泵站过流能力校核系统开发及应用

陈 红,何汶远,刘 云

(1.河海大学 水利水电学院, 南京 210024; 2.河海大学 水利部水循环与水动力系统重点实验室, 南京 210024;3.无锡市新吴区排水管理中心,江苏 无锡 214412)

0 引 言

城市排涝已成为水灾害防治的重点[1],近年来极端天气频发,短时强降雨造成城市大面积受淹,导致人员和财产重大损失。泵站是城市排涝主要设施之一[2],由于轴流泵具有提水量大、适用扬程低和结构简单等优点,广泛应用于排涝泵站。受现场安装和运行条件的限制,加上长时间运行设备老化[3],流道阻力加大,轴流泵无法稳定、高效运行,实际出流能力低于理论出流能力。为准确评估城市排涝能力,有必要对泵站实际出流能力开展测试校核。流量是评价泵站装置效率和出流能力的关键指标之一,水泵流量测量通常采用电磁流量计、差压式流量计、涡轮流量计、流速仪法、食盐浓度法以及喇叭管差压测流法[4-6]。轴流泵进水管一般为喇叭型式,出水管较短,缺乏足够直管段安装管道流量计,无法直接测量流量。很多研究者采用间接法测量流量。刘德祥等[5]针对武汉市后湖排污泵站,基于差压法测流在轴流泵进出管道上安装压力测量仪器,开发了一套流量监测系统。张玲一[6]针对小型轴流泵喇叭管开展了差压法测流,研究发现测压位置与流量测量误差直接相关。刘光临等[7]改造了进水管道,运用差压法实现了大型轴流泵流量监测。已有研究表明差压法虽然适用于轴流泵流量监测,但是现场操作复杂,涉及较多仪器设备安装和改造,不利于大规模开展泵站流量监测。近年来,走航式超声波多普勒剖面仪(Acoustic Doppler Current Profiler,ADCP)广泛应用于明渠流速、流量测量。马骏等[8]采用ADCP在三峡库区开展了单条垂线以及水面区域固定点的三维瞬时流速测量,测量结果精度达到了水流结构分析需要。宋政峰等[9]详细分析了走航式ADCP流量测量主要误差来源,并提出了相应的误差控制方法。杨锦坤等[10]构建了ADCP 数据标准化处理和质量控制的方法,对ADCP原始数据进行处理能有效提升流量测量精度。大量应用表明ADCP测流具有适用范围广、测量精度高、测流效率快等显著优点,可用于泵站进出流渠道流量测量,替代水泵流量的直接测量。

运用数字图像技术、雷达水位计和ADCP,研制了一套泵站过流能力校核系统,无需在进出管段安装压力测量仪器,直接采用ADCP测量实际流量,对比相同功率、扬程工况下泵站理论流量,实现泵站过流能力复核。系统具有自动化程度高、对现有泵站装置改动小等优点。

1 系统开发

1.1 系统设计

为校核泵站过流能力,通过采集泵站功率、扬程和流量,再对比水泵特性曲线上相应条件下的理论流量[11],从而评估水泵过流能力的变化。系统结构如图1所示,分为水泵特性、流量测量、功率监测和扬程测量等功能模块,水泵特性用于记录水泵的设计参数,包括流量-扬程、流量-功率关系。流量测量采用走航式ADCP,测量数据直接上传至Mysql数据库,再经滤波等处理得到流量;功率监测采用摄像机实时采集水泵电压表、电流表图像,经图像处理计算得到功率;扬程测量通过雷达水位计实时监测泵站进水池和出水池水位,水位差代表了泵站装置扬程。流量评估时,系统根据功率、扬程查询特性曲线上相应的理论流量,对比实际流量,评估流量变化。

图1 系统原理

系统采用Python语言开发,运用B/S架构,主界面如图2所示,主界面引入百度地图展示泵站位置,可实时查询仪器仪表数据,数据以图片形式存于数据库。水位、流量数据通过4G传输至服务器数据库,系统采用多线程开发,可同时接收多个终端数据。

图2 系统主界面

1.2 仪表数据图像识别

1.2.1 识别原理

功率测量流程如图3所示,将网络摄像机布置在电压表、电流表前,摄像机采集仪表图像,传输至服务器,系统读取图像,将RGB图像格式转换为8位灰度图像,再经灰度增强和模板匹配,提取电压、电流表读数,计算轴流泵功率[12]。

图3 功率测量流程

摄像机采集的图像格式为RGB，为提高处理效率，将RGB彩色图像转换为黑白灰度图像[13]，分析图像直方图，图像的R、G基色特征显著，B基色较弱。因此，提升R、G基色转换权值，降低B基色权值，可进一步增强灰度图像的数字信号特征，灰色转换方法为

P(x,y)=0.3R(x,y)+0.6G(x,y)+0.1B(x,y)。

(1)

式中:(x,y)为像素坐标;P(x,y)为黑白灰度值;R(x,y)、G(x,y)、B(x,y)分别为像素点在该坐标的颜色。

图4是进行灰度转换后的图像,数字信息清晰。仪表数字采用点阵形式显示,大小、形状及位置等特征信息较为固定,适合采用模板匹配法[14]提取图像中的数字。电压表第一个数字和第二个数字分别固定为3和5,第三和第四个数字存在变化。因此,从第三个数字开始模板匹配,具体算法如下:

图4 灰度转换效果

(1)第三个数字横坐标记为x0,仪表图像单个数字横坐标方向长度为12个像素,纵坐标方向长度为24个像素,则模板匹配窗口定为12×24。

(2)第三个和第四个数字可能为0,1,2,…,9中的任一数字,则设置10个模板,模板大小为12×24。

(3)计算仪表图像与模板图像的匹配系数rk,即

(2)

式中:fi(i,j)为仪表灰度,i=x0+1,x0+2,…,x0+n,j=1,2,…,m,l=0,1,2,…,p;Tk(i,j)为模板灰度,i=x0+1,x0+2,…,x0+n,j=1,2,…,m,k=0,1,2,…,9。

(4)比较10个匹配系数rk,rk最大时,模板图像与仪表图像一致,即仪表图像数字为模板数字。

(5)依次完成第四个数字的识别。

采用模板匹配法对图4(a)进行匹配识别,得到相应电压数字为355.3、356.8和358.4。根据识别的电压和电流数据计算得到功率。

1.2.2 视角影响测试

现场测试时摄像机安装角度存在一定偏差,可能导致图像产生变形。为提升系统适用范围,从不同视角测试摄像机采集的图像,并开展模板识别,定义累积数字识别准确数与总测试次数的比值为识别率。以摄像机法向轴线垂直仪器仪表中心,分为水平和垂直2个方向偏离,偏离角度为0°、10°、20°和30°,相应测试结果如表1所示。

表1 视角影响测试试验的识别率

测试结果表明水平向偏离20°时,识别率超过93%,而垂直向偏离10°,识别率下降到39.11%。模板匹配法中垂直向偏离引起的图像变形将导致识别率大幅下降,实际应用中,应减少垂直向偏差。

1.3 ADCP数据分析

利用走航式ADCP测量轴流泵出流后明渠断面流量。断面垂线间距设为30 cm,各垂线采用定距测量,每10 cm测量一个点流速。测量中受流态、环境噪声等干扰,部分测量数据存在一定偏差。为提升ADCP测流数据准确性[15],对测量数据进行滤波,消除偏差较大的数据,再采用三次贝塞尔插值运算对缺失数据进行填充,提升数据准确性。

滤波基准值采用移动中值法确定,与基准值偏差>±8%的测量数据视为异常数据,作为噪声消除。基准值确定流程为:

(1)根据ADCP原始数据,分别计算各垂线平均流速。

(2)以左岸为起始点,以8条垂线平均流速数据为一组,其平均值为基准值。8条垂线平均流速超过基准值的±8%的数据视为异常数据,予以删除。

(3)采用贝塞尔插值运算,对删除的垂线平均流速进行插值,填补空缺垂线平均流速。

(4)向右岸移动1条垂线,并去除最后一个数据,保证组内有8条垂线数据。

(5)重复步骤(2)—步骤(3)。

(6)完成全部数据的滤波处理,通过断面积分得到断面流量。

(3)

图5 断面垂线平均流速滤波前后对比

(4)

2 实践应用

选取无锡市新吴区某泵站,该泵站始建于2016年,主要承担排涝任务,将涝水排至京杭大运河。该泵站包括3台设计流量为1.8 m3/s的轴流泵,总流量为5.4 m3/s。近年来,该泵站负责排涝区域多次出现被淹现象,初步计算表明泵站实际出流能力小于设计排涝能力。为校核该泵站实际出流能力,运用泵站过流能力校核系统对3台轴流泵开展了校核,测试结果基本一致,其中一台泵校核数据见表2。

表2 相同功率及相同扬程条件下流量数据对比

校核结果表明泵站实际出流能力显著降低,相同功率条件下出流能力较理论值最大下降9.55%,相同扬程条件下出流能力较理论值最大下降11.52%。因此,该泵站无法满足设计排涝需求,需要增加相应水泵提升防洪排涝能力。

3 结 论

城市部分泵站实际出流能力小于设计出流能力,导致排涝能力减弱,部分城区发生了内涝。因此,对泵站过流能力进行校核对城市排涝具有重要作用。泵站过流能力校核系统实现了水位、电流电压等信息的自动采集,利用走航式ADCP测量相应流量,结合移动中值滤波法和贝塞尔插值运算,对ADCP测量数据进行滤波处理,有效提升了数据准确性。将系统应用于无锡市新吴区某泵站,经过测试相同功率条件下出流能力较理论值最大下降了9.55%,相同扬程条件下出流能力较理论值最大下降了11.52%,校核结果表明泵站实际排涝能力已显著下降,需要采取有效措施提升排涝能力。

目前仅开展数个工况条件下的流量检测,需要进一步开展多工况条件下的流量比测,评估泵站出流能力变化。另外,在多个泵站联合调度时,未考虑泵站实际出流能力变化,仅以设计流量作为计算依据,进一步降低了排涝效果。因此,有必要将泵站实际出流能力引入联合调度计算,以便制定更加科学合理的调度方案。