新型无绞车全自动化水文缆道测流系统在芭蕉水文站的应用

杨 军,李 涛,王正义

(四川省广安水文水资源勘测中心,四川 广安 638000)

1 芭蕉水文站概况

芭蕉水文站位于四川省广安市邻水县城南镇安丰村八组,站址地理坐标为东经106°57′25″,北纬30°18′29″,距广安市市区约47 km,集雨面积为851 km2,距河口55.5 km,上游有龙安镇水位站,下游有四海基本水文站,属长江一级支流御临河水系。该站为四川省广安市2012-2013年中小河流水文监测系统建设项目建成的中小河流防汛专用水文站,于2017年建成,2018年投入运行,由广安水文中心管理,采取驻巡结合模式,主要功能为防汛减灾、水资源管理,兼顾收集中小河流水文资料,分析演变规律。

近几年,四川水文加大资金投入,全力推进水文现代化建设,全面启动水文基础能力提升建设,实现水文自动化、智能化、标准化。芭蕉水文站被纳入其中进行升级改造,重要内容就是拆除传统绞车式缆道,新建新型无绞车全自动化水文缆道测流系统。该系统于2022年12月安装调试完成,2023年1月正式投入运行。

2 新型无绞车全自动化水文缆道系统工作原理及优势

2.1 系统组成

新型无绞车全自动化水文缆道测流系统主要由缆绳、钢塔、塔基、程序控制器(PLC)、编码传感器、伺服电机动力系统、太阳能供电系统、数据信息传输系统、计算机辅助系统、视频辅助系统、避雷接地系统等构成[1]。由独立计算机系统完成全部操作,通过设置断面参数、垂线参数、流速仪参数、测流参数开启手动或全自动测流。系统会根据设定好的参数,按照既定程序完成测点测流,同时完成流速及流量计算,并把采集的数据进行云端存储,用户可以随时调用采集数据和打印测流成果。

2.2 主要技术指标[2]

(1)缆道跨度：50～300 m

(2)铅鱼质量：≤200 kg

(3)水平运行速度：≤1.0 m/s

(4)垂直运行速度：≤0.5 m/s

(5)电机功率和形式：1.5 kW×2伺服电机(配专用减速机)

(6)控制核心：PLC(可编程逻辑控制器)×2

(7)流速仪信号：直流水体回路(俗称：无线)

(8)适应流速仪：现行所有转浆和转叶流速仪,适合所有信号数流速仪。

(9)水位接口：RS485(MODEMBUS-RTU协议),可连接雷达式、气泡式水位计。条件许可也可从网络读取断面的基本水位计数据。

(10)操作方式：计算机界面操作。包括“手动”“自动”。

(11)夜间模式：开启具有补光的摄像系统,摄像机自动跟踪铅鱼运行,当铅鱼入水后摄像机监视铅鱼前方的水面。

(12)缆道安全系数：地锚>3.5、钢塔≈3、主索≈3、循回索≈3、起重索≈2。

2.3 系统原理

全自动化缆道测流系统控制原理大致分为三部分,分别为电脑操作端、行车控制系统、铅鱼控制系统。

电脑操作端由网页代码编程,实现浏览器网页操作,不需要额外安装应用软件,可进行缆道动作命令输入及信号采集计算。行车控制系统与铅鱼控制系统相对独立,分别由各自PLC进行逻辑控制。行车控制系统控制行车前进后退即起点距方向运动,铅鱼控制系统控制铅鱼上升下降即水深方向运动。

系统主要测流控制流程为电脑操作页面发出控制命令,通过无线网络传输信号至行车及铅鱼PLC,经过PLC计算后将命令传递给行车及铅鱼所属伺服电机并控制铅鱼入水,入水后由电脑端启动测流命令,铅鱼将收集到的流速信号回传,计算后将结果上传至电脑端[3]。完成测流后以相同方式将铅鱼开回铅鱼放置台即完成全部操作。

2.4 系统优势

全自动化缆道测流系统相较于传统绞车缆道存在诸多优势。本系统使用程序控制器(PLC)代替继电器控制,降低了硬件发生故障的可能;用数据采集卡工业控制系统代替测速测算仪,确保了铅鱼定位精度及流速仪测流精度[4]。除此之外,全自动化缆道测流系统还具有以下系统优势[2]：

(1)摒弃了传统缆道所需的缆道绞车、控制台,无需新建站房安装此设备,监测断面只需建设两座钢塔,全部机械、控制装置均安装于钢塔上。与传统水文缆道相比,可有效解决传统水文缆道占地面积大、征地难、造价高的问题。

(2)采用循回和起重相互独立的机电及缆绳系统,使缆道动力系统整体结构简单明了,进一步提高了设备的稳定性和可靠性。铅鱼水平和垂直的运行系统虽相互独立,但通过远程计算机控制端以软件形式将其整合和协调,融入了现代物联网的控制概念,充分体现其先进性、科学性和实用性。

(3)采用先进的伺服电机驱动,使铅鱼运行速度、距离可精确量化,可达毫米级,进一步优化省去了传统缆道繁琐的传感和控制系统。

(4)行车采用双缆支撑,受风和水流的影响较小,减小单根主绳的上下和左右晃动,铅鱼入水偏角也得到抑制,使其运行更加平稳、顺畅。

(5)采用太阳能辅助微型发电机加高效蓄电池供电,使水文缆道无需市电或大电功率发电机供电,不再需要配备危险系数高的380V三相动力电,建设和使用不再受电源限制,因此更为便捷、安全、可靠。

(6)该系统具有完善的极限(极高、极低、极近、极远)保护功能,且地面上没有工作索,辅以视频跟踪监视等功能,缆道运行具有很高的安全性能,能满足水文现代化、自动化、智能化提出的“无人值守”的要求。

(7)该系统行车上装载安装电波流速仪进行中高水测验,与流速仪的中低水测验配合,可实现流量全变幅测验。

(8)广泛采用不锈钢、合金铝材等特殊材料,主索、巡回索、起重索等均不需打油养护,减轻了维护运行劳动量和成本,有效地避免了因缆道打油不彻底导致的安全隐患。

(9)借助无线网络、移动通信(4G、5G)和计算机通信,可实现缆道在任意有网络的地方远程操作控制。

(10)通过计算机可实现测流的远程手动操作和自动操作,并通过植入算法,可实现在线即时输出符合水文规范要求的成果资料,有效地解决了因人工计算错误等因素造成的资料不可用的问题。

(11)该系统具有工况远程监视和控制及自检等功能,确保设备随时处于良好状态。

3 新型无绞车全自动化水文缆道系统在芭蕉水文站测验中的应用

芭蕉水文站全自动化缆道测流系统比测及分析的项目主要包括起点距、铅鱼绳长、实测流量等。比测结果基本符合《水文缆道测验规范》(SL 443-2009)的具体规定。

3.1 起点距比测

全自动化缆道测流系统测距能够进行缆道主索垂弧度的自动修正,其修正主要依据标定分段系数进行,也就是采用实测法求得若干段线的修正系数,将其存入数据库,待系统运行时,运用软件修正各段的系数并求得起点距的精确值[4-5]。

令测绳实际长度分别为：x1,x2,x3,…,xi;水平距离分别为：y1,y2,y3,…,yi;水平距离之差分别为：z1,z2,z3,…,zi;测绳长度距离差分别为：w1,w2,w3,…,wi;测验各段系数分别为：k1,k2,k3,…,ki。起点距与理论值的差异如图1所示。

图1 主索起点距与理论值的差异

由于,分段系数=水平距离差/测绳长距离差,则：

w1=x2-x1

z1=y2-y1

根据芭蕉水文站的断面测量成果,确定起点距比测河宽B=90.0 m,比测垂线30根,且均匀分布于断面。采用全站仪(拓普康GM-100)交汇法测定垂线起点距与自动测流系统分段系数配置中的数值进行比测分析,详见表1。

表1 芭蕉水文站起点距比测分析结果

通过表1分析得出,全自动化水文缆道测流系统实测结果误差较小,其中绝对误差最大为-0.28 m,小于1 m,垂线的定位误差均未超过河宽的0.5%,实测铅鱼回零误差控制在0.10 m以内,满足《河流流量测验规范》(GB 50179-2015)的精度要求。

3.2 铅鱼绳长比测

芭蕉水文站测流断面和基本水尺断面重合,断面为“U”型,河段为泥砂河床,河道冲淤变化小。铅鱼绳长比测采用全自动测流缆道和全站仪(拓普康GM-100)进行对比分析,通过全自动测流缆道将铅鱼在不同的垂线上分别下降不同高度,读取电脑端显示数值,再用全站仪通过免棱镜模式观读测量结果。绳长标准值采用全站仪(拓普康GM-100)施测结果,对比全自动缆道施测铅鱼绳长的绝对误差与相对误差,结果详见表2。

表2 全站仪与全自动化缆道测流系统绳长测量对比结果

由表2结果可知,在31次比测过程中,全站仪测量结果与全自动化缆道测流系统测量结果绝对误差最大值为-0.16 m,最大相对误差为-1.48%,相对系统误差为0.13%,符合《河道流量测验规范》(GB 50179-2015)的精度要求。对于全自动化缆道测流系统在铅鱼绳长比测过程中产生的误差,可通过软件参数设置模块手动修改缆道绳长系数进行修正。

3.3 实测流量对比分析

新型无绞车全自动化缆道测流系统自2023年投入使用以来,共施测流量11份,分布于低中高水位,将实测流量成果与芭蕉水文站综合水位流量关系曲线的流量进行对比分析,计算单次流量总随机不确定度及系统误差。分析成果见表3。

表3 芭蕉水文站综合线与全自动化缆道测流系统实测流量结果比测分析成果

芭蕉水文站汇水面积851 km2,测站的主要任务是防汛减灾和水资源管理,兼顾收集中小河流水文资料,分析演变规律,所以芭蕉水文站测验精度为三类精度站。从表3可得,全自动化水文缆道测流系统测得的流量结果与芭蕉水文站综合水位流量关系曲线的线上流量最大相对误差|δ|=11.11%,系统误差为0.92%,满足流量测验规范测流允许误差要求。

4 结论

新型无绞车全自动化水文缆道测流系统是目前国内最先进的设备,是以全自动测控软件系统为核心,并通过对硬件系统的技术改造升级,减少了绞车、减少了操作控制台、缩短了测验时间,减轻了劳动强度,降低了人为操作误差及硬件故障发生率,提高了水文测验的稳定性及可靠性。该系统具有的无线网络操作、远程控制、视频监控等功能,做到了全要素全量程全自动监测,为建立覆盖全面的“空天地”一体化水文监测体系奠定坚实基础,促进水文数字孪生、智慧化建设。