基于遺傳程序水閘綜合智能化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

施 翔，薛萍萍，王 新

（江蘇省洪澤湖水利工程管理處，江蘇 淮安 223100）

0 引言

水閘作為水資源管理和防洪控制的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)于保障水安全、調(diào)節(jié)水資源有著不可或缺的作用。它們不僅在灌溉、供水系統(tǒng)中起到了至關(guān)重要的調(diào)控作用，也是防洪減災(zāi)體系中的重要組成部分。通過精確控制水位和流量，水閘確保了水資源的合理分配和有效利用，同時(shí)最大限度地減少了自然災(zāi)害的潛在風(fēng)險(xiǎn)。然而，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)往往面臨一對(duì)一布線導(dǎo)致的系統(tǒng)可靠性問題。在這種布線方式下，任何單一的故障點(diǎn)都可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的故障，影響水閘的正常運(yùn)行。此外，隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，布線的復(fù)雜性會(huì)急劇增加，進(jìn)一步增加了維護(hù)成本和故障風(fēng)險(xiǎn)[1]。鑒于此，本研究提出了一種基于遺傳程序的水閘綜合智能化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。遺傳程序是一種模擬自然進(jìn)化過程的搜索算法，通過迭代進(jìn)化來優(yōu)化解決方案。應(yīng)用遺傳程序于水閘控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可以有效地解決傳統(tǒng)系統(tǒng)中存在的問題，如提高系統(tǒng)的適應(yīng)性、可靠性和效率。通過優(yōu)化控制策略和參數(shù)設(shè)置，基于遺傳程序的控制系統(tǒng)能夠自動(dòng)適應(yīng)環(huán)境變化，實(shí)現(xiàn)更加精確和穩(wěn)定的水閘控制，從而有效提高水資源管理的效率和安全性[2]。

1 水閘綜合智能化控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)通信功能設(shè)計(jì)

水閘智能化控制系統(tǒng)的通信功能設(shè)計(jì)是確保系統(tǒng)運(yùn)行效率和安全性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通信功能設(shè)計(jì)采用RS485 通信標(biāo)準(zhǔn)，具有高可靠性和強(qiáng)抗干擾性，支持長距離通信，對(duì)于水閘這樣的大型基礎(chǔ)設(shè)施尤為重要。通過差分傳輸技術(shù)，RS485 設(shè)計(jì)能夠在惡劣的工業(yè)環(huán)境下保持穩(wěn)定的通信性能，確保水閘控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確及時(shí)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)高效水資源管理和防洪控制具有重要作用。

RS485 設(shè)計(jì)的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)中，485 收發(fā)器轉(zhuǎn)換TTL 電平和RS485 電平。其節(jié)點(diǎn)中的串口控制器使用RX 和TX 信號(hào)線連接在485 收發(fā)器上，通過差分線將收發(fā)器連接至網(wǎng)絡(luò)總線，使用差分信號(hào)提高信號(hào)傳輸過程中的穩(wěn)定性和抗干擾能力。在該基礎(chǔ)上，工業(yè)以太網(wǎng)被引入作為通信框架，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群托蔥3]。通信服務(wù)器的程序流程圖見圖1所示。

圖1 通信服務(wù)器的程序流程示意圖

在構(gòu)建通信服務(wù)器時(shí)，主要職能是處理通過以太網(wǎng)和串口收發(fā)的數(shù)據(jù)。采用編碼方式明確定義各個(gè)端口接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，服務(wù)器能夠按照既定的通信協(xié)議對(duì)串口數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。

1.2 水閘監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

在水閘綜合智能化控制系統(tǒng)中，人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)直接影響到操作人員與系統(tǒng)交互，執(zhí)行命令及監(jiān)測(cè)水閘運(yùn)行狀態(tài)。通過人機(jī)交互界面，工作人員通過輸入工作參數(shù)及操作指令實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間的有效溝通[4]。

人機(jī)交互界面硬件由中央處理器（CPU）、顯示屏（如液晶顯示屏）、通信接口（用于與控制系統(tǒng)及其他設(shè)備通信的接口）和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元（用于存儲(chǔ)系統(tǒng)參數(shù)、用戶操作記錄等信息）。這些硬件設(shè)備共同工作，提供一個(gè)直觀、易操作的界面給用戶，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水閘系統(tǒng)的有效控制和監(jiān)控，如圖2 所示。

圖2 人機(jī)界面硬件組成示意圖

人機(jī)交互方式選用觸摸屏設(shè)計(jì)，通過集成的觸摸檢測(cè)裝置和控制器實(shí)現(xiàn)。確定采用表面聲波技術(shù)的觸摸屏類型，具有高精度和可靠性，該觸摸屏通過屏幕四角的超聲波發(fā)射和接收換能器覆蓋整個(gè)屏幕，利用超聲波在觸摸點(diǎn)處的變化來精確定位觸摸位置。

考慮到水閘控制的復(fù)雜性界面被分成多個(gè)不同的畫面，以便于監(jiān)控和控制不同的系統(tǒng)參數(shù)。這些畫面包括閘首控制畫面、電氣量畫面、模擬量畫面、溫度量畫面和報(bào)警畫面，每個(gè)畫面都設(shè)計(jì)有特定的功能和顯示信息，以便操作人員可以快速地獲取所需信息并作出相應(yīng)的控制決策。這種分畫面設(shè)計(jì)不僅使得界面更加直觀易用，也有助于提高水閘智能化系統(tǒng)的監(jiān)控效率和控制精度。

水閘智能化控制系統(tǒng)的人機(jī)界面設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于采用高精度的觸摸屏技術(shù)，結(jié)合邏輯清晰的多畫面布局，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水閘運(yùn)行狀態(tài)的精確監(jiān)控和高效控制。通過這樣的設(shè)計(jì)，可以大大提高操作人員與系統(tǒng)之間的交互效率，確保水閘智能化系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

2 基于遺傳程序的水閘綜合智能化控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 建立控制對(duì)象的傳遞函數(shù)

智能化控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，使用遺傳程序來優(yōu)化和確定控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，從而確?？刂撇呗缘挠行院透咝?。

針對(duì)常規(guī)控制目標(biāo)采用遺傳程序建立傳遞函數(shù)：當(dāng)系統(tǒng)輸入量水壓b單位階躍變化時(shí)，輸出量閘門壓力p傳遞函數(shù)fpb(s)如式（1），電功率數(shù)值g傳遞函數(shù)fgb(s)如式（2）；當(dāng)系統(tǒng)閘門開度μ單位階躍變化時(shí)，輸出量閘門壓力p傳遞函數(shù)fpμ(s)如式（3），電功率數(shù)值g傳遞函數(shù)fgμ(s)如式（4）。

式中：s—終止符集，在計(jì)算過程中隨機(jī)獲得。

針對(duì)同時(shí)考慮多個(gè)控制目標(biāo)，設(shè)計(jì)多目標(biāo)遺傳程序，輸出適應(yīng)度函數(shù)，公式如（5）。

式中：x（i，j）—在輸入階躍擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)輸出量閘門壓力p第j個(gè)分量對(duì)于變量i 的響應(yīng)；x'（j）—實(shí)際系統(tǒng)輸出壓力p 的第j 個(gè)分量；η1和η2為權(quán)重系數(shù)，用于平衡不同分量的重要性，η1+η2=1；n—實(shí)際系統(tǒng)輸出量的分量個(gè)數(shù)。

適應(yīng)度函數(shù)的值范圍為[0，1]，值越接近1，表示程序樹（即遺傳程序中的解決方案）越能準(zhǔn)確地反映實(shí)際系統(tǒng)行為。根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)評(píng)分，選擇遺傳操作，復(fù)制（概率為0.1）：直接將選中的個(gè)體復(fù)制到下一代；交叉（概率為0.9）：選中的兩個(gè)個(gè)體交換部分結(jié)構(gòu)，生成新的個(gè)體；突變（概率為0.01）：隨機(jī)改變個(gè)體的某部分，以引入新的變異。通過迭代計(jì)算，不斷更新適應(yīng)度函數(shù)和個(gè)體，以逐步逼近最優(yōu)解。每一代的個(gè)體都是基于上一代中表現(xiàn)最好的個(gè)體通過遺傳操作生成的。這個(gè)過程持續(xù)進(jìn)行，直到滿足終止條件

2.2 水閘智能化控制系統(tǒng)的回路控制

首先定義系統(tǒng)的控制目標(biāo)，通過構(gòu)建傳遞函數(shù)矩陣H（s）來實(shí)現(xiàn)。通過傳遞函數(shù)矩陣詳細(xì)描述在不同控制輸入下系統(tǒng)輸出如何響應(yīng)，揭示系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為。

接下來引入靜態(tài)解耦網(wǎng)絡(luò)Z，通過補(bǔ)償措施減少或消除系統(tǒng)各輸出之間的相互干擾。通過靜態(tài)解耦網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)償，獲得一個(gè)“等效對(duì)象”，反映經(jīng)過解耦處理后的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為?；谏鲜龇治龊驮O(shè)計(jì)過程，構(gòu)建出水閘智能化控制系統(tǒng)的回路控制結(jié)構(gòu)，如圖3 所示。

圖3 回路控制器

由于閘門壓力和電功率均采用單輸入單輸出（SISO）的控制策略，基于這兩個(gè)SISO 對(duì)象設(shè)計(jì)的回路控制器，通過精確調(diào)節(jié)輸入（如控制信號(hào)），可以獲得期望的輸出（如壓力調(diào)節(jié)和功率分配），從而形成了良好的閉環(huán)控制特性。閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于能夠自動(dòng)補(bǔ)償外部擾動(dòng)和系統(tǒng)內(nèi)部的變化，保持系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

3 水閘綜合智能化控制系統(tǒng)性能測(cè)試

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

水閘綜合智能化控制系統(tǒng)包含多個(gè)協(xié)同工作的子項(xiàng)目，其內(nèi)部構(gòu)成也相當(dāng)復(fù)雜。為確保測(cè)試能夠全面評(píng)估系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用性能，選擇了具有代表性的安徽省荊山湖退洪閘做為實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)試。退洪閘的主要功能是在洪水期間控制水流，防止上游水位過高而導(dǎo)致的洪水災(zāi)害，這要求控制系統(tǒng)必須具備高度的可靠性和響應(yīng)能力。退洪閘關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)：閘底板高程17.0 m，單孔凈寬10 m，閘室總寬度340.6 m，閘頂高程：25.8 m，閘室順?biāo)鏖L度19 m。

第一，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部元件故障情況進(jìn)行性能測(cè)定，通過計(jì)算系統(tǒng)元件總故障率來實(shí)現(xiàn)。第二，在系統(tǒng)元件總故障率測(cè)試和閘門開度測(cè)試中，分別使用基于自適應(yīng)遺傳程序的控制系統(tǒng)和基于PLC 技術(shù)的控制系統(tǒng)。這兩種控制系統(tǒng)的選擇反映了不同技術(shù)路徑在提高水閘控制系統(tǒng)可靠性方面的應(yīng)用。

3.2 系統(tǒng)元件總故障率測(cè)試結(jié)果及分析

在進(jìn)行系統(tǒng)元件總故障率的測(cè)試時(shí)，所有測(cè)試都在相同的環(huán)境條件和使用條件下進(jìn)行，以確保結(jié)果的可比性。這種統(tǒng)一的測(cè)試條件為比較不同控制系統(tǒng)提供了一個(gè)公平的基礎(chǔ)?；谧赃m應(yīng)遺傳算法控制系統(tǒng)電氣設(shè)備狀態(tài)、關(guān)閉狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)原件總故障率分別為25.73%、14.56%；基于PLC 技術(shù)的控制系統(tǒng)電氣設(shè)備狀態(tài)、關(guān)閉狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)原件總故障率分別為20.11%、10.05%；基于自適應(yīng)遺傳算法控制系統(tǒng)電氣設(shè)備狀態(tài)、關(guān)閉狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)原件總故障率分別為0.59%、0.11%。

控制系統(tǒng)在電氣設(shè)備啟動(dòng)狀態(tài)下的故障率普遍高于關(guān)閉狀態(tài)，因?yàn)閱?dòng)狀態(tài)下電氣設(shè)備承受的負(fù)載和壓力更大，從而增加了故障的可能性。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，無論是基于自適應(yīng)遺傳程序還是基于PLC 技術(shù)的系統(tǒng)，其元件總故障率高于15%；相比之下基于遺傳程序的智能化控制系統(tǒng)的元件總故障率在0.11%～0.59%之間，故障率顯著降低。

從測(cè)試結(jié)果來看，基于遺傳程序的智能化控制系統(tǒng)在可靠性方面表現(xiàn)出色，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)控制系統(tǒng)。這種顯著的改進(jìn)可能歸因于智能化控制系統(tǒng)更高效的故障預(yù)防和管理機(jī)制，以及可能的更先進(jìn)的元件選擇和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3.3 閘門開度測(cè)試結(jié)果及分析

測(cè)試中使用位移傳感器來檢測(cè)油缸的行程，同時(shí)通過第三方軟件將油缸行程轉(zhuǎn)換為閘門的開度值。測(cè)試從閘門完全關(guān)閉的位置開始，每當(dāng)油缸行程增加0.5 m，就記錄相應(yīng)的閘門開度值，直至油缸完全伸出。

測(cè)試結(jié)果表明：在油缸行程為3.5 m 時(shí)，基于遺傳程序的控制系統(tǒng)、自適應(yīng)遺傳算法的控制系統(tǒng)、PLC 技術(shù)控制的閘門開度達(dá)到的最大值分別為8 280 mm、4 090 mm、3 750 mm。這表明基于遺傳程序的水閘綜合智能化控制系統(tǒng)不僅元件故障率較低，在閘門動(dòng)作準(zhǔn)確性和系統(tǒng)可靠性方面表現(xiàn)更為優(yōu)異。

4 結(jié)語

在水閘現(xiàn)有自動(dòng)化控制基礎(chǔ)上提出一種基于遺傳程序的水閘綜合智能化控制系統(tǒng)，可有效解決傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中存在的可靠性問題。通過設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了基于遺傳程序技術(shù)在智能化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用效果，特別是在提高系統(tǒng)可靠性方面的效果顯著?；谶z傳程序技術(shù)可以有效解決智能化控制系統(tǒng)中的可靠性問題，從而提升水閘控制系統(tǒng)的整體性能。