改进Apriori算法的行蓄洪区水闸控制方法

陈 艳

(敦煌市水利事务中心，甘肃 敦煌 620982)

行蓄洪区作为我国重要的防洪建设工程，在防御洪水中，起到了削峰与行洪的作用，对控制流域内的水情与工情具有直接影响[1]。现阶段，我国大部分行蓄洪区建设状况良好，具有完善的水利管理制度与规程，为水库的泄洪能力起到了保障[2]。水闸作为行蓄洪区中的重要组成部分，主要负责对大坝、泄洪洞、行蓄洪区封闭水工建筑物孔口，调节其过流流量与水位[3]。在行蓄洪区与水利工程协同发展的趋势下，对于水闸控制质量与效率的要求逐渐升高。通常情况下，水闸结构由启闭设备、锚固构件以及活动部件3个部分共同组成，各个结构部件之间紧密关联，具有良好的使用性能[4]。在水闸启闭过程中，受到过流流量的影响，闸门会出现不同程度的振动，需要采用科学合理的水闸控制方法，对其进行控制，避免闸门振动量级较大，对相邻水工建筑物造成破坏[5]。然而，传统的行蓄洪区水闸控制方法在应用过程中存在一定的不足，主要体现在底缘型式选择不够合理，破坏了底缘水流状态[6]。当闸门的垂直动水压力较大时，无法在快速时间内对过流流量以及动水压力做出精确计算，并制定相应解决方案截断水流，相对来说，较不适用于水动力较大的行蓄洪区[7]。

改进Apriori算法能够有效地改善上述问题，通过数据挖掘与数据分析的原理，对行蓄洪区的水流情况作出计算，并制定对应的防洪方案[8]。

为解决上述方法的不足，本文在传统行蓄洪区水闸控制方法的基础上，引入改进Apriori算法，提出了一种新的水闸控制方法，为提高行蓄洪区的稳定与可持续发展提供保障。

1 行蓄洪区水闸控制方法设计

1.1 建立水闸结构分析模型

本文设计的行蓄洪区水闸控制方法中，首先，需要对水闸结构进行全方位、全过程的分析，获取水闸结构的各项特征数据信息。科学合理的水闸结构分析模型，对获取水闸结构特征数据信息具有重要的意义，因此，本文结合相互作用分析原理，建立了水闸结构计算模型。首先，对行蓄洪区的基底反力分布情况与分布规律做出深入分析，提取行蓄洪区基底的地质条件与对应的水闸结构形式。依据半无限大弹性地基理论，计算行蓄洪区在受到力的作用时，基底地基的沉陷值，计算公式为：

(1)

式中，ψij—行蓄洪区基底地基受力作用下的沉陷值；L—行蓄洪区地基土层的厚度；Ea—行蓄洪区基底地基的压缩模量；ri—行蓄洪区在荷载作用下，水闸单元的宽度；pi—行蓄洪区在荷载作用下，水闸单元的长度。

将获取到的行蓄洪区地基沉陷值作为模型的输入层，输入到模型结构中，设定模型中，行蓄洪区地基为线弹性体，平面弹性体的受力作用较均匀，单位力作用在模型中的半平面边界上，对水闸的运行状况不会产生较大影响[9]。

依据半解析法原理，将水闸杆系结构与行蓄洪区平面地基划分为模型中的两个子结构，采用有限单元法，获取水闸上部结构的单位位移，结合行蓄洪区地基与水闸接触面之间的平衡条件，得出水闸结构的位移与内力变化。

1.2 基于改进Apriori算法计算水闸动力作用荷载

在上述水闸结构分析模型建立结束后，获取到行蓄洪区受到外力作用时，基底地基的沉陷值，在此基础上，采用改进Apriori算法，计算行蓄洪区水闸动力作用荷载，为水闸的高效控制提供数据支持。

改进Apriori算法具有较强的数据处理能力，能够获取水闸控制中所需数据之间的关联性，提高水闸控制的质量与效率。水闸的动力作用荷载包括水闸闸门的自重、水闸闸门底缘上托力、水闸埋件摩阻力等共同组成[10]。首先，采用改进Apriori算法，计算水闸平面闸门的启闭力，计算公式分别为：

Fa=q1(M1+M2)-n2P+G1

(2)

Fb=n2P+P1+W1+P2-(M1+M2)

(3)

Fc=q1(M1+M2)+P2+n2P+P1+W1

(4)

式中，Fa、Fb、Fc—行蓄洪区水闸闸门的闭门力、持住力与启门力；q1—水闸闸门的摩阻力安全系数；M1—水闸闸门的支撑摩阻力；M2—水闸闸门的止水摩擦力；n2—水闸闸门闭门时的自重修正系数；P—水闸闸门自重；G1—水闸闸门底缘上托力；P1—行蓄洪区水闸加重块重量；W1—作用于水闸闸门的水柱压力；P2—水闸闸门受到的下吸力。

通过计算，获取到行蓄洪区水闸平面闸门的启闭力，反映水闸的动力作用荷载，在此基础上，得出水闸水平方向的动水压力。

1.3 设计行蓄洪区水闸控制中心

基于行蓄洪区水闸动力作用荷载计算结束后，获取到水闸水平方向的动水压力，在此基础上，为了实现水闸高精度控制的目标，本文在行蓄洪区设置了水闸控制中心，通过控制中心，根据行蓄洪区内水位的实际变化情况，对水闸进行远程控制。根据行蓄洪区水位的动态变化及各个闸门布设位置情况，设置水闸控制中心所在位置，避免控制中心距离水闸闸门较远，超出能够控制的范围。在控制中心合理布设计算机，保证计算机的使用性能，通过计算机上的远程控制功能，实时监控行蓄洪区内的变化情况。

设定水闸闸门的开度标准值与显示值，将计算机与水闸控制柜连接，通过计算机，进入水闸操控界面，进入编辑模式，结合行蓄洪区过流流量与动水压力的变化规律，不断修正水闸闸门开度标准值。在水闸闸门周围安装雷达水位计，将水位计一端与计算机数据采集终端连接在一起，保证控制中心能够实时获取行蓄洪区内水位的动态数据，通过控制中心的显示屏，检查水闸的运行模式与启闭状态是否符合行蓄洪区水位变化的需求，实时调整水闸的运行模式，实现行蓄洪区水闸高精度、全过程控制的目标。

2 实验分析

综合上述内容，为本文设计的行蓄洪区水闸控制方法的整体流程。在此基础上，为了进一步验证本文设计的改进Apriori算法的行蓄洪区水闸控制方法的可行性，进行了如下文所示的实验。本次实验选取某地区X行蓄洪区为研究目标，该行蓄洪区水闸位于近轨道区，水闸为3孔水闸，每个孔的净宽约为2.95m，底板厚度约为1.25m，水闸所在墩厚为1.00m，高程为2.55m。水闸闸室内的垂直水流向宽为10.25m，顺水流向长为6.87m。水闸闸门尺寸约为5.4m×5.8m，水闸横梁自上向下的编号依次为A1、A2、A3、A4，水闸闸门结构示意图，如图1所示。

图1 X行蓄洪区水闸闸门结构示意图

如图1所示，水闸闸门竖梁自左向右编号依次为B1、B2、B3，水闸采用电弧焊的焊接方式，在长期使用下，水闸的使用性能与使用寿命显著下降。当前，该行蓄洪区水闸采用手动化控制的方式，控制效率与质量得不到保障，无法根据行蓄洪区水位的动态变化，及时作出相应的操控动作，缺乏智能化与自动化的控制功能。将上述本文设计的改进Apriori算法的行蓄洪区水闸控制方法应用到X行蓄洪区中。首先，采用有限元分析模型，深入分析水闸闸门允许的最大应力，在初始应力的基础上，获取X行蓄洪区水闸闸门各个位置的应力情况，见表1。

表1水闸闸门各个位置应力情况 单位：MPa

由表1可知，为X行蓄洪区水闸闸门各个位置的应力情况，在此基础上，计算行蓄洪区的河道冲击力，公式为：

Fa=Sρv2

(5)

式中，Fa—行蓄洪区河道冲击力；S—行蓄洪区河道水面积；ρ—行蓄洪区河道水密度；v—行蓄洪区河道水流流速。通过计算，获取X行蓄洪区的河道冲击力，根据河道冲击力，判断水闸闸门控制的最大应力是否符合要求。设置水闸的使用功能，根据水闸上下游流量与水流流速的动态变化，调节行蓄洪区水位，实现行蓄洪区水闸控制的目标。

为了更加直观地验证本文设计的行蓄洪区水闸控制方法的可行性，采用对比分析的实验方法，将上述本文设计的改进Apriori算法的行蓄洪区水闸控制方法，与传统的浮筒式水闸控制方法进行对比，设置实验次数为6次，利用有限元分析模型与MATLAB分析测定，测定两种方法应用后，水闸构件的等效应力与位移变化，对比结果见表2。

表2 两种控制方法水闸构件等效应力与位移变化对比

根据表2的对比结果可知，在两种行蓄洪区水闸控制方法中，本文设计的改进Apriori算法的行蓄洪区水闸控制方法，其应用后水闸的等效应力较大，水闸闸门位移较小，较传统控制方法相比，水闸构件连接的稳固性较高。在此基础上，在水闸闸门相对开度不断增长的趋势下，对比两种控制方法的水闸闸门面板中心时均压力的变化情况，如图2所示。

图2 两种方法闸门面板时均压力对比

如图2的对比结果可知，本文设计的改进Apriori算法的行蓄洪区水闸控制方法，较传统控制方法相比，其闸门面板中心时均压力在闸门相对开度的增长下呈现大幅度下降趋势，更加符合行蓄洪区静水压力的分布趋势，可行性较高。

3 结语

综上所述，为了改善传统行蓄洪区水闸控制方法的不足，本文在传统水闸控制方法的基础上，引入改进Apriori算法，提出了一种新的行蓄洪区水闸控制方法。通过本文的研究，有效地提升了水闸的控制效率与质量，使水闸闸门的等效应力得到了显著提升，符合行蓄洪区静水压力的分布趋势与水闸控制的需求，对我国水利工程与行蓄洪区的协同发展具有重要研究意义。