謝錫剛，陸云龍，汪 艷，顧靜艷

(1.無(wú)錫市錫山區(qū)城市運(yùn)行管理中心，江蘇 無(wú)錫 214000；2.江蘇省望虞河錫山管理所，江蘇 無(wú)錫 214000)

作為水運(yùn)交通的重要樞紐，閘門是船閘系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分之一。閘門運(yùn)行狀態(tài)的穩(wěn)定性和可靠性與內(nèi)河航運(yùn)整體的安全性直接相關(guān)[1]。當(dāng)閘門發(fā)生故障時(shí)，帶來(lái)的最直接的影響就是對(duì)應(yīng)的航道停航，嚴(yán)重情況下，停運(yùn)的時(shí)間可能達(dá)到數(shù)月[2]，不僅會(huì)給水上運(yùn)輸造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，也在一定程度上增加了下游的安全隱患。因此對(duì)水利樞紐閘門的狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)具有重要意義[3]。對(duì)現(xiàn)階段的閘門狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行分析可知，其主要分為3種形式，首先是人工監(jiān)測(cè)，這種監(jiān)測(cè)方法具有較高的精準(zhǔn)度，但是實(shí)施難度大[4]，風(fēng)險(xiǎn)高，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的效果。其次是應(yīng)力形變監(jiān)測(cè)，這種監(jiān)測(cè)方式主要是依靠傳感器進(jìn)行的[5]，通過(guò)采集到的應(yīng)力變形情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門狀態(tài)的分析，但是該方法對(duì)于采集數(shù)據(jù)可靠性的依賴程度較高，一旦出現(xiàn)傳感器故障，或其他因素導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)異常時(shí)[6]，將會(huì)直接影響最終的監(jiān)測(cè)效果。最后是振動(dòng)監(jiān)測(cè)，該監(jiān)測(cè)方法也是以傳感器為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的，但是受水下環(huán)境特殊性的影響，水體的振動(dòng)會(huì)對(duì)傳感器采集到的數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的干擾[7]，導(dǎo)致對(duì)于水利樞紐閘門狀態(tài)的監(jiān)測(cè)結(jié)果精度下降[8]。

為此，本文提出基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的水利樞紐閘門狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)研究，并通過(guò)對(duì)比測(cè)試的方式分析驗(yàn)證了設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)方法的實(shí)際應(yīng)用效果。

1 水利樞紐閘門狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)方法設(shè)計(jì)

1.1 基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的閘門狀態(tài)數(shù)據(jù)獲取

在充分考慮環(huán)境對(duì)于數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響的條件下，本文構(gòu)建了振動(dòng)采集單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門實(shí)時(shí)振動(dòng)信號(hào)的獲取，由于原始的振動(dòng)信號(hào)在傳輸過(guò)程中受到水體的阻礙作用[9]，會(huì)出現(xiàn)不同程度的衰減，導(dǎo)致最終的監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況存在偏差[10]。為此，本文對(duì)振動(dòng)頻率進(jìn)行計(jì)算，并將其轉(zhuǎn)換成RS485信號(hào)的形式，在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中傳輸。在具體的執(zhí)行過(guò)程中，考慮到閘門的實(shí)際固有頻率一般不會(huì)超過(guò)50Hz，結(jié)合這一理論數(shù)據(jù)信息，本文以采樣定理為基礎(chǔ)，對(duì)振動(dòng)采集頻率進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)置，具體的設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 振動(dòng)采集頻率設(shè)置

按照表1所示的方式，結(jié)合具體情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門振動(dòng)采集頻率的適應(yīng)性設(shè)置。除此之外，為了保障采集數(shù)據(jù)結(jié)果的完整性和精準(zhǔn)性，本文以瞬態(tài)響應(yīng)分析需求為基礎(chǔ)，設(shè)置振動(dòng)采集量程為±2g，對(duì)應(yīng)的分辨率為0.01m/s2。一般情況下，閘門在水下的振動(dòng)分為縱向振動(dòng)和水平切向振動(dòng)兩路，這也是振動(dòng)最為明顯的兩個(gè)表現(xiàn)形式。為了能夠?qū)崟r(shí)同步獲取上述兩路數(shù)據(jù)采集結(jié)果，本文采用具有高實(shí)時(shí)性的AD芯片—AD7606執(zhí)行對(duì)兩路振動(dòng)信號(hào)的同步采集。借助SPI通信方式將AD7606采集的振動(dòng)信號(hào)傳輸至無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)片上振動(dòng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取。

1.2 水利樞紐閘門狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)

對(duì)于采集到的振動(dòng)數(shù)據(jù)，在傳入無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中之前，采用FFT(Fast Fourier transform，快速傅里葉變換)計(jì)算采集數(shù)據(jù)反饋的閘門振動(dòng)頻率信息。其中，傅里葉變換頻率分辨率的計(jì)算方式可以表示為：

(1)

式中，fs—閘門振動(dòng)頻率分辨率參數(shù)；Fs—AD7606采集閘門振動(dòng)信息時(shí)的采樣頻率參數(shù)；n—采樣點(diǎn)的數(shù)量。

利用有限元分析對(duì)傅里葉變換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行可分辨處理。對(duì)于閘門的振動(dòng)頻率數(shù)據(jù)信息而言，在第四、五階，對(duì)應(yīng)的頻率相差為定值，以此為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的可分辨處理。在此基礎(chǔ)上，采用滑動(dòng)窗口實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率，具體的實(shí)現(xiàn)流程分為以下幾個(gè)步驟：

步驟1：按照固定的數(shù)量規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)對(duì)采集到的水利樞紐閘門振動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分割處理，具體的實(shí)現(xiàn)方式可以表示為：

xi=X→(T)

(2)

式中，xi—對(duì)來(lái)自無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的水利樞紐閘門振動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)分割結(jié)果；X—無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)輸出的整體水利樞紐閘門振動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)；T—數(shù)據(jù)分割標(biāo)準(zhǔn)。

以固定的時(shí)間周期為基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)對(duì)水利樞紐閘門振動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)分割，為后續(xù)的數(shù)據(jù)預(yù)處理提供可靠的基礎(chǔ)。

步驟2：對(duì)分割后的數(shù)據(jù)進(jìn)行去工頻干擾、去直流分量處理。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)輸出的數(shù)據(jù)信息受傳輸過(guò)程中干擾因素以及傳輸機(jī)制的影響，會(huì)存在一定的雜波，為了最大限度保障最終監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性，需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去工頻干擾處理，具體的實(shí)現(xiàn)方式可以表示為：

H(xi)=-∑pilnpi

(3)

式中，H(xi)—去工頻干擾后的水利樞紐閘門振動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)；pi—xi水利樞紐閘門振動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)的暫態(tài)頻率參數(shù)。

在此基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行去直流分量處理，具體的實(shí)現(xiàn)方式可以表示為：

(4)

式中，A(xi)—去直流分量后的水利樞紐閘門振動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)；ai—xi水利樞紐閘門振動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)的暫態(tài)直流參數(shù)。

按照這樣的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)輸出的數(shù)據(jù)信息的清洗。

步驟3：以處理后的水利樞紐閘門振動(dòng)狀態(tài)頻譜數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，其中的最大值為T時(shí)段內(nèi)閘門的振動(dòng)頻率參數(shù)。

步驟4：滑動(dòng)窗口至下一個(gè)分割數(shù)據(jù)，執(zhí)行上述操作。

按照上述方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)輸出水利樞紐閘門振動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，為相關(guān)閘門管理工作的開(kāi)展提供可靠數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2 測(cè)試分析

2.1 測(cè)試環(huán)境準(zhǔn)備

在測(cè)試階段，為了能夠更加直接地對(duì)本文設(shè)計(jì)水利樞紐閘門狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)方法的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行分析，本文設(shè)計(jì)了對(duì)比測(cè)試環(huán)境，對(duì)照組采用的方法分別為文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)的閘門狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法、以及文獻(xiàn)[4]提出的閘門狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法。以正在運(yùn)行的某船閘閘門為研究對(duì)象，采用模擬的方式對(duì)不同運(yùn)行條件下的閘門狀態(tài)展開(kāi)監(jiān)測(cè)。該閘門為Ⅲ級(jí)通航建筑類型，上游和下游均的閘門均采用鋼質(zhì)三角閘門。利用COMSOL分析軟件，按照閘門的實(shí)際結(jié)構(gòu)信息以及尺寸信息，對(duì)其進(jìn)行等比例建模處理。其中，考慮到閘門的最主要構(gòu)成部分為桁架結(jié)構(gòu)以及表面門葉，因此本文在物理建模時(shí)，桁架的構(gòu)建階段選用了梁模型、門葉的構(gòu)建階段選用了殼模型。為了最大限度還原實(shí)際門閘的物理參數(shù)狀態(tài)，將密度為7870kg/m3的CCSB作為模型的門葉材料，其楊氏模量和泊松比分別為200GPa和0.29。將密度為7870kg/m3的Q335B作為模型的閘門主體型材，對(duì)應(yīng)的楊氏模量和泊松比分別為211GPa和0.33。由于在閘門的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境受實(shí)際水文條件的影響，存在非穩(wěn)態(tài)的特征，因此，本文設(shè)置了以下幾種監(jiān)測(cè)條件，具體見(jiàn)表2。

表2 閘門狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)環(huán)境條件設(shè)置

結(jié)合表2的信息，設(shè)置閘門的振動(dòng)頻率為40.0Hz，分別采用3種方法閘門進(jìn)行的監(jiān)測(cè)，并與實(shí)際振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析其具體的監(jiān)測(cè)效果。

2.2 測(cè)試結(jié)果與分析

在上述基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)了不同方法對(duì)于閘門振動(dòng)情況的監(jiān)測(cè)結(jié)果，得到的數(shù)據(jù)信息見(jiàn)表3。

表3 閘門振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

結(jié)合表3統(tǒng)計(jì)的測(cè)試結(jié)果對(duì)不同監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)效果進(jìn)行分析。在文獻(xiàn)[3]監(jiān)測(cè)方法的測(cè)試結(jié)果中，對(duì)于閘門振動(dòng)頻率的監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際值(40.0Hz)的偏差基本穩(wěn)定在2.0～4.5Hz區(qū)間范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)的最小誤差和最大誤差分別為2.14和4.33Hz，由此可以看出，該監(jiān)測(cè)方法的精度存在進(jìn)一步提升的空間。在文獻(xiàn)[4]監(jiān)測(cè)方法的測(cè)試結(jié)果中，對(duì)于閘門振動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際值的差異表現(xiàn)出了較為明顯的不穩(wěn)定性，最大誤差達(dá)到了5.79Hz，最小誤差為0.15Hz。測(cè)試結(jié)果表明，該方法監(jiān)測(cè)性能受客觀環(huán)境條件的影響較為明顯，對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果可靠性難以得到保障。相比之下，在本文設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)方法的測(cè)試結(jié)果中，對(duì)于閘門振動(dòng)頻率的監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際值始終保持著較高的一致性，最大誤差僅為0.12Hz，最小誤差僅為0.05Hz。綜合上述測(cè)試結(jié)果可以得出結(jié)論，本文設(shè)計(jì)的基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的水利樞紐閘門狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)方法，可以在不同環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門狀態(tài)的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，具有良好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，能夠?yàn)殚l門的維護(hù)檢修提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3 結(jié)語(yǔ)

為了解決現(xiàn)有水利樞紐閘門狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)結(jié)果存在的誤差較大的問(wèn)題，本文以水利樞紐閘門為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的水利樞紐閘門狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)方法。充分利用了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸階段的可靠性和時(shí)效性，結(jié)合快速傅里葉變換算法和有限元分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水利樞紐閘門狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。但在復(fù)雜的水利樞紐環(huán)境中，信號(hào)可能會(huì)受到干擾或衰減，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定，影響閘門數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?。因此在未?lái)的研究中，將重點(diǎn)關(guān)注信號(hào)去噪的問(wèn)題，避免影響監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，以期最大限度保障水運(yùn)交通的順利運(yùn)行。