水文吊箱自动测流系统在中游测区的应用

褚杰辉，郑树明，张玉胜，王兴盛

（黄河水利委员会中游水文水资源局，山西 晋中030600）

黄委中游水文水资源局管辖37处水文站，担负着黄河中游头道拐至龙门区间干支流水文测报任务。吊箱是完成日常水文测验工作的主要测流设备，常规的吊箱需要上人作业，测流时作业人员在运行的吊箱上将流速仪通过悬杆放入河流中进行施测流速，测深杆打入水中施测水深，横式采样器采集沙样，而由于测区位于黄土高原丘陵沟壑区，洪水暴涨暴落，浪高流急，漂浮物较多，流速仪、测深杆经常被缠绕，导致吊箱随之大幅摆动，尤其洪水经常发生在夜间，对测流人员人身安全及其不利。

ASC-Ⅰ型水文吊箱自动测流系统，可以实现在室内远程控制吊箱完成自动化测流、测深等测控操作，可极大地减轻水文工作者的工作强度，降低工作危险，提高了水文测验的科技含量和时效性。

1 系统概述

ACS-Ⅰ型水文吊箱自动测流系统，是黄委中游水文水资源局研制的一种水上高空运载水文仪器进行遥控水文测验的设备。

水文吊箱自动测流系统由水平运行、垂直升降、电动悬杆、无线数据传输、无线监控、流量演算等部分组成。电动悬杆可安装旋桨流速仪和超声波测深仪进行流速和水深的测量，也可以通过吊箱上安装的微波流速仪进行非接触式流速测量。

该系统既可以实现在室内远程控制自动吊箱自动化测流、测深等测控操作，也可以由操作者独立在吊箱上完成测流、测深、取沙等水文测验工作；并且各种操作方式的优点兼顾，既可以实现传统的电器操作——按钮、旋钮操作，也可以实现由屏幕式软件化精确操作及目前市场主流的触屏式操作。

2 系统组成

1）水平运行。吊箱的水平运行采用5.5KW水文绞车，由室内控制操作台进行控制，变频调速。起点距测控主要由PLC、编码器及其它附件组成，可精确计算吊箱运行起点距。

2）垂直升降。吊箱垂直升降采用其底部自带的直流电机驱动，蜗轮蜗杆传动，低压输电供电（在特殊情况下可以暂时使用自带蓄电池供电）。能在操作室通过室内控制操作台遥控控制，也可在吊箱上独立控制。

吊箱设多重保护装置。在吊箱底部安装超声波测距探头，可随时测量吊箱至水面距离，达到设置距离时吊箱停止下降；在吊箱悬吊索顶部安装限位装置，吊箱上升至限定位置时停止运行；并且在软件上也可以限定吊箱运行空间，保证吊箱升降安全运行。紧急情况下可手摇升降吊箱。

3）电动悬杆。由直流减速电机驱动，可安装超声波测深仪和旋桨流速仪，可在操作台和吊箱进行控制，能对测点水深进行精确定位。

4）无线数据传输。可将微波流速仪、旋浆流速仪和测深仪采集的信号传输至室内控制台。

5）无线监控。吊箱上安装无线监控摄像头，可对吊箱运行情况和流速仪、测深仪入水工作情况进行监视。

6）流量演算。将采集的测量数据进行演算，输出成果。

3 控制系统结构

ACS-Ⅰ型水文吊箱自动测流系统，从功能上可分为：总控演算系统；起点距测控系统；吊箱及悬杆升降控制系统；吊箱数据采集系统；无线数据传输系统；远程视频监控系统。从结构上可分为吊箱测控系统和操作室控制系统两部分。吊箱和操作室之间通过无线数传电台和无线网桥通讯联接，互为备份。

1）室内操作控制台。室内操作控制台可以控制吊箱水平运行、吊箱升降、悬杆升降等，可以选择工频和变频两种控制方式，在变频条件下可以使用“速度调节旋钮”调节速度大小。可选择自动和手动运行方式，选择”自动”时，使用自动测控软件来控制吊箱的运行和测流等。

2）吊箱控制系统。吊箱控制系统位于吊箱左上角部位的操作面板上，包括“触摸屏”和“手动控制按钮”。吊箱控制系统既可以实现自动控制吊箱的水平运行、垂直升降、定位以及悬杆的上升下降等远程控制；也可以控制整个测流活动的运行，数据查看和设定等。实现系统的自动化操作，同时兼顾传统操作开关按钮，使整个操作既简单又方便。

4 系统软件

1）测流软件。自动测流软件功能丰富，界面简洁，操作简单，自动化程度高，既能对吊箱的水平运行、垂直升降、悬杆上升下降等进行精准定位，也可以通过旋浆流速仪或微波流速仪实现对水面和不同水深的水流速度的精确测量，并自动记录、分析测量数据和各水文参数。例如天气，测量开始、结束时间，测量人员，仪器使用等多种信息。

同时在测流过程中可以实时更改水流参数，使整个测流过程更加精确，更加合理。在测流方式的选择上，既可以选择自由测流以测量任意位置的水流速度，也可以通过读入断面数据，自动确定测量垂线，系统即可自动完成连续测流工作。操作界面上动画显示设备状态，操作人员可以清楚地看到系统的运行状态和测流状态。系统也可以根据不同测站的实际情况来设置各种原始参数，便于操作人员的使用。

2）演算软件。完成流量测验数据编辑、计算流量测验记载计算表（流速仪）、生成实测流量成果表、绘制断面水深、流速横向分布图及套绘图。

可以有效正确实现有关表格编辑、计算、绘图并存储数据及成果文件。计算过程及成果图表格式、精度指标符合水文测验规范标准。

5 系统运行情况

ACS-Ⅰ型水文吊箱自动测流系统于2011年5月研制成功，2011年6月15日至2012年12月5日在万家寨水文站进行试运行，其间共测流338次，测输沙率36次，取单沙402次，实测最大流量3730m3/s、最大流速4.77m/s、最大水深6.40m，测验成果全部符合规范，并通过了中游水文局验收。2013年在黄河万家寨、河曲水文站正式投入使用。

其设施设备性能和参数及水文测验精度均满足《水文缆道测验规范》、《河流流量测验规范》、《河流悬移质泥沙测验规范》规范及设计要求，设施设备运行正常、稳定。目前新一代的水文吊箱自动测流系统，ACS-Ⅱ型水文自动吊箱正在黄河吴堡水文站安装调试，主要对电动悬杆升降控制、无线信号和数据传输方式、供电电缆收放机构等进行了升级改造。