型特點(diǎn)及計(jì)算流程見圖1。

圖1 過閘流量計(jì)算流程Fig.1 The calculation process of discharge

機(jī)理模型在傳統(tǒng)水工建筑物量水方法中應(yīng)用較多，即利用相應(yīng)的水力學(xué)理論進(jìn)行流量計(jì)算。但該方法不具備時(shí)間相關(guān)性，且工程中的過閘流態(tài)不滿足經(jīng)驗(yàn)公式假設(shè)時(shí)，會(huì)大大影響精度[11]。軟測(cè)量(Soft sensor)技術(shù)屬于控制理論，又可稱為狀態(tài)觀測(cè)技術(shù)(State observe)，包括軟測(cè)量建模方法，模型實(shí)時(shí)演算的工程化實(shí)施技術(shù)及模型自校正技術(shù)，其中軟測(cè)量建模方法是該技術(shù)的核心。軟測(cè)量建模方法主要有兩大類：一類是基于過程機(jī)理，該類方法需要開發(fā)人員透徹了解研究對(duì)象的過程機(jī)理，針對(duì)不同研究對(duì)象建立不同的模型，但該方法不適用于某些復(fù)雜的非線性過程；另一類是基于數(shù)據(jù)，該類方法將研究對(duì)象看作一個(gè)黑箱，利用數(shù)學(xué)回歸方法、系統(tǒng)辨識(shí)或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法建立模型，其優(yōu)點(diǎn)是不需要深入了解研究對(duì)象的內(nèi)部規(guī)律，適用性極廣，但物理意義不明確[12]。新型的軟測(cè)量模型結(jié)合了兩種建模技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，能夠兼顧物理意義與時(shí)間相關(guān)性，提高了模型的非線性逼近能力，適用于具有強(qiáng)非線性、時(shí)變特點(diǎn)的水力過程。周玲（2002年）針對(duì)BP 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于涵閘流量計(jì)算時(shí)出現(xiàn)的訓(xùn)練速度慢、易陷入局部極小值、推廣能力較差的問題，運(yùn)用最小二乘法建立了RBF 軟測(cè)量模型，經(jīng)測(cè)試與比較，發(fā)現(xiàn)RBF 方法較BP 方法收斂速度快、回憶誤差小、實(shí)時(shí)性好、泛化能力強(qiáng)[13]。曹玉升等（2016年）將遺傳算法與傳統(tǒng)閘孔出流公式結(jié)合，建立了過閘流量軟測(cè)量模型，可根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在線調(diào)整流量系數(shù)，自動(dòng)擬合節(jié)制閘前后水位、閘門開度、流量系數(shù)之間的非線性關(guān)系，利用南水北調(diào)中線節(jié)制閘某時(shí)段渠道運(yùn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型有效性并與其他模型進(jìn)行比較，結(jié)果表明其實(shí)際工作性能優(yōu)于傳統(tǒng)水力學(xué)計(jì)算方法和基于BP網(wǎng)絡(luò)的過閘流量計(jì)算模型[14]。

1.3 閘群聯(lián)合調(diào)控技術(shù)研究

閘群聯(lián)合調(diào)控的關(guān)鍵是閘群長(zhǎng)時(shí)間、持續(xù)工作中的強(qiáng)非線性、多擾動(dòng)、強(qiáng)耦合、大滯后等協(xié)同調(diào)控問題，在滿足用水和安全需求的同時(shí)考慮復(fù)雜內(nèi)邊界對(duì)渠道非恒定流輸水過程的影響，最終實(shí)現(xiàn)渠道輸水過程的及時(shí)調(diào)控[15]。Streeter[16]于20世紀(jì)60年代第一次提出全渠道控制概念，基于何種理論及方法實(shí)現(xiàn)全渠道范圍內(nèi)的閘門聯(lián)合調(diào)控一直是研究熱、難點(diǎn)，許多學(xué)者從渠道控制模型、控制算法等方面對(duì)此進(jìn)行研究。

1.3.1 渠道控制模型

渠道控制模型是進(jìn)行控制算法設(shè)計(jì)和分析控制系統(tǒng)魯棒性、穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。目前，渠道控制模型主要包括非線性模型、線性模型、簡(jiǎn)化模型和基于辨識(shí)的黑箱（或灰箱）模型四類，各類模型的優(yōu)缺點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)方法和相關(guān)研究成果見表2[17]。

表2 渠道控制模型特點(diǎn)及相關(guān)研究成果Tab.2 The characteristic and research findings of canal control models

1.3.2 明渠運(yùn)行控制算法

明渠運(yùn)行控制算法可以追溯到20世紀(jì)50年代，美國California 中央流域工程首次使用Little-Man 算法對(duì)渠道閘門進(jìn)行控制，而后美國墾務(wù)局及其他機(jī)構(gòu)在其基礎(chǔ)上提出了Colvin算法、PID 算法、P+PR 算法等[28]。早期的閘門控制器屬于單輸入單輸出形式，沒有考慮渠池之間的耦合問題，可能會(huì)出現(xiàn)水位和流量變幅逐級(jí)放大現(xiàn)象。為解決此問題，國內(nèi)外學(xué)者開始研究具有多輸入多輸出算法結(jié)構(gòu)的控制算法，本文主要介紹兩種比較受歡迎的方法：線性二次型算法(LQR)和模型預(yù)測(cè)算法(MPC)，兩種算法的特點(diǎn)見圖2。

圖2 MPC算法與LQR算法的特點(diǎn)Fig.2 The characteristic of MPC and LQR

針對(duì)可預(yù)知分水?dāng)_動(dòng)問題，尚毅梓等以控制點(diǎn)水位偏差為主要抑制因子，基于線性二次型(LQR)指標(biāo)，建立了渠道系統(tǒng)水位偏差及其變率、流量控制的全狀態(tài)空間模型，構(gòu)造出包含有M 步未來信息的擴(kuò)展系統(tǒng)，使渠道系統(tǒng)能夠有效應(yīng)對(duì)可預(yù)知分水?dāng)_動(dòng)[29]。王忠靜等（2018年）針對(duì)多級(jí)聯(lián)渠道時(shí)滯、耦合特性及一般未知取水?dāng)_動(dòng)問題，基于輸水渠道線性積分時(shí)滯控制模型（ID 模型），建立了多級(jí)渠道離散時(shí)間狀態(tài)空間方程，基于線性二次型理論(LQR)設(shè)計(jì)了最優(yōu)狀態(tài)反饋控制器，在流量變幅控制在0.1 m3/s 以內(nèi)的試驗(yàn)中表現(xiàn)良好，能夠使控制點(diǎn)水位始終保持在安全運(yùn)行范圍內(nèi)，但出現(xiàn)較大的水位變幅時(shí)仍可能發(fā)生水位超過渠道安全運(yùn)行范圍甚至漫溢的情況，故后續(xù)需要研究能夠考慮較大取水?dāng)_動(dòng)和水位輸出約束的控制算法[30]。Overloop 等（2010年）基于模型預(yù)測(cè)算法(MPC)設(shè)計(jì)了閘門控制器，經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該種控制器可在一定程度上克服噪聲和干擾問題，保持水位在約束范圍內(nèi)[31]。Aydin 等（2017年）針對(duì)不可預(yù)知隨機(jī)擾動(dòng)和操作性失水難以計(jì)入控制模型的問題，利用滾動(dòng)時(shí)域估計(jì)(MHE)預(yù)測(cè)狀態(tài)變量和初始條件，結(jié)合模型預(yù)測(cè)算法(MPC)對(duì)渠道控制系統(tǒng)的每一步進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不可預(yù)知隨機(jī)擾動(dòng)的合理描述[32]。

2 展望

2.1 推進(jìn)閘門水力特性適應(yīng)性研究

測(cè)控一體化閘門與傳統(tǒng)閘門相比具有計(jì)量和控制雙重功能，故閘門水力特性適應(yīng)性研究需圍繞精準(zhǔn)計(jì)量、安全運(yùn)行和易維護(hù)等方面綜合考慮。一方面從水力學(xué)角度出發(fā)，在保證上下游水位穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，力爭(zhēng)較高的水位和流量計(jì)量精度；另一方面，控水設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需考慮泥沙淤積、低溫、盜砸等問題，在不影響設(shè)備水力性能及測(cè)流能力的基礎(chǔ)上，增加或替換具有相同功能的裝置或元件，以此來保證控水設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中的穩(wěn)定與安全；第三方面，需加強(qiáng)各類設(shè)備的適應(yīng)性研究，合理安排不同設(shè)備的使用場(chǎng)景，減少維護(hù)成本，將其功能和效益最大化。

2.2 推進(jìn)過閘流量軟測(cè)量模型通用性研究

大部分對(duì)過閘流量軟測(cè)量模型的研究主要圍繞特定流態(tài)進(jìn)行，在未來可嘗試將此類軟測(cè)量模型發(fā)展為具有自動(dòng)適配機(jī)制的程序，自動(dòng)判別流態(tài)并選擇適宜的過閘流量計(jì)算公式及AI 算法，建立軟測(cè)量模型，實(shí)現(xiàn)該種軟測(cè)量模型能夠在不同灌區(qū)、不同系統(tǒng)、不同流態(tài)下通用，減少重復(fù)開發(fā)的技術(shù)壓力，為用戶提供精準(zhǔn)的分水口流量信息，為技術(shù)人員提供方便的開發(fā)工具。該目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)有賴于經(jīng)典水力學(xué)理論的突破和系統(tǒng)辨識(shí)、AI技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

2.3 推進(jìn)閘群聯(lián)合調(diào)控技術(shù)實(shí)用性研究

閘群聯(lián)合調(diào)控的可實(shí)施性取決于渠道控制算法的控制性能，而控制算法的性能很大程度上依賴于渠道控制模型精度。復(fù)雜的非線性控制模型精度雖高，但數(shù)學(xué)推導(dǎo)復(fù)雜，且難以利用控制理論進(jìn)行算法設(shè)計(jì)和分析，線性模型的參數(shù)整定和在線辨識(shí)較為困難，而簡(jiǎn)化模型僅考慮主要水力因素，將渠段概化為均勻流區(qū)和回水區(qū)，在某些不符合假設(shè)或存在高頻擾動(dòng)的情況下精度較低。因此，在未來的研究中，一方面，應(yīng)對(duì)非線性模型的邊界條件、汊點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，降低控制算法設(shè)計(jì)難度，提高其實(shí)用性；另一方面，應(yīng)深化系統(tǒng)辨識(shí)或AI 技術(shù)與線性渠道控制模型的結(jié)合，尋找更為穩(wěn)定、高效的模型參數(shù)率定方法，進(jìn)一步提高模型精度和計(jì)算效率；第三方面，應(yīng)進(jìn)一步推進(jìn)狀態(tài)觀測(cè)技術(shù)與簡(jiǎn)化模型的結(jié)合，提高其對(duì)高頻擾動(dòng)的處理能力。

2.4 健全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范

為了落實(shí)“百花齊放，百家爭(zhēng)鳴”方針，促進(jìn)灌區(qū)信息化建設(shè)人員的交流學(xué)習(xí)、共同發(fā)展，需要一些基礎(chǔ)的規(guī)范性文件提供交流環(huán)境。通信協(xié)議對(duì)SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用而言非常重要，影響著硬件和軟件的選擇及系統(tǒng)的信息吞吐量、通信模式和通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。目前，國際上并沒有統(tǒng)一的灌區(qū)自動(dòng)化通信協(xié)議，導(dǎo)致不同灌區(qū)管理系統(tǒng)之間通信困難、開發(fā)人員之間的交流壁壘過高，存在嚴(yán)重的重復(fù)開發(fā)現(xiàn)象，需要健全適用于灌區(qū)的自動(dòng)化通信標(biāo)準(zhǔn)。此外，由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，灌區(qū)的任務(wù)也越來越多元化，涉及的數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)應(yīng)用模塊繁多，而目前切合灌區(qū)實(shí)際情況的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制規(guī)范、數(shù)據(jù)協(xié)同交互規(guī)范、數(shù)據(jù)表單結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范等都相對(duì)缺乏，需要健全灌區(qū)管理軟件開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，完善業(yè)務(wù)需求文檔和開發(fā)代碼規(guī)范，并對(duì)考慮到不同種類、不同數(shù)量因素的軟件進(jìn)行分類、分級(jí)，幫助灌區(qū)根據(jù)自身需求選擇合適的管理軟件，促進(jìn)開發(fā)人員之間的技術(shù)交流。

2.5 探索適宜的灌區(qū)信息化工程運(yùn)維模式

灌區(qū)現(xiàn)代化發(fā)展逐漸向“智慧化”轉(zhuǎn)型，信息化工程建設(shè)無疑為灌區(qū)管理水平和服務(wù)能力提升提供了基礎(chǔ)支撐，但是信息化工程能否持續(xù)發(fā)揮效益，更多地取決于灌區(qū)運(yùn)維水平的高低。我國灌區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施條件參差不齊，基于灌區(qū)客觀條件探索適宜的灌區(qū)信息化工程運(yùn)維模式是落實(shí)“強(qiáng)監(jiān)管”的重要抓手。目前可提高灌區(qū)信息化工程運(yùn)維水平的途徑主要包括：①加強(qiáng)培訓(xùn)現(xiàn)有員工，提高其業(yè)務(wù)水平；②引進(jìn)各種專業(yè)（如信息技術(shù)、自動(dòng)化等）人員參與到灌區(qū)運(yùn)維工作中；③通過向?qū)I(yè)公司購買服務(wù)來保障信息化工程的正常運(yùn)行。

3 結(jié)語

水力性能、流量計(jì)算精度、控制模型及算法的效率和精度、運(yùn)維水平等均會(huì)對(duì)調(diào)控技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果產(chǎn)生影響，國內(nèi)外學(xué)者為了改善調(diào)控技術(shù)在灌區(qū)中的應(yīng)用效果進(jìn)行了一系列研究，并取得了大量研究成果，涌現(xiàn)了許多優(yōu)秀的測(cè)控一體化設(shè)備及軟件。本文通過對(duì)已有研究成果和技術(shù)現(xiàn)狀的梳理和分析，提出了測(cè)控一體化閘門及其調(diào)控技術(shù)在未來可進(jìn)一步改善的建議，以期為灌區(qū)用水管理相關(guān)研究提供參考。