基于物联网技术的水闸自动化远程控制方法

何立军

（甘肃省疏勒河流域水资源利用中心，甘肃 玉门 735211）

在水利工程与调蓄工程协同发展的背景下，对调蓄设备使用质量与性能的要求不断升高[1]。水闸作为水利工程与调蓄工程中的重要组成设备，对调蓄、引水与退水等操作具有直接影响[2]。传统的水闸控制多数采用人工手动控制方法，无法实时获取调蓄工程水位与调蓄库容的动态变化情况，降低了水闸控制的效率，且导致水利工程中存在较大的安全隐患[3]。在自动控制技术快速发展的趋势下，水闸自动化控制方法逐渐兴起，能够根据调蓄工程的动态变化进行水闸闸门的控制[4]。然而传统的水闸自动化控制方法在实际应用中仍然存在一定的不足，主要体现在自动化控制的范围有限，无法实现自动化远程控制，当水闸布设位置超出自动化控制范围时，不光控制时间较长，并且在控制过程中，闸门门缝错位情况严重，控制效果不佳[5]。为了解决以上问题，本文在传统水闸自动化控制方法的基础上，以M调蓄工程为例，引入物联网技术，提出了一种新的自动化远程控制方法。采用公有云服务，应用分布式网络，提高水闸自动化远程控制功能[6]。为提高水利工程与调蓄工程远程控制的质量与效率提供技术支持。

1 水闸自动化远程控制方法设计

1.1 计算过闸流量

结合物联网技术中的计算功能，对水闸闸孔出流以及过闸流量进行计算，为水闸的自动化远程控制提供数据支持。设置调蓄工程中的闸底板作为过闸流量计算的基准面，基于能量方程原理，计算闸底板断面的局部水头损失，公式：

式（1）中，ha表示闸底板断面的局部水头损失；表示水头损失系数；va2表示闸底板断面的局部水头流速；g表示闸后收缩断面的水头距离。根据闸底板断面的局部水头损失，推导出闸孔的流速系数，公式：

式（2）中，ξ表示水闸闸孔的流速系数；η表示闸孔单孔出流流量。在此基础上，设置水闸闸孔的宽度为ι，计算调蓄工程中水闸的过闸流量，公式：

式（3）中，H表示调蓄工程中上游水头的垂向收缩数值；e表示水闸闸孔的开度，通过计算，获取调蓄工程中水闸的过闸流量。

不同地区调蓄工程的闸底板断面存在较大的差异，对于部分曲线型的闸底板断面，为了避免水闸闸孔出流发生淹没，应当对闸孔的出流流量进行适当修正，提高水闸过闸流量计算的精度。根据收缩断面闸孔出流的实际情况与具体特征，基于水力学原理，计算调蓄工程水闸闸孔流量系数，计算公式：

式（4）中，λ表示调蓄工程水闸闸孔流量系数；μ表示水闸闸孔初始流速系数；a表示水闸闸孔断面局部水头与闸孔开度的比值系数；表示水闸闸门的相对开度。根据计算获取到的水闸闸孔流量系数，对闸孔出流流量进行修正，获取精确度较高的水闸过闸流量，提高后续水闸自动化远程控制的质量与效率。

1.2 基于物联网技术设计水闸远程控制中心

在上述调蓄工程水闸过闸流量计算结束后，采用物联网技术，对水闸的远程控制中心进行全方位地设计。首先，利用物联网技术中的SQL Sever2014，设计水闸自动化远程控制中心数据库，为实现精细化的远程控制提供保障[7]。在设计数据库时，需要综合考虑调蓄工程水闸的各项信息及闸门的相关数据。本文设计的水闸自动化远程控制数据库如表1所示。

在表1所示数据库基础上，分别从水闸远程监控与水闸终端控制器远程操作2个角度，综合设计水闸的远程控制中心[8]。在水闸各个闸门所在位置布设GPRS服务器与Socket服务器，通过服务器的实时数据采集功能，远程无线监控各个水闸的分水闸门，并通过远程无线通讯，向控制中心传递数据[9]。基于物联网技术的监听功能，对调蓄工程引水、退水与调水现场进行实时监听。指挥控制中心接收到水闸数据后，对数据的字符串进行解析，将解析后的信息上传至控制界面中。工作人员根据调蓄工程的动态变化情况，在控制中心设置水闸闸门的控制模式，自动转换手动控制模式与自动控制模式，调节过闸目标流量，维持过流量的稳定。在此基础上，设置水闸闸门的控制服务，基于物联网技术，实现水闸自动化远程控制的通信传输。本文设计的水闸闸门自动化远程控制服务结构如图1所示。

表1 水闸自动化远程控制数据库

图1 水闸闸门自动化远程控制服务结构

本文设计的水闸闸门自动化远程控制服务包括远距离水闸、物联网平台与客户端三个部分，通过交互界面，进行调蓄工程水闸远程监视与控制。在此基础上，设计水闸闸门控制服务相应的功能（表2）。

表2 水闸闸门控制服务相应功能设计

本文设计的基于物联网技术的水闸闸门自动化控制服务及对应的控制功能，可结合物联网技术与无线数据透传功能，下发自动化控制指令，调节水闸闸门控制位置与指挥中心控制界面交互设置一致，保证远方水闸闸门与指挥控制中心的实时通信，实现水闸自动化远程控制的目标。

2 试验分析

为了进一步对本文设计的基于物联网技术的水闸自动化远程控制方法的可行性作出验证，选取某地区M调蓄工程为研究目标，进行试验测试。该调蓄工程位于干渠与河流交汇处，工程总库容量约为368 m3，其中，调蓄库容量约为355 m3，引水线路长度约为105 km。M调蓄工程的水闸分布较广泛，且布设位置距离相对较远，引水闸位于拦河闸上游，退水闸位于退水渠下端2.5 km处，水闸主要负责工程的引水、调蓄与退水。M调蓄工程的水闸控制仍然为人工手动化控制，控制效率较低，且无法根据调蓄工程的动态变化作出实时调整，尤其在雨季与防汛期间，控制水闸需要消耗大量的人力资源。

在此基础上，将上述设计的水闸自动化远程控制方法应用到M调蓄工程中。在调蓄工程控制现场与指挥中心之间，布设远程控制信息通道，进行整个工程自动化远程信息交换与传递，设置各个水闸与控制指挥中心的距离不超过5 km，采用适用于长距离通信的光纤，作为本文实验的通信媒质，通过光端机的转换作用，实现调蓄工程电光电的动态转换以及控制节点远距离双向通信的目标。在各个水闸闸门处安装摄像头，建立退水闸、引水闸对应的独立控制单元，以图像的形式，通过光缆，将调蓄工程的实时图像上传至指挥监控中心，工作人员根据调蓄库容量与闸门的动态变化，对水闸进行远程操控，保障调蓄工程的顺利建设。工作人员在指挥监控中心，对闸门的控制柜进行操控，调整启闭机的运行状态，使闸门到达所需的位置。远程设置闸门开度的预定数值，当闸门自动上升或下降时，到达开度预定数值后，自动停止，减少人力资源的浪费。水闸自动化远程控制示意图如图2所示。

图2 水闸自动化远程控制示意图

图2 为本次实验中M调蓄工程水闸自动化远程控制示意图。工作人员在指挥监控中心实时观察闸门开度当前值的变化，进而确定闸门调节的高度范围。利用鼠标按住三角滑块，在标尺上拖动，调节闸门的位置值，闸门会根据调节的指令作出反应，并自动记录水闸的变化状态与变化时间，生成水闸变化报表与曲线。

为了更加直观地验证本文设计的控制方法的可行性，采用对比分析的试验方法，将上述本文设计的基于物联网技术的水闸自动化远程控制方法，与传统的基于PLC技术的水闸控制方法进行对比。利用有限元分析模型与MATLAB分析软件，在水位发生大幅度变化的背景下，测定两种自动化远程控制方法应用后，水闸闸门门缝的错位情况，根据门缝错位的变化，判断两个控制方法的有效性，结果如表3所示。

如表3的对比结果所示，在两种水闸自动化远程控制方法中，本文设计的基于物联网技术的控制方法，其在水位大幅度变化的情况下，对水闸闸门进行控制，门缝错位改动值与初始值较为接近，左下关终延时参数与右下关终延时参数并未发生变化，较传统控制方法相比闸门错位较小，优势显著。

表3 两种自动化远程控制方法闸门门缝错位变化对比

在此基础上，分别测定两种自动化远程控制方法针对调蓄工程中的不同水位变化，自动远程控制闸门的时间，如图3所示。传统闸门控制方法的控制时间随着水位的增加产生了较大的波动，控制时间为4～9 s；而本文设计的自动化远程控制方法，其在水位变化幅度不断增长的趋势下，闸门远程控制时间较稳定，均在4 s以下，闸门控制时间并未随着水位的增长而增加，较传统方法相比，能够在较短的时间内完成水闸的自动化远程控制，可行性较高。

图3 两种方法自动化远程控制闸门时间对比

3 结束语

为了改善传统水闸控制效率较低，且需要消耗大量人力资源，增加了调蓄工程建设成本的问题。在传统水闸控制方法的基础上，引入物联网技术，提出了一种新的水闸自动化远程控制方法。通过研究，有效地提升了水闸闸门控制的效率，使水闸能够根据调蓄工程的动态变化情况，自动作出相应的控制动作，保障调蓄工程的顺利建设。