基于無線傳感網絡的水利樞紐閘門狀態在線監測

謝錫剛，陸云龍，汪 艷，顧靜艷

(1.無錫市錫山區城市運行管理中心，江蘇 無錫 214000；2.江蘇省望虞河錫山管理所，江蘇 無錫 214000)

作為水運交通的重要樞紐，閘門是船閘系統中不可或缺的重要組成部分之一。閘門運行狀態的穩定性和可靠性與內河航運整體的安全性直接相關[1]。當閘門發生故障時，帶來的最直接的影響就是對應的航道停航，嚴重情況下，停運的時間可能達到數月[2]，不僅會給水上運輸造成重大的經濟損失，也在一定程度上增加了下游的安全隱患。因此對水利樞紐閘門的狀態進行準確監測具有重要意義[3]。對現階段的閘門狀態監測方法進行分析可知，其主要分為3種形式，首先是人工監測，這種監測方法具有較高的精準度，但是實施難度大[4]，風險高，難以實現實時監測的效果。其次是應力形變監測，這種監測方式主要是依靠傳感器進行的[5]，通過采集到的應力變形情況，實現對閘門狀態的分析，但是該方法對于采集數據可靠性的依賴程度較高，一旦出現傳感器故障，或其他因素導致采集數據異常時[6]，將會直接影響最終的監測效果。最后是振動監測，該監測方法也是以傳感器為基礎實現的，但是受水下環境特殊性的影響，水體的振動會對傳感器采集到的數據產生一定的干擾[7]，導致對于水利樞紐閘門狀態的監測結果精度下降[8]。

為此，本文提出基于無線傳感網絡的水利樞紐閘門狀態在線監測研究，并通過對比測試的方式分析驗證了設計監測方法的實際應用效果。

1 水利樞紐閘門狀態在線監測方法設計

1.1 基于無線傳感網絡的閘門狀態數據獲取

在充分考慮環境對于數據質量的影響的條件下，本文構建了振動采集單元，實現對閘門實時振動信號的獲取，由于原始的振動信號在傳輸過程中受到水體的阻礙作用[9]，會出現不同程度的衰減，導致最終的監測結果與實際情況存在偏差[10]。為此，本文對振動頻率進行計算，并將其轉換成RS485信號的形式，在無線傳感網絡中傳輸。在具體的執行過程中，考慮到閘門的實際固有頻率一般不會超過50Hz，結合這一理論數據信息，本文以采樣定理為基礎，對振動采集頻率進行適應性設置，具體的設置標準見表1。

表1 振動采集頻率設置

按照表1所示的方式，結合具體情況，實現對閘門振動采集頻率的適應性設置。除此之外，為了保障采集數據結果的完整性和精準性，本文以瞬態響應分析需求為基礎，設置振動采集量程為±2g，對應的分辨率為0.01m/s2。一般情況下，閘門在水下的振動分為縱向振動和水平切向振動兩路，這也是振動最為明顯的兩個表現形式。為了能夠實時同步獲取上述兩路數據采集結果，本文采用具有高實時性的AD芯片—AD7606執行對兩路振動信號的同步采集。借助SPI通信方式將AD7606采集的振動信號傳輸至無線傳感網絡中，實現對片上振動數據的實時獲取。

1.2 水利樞紐閘門狀態在線監測

對于采集到的振動數據，在傳入無線傳感網絡中之前，采用FFT(Fast Fourier transform，快速傅里葉變換)計算采集數據反饋的閘門振動頻率信息。其中，傅里葉變換頻率分辨率的計算方式可以表示為：

(1)

式中，fs—閘門振動頻率分辨率參數；Fs—AD7606采集閘門振動信息時的采樣頻率參數；n—采樣點的數量。

利用有限元分析對傅里葉變換后的數據進行可分辨處理。對于閘門的振動頻率數據信息而言，在第四、五階，對應的頻率相差為定值，以此為基礎，實現對頻率的可分辨處理。在此基礎上，采用滑動窗口實時轉換對應的振動頻率，具體的實現流程分為以下幾個步驟：

步驟1：按照固定的數量規模標準對采集到的水利樞紐閘門振動狀態數據進行分割處理，具體的實現方式可以表示為：

xi=X→(T)

(2)

式中，xi—對來自無線傳感網絡的水利樞紐閘門振動狀態數據分割結果；X—無線傳感網絡輸出的整體水利樞紐閘門振動狀態數據；T—數據分割標準。

以固定的時間周期為基準實現對水利樞紐閘門振動狀態數據分割，為后續的數據預處理提供可靠的基礎。

步驟2：對分割后的數據進行去工頻干擾、去直流分量處理。無線傳感網絡輸出的數據信息受傳輸過程中干擾因素以及傳輸機制的影響，會存在一定的雜波，為了最大限度保障最終監測結果的可靠性，需對數據進行去工頻干擾處理，具體的實現方式可以表示為：

H(xi)=-∑pilnpi

(3)

式中，H(xi)—去工頻干擾后的水利樞紐閘門振動狀態數據；pi—xi水利樞紐閘門振動狀態數據的暫態頻率參數。

在此基礎上，對其進行去直流分量處理，具體的實現方式可以表示為：

(4)

式中，A(xi)—去直流分量后的水利樞紐閘門振動狀態數據；ai—xi水利樞紐閘門振動狀態數據的暫態直流參數。

按照這樣的方式，實現對無線傳感網絡輸出的數據信息的清洗。

步驟3：以處理后的水利樞紐閘門振動狀態頻譜數據為基礎，其中的最大值為T時段內閘門的振動頻率參數。

步驟4：滑動窗口至下一個分割數據，執行上述操作。

按照上述方式，實現對無線傳感網絡輸出水利樞紐閘門振動狀態數據的準確監測，為相關閘門管理工作的開展提供可靠數據基礎。

2 測試分析

2.1 測試環境準備

在測試階段，為了能夠更加直接地對本文設計水利樞紐閘門狀態在線監測方法的實際應用效果進行分析，本文設計了對比測試環境，對照組采用的方法分別為文獻[3]設計的閘門狀態監測方法、以及文獻[4]提出的閘門狀態監測方法。以正在運行的某船閘閘門為研究對象，采用模擬的方式對不同運行條件下的閘門狀態展開監測。該閘門為Ⅲ級通航建筑類型，上游和下游均的閘門均采用鋼質三角閘門。利用COMSOL分析軟件，按照閘門的實際結構信息以及尺寸信息，對其進行等比例建模處理。其中，考慮到閘門的最主要構成部分為桁架結構以及表面門葉，因此本文在物理建模時，桁架的構建階段選用了梁模型、門葉的構建階段選用了殼模型。為了最大限度還原實際門閘的物理參數狀態，將密度為7870kg/m3的CCSB作為模型的門葉材料，其楊氏模量和泊松比分別為200GPa和0.29。將密度為7870kg/m3的Q335B作為模型的閘門主體型材，對應的楊氏模量和泊松比分別為211GPa和0.33。由于在閘門的實際運行環境受實際水文條件的影響，存在非穩態的特征，因此，本文設置了以下幾種監測條件，具體見表2。

表2 閘門狀態在線監測環境條件設置

結合表2的信息，設置閘門的振動頻率為40.0Hz，分別采用3種方法閘門進行的監測，并與實際振動數據進行比較，分析其具體的監測效果。

2.2 測試結果與分析

在上述基礎上，統計了不同方法對于閘門振動情況的監測結果，得到的數據信息見表3。

表3 閘門振動狀態監測結果統計表

結合表3統計的測試結果對不同監測方法的監測效果進行分析。在文獻[3]監測方法的測試結果中，對于閘門振動頻率的監測結果與實際值(40.0Hz)的偏差基本穩定在2.0～4.5Hz區間范圍內，對應的最小誤差和最大誤差分別為2.14和4.33Hz，由此可以看出，該監測方法的精度存在進一步提升的空間。在文獻[4]監測方法的測試結果中，對于閘門振動狀態的監測結果與實際值的差異表現出了較為明顯的不穩定性，最大誤差達到了5.79Hz，最小誤差為0.15Hz。測試結果表明，該方法監測性能受客觀環境條件的影響較為明顯，對應的監測結果可靠性難以得到保障。相比之下，在本文設計監測方法的測試結果中，對于閘門振動頻率的監測結果與實際值始終保持著較高的一致性，最大誤差僅為0.12Hz，最小誤差僅為0.05Hz。綜合上述測試結果可以得出結論，本文設計的基于無線傳感網絡的水利樞紐閘門狀態在線監測方法，可以在不同環境條件下實現對閘門狀態的精準監測，具有良好的實際應用價值，能夠為閘門的維護檢修提供可靠的數據基礎。

3 結語

為了解決現有水利樞紐閘門狀態監測方法監測結果存在的誤差較大的問題，本文以水利樞紐閘門為研究對象，設計了一種基于無線傳感網絡的水利樞紐閘門狀態在線監測方法。充分利用了無線傳感網絡在數據傳輸階段的可靠性和時效性，結合快速傅里葉變換算法和有限元分析，實現了對水利樞紐閘門狀態數據的實時精準監測。但在復雜的水利樞紐環境中，信號可能會受到干擾或衰減，從而導致數據傳輸不穩定，影響閘門數據傳輸的完整性。因此在未來的研究中，將重點關注信號去噪的問題，避免影響監測結果的準確性，以期最大限度保障水運交通的順利運行。