基于水工模型試驗數字信息管理系統的建設技術探討

周大鵬

（遼寧省水利水電科學研究院，遼寧沈陽 110003）

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基于水工模型試驗數字信息管理系統的建設技術探討

周大鵬

（遼寧省水利水電科學研究院，遼寧沈陽 110003）

【摘 要】水工模型試驗中數據采集具有數量大、頻次密等特征，采用電子技術和信息技術有機結合，將自動采集代替傳統人工觀測。本文闡述了從水位、流量、流速等監測項目入手，采用數字化信息管理系統實施對數據的日常監測和管理，在工作強度和效率上使日常監測的任務簡便化、規范化，保障水工模型試驗能夠安全、準確地如期完成。

【關鍵詞】水工模型；流量控制；信息管理；監控系統

1　引 言

水工模型試驗是水利工程安全、穩定、可靠運行的有力保障，是一項重要的基礎性研究工作。在按比尺縮小的模型中復演與原型相似的水流，進行水工建筑物各種水力學問題研究的試驗，用于驗證工程設計和泄流消能方式的合理性與可行性。由于模型試驗過程中需要長期、連續性的監測，安排專職技術人員開展試驗工作，尤其是觀測階段，人員投入多、勞動量大，如何采用現代化的管理手段，實施自動化監測和數字化管理是當前模型試驗亟須解決的問題。

2　研究目的

水工模型試驗內容涉及泄流建筑物、水電站、船閘、魚道等各類水工建筑物，通過模型試驗對工程布置方案進行比較、優化建筑物過流部位的體型、解決下游消能防沖、通航水流條件、結構穩定性等問題的研究，將試驗結果應用于工程實踐中。模型設計本身是對工程項目合理性的驗證，同時可通過優化模型結構來降低工程投資，并進一步發展水力學理論。

一般水工模型試驗監測需要在預定區域或斷面上布置測點，設置量測水位、流速、流量、壓強、流態、地形的儀器設備，并取得原始測讀數據。隨著電子技術和信息系統領域的科技創新，把自動監測和信息管理技術引入水工模型觀測中，將增強觀測的準確性，提高觀測的頻次，實現自動化和數字化管理，將煩瑣的工作簡單化，最終降低人員勞動強度，提高工作效率，為試驗進度安排提供富余的空間。

3　系統架構及關鍵技術

水工模型試驗數字信息管理系統作為水工模型實驗中的輔助模塊，將日常的人工觀測轉化為自動觀測。該系統結合水閘整體模型試驗開展系統功能的規劃，其系統架構主要包括給水流量自動控制系統、模型水位流速實時監測系統、試驗場視頻監控系統和監控中心建設四個部分。

3.1給水流量自動控制系統

試驗場提供對3個試驗區給水流量的自動測量、調節和控制，即主場區頭部量水堰、玻璃槽區頭部管路、副場區管路（如右圖所示）。

3.1.1供水系統

現場試驗總水源由二樓的開敞式恒位水箱統一供水，經3條獨立的管路分別向各場區提供試驗給水。主場區頭部給水由管路提供經量水堰測控，其中:小流量用三角堰，大流量由寬頂堰或三角堰配合完成。試驗所需來水流量在堰上水頭確定后，經主管路粗調和輔管路精調實現流量控制，全過程為人工測量和調節。

3.1.2 自控設計

設計主場區用電腦模擬人工過程，經主輔管路調流和量水堰反饋，實現來水流量自動控制。將試驗所需工況點流量或變流量范圍數組輸入計算機，由其控制水位計自動采集堰上水頭，經電腦運算后發出調控指令，反饋給電調機構控制閥門調節流量，全過程閉環控制，實現對已建寬頂堰或三角堰的堰上水頭-流量控制。主管路配置電磁閥以實現遠程斷流控制。其他區包括玻璃槽區頭部管路出口1處和副場區管路出口4處，安裝經電腦控制的電動調節閥門，實現與主場區同等級的來水量自動測控。

流量自動控制系統圖

3.2模型水位流速實時監測系統

3.2.1現狀分析

模型現狀水位測量采用靜壓管人工讀數，通過人工調節測針進行讀數，流速采用手持多普勒儀測速，經人工操作記錄并處理數據。

3.2.2自控設計

按照規范要求，水位測針用于測量恒定流水位，自動跟蹤水位計、壓力傳感器用于測量恒定流和非恒定流水位，波高儀用于測量水面波動，畢托管、旋槳式流速儀用于測量流速。設計采用電腦模擬人工試驗過程，在不取消人工試驗條件的前提下，自動采集各試驗點的水位和流速，實現試驗數據的電腦自動采集和處理。可采用兩種方案實施。

a.方案一:現狀系統改造。水位數據采集在現狀人工靜壓管水位測讀基礎上，于每個測壓管上安裝對應的壓力計，由計算機實現壓力（水位）數據的自動采集和處理。

流速數據采集仍用原手持多普勒儀測速，經人工操作記錄并輸入計算機，實現數據處理。

b.方案二:新建測控系統。采用經電子化的經典畢托管理論和技術，自動采集測點的壓力（水位）和流速，經數字接口傳入主控計算機實現數據采集和處理。

3.3試驗場視頻監視系統

3.3.1現狀概況

現狀僅有16個定位攝像機，分布于模型主視場上空區域，直接監視水面投入示蹤粒子的運動軌跡，實現對流場的定時拍攝和流場流態分析。其形成的視場結構因每場試驗的模型結構不同而異，由人工調整，安裝于大廳棚頂。不足之處是人工調整安裝需高空作業，勞動強度大，人員和設備的危險性高，定位點坐標很難準確。

3.3.2自控設計

設計思路采取疏密矩陣方式，實現主視場流態分析和全視場視頻監控。將大廳劃分成8個視區（編號: A、B、C、D、E、F、G、H），形成4個組（編號:［A、B］［C、D］［E、F］［G、H］）。

各視區視場設備安裝的區域范圍為15m×15m，總覆蓋區域范圍為30m×60m，安裝具備360°旋轉功能的全視場網絡高清攝像機，監控圖像經交換機轉儲至硬盤錄像機中，實現全場的監視。［C、D］［E、F］為密集區，通過配置帶預留孔矩陣的固定式輕型框架，在其中安裝視場密集型攝像機，并可依試驗模型的不同靈活調整攝像機位置，實現對主視場流場流態的定點拍攝，以便于做流場分析使用。

3.4監控中心建設

監控中心是用于采集現場必設的監測項目和監視現場的運行工況管理的中心，包括中心監控室和試驗顯示屏兩個部分。

3.4.1中心監控室

中心監控室由現狀倉儲間改造建設。試驗人員可在監控室內的操作臺實現監測數據采集、監視圖像管理、流量自動調控等。監控管理平臺為3×3的電視墻，由9臺液晶顯示器組成。下面3臺顯示器對應為網絡硬盤錄像機采集的圖像、堰體流量、模型水位流速。上面6臺顯示器對應攝像機采集的圖像，可實現多畫面的切換。視頻監視軟件采用網絡版結構，每一監視點對應固定IP，可實施遠程異地管理與控制。

水工模型試驗數字信息管理系統軟件采用C/S模式進行開發，利用組態軟件實施控制與管理，過程控制采用閉環式結構，優化水泵、閥門的控制方案，保障定時、定量、定位供水的需求，采集試驗過程中多變量的動態數據，實現資料的整編和分析。

3.4.2試驗場顯示單元

在試驗大廳的側墻上安裝彩色電子顯示屏，用于顯示場區視頻及工作成果。

4　結 語

水工模型試驗數字信息管理系統是水工模型試驗觀測工作發展的趨勢，在系統建設過程中，應遵循以下幾點:

a.根據不同模型試驗要求，量身定做適用此模型的量測自動監測項目。

b.為保障系統建設的穩定性和準確性，應在量測設備安裝前，對設備進行嚴格的率定，人工與自動進行對比試驗，滿足要求后，方可安設。

c.影像示蹤技術建議采用高像素的高清攝像設備。■

參考文獻

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DO l:1O.16616/j.cnki.11-4446/TV.2O16.O2.OO9

Discussion on the construction technology based on the hydraulic model test digital information management system

ZHOU Dapeng
（Research Institute ofWater Resources and HydroPower，Liaoning Province，Shenyang 110003，China）

Abstract：Data co11ection in the hydrau1ic mode1 test is characterized by 1arge quantity，dense frequency，etc.E1ectronic techno1ogy is organica11y combined with information techno1ogy.Automatic co11ection is used for rep1acing traditiona1 artificia1observation.In the paper，it is expounded that digita1 information management system is used for imp1ementing dai1ymonitoring and management on data from the perspectives ofwater 1eve1，f1ow capacity，ve1ocity and othermonitoring projects.Dai1ymonitoring tasks become convenient and standardized in working intensity and efficiency，thereby ensuring that hydrau1icmode1 tests can be safe1y and accurate1y comp1eted on schedu1e.

Key words：hydrau1ic mode1；f1ow contro1；information management；monitoring system

中圖分類號：TV131

文獻標志碼：A

文章編號：1005-4774（2016）02-0031-03