EKL型水文缆道控制台升级设计与应用

魏国晋 ，周学斌 ，张 亚

（1. 青海省水文水资源勘测局，青海 西宁 810001；2. 南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012）

0 引言

明渠流量是重要的水文监测要素，运用水文缆道流量测验系统进行明渠流量测验是目前公认的精度较高的流量测验方式，而且流速仪法也是我国对在线流量测验系统进行率定的最主要方法[1]，因此，应用流速仪测流的缆道控制台在缆道流量测验工作中有着广泛应用。目前全国建有 2 000 余座使用缆道测流的水文站，这些站点多数使用半自动水文缆道控制台（以下简称缆道控制台），水文缆道测流属于流速-面积实测流量法，缆道控制台必须人工操作测得代表点流速，进而人工计算垂线平均流速、部分面积流量再积分得到全断面流量[2]。流量测验过程大部分是由人工完成的，不能自动生成数据信息，但由于缆道控制台仍能够正常使用，如果直接更换淘汰，会造成不必要的浪费，并且需要大量的资金。若在现有缆道控制台基础上进行技术改造，就能达到既节约资金，又能提高设备性能的目的。因此，开展缆道控制台的自动化升级工作对于提高我国流量测验自动化水平是很有意义的。

1 现状及需求分析

目前，四川省广安市各水文站使用的是 EKL-1型半自动水文缆道控制台（以下简称 EKL-1 型缆道控制台）。EKL-1 型缆道控制台由人工操作控制铅鱼启停，通过仪表参数的设置和各种信号的采集可实现垂线、出水预置高度、水深自动清零和河底信号等自动停车功能[3]，同时，在流量测算方面，可以自动记录测流历时和流速信号，并根据测流历时和流速信号算出流速。但是，使用这种半自动控制台进行流量测验，需要专业人员实时操作才能完成断面流量测验任务。

结合“以人为本”和现代水文发展理念，引进高新技术和自动化水平更高的水文测验设备是全国水文系统都在推进的工作[4]，而且四川省有些地方的工作环境相对艰苦，也更需要加快此项工作的推进速度。四川省对现有控制台进行自动化升级需开展的研究工作如下：

1）信息共享。增加自动生成流量测验成果报表功能，实现数据采集计算的自动化，并将现地测量的流量数据自动导出，上传至中心站数据库进行统一管理。

2）自动控制。增加一套缆道控制台的自动测流软件，由计算机替代人工完成整个测流过程，与缆道测流相关的各种参数和运行控制模式也在计算机上设置。

3）动力部分充分利用现有的半自动缆道控制台的硬件，同时仍保留半自动控制台的现地控制功能，达到节约成本的目的。

2 总体方案设计

在缆道控制台上进行自动化升级的核心任务是增加测控装置和上位机流量自动测验软件。测控装置是上位机与缆道控制台及多路数据信息传输的桥梁，测控装置与缆道控制台的数据采集端并联，二者可同步接收测距和测流信号；测控装置的电机控制端、变频调速端通过转换开关与缆道控制台内部的控制继电器和变频器连接，使测控装置与控制台对电机的控制实现互锁，二者同一时间只有一路能够控制电机运转，保障设备安全稳定运行。自动化升级总体方案如图 1 所示。

上位机的主要功能是人机交互和数据处理、计算、存储，通过上位机，用户可以实时查看测流数据和铅鱼的运行位置，自动测流任务也在上位机进行配置。此外，与缆道测流相关的各类参数，如大断面资料、流速仪和流量计算参数等也均在上位机设置。上位机软件可通过离线和在线 2 种方式获取测控装置中的距离、水深及测流数据，再根据设置好的计算参数（如岸边系数等）自动生成标准的流量成果表，报表数据可实现本地存储和中心站数据库上传、云同步。

测控装置、上位机和缆道控制台等共同构成测流现地信息采集处理系统。测流现地信息采集处理系统相比于原有的缆道控制台有更高的执行效率、信息采集处理和通讯能力，可实现数据采集计算自动化。上位机软件兼容局域网、公网通讯，可将现地数据导出发送至中心站，实现信息共享。具体优势体现在以下几个方面：

1）效率。运用变频和自动控制技术实现垂线位置的自动停车，行车速度在 0～2 m/s 范围内预先设定，运行时根据设定速度自动运行，工作效率比人工操作时高。

2）精度。起点距、入水深计数分辨力按照毫米级设计，可确保水平测距精度 0.1 m，垂直测距精度0.01 m。流速信号由测控装置接收，可接收各类转子式流速仪信号，装置内置去抖延时功能，以确保流速信号不会错记。

3）安全。具备各类过流、过压、过热等电气保护功能，还具备上、下、进、退四向行车限位保护，防止现地控制台收不到上位机指令时一直动作发生意外。

4）可靠性。方案中的所有硬件设备均满足 0～50℃（设备存储温度可达 -25℃）环境下稳定运行要求，结构上采用隔离设计，保证金属外壳不与任何强电设备接触。同时，设备的电磁抗干扰度满足欧洲标准《EN 61000-6-2∶2005》要求[5]，水下信号源具备 IP68 防护等级。

5）通讯。现地支持无线 Wi-Fi 和有线 RS-485/232 串口通讯，远程支持无线 4G 和有线 RJ45 网口通讯[6]。

3 测控装置设计

3.1 信息共享

原有 EKL-1 型缆道控制台测量数据是直接进入测距仪和流速测算仪的，由于没有设计数据输出接口，因此不能与其它设备共享数据。增加测控装置后可以将接收到的光栅编码器和缆道信号通过通讯接口传输给上位机。测控装置设计的通讯接口，可以将接收的铅鱼起点距、入水深，以及水面、流速和河底信号等信息实时上传至上位机。上位机通过RS-485/232 接口，下达测流参数和指令，例如测流垂线位置、各垂线测点数、铅鱼运行命令等，以实现自动测流。上位机与测控装置实现了数据信息的双向通讯。

3.2 动态显示

动态显示起点距、入水深、流速信号和测流历时等数据信息，使操作者能实时了解测流工作状态，对出现的中断、卡顿和报错现象能及时发现，避免由于信息丢失造成对设备的失控。上位机接收数据信息的正确性和时效性要求测控装置具备同步显示功能，通过测控装置的液晶显示屏动态显示所接收的数据信息是否与上位机同步，若不同步，能及时发现问题。动态显示的内容还包括测控装置本身的工作状态，如供电电压、板载温度等参数[7]，这些参数的显示对人工检查设备十分重要。

3.3 自动测流

测控装置是全自动测流的执行单元，用户通过上位机将拟测垂线位置和每条垂线的测验任务下达给测控装置，此时，只要做好测流前的准备工作，如对准铅鱼起点位置，流速仪、信号源安装等，就可以由上位机发指令给测控装置完成全自动测流过程。半自动测流中，测控装置可根据用户在上位机上的操作，按步骤完成手动控制，率定校准，测流速、水深和水位等工作，自动测流参数设置、率定及运行过程如图 2 所示。

3.4 智能预警

测控装置的智能预警功能包括通讯、数据信息和工况 3 个部分的预警。测控装置与上位机通讯设计了纠错功能，当收发时间、数据长度、校验码等有误时，即触发通讯故障预警，若未人工排除当前通讯讯道故障，系统会自动切换讯道（RS-232/485与 Wi-Fi 切换）重新进行信息交互；数据信息的校核由测控装置完成，对异常数据均可由设定阈值进行判断，如流速信号、测流历时、起点距和入水深计数信号等，若超过设定阈值，装置会及时发出数据出错预警，并将异常数据进行标记；工况预警是对测控装置出现电源欠压、过流、超过设定待机时间等问题时[8]，自动中断正在执行的任务，发出音响警报，并中断当前工作。

3.5 安全保护

安全保护主要有以下 2 个部分：

1）电源保护。电源保护与异常预警协同动作，当发现外接电源异常时，自动切换为内部电池供电，电源恢复正常时，再转为外部供电同时给电池充电。

2）运动限位保护。运动限位保护是指对铅鱼的升、降、进、退行程的限位，测控装置可输入限位阈值，当超过阈值时，程序会自动停车。铅鱼沿4 个方向运动中，上升不限位是最危险的，一旦超过允许上升的高度未停车，铅鱼悬索就有绷断的风险。因此，对于铅鱼的上升方向，除了阈值停车外，还增加了行程开关停车功能，当升降游轮碰到行程开关时，任何情况下装置都会立即停止上升运行。

4 上位机软件设计

4.1 图形化的人机界面

人机界面是测流系统和用户之间进行信息交互的媒介，上位机人机界面使用 VB 开发，可在Windows XP 及以上系统安装运行，适用于各类型PC 机、工控机。

界面具备断面模拟图，用户可预输入断面资料，也可根据实测值保存当前的断面信息，二者均可生成断面模拟图。在参数设置菜单内，根据实际需要从率定过的水平位置中选取测流垂线，以保证测点水平位置的精准性。测流方式支持最多五点法测流，基本涵盖了缆道测流常用的测点选择方式。断面模拟图可根据参数设置中输入的水位值实时修正水面线位置，实测水深模式下，每条垂线测得水深值后，均会提示是否修正断面，用户可自行确定是否更新当前断面资料。

主界面设计了手动控制按键，流速计数、起点距、入水深、速度等数据均可显示在主界面上，在参数设置中可设定流速仪型号，流速仪检定公式中的仪器常数 a 和水力螺距 b 及测流历时等。人机界面与半自动缆道控制台上的测距仪、流速测算仪、速度表均同步显示数据，但参数配置相互独立，这样即使二者中有一故障，另一个仍可独立运行。水面、流速、河底信号在界面内设置指示灯，与测控装置内部信号蜂鸣器同步发出信号提示，解决了嘈杂环境下缆道测流信号提示音微弱的问题。

4.2 流量成果表的自动生成

流量成果表是缆道测流的最终成果，原有半自动缆道控制台不能自动生成。改造后的缆道测流系统增加了流量成果表自动生成功能，可生成 Excel版流量成果表，流量成果表的格式按照国标 GB 50179—2015 《河流流量测验规范 》制定[9]。

4.3 中心站的数据库管理系统

在中心站建立统一的数据库管理系统，即大数据中心，用于存储各站点上传的测流数据和运行信息。数据库设置多级访问权限，根据不同的职级开放访问数据的范围和类型[10]。对于需要共享的数据信息，中心站数据库可连接公有云平台，方便相关单位访问、下载；对于行业内部重要的数据信息，则连接私有云平台不对外公开。单个站点的上位机软件支持数据离线存储（最大 2 GB），根据数据的更新日期自动覆盖，当具备通信条件后，可将离线存储的数据自动打包上传至中心站数据库。

5 应用情况

以四川省广安九龙水文站应用自动化升级后的缆道测流系统的测深、测速、测距等比测数据分析应用情况。测试时间为 2018 年 4 月 16 日，测试点九龙水文站为国家基本水文站，每年 4 月中旬进入汛期，断面输水量逐渐增大，是缆道测流的主要工作时间，所测得的水深、流速等数据作为全年断面重要的水文资料纳入统一整编，数据代表性较强，能够直观反映测量仪器设备的性能。

5.1 测深

测得的水深数据对比表如表 1 所示。

表1 测深数据对比表

表 1 中的人工值是用测深杆测得的数据，测量值是改造后的缆道测流系统用铅鱼在相同垂线自动测得的数据。通过比对发现二者之间相对误差较小，系统测深精度能够得到保障。

5.2 测速

测得的流速数据对比表如表 2 所示。

表 2 中的流速是由缆道测流系统根据流速仪信号数和测流历时，根据流速仪检定公式（v = b × n/t +a = 0.199 3 n/t + 0.009 3）自动计算出的结果，v计是人工验算的结果。通过人工验算可以看出，系统自动计算的流速和人工计算结果完全一致。

表2 测速数据对比表

5.3 测距

测距数据对比表如表 3 所示。

表3 测距数据对比表

表 3 中的标准值是由全站仪测得的相对于 0 点的水平距离，测量值是升级后的缆道测流系统测距仪上面显示的水平距离，从比测结果可以看出，两者误差很小，满足规范要求。

经过试验，升级后的自动水文缆道测流系统可以预先设定测流垂线和垂线测点，在启动自动测流后，能依次到达垂线位置进行测深、测速，自动完成全部测流任务。当测流断面出现异常情况（如出现漂浮物）时，可人工暂停测流任务；当异常情况消除后，能继续启动自动测流完成剩余任务。在测量精度方面符合 GB/T 32749—2016《水文缆道机电设备及测验仪器通用技术条件》关于缆道测深、测距、测速精度相对误差 ≤ ± 1% 的要求。

6 结语

给出一种半自动水文缆道控制台自动化升级的应用案例，在充分利用原有设备功能上增加测控装置和上位机，充分利用原有的测流和测距信号，通过增加外设通讯接口、上位机自动测流控制计算软件，提高性能水平。经过实际测试对比，证明自动化升级后的缆道测流系统在数据测量精度上达到标准要求，缩短了测量周期，提高了工作效率，实现了测流控制台的信息共享，达到自动化改造的目的。

科技的发展是迅速的，智能识别 AI 技术在人员跟踪定位、车辆识别等方面已经得到广泛应用，缆道测流过程中遇到的漂浮物、船只等目前尚需人工判断做出应急操作，今后的全自动缆道测流将结合AI 技术实现自动识别预警，进一步向缆道测站现地无人化目标迈进。