何立軍

（甘肅省疏勒河流域水資源利用中心，甘肅 玉門 735211）

在水利工程與調(diào)蓄工程協(xié)同發(fā)展的背景下，對調(diào)蓄設備使用質(zhì)量與性能的要求不斷升高[1]。水閘作為水利工程與調(diào)蓄工程中的重要組成設備，對調(diào)蓄、引水與退水等操作具有直接影響[2]。傳統(tǒng)的水閘控制多數(shù)采用人工手動控制方法，無法實時獲取調(diào)蓄工程水位與調(diào)蓄庫容的動態(tài)變化情況，降低了水閘控制的效率，且導致水利工程中存在較大的安全隱患[3]。在自動控制技術(shù)快速發(fā)展的趨勢下，水閘自動化控制方法逐漸興起，能夠根據(jù)調(diào)蓄工程的動態(tài)變化進行水閘閘門的控制[4]。然而傳統(tǒng)的水閘自動化控制方法在實際應用中仍然存在一定的不足，主要體現(xiàn)在自動化控制的范圍有限，無法實現(xiàn)自動化遠程控制，當水閘布設位置超出自動化控制范圍時，不光控制時間較長，并且在控制過程中，閘門門縫錯位情況嚴重，控制效果不佳[5]。為了解決以上問題，本文在傳統(tǒng)水閘自動化控制方法的基礎上，以M調(diào)蓄工程為例，引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出了一種新的自動化遠程控制方法。采用公有云服務，應用分布式網(wǎng)絡，提高水閘自動化遠程控制功能[6]。為提高水利工程與調(diào)蓄工程遠程控制的質(zhì)量與效率提供技術(shù)支持。

1 水閘自動化遠程控制方法設計

1.1 計算過閘流量

結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的計算功能，對水閘閘孔出流以及過閘流量進行計算，為水閘的自動化遠程控制提供數(shù)據(jù)支持。設置調(diào)蓄工程中的閘底板作為過閘流量計算的基準面，基于能量方程原理，計算閘底板斷面的局部水頭損失，公式：

式（1）中，ha表示閘底板斷面的局部水頭損失；表示水頭損失系數(shù)；va2表示閘底板斷面的局部水頭流速；g表示閘后收縮斷面的水頭距離。根據(jù)閘底板斷面的局部水頭損失，推導出閘孔的流速系數(shù)，公式：

式（2）中，ξ表示水閘閘孔的流速系數(shù)；η表示閘孔單孔出流流量。在此基礎上，設置水閘閘孔的寬度為ι，計算調(diào)蓄工程中水閘的過閘流量，公式：

式（3）中，H表示調(diào)蓄工程中上游水頭的垂向收縮數(shù)值；e表示水閘閘孔的開度，通過計算，獲取調(diào)蓄工程中水閘的過閘流量。

不同地區(qū)調(diào)蓄工程的閘底板斷面存在較大的差異，對于部分曲線型的閘底板斷面，為了避免水閘閘孔出流發(fā)生淹沒，應當對閘孔的出流流量進行適當修正，提高水閘過閘流量計算的精度。根據(jù)收縮斷面閘孔出流的實際情況與具體特征，基于水力學原理，計算調(diào)蓄工程水閘閘孔流量系數(shù)，計算公式：

式（4）中，λ表示調(diào)蓄工程水閘閘孔流量系數(shù)；μ表示水閘閘孔初始流速系數(shù)；a表示水閘閘孔斷面局部水頭與閘孔開度的比值系數(shù)；表示水閘閘門的相對開度。根據(jù)計算獲取到的水閘閘孔流量系數(shù)，對閘孔出流流量進行修正，獲取精確度較高的水閘過閘流量，提高后續(xù)水閘自動化遠程控制的質(zhì)量與效率。

1.2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設計水閘遠程控制中心

在上述調(diào)蓄工程水閘過閘流量計算結(jié)束后，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對水閘的遠程控制中心進行全方位地設計。首先，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的SQL Sever2014，設計水閘自動化遠程控制中心數(shù)據(jù)庫，為實現(xiàn)精細化的遠程控制提供保障[7]。在設計數(shù)據(jù)庫時，需要綜合考慮調(diào)蓄工程水閘的各項信息及閘門的相關(guān)數(shù)據(jù)。本文設計的水閘自動化遠程控制數(shù)據(jù)庫如表1所示。

在表1所示數(shù)據(jù)庫基礎上，分別從水閘遠程監(jiān)控與水閘終端控制器遠程操作2個角度，綜合設計水閘的遠程控制中心[8]。在水閘各個閘門所在位置布設GPRS服務器與Socket服務器，通過服務器的實時數(shù)據(jù)采集功能，遠程無線監(jiān)控各個水閘的分水閘門，并通過遠程無線通訊，向控制中心傳遞數(shù)據(jù)[9]。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的監(jiān)聽功能，對調(diào)蓄工程引水、退水與調(diào)水現(xiàn)場進行實時監(jiān)聽。指揮控制中心接收到水閘數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)的字符串進行解析，將解析后的信息上傳至控制界面中。工作人員根據(jù)調(diào)蓄工程的動態(tài)變化情況，在控制中心設置水閘閘門的控制模式，自動轉(zhuǎn)換手動控制模式與自動控制模式，調(diào)節(jié)過閘目標流量，維持過流量的穩(wěn)定。在此基礎上，設置水閘閘門的控制服務，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)水閘自動化遠程控制的通信傳輸。本文設計的水閘閘門自動化遠程控制服務結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 水閘自動化遠程控制數(shù)據(jù)庫

圖1 水閘閘門自動化遠程控制服務結(jié)構(gòu)

本文設計的水閘閘門自動化遠程控制服務包括遠距離水閘、物聯(lián)網(wǎng)平臺與客戶端三個部分，通過交互界面，進行調(diào)蓄工程水閘遠程監(jiān)視與控制。在此基礎上，設計水閘閘門控制服務相應的功能（表2）。

表2 水閘閘門控制服務相應功能設計

本文設計的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水閘閘門自動化控制服務及對應的控制功能，可結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與無線數(shù)據(jù)透傳功能，下發(fā)自動化控制指令，調(diào)節(jié)水閘閘門控制位置與指揮中心控制界面交互設置一致，保證遠方水閘閘門與指揮控制中心的實時通信，實現(xiàn)水閘自動化遠程控制的目標。

2 試驗分析

為了進一步對本文設計的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水閘自動化遠程控制方法的可行性作出驗證，選取某地區(qū)M調(diào)蓄工程為研究目標，進行試驗測試。該調(diào)蓄工程位于干渠與河流交匯處，工程總庫容量約為368 m3，其中，調(diào)蓄庫容量約為355 m3，引水線路長度約為105 km。M調(diào)蓄工程的水閘分布較廣泛，且布設位置距離相對較遠，引水閘位于攔河閘上游，退水閘位于退水渠下端2.5 km處，水閘主要負責工程的引水、調(diào)蓄與退水。M調(diào)蓄工程的水閘控制仍然為人工手動化控制，控制效率較低，且無法根據(jù)調(diào)蓄工程的動態(tài)變化作出實時調(diào)整，尤其在雨季與防汛期間，控制水閘需要消耗大量的人力資源。

在此基礎上，將上述設計的水閘自動化遠程控制方法應用到M調(diào)蓄工程中。在調(diào)蓄工程控制現(xiàn)場與指揮中心之間，布設遠程控制信息通道，進行整個工程自動化遠程信息交換與傳遞，設置各個水閘與控制指揮中心的距離不超過5 km，采用適用于長距離通信的光纖，作為本文實驗的通信媒質(zhì)，通過光端機的轉(zhuǎn)換作用，實現(xiàn)調(diào)蓄工程電光電的動態(tài)轉(zhuǎn)換以及控制節(jié)點遠距離雙向通信的目標。在各個水閘閘門處安裝攝像頭，建立退水閘、引水閘對應的獨立控制單元，以圖像的形式，通過光纜，將調(diào)蓄工程的實時圖像上傳至指揮監(jiān)控中心，工作人員根據(jù)調(diào)蓄庫容量與閘門的動態(tài)變化，對水閘進行遠程操控，保障調(diào)蓄工程的順利建設。工作人員在指揮監(jiān)控中心，對閘門的控制柜進行操控，調(diào)整啟閉機的運行狀態(tài)，使閘門到達所需的位置。遠程設置閘門開度的預定數(shù)值，當閘門自動上升或下降時，到達開度預定數(shù)值后，自動停止，減少人力資源的浪費。水閘自動化遠程控制示意圖如圖2所示。

圖2 水閘自動化遠程控制示意圖

圖2 為本次實驗中M調(diào)蓄工程水閘自動化遠程控制示意圖。工作人員在指揮監(jiān)控中心實時觀察閘門開度當前值的變化，進而確定閘門調(diào)節(jié)的高度范圍。利用鼠標按住三角滑塊，在標尺上拖動，調(diào)節(jié)閘門的位置值，閘門會根據(jù)調(diào)節(jié)的指令作出反應，并自動記錄水閘的變化狀態(tài)與變化時間，生成水閘變化報表與曲線。

為了更加直觀地驗證本文設計的控制方法的可行性，采用對比分析的試驗方法，將上述本文設計的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水閘自動化遠程控制方法，與傳統(tǒng)的基于PLC技術(shù)的水閘控制方法進行對比。利用有限元分析模型與MATLAB分析軟件，在水位發(fā)生大幅度變化的背景下，測定兩種自動化遠程控制方法應用后，水閘閘門門縫的錯位情況，根據(jù)門縫錯位的變化，判斷兩個控制方法的有效性，結(jié)果如表3所示。

如表3的對比結(jié)果所示，在兩種水閘自動化遠程控制方法中，本文設計的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的控制方法，其在水位大幅度變化的情況下，對水閘閘門進行控制，門縫錯位改動值與初始值較為接近，左下關(guān)終延時參數(shù)與右下關(guān)終延時參數(shù)并未發(fā)生變化，較傳統(tǒng)控制方法相比閘門錯位較小，優(yōu)勢顯著。

表3 兩種自動化遠程控制方法閘門門縫錯位變化對比

在此基礎上，分別測定兩種自動化遠程控制方法針對調(diào)蓄工程中的不同水位變化，自動遠程控制閘門的時間，如圖3所示。傳統(tǒng)閘門控制方法的控制時間隨著水位的增加產(chǎn)生了較大的波動，控制時間為4～9 s；而本文設計的自動化遠程控制方法，其在水位變化幅度不斷增長的趨勢下，閘門遠程控制時間較穩(wěn)定，均在4 s以下，閘門控制時間并未隨著水位的增長而增加，較傳統(tǒng)方法相比，能夠在較短的時間內(nèi)完成水閘的自動化遠程控制，可行性較高。

圖3 兩種方法自動化遠程控制閘門時間對比

3 結(jié)束語

為了改善傳統(tǒng)水閘控制效率較低，且需要消耗大量人力資源，增加了調(diào)蓄工程建設成本的問題。在傳統(tǒng)水閘控制方法的基礎上，引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出了一種新的水閘自動化遠程控制方法。通過研究，有效地提升了水閘閘門控制的效率，使水閘能夠根據(jù)調(diào)蓄工程的動態(tài)變化情況，自動作出相應的控制動作，保障調(diào)蓄工程的順利建設。