智慧感知技术在黄河口实体模型中的应用

陈俊 王天奕 徐奕蒙 王磊 郭泽斌 丘瑾炜

摘  要：为了实验人员更好地研究黄河，进而治理黄河，珠江水利科学研究院重建了黄河口实体模型，并将基于分布式泵群控制技术的海域潮汐自动化控制技术、PIV大范围表面流场监测技术和来水来沙全自动控制技术等国内先进智慧感知技术、量测仪器、控制系统及试验设施应用其中。这些技术为国家重点研发计划项目“黄河口演变与流路稳定综合治理研究（项目编号：2017YFC0405500）”提供了有力的科研技术支撑，也能更好地满足其他大型潮汐物理模型控制和测量的应用需要。该模型基本能够实现黄河口潮型、潮位和潮流的自动模拟相似，达到了预期设计的效果。

关键词：黄河口  实体模型  潮汐控制  PIV  来水来沙控制

中图分类号：TP273                      文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）05（c）-0069-05

Application of Intelligent Perception Technology in the Physical Model of the Yellow River Estuary

CHEN Jun  WANG Tianyi  XU Yimeng  WANG Lei  GUO Zebin  QIU Jinwei

（Pearl River Water Resources Research Institute， Guangzhou， Guangdong Province， 510611  China）

Abstract： In order for the experimenters to better study the Yellow River and to manage the Yellow River， the Pearl River Water Resources Research Institute reconstructed the physical model of the Yellow River Estuary. Incoming water and sand automatic control technology and other domestic advanced technologies， measuring instruments， control systems and test facilities are used in it. These technologies provide strong scientific research and technical support for the national key research and development project "Yellow River Estuary Evolution and Flow Stability Comprehensive Treatment Research （Project Number： 2017YFC0405500）"， and can better meet other large-scale tidal physical model control and measurement applications need. This model can basically realize the similarity of the automatic simulation of the tide pattern， tide level and tidal current of the Yellow River Estuary， achieving the expected design effect.

Key Words： Yellow River Estuary; Entity model; Tide control; PIV; Incoming water and sediment control

黃河是世界上最难治理的河流，而河口的治理更是难点中的难点。黄河口演化环境的复杂性，使得黄河口冲淤演变较其他江河的河口具有特殊的规律，开展有关河口问题的研究，必须借助于物理模型试验并结合实测资料及数学模型才可望得到有效解决[1]。因此，建设黄河口实体模型是认识黄河口演变基本规律、河口治理与决策科学性、地区经济可持续发展及生态环境保护、河口洪情预测的要求，是“数字河口”完善和河口治理方案必不可少的中试环节，也是实现现代治黄和科技治黄的必然选择，同时更是响应习近平总书记在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上的讲话“让黄河成为造福人民的幸福河”的号召[2]。

1  黄河口实体模型

黄河口实体模型位于黄河水利科学研究院模型黄河试验基地的黄河口物理模型试验大厅。2018年，珠江水利科学研究院根据黄河口模型平面图（见图1）对其进行了重建，重建后的黄河口实体模型见图2。

该实体模型长44 m，宽20 m，可模拟原型范围144 km2。其中模型的水平比尺λL=600，垂直比尺λH=60，流量比尺λQ=278 855，流速比尺λV=7.75，悬移质粒径比尺λd=0.94，床沙粒径比尺λD=2.87，水流运动时间比尺λt=77.46，含沙量比尺λS=1.75。

依托国家重点研发计划项目“黄河口演变与流路稳定综合治理研究（项目编号：2017YFC0405500）”，围绕黄河口的演变及稳定流路，利用野外观测数据、实体模型试验和数值模拟及其混合模拟等手段，开展黄河口演变与流路稳定综合治理研究。其中，黄河口实体模型实现的先进智慧感知技术有：海域潮汐自动化控制技术、PIV流场监测技术和来水来沙全自动控制技术。

2  海域潮汐自动化控制技术

黄河口实体模型潮汐控制系统可实现潮流、潮位及泥沙等多因子同步耦合模拟，可满足港口、河口海岸及近海工程中水流泥沙的基础理论及应用等方面的研究需求，能进行海岸演变、港口码头修建和人工岛等大尺度模型比尺下的完整实验研究[3]。

黄河口实体模型潮汐控制系统分别由3个部分构成：生潮单元系统、潮汐量测仪器系统及整体软件系统。

2.1 生潮单元系统

生潮单元系统采用分布式泵群控制技术，可按照给定的潮位过程曲线或者流量过程曲线实时控制模型潮位，并能根据模型各部位不同的流速、流向变化过程来控制模型的潮流过程，从而实现试验场内潮流控制。

三面造潮，既可单独使用，又可联动运行，造潮采用频率控制和泵群（包括电机）的方式实现，能满足浑水试验的要求。

2.1.1 生潮单元系统设计思路

根据设计目标，黄河口实体试验模型场地实现三面造潮（见图3），即海区的三面均设为控制边界，共部置22台水泵，可灵活定义为下游边界及左、右边界。所有控制边界均采用水位控制，布设水位仪测量水位，计算机根据控制算法结果，通过变频器直接控制水泵的电机，通过调节加在电机上的交流电压频率来改变电机的运行速度，从而调节水泵的进出水流量，达到产生涨潮落潮的目的。

生潮单元的多边界采用分布式泵群控制技术，通过潮汐专用测控软件按照给定的潮位过程曲线或者流量过程曲线实时灵活控制下游边界及左、右边界的水流动力条件，并根据模型各部位不同的流速、流向变化过程来控制模型的潮流过程，可实现试验场内潮流控制。

2.1.2 生潮单元系統系统构成

潮汐模拟单元采用TCP/IP协议的分布式工业控制技术，由中央控制主机、变频器、双向潜水泵、水位仪、流速仪和工业以太网等组成，如图5所示[5]。中心监控计算机布置在控制中心，主要用于实时过程控制、数据采集、数据分析及存储、人机对话、报警、实时过程图表及曲线显示、打印输出等。

由于该生潮单元设计方案采用分布式泵群控制技术，可以寻址单独控制每一台潜水泵，因此既可将A、B、C区作为独立控制边界，也可针对任一区域进行分段细分，进行分区或分段内的泵群组合控制，从而实现试验场内潮流控制，模拟沿岸流、旋转流和多向流等复杂流态，满足不同类型、不同规模的模型试验研究。

2.1.3 生潮单元系统控制算法

该生潮单元运用专家预估PID自适应控制算法通过变频器控制水泵矢量变化产生水位有规律地上升和下降，实现模拟自然界的潮起潮落过程，水位值由水位仪通过以太网实时传输至控制系统，形成闭环控制系统[6]。故量测仪器的精度、应用软件的控制精度和响应速度以及通信线路的实时性等是项目成败的关键。通过多种方案比选，水位仪采用珠江水利科学研究院自主研发的GS-6光栅式水位仪，精度可达到0.05 mm;控制软件采用珠江水利科学研究院研发的最新版黄河口实体模型生潮测控系统，该软件采用自适应的控制算法，很好地解决了水位跟踪滞后和波动的问题，控制稳定可靠、精度高，潮位曲线跟踪控制水位均方差小于0.2 mm，绝对误差小于1 mm，相位测量误差小于5 s，最大潮差10 cm，且可以由给定的调和常数，自动生成潮位曲线;仪器和计算机之间的通信采用无线以太网和工业以太网相结合的方式，既保证了数据的稳定性，又提供了工作的便捷性。

2.2 潮汐量测仪器系统

为实现黄河口实体模型潮汐控制系统的各项功能，用到的量测仪器有：GS-6自动跟踪水位仪;LS-8C八线红外流速采集仪;LSC-40流速测杆。这些量测仪器均为珠江水利科学研究院自主研发。

仪表配电柜布置在模型四周，柜内安装有线和无线网络路由器及电源插座。现场各种仪器设备就近有线和无线接入仪表配电柜，借助以太网技术可以实现分区数据量测的同步进行，便于中心监控计算机控制生潮设备，实现系统的灵活搭配组合。

2.3 整体系统软件

该软件系统采用WINDOWS 7平台下的VC++开发，利用多线程技术，实现多任务实时控制，多过程的同步显示;可实现测量、显示、实时控制和率定等功能，提高了软件系统的控制精度和运算速度，方便用户使用。该系统实现了生潮和加沙一体化的功能，并具备智能潮汐控制和水力学要素实时采集等功能，各要素的控制和采集可分布控制又可联动运行[7]。

在已有的潮汐控制系统的基础上进行进一步改进，增加网络数据库、专家PID控制策略和以太网通信功能等，使该生潮系统更加完美。系统软件走潮控制界面见图6。

3  PIV流场监测技术

流场PIV技术实时测量系统由珠江水利科学研究院自主研发，是运用数字图像处理技术和粒子跟踪测速技术研制开发的大范围表面流场测速系统。该系统由图像采集、流场分析和流场后处理等模块构成，可帮助用户高效便捷地掌握水工模型、河工模型、港工模型及水槽等试验中大范围的表面流场信息。同时，该系统具有强大的分析功能，便于用户完成测量数据的各种分析处理工作。它的应用节省用户的试验时间，提高试验的效率和精度，保证科学研究的准确性和可信度。该系统使用简单方便，分析快捷准确，结果稳定可靠[8]。

黄河口实体模型PIV镜头覆盖区域见图7，实测PIV表面流场分布见图8。

该系统计算准确、快速，无需过多人为干预，能连续反映流态的过程变化;标定程序与边界生成简单，通过采集标定点和边界点坐标即可快速实现边界生成和坐标标定;适用于各种不同的视踪粒子，如塑料颗粒和纸花;单路有效测量面积可达4 m2×5 m2;系统的测量误差小于7%;流场计算结果可直接供AutoCAD应用;测速范围为0.15～8 m/s。

4  来水来沙全自动控制技术

系统用于黄河口实体模型河道到入海口的来水来沙模拟，包括进口清水流量和浑水流量的测量和控制。该系统由北京尚水信息技术股份有限公司研发。

4.1 清水控制

为提高清水控制精度，该模型采用2套供水管路可更精准地控制清水最大流量和最小流量的调节。水泵采用先进的变频控制系统以满足实验对流量的不同需求，不仅控制精度高，而且操作方便。

流量反馈控制分别采用管道流量计采集数据，然后反馈至软件控制系统实现对流量精准调节。

流量控制过程为上位机的软件程序发送初始流量的控制指令到综合控制箱，通过综合控制箱转换为控制信号后发送到变频器，通过变频器调节水泵的转速来控制水泵的出流，使管道中产生了一定的流量，此时电磁流量计测量管道的流量并反馈给综合控制箱，进行信号转换后发送到上位机，上位机软件根据当前流量与目标流量的差值，发出下一步的控制指令调节水泵，如此反复，通过多次闭环调节使管道中的流量达到目标流量。

4.2 浑水控制

系统设置两套水泵分别从两个搅拌池内抽取搅拌后的浑水，可根据搅拌池内水量灵活控制任何一路水泵开闭，浑水流量控制通过孔口箱加沙流量控制模块进行，孔口箱加沙流量控制模块可实现浑水小流量的精准控制，从而提高实验精度。

孔口箱加沙流量控制模块主体孔口箱可存储一定容量的初始泥浆，采用溢流设计以维持固定的水位高度，孔口采用横条式矩形断面设计，可实现过流面积与流量的线性变化。

开度控制执行模块采用电动伸缩式闸门设计，通过伺服电机提供动力，控制闸门在水平方向按照设定的行程精确移动，实现孔口开度大小的精确调节，结合开度-流量关系曲线，实现浑水流量精确控制。

5  结语

黃河口实体模型可模拟黄河口海域海洋动力过程及尾闾河道演变、水沙运动过程，研究不同流路淤积延伸、发育出汊过程，为黄河口清水沟流路水沙调配及稳定百年的黄河口入海流路方案研究提供技术支撑。该文以重建后的黄河口实体模型为例，介绍了海域潮汐自动化控制技术、PIV流场监测技术和来水来沙全自动控制技术在物理模型试验中的应用。基于分布式泵群控制技术的潮汐控制系统能很好地满足物理模型的要求，具有技术含量高、控制精度高、易于安装维护、运行操作简便等特点。流场PIV技术实时测量系统能够准确、快速地测量大范围的表面流场信息。来水来沙全自动控制技术用于黄河口实体模型河道到入海口的来水来沙模拟。

参考文献

[1] 吴国英，刘刚森.黄河口实体模型生潮设备和控制技术研究与讨论[J].中国水运，2014，14（11）：190-191.

[2] 伊锋.黄河入海泥沙减少对潮滩地貌冲淤影响的物理模型研究[D].鲁东大学，2020.

[3] 于守兵，凡姚申，余欣，等.黄河河口生态需水研究进展与展望[J].水利学报，2020，51（9）：1101-1110.

[4] 万浩平，杨楠.鄱阳湖物理模型量测控制系统设计与应用[J].长江科学院院报，2018，35（7）：153-158.

[5] 万浩平，杨楠，李昌垣.河工模型量测控制系统设计与应用——以赣江下游尾闾整治工程为例[J].人民长江，2017，48（24）：102-105.

[6] 夏云峰，杜德军，屈波，等.大型潮汐河工模型试验控制系统设计及应用[J].水利水运工程学报，2018（1）：1-8.

[7] 李路，齐同，郜晩蕾，等.基于专家PID控制和卡尔曼滤波的恒压进样系统[J].电子设计工程，2018，26（18）：54-58.

[8] 孔苓青.基于专家PID算法的矿井提升机调速系统研究[D].山东科技大学，2017.