基于遗传程序水闸综合智能化控制系统的设计

施 翔，薛萍萍，王 新

（江苏省洪泽湖水利工程管理处，江苏 淮安 223100）

0 引言

水闸作为水资源管理和防洪控制的关键基础设施，对于保障水安全、调节水资源有着不可或缺的作用。它们不仅在灌溉、供水系统中起到了至关重要的调控作用，也是防洪减灾体系中的重要组成部分。通过精确控制水位和流量，水闸确保了水资源的合理分配和有效利用，同时最大限度地减少了自然灾害的潜在风险。然而，传统控制系统往往面临一对一布线导致的系统可靠性问题。在这种布线方式下，任何单一的故障点都可能导致整个系统的故障，影响水闸的正常运行。此外，随着系统规模的扩大，布线的复杂性会急剧增加，进一步增加了维护成本和故障风险[1]。鉴于此，本研究提出了一种基于遗传程序的水闸综合智能化控制系统设计。遗传程序是一种模拟自然进化过程的搜索算法，通过迭代进化来优化解决方案。应用遗传程序于水闸控制系统设计中，可以有效地解决传统系统中存在的问题，如提高系统的适应性、可靠性和效率。通过优化控制策略和参数设置，基于遗传程序的控制系统能够自动适应环境变化，实现更加精确和稳定的水闸控制，从而有效提高水资源管理的效率和安全性[2]。

1 水闸综合智能化控制系统硬件设计

1.1 系统通信功能设计

水闸智能化控制系统的通信功能设计是确保系统运行效率和安全性的关键环节。通信功能设计采用RS485 通信标准，具有高可靠性和强抗干扰性，支持长距离通信，对于水闸这样的大型基础设施尤为重要。通过差分传输技术，RS485 设计能够在恶劣的工业环境下保持稳定的通信性能，确保水闸控制系统的数据传输准确及时，对于实现高效水资源管理和防洪控制具有重要作用。

RS485 设计的通信网络设中，485 收发器转换TTL 电平和RS485 电平。其节点中的串口控制器使用RX 和TX 信号线连接在485 收发器上，通过差分线将收发器连接至网络总线，使用差分信号提高信号传输过程中的稳定性和抗干扰能力。在该基础上，工业以太网被引入作为通信框架，提高数据传输的速度和效率[3]。通信服务器的程序流程图见图1所示。

图1 通信服务器的程序流程示意图

在构建通信服务器时，主要职能是处理通过以太网和串口收发的数据。采用编码方式明确定义各个端口接收和发送数据的数据结构，服务器能够按照既定的通信协议对串口数据进行相应的处理。

1.2 水闸监控界面设计

在水闸综合智能化控制系统中，人机交互界面的设计直接影响到操作人员与系统交互，执行命令及监测水闸运行状态。通过人机交互界面，工作人员通过输入工作参数及操作指令实现人机之间的有效沟通[4]。

人机交互界面硬件由中央处理器（CPU）、显示屏（如液晶显示屏）、通信接口（用于与控制系统及其他设备通信的接口）和数据存储单元（用于存储系统参数、用户操作记录等信息）。这些硬件设备共同工作，提供一个直观、易操作的界面给用户，从而实现对水闸系统的有效控制和监控，如图2 所示。

图2 人机界面硬件组成示意图

人机交互方式选用触摸屏设计，通过集成的触摸检测装置和控制器实现。确定采用表面声波技术的触摸屏类型，具有高精度和可靠性，该触摸屏通过屏幕四角的超声波发射和接收换能器覆盖整个屏幕，利用超声波在触摸点处的变化来精确定位触摸位置。

考虑到水闸控制的复杂性界面被分成多个不同的画面，以便于监控和控制不同的系统参数。这些画面包括闸首控制画面、电气量画面、模拟量画面、温度量画面和报警画面，每个画面都设计有特定的功能和显示信息，以便操作人员可以快速地获取所需信息并作出相应的控制决策。这种分画面设计不仅使得界面更加直观易用，也有助于提高水闸智能化系统的监控效率和控制精度。

水闸智能化控制系统的人机界面设计重点在于采用高精度的触摸屏技术，结合逻辑清晰的多画面布局，以实现对水闸运行状态的精确监控和高效控制。通过这样的设计，可以大大提高操作人员与系统之间的交互效率，确保水闸智能化系统的可靠运行。

2 基于遗传程序的水闸综合智能化控制系统软件设计

2.1 建立控制对象的传递函数

智能化控制系统软件设计中，使用遗传程序来优化和确定控制系统的数学模型，从而确保控制策略的有效性和高效性。

针对常规控制目标采用遗传程序建立传递函数：当系统输入量水压b单位阶跃变化时，输出量闸门压力p传递函数fpb(s)如式（1），电功率数值g传递函数fgb(s)如式（2）；当系统闸门开度μ单位阶跃变化时，输出量闸门压力p传递函数fpμ(s)如式（3），电功率数值g传递函数fgμ(s)如式（4）。

式中：s—终止符集，在计算过程中随机获得。

针对同时考虑多个控制目标，设计多目标遗传程序，输出适应度函数，公式如（5）。

式中：x（i，j）—在输入阶跃扰动时，系统输出量闸门压力p第j个分量对于变量i 的响应；x'（j）—实际系统输出压力p 的第j 个分量；η1和η2为权重系数，用于平衡不同分量的重要性，η1+η2=1；n—实际系统输出量的分量个数。

适应度函数的值范围为[0，1]，值越接近1，表示程序树（即遗传程序中的解决方案）越能准确地反映实际系统行为。根据适应度函数评分，选择遗传操作，复制（概率为0.1）：直接将选中的个体复制到下一代；交叉（概率为0.9）：选中的两个个体交换部分结构，生成新的个体；突变（概率为0.01）：随机改变个体的某部分，以引入新的变异。通过迭代计算，不断更新适应度函数和个体，以逐步逼近最优解。每一代的个体都是基于上一代中表现最好的个体通过遗传操作生成的。这个过程持续进行，直到满足终止条件

2.2 水闸智能化控制系统的回路控制

首先定义系统的控制目标，通过构建传递函数矩阵H（s）来实现。通过传递函数矩阵详细描述在不同控制输入下系统输出如何响应，揭示系统的动态行为。

接下来引入静态解耦网络Z，通过补偿措施减少或消除系统各输出之间的相互干扰。通过静态解耦网络的补偿，获得一个“等效对象”，反映经过解耦处理后的系统动态行为。基于上述分析和设计过程，构建出水闸智能化控制系统的回路控制结构，如图3 所示。

图3 回路控制器

由于闸门压力和电功率均采用单输入单输出（SISO）的控制策略，基于这两个SISO 对象设计的回路控制器，通过精确调节输入（如控制信号），可以获得期望的输出（如压力调节和功率分配），从而形成了良好的闭环控制特性。闭环控制系统的优点在于能够自动补偿外部扰动和系统内部的变化，保持系统输出的稳定性和准确性。

3 水闸综合智能化控制系统性能测试

3.1 实验准备

水闸综合智能化控制系统包含多个协同工作的子项目，其内部构成也相当复杂。为确保测试能够全面评估系统的实际应用性能，选择了具有代表性的安徽省荆山湖退洪闸做为实际应用场景进行测试。退洪闸的主要功能是在洪水期间控制水流，防止上游水位过高而导致的洪水灾害，这要求控制系统必须具备高度的可靠性和响应能力。退洪闸关键结构参数：闸底板高程17.0 m，单孔净宽10 m，闸室总宽度340.6 m，闸顶高程：25.8 m，闸室顺水流长度19 m。

第一，对系统内部元件故障情况进行性能测定，通过计算系统元件总故障率来实现。第二，在系统元件总故障率测试和闸门开度测试中，分别使用基于自适应遗传程序的控制系统和基于PLC 技术的控制系统。这两种控制系统的选择反映了不同技术路径在提高水闸控制系统可靠性方面的应用。

3.2 系统元件总故障率测试结果及分析

在进行系统元件总故障率的测试时，所有测试都在相同的环境条件和使用条件下进行，以确保结果的可比性。这种统一的测试条件为比较不同控制系统提供了一个公平的基础。基于自适应遗传算法控制系统电气设备状态、关闭状态时系统原件总故障率分别为25.73%、14.56%；基于PLC 技术的控制系统电气设备状态、关闭状态时系统原件总故障率分别为20.11%、10.05%；基于自适应遗传算法控制系统电气设备状态、关闭状态时系统原件总故障率分别为0.59%、0.11%。

控制系统在电气设备启动状态下的故障率普遍高于关闭状态，因为启动状态下电气设备承受的负载和压力更大，从而增加了故障的可能性。传统的控制系统，无论是基于自适应遗传程序还是基于PLC 技术的系统，其元件总故障率高于15%；相比之下基于遗传程序的智能化控制系统的元件总故障率在0.11%～0.59%之间，故障率显著降低。

从测试结果来看，基于遗传程序的智能化控制系统在可靠性方面表现出色，远超传统控制系统。这种显著的改进可能归因于智能化控制系统更高效的故障预防和管理机制，以及可能的更先进的元件选择和系统设计。

3.3 闸门开度测试结果及分析

测试中使用位移传感器来检测油缸的行程，同时通过第三方软件将油缸行程转换为闸门的开度值。测试从闸门完全关闭的位置开始，每当油缸行程增加0.5 m，就记录相应的闸门开度值，直至油缸完全伸出。

测试结果表明：在油缸行程为3.5 m 时，基于遗传程序的控制系统、自适应遗传算法的控制系统、PLC 技术控制的闸门开度达到的最大值分别为8 280 mm、4 090 mm、3 750 mm。这表明基于遗传程序的水闸综合智能化控制系统不仅元件故障率较低，在闸门动作准确性和系统可靠性方面表现更为优异。

4 结语

在水闸现有自动化控制基础上提出一种基于遗传程序的水闸综合智能化控制系统，可有效解决传统控制系统中存在的可靠性问题。通过设计对比实验，验证了基于遗传程序技术在智能化控制系统中的应用效果，特别是在提高系统可靠性方面的效果显著。基于遗传程序技术可以有效解决智能化控制系统中的可靠性问题，从而提升水闸控制系统的整体性能。