船闸运行动态水位监测系统及监测方法
技术领域
本发明涉及船闸水位监测技术领域，具体涉及一种船闸运行动态水位监测系统及监测方法。
背景技术
船闸水位测报系统关系船闸运行安全，船闸水位计在控制系统所应用的传感器类型中占据较为重要的地位。船闸水位计的差值信号参与船闸闸门平压启闭、水级安全、阀门声振抑制、反向水头抑制等关键工艺控制，其中，既有多支水位差值比较精度要求相对较高的控制、又有单只水位比较的相对精度要求不高的控制；既有过程显示的控制，又有转换为布尔量的状态翻转信号控制。目前的水位信息可靠性以单只水位计的可靠性为依赖，一旦水位计测量值发生飘移，整个系统可靠性迅速下降，安全风险同步上升。因此，水位计测量值的校验功能是水位计可靠性工艺控制的基本要求。
目前已知的较为有效的技术手段是单点多只(大于等于3只)测量值的表决校验方式，代价是单点水位监测成本等比例增加，且算法较布尔量的多数表决方式相对复杂。
船闸人字门平压启闭运行时，对闸门正向水头检测精度要求高。以三峡船闸为例：船闸运行时闸室水位变化最高超过40米，检测水位变化的压电型投入式传感器的量程为40～50米。为保证人字门启闭运行时其平压状态门体前后两侧水位差值在10mm以内，水位计的检测精度要求达到0.5‰。
目前，三峡船闸使用的水位计为国外进口产品，价格昂贵，且传感探头易受水下环境影响，工作性能下降较快，更换周期短。国内同类产品尚有差距，需要采用精选方式方有可能获得，但成本高；且备件供应保障存在较大的不确定性。因此，有必要在保证高可靠度的情况下，采用性价比更好的传感检测设备，研究使用寿命长、性能可靠性高的水位监测系统。
发明内容
本发明提供一种船闸运行动态水位监测系统及监测方法，能够实现船闸运行所需的水位控制信号的计算，对船闸运行水位进行动态监测，保障船闸安全运行。该系统不仅降低单点多只水位计测量方式的成本，提高船闸运行水位控制的可靠性；同时提升水位传感设备的抗干扰性，延长水位传感设备更换周期。
本发明采取的技术方案为：
船闸运行动态水位监测系统，包括光纤光栅传感器组、配线盒、光缆、光纤光栅解调器、中央处理系统。所述光纤光栅传感器组为多组，每个测量点布设一组光纤光栅传感器组，任意一组光纤光栅传感器组由一根光纤上串接多个不同反射波长的光纤光栅传感单元构成，实现单点多只传感器检测水位。多组光纤光栅传感器组连接配线盒，配线盒通过光缆连接光纤光栅解调器，光纤光栅解调器连接中央处理系统。
对于同一个水位测量点，一组光纤光栅传感器组按照一定的间距布设多个光纤光栅传感器，光纤光栅传感器组垂直放入水中，对该处水位进行分布检测，实现单点多只传感器检测水位。
所述光纤光栅传感器包括：
温度补偿光栅，用于温度补偿；
测压光栅，用于测量张力；
温补光栅与测压光栅串联，其单端固定，栅区呈完全自由状态。
所述光纤光栅传感器组包括：
至少3个不同测量范围的光纤光栅传感器，实现单点多只传感器检测；
气压补偿传感器串联在光纤光栅传感器组尾端，用于检测外界大气压；在后期处理测压光栅所测水压力值时，采用气压补偿传感器所测大气压值作为基准进行计算，用以补偿气压变化对测压光栅产生的影响，从而得出更为精准的水位值。
温度补偿光栅、测压光栅、以及气压补偿传感器串联在同一根光纤上。
所述配线盒包括多个适配器，多个适配器将分散的多个光纤光栅传感器组1与光缆3进行配线连接。
所述光缆为单模光纤制成的光缆，适合远距离信号传输。
所述中央处理系统包括CPU处理器、显示器、外设接口；CPU处理器分别连接显示器、外设接口；
CPU处理器，将光纤光栅解调器传输过来的光纤光栅传感器信号进行分析处理，得出各测量点的水位值以及各闸室水位值；同时对相邻闸室各传感器所测水位值进行差值计算，其结果与判定值进行布尔运算，得出布尔量，再根据“举手表决法”判断得出船闸运行所需要的水位控制信号；
所述测量点的水位值是CPU处理器根据气压补偿传感器所测大气压力对光纤光栅压力传感器所测值进行补偿修正，进而得出每个光纤光栅传感单元测量的水位值，再根据格拉布斯准则，剔除与其他测量值偏差较大的异常值，最后通过均值法计算各传感器组，即各测量点的水位值；
所述闸室水位值是对闸室两个测量点的水位值进行均值法计算得出的水位值；
所述判定值是根据水力学、水位计灵敏度以及船闸设备运行数据等综合计算得出，用以判断水位控制信号的值，包括开闸信号判定值、关阀信号判定值等；
所述布尔量是对相邻闸室各传感器所测水位值进行差值运算，得出的差值与判定值进行布尔运算，即两个相邻闸室传感单元的水位差值与判定值进行比较，得出“0”或“1”的布尔量；
所述“举手表决法”是对布尔量“0”或“1”数量的比较，根据少数服从多数的原则，得出最终布尔量，从而判断水位控制信号；
显示器，用于动态显示各个光纤光栅传感单元测量的实时水位值，各水位测量点水位值，各闸室水位值，各闸首水头差等水位数据，以及船闸水位控制过程显示和最终状态显示；
外设接口，将CPU处理器计算得出的闸室水位值和水位控制信号传输至船闸控制系统，从而控制船闸设备运行。
本发明一种船闸运行动态水位监测系统及监测方法，技术效果如下：
1.通过建立动态水位监测系统，实现了高水头多级船闸边工作边校验的高可靠性水位监测功能。
2.利用水位监测系统计算船闸水位控制信号，减小船闸控制系统算力负担，分散船闸控制风险。
3.通过单点多只传感器检测方式，对多个布尔量进行“举手表决”，确定最终布尔量，提高船闸运行水位控制精度及可靠性，抑制反向水头出现机率，提高船闸设备安全运行水平。
4.由于光纤光栅传感器组的特性，延长了船闸水位检测装置的使用周期，提高船闸水位检测装置的可靠性。
5.通过布设不同测量范围的光纤光栅传感器组，降低了现有船闸闸室水位单点多只传感器检测模式下的水位检测成本。
附图说明
图1是本发明系统的系统原理图。
图2是本发明系统的光纤光栅传感器组布设示意图；
其中：m表示气压补偿传感器。
图3是本发明系统的船闸运行水位动态监测流程图。
图4是本发明系统的光纤光栅传感器组布设整体示意图一。
图5是船闸示意图；
其中：10-闸墙，11-船闸人字门。
图6是光纤光栅传感器在水位井的安装示意图。
图7是本发明监测方法流程图。
图8是本发明系统的光纤光栅传感器组布设整体示意图二。
具体实施方式
如图1所示，船闸运行动态水位监测系统，包括光纤光栅传感器组1、配线盒2、光缆3、光纤光栅解调器4、中央处理系统5。
所述光纤光栅传感器组1为多组，每个测量点布设一组光纤光栅传感器组1，任意一组光纤光栅传感器组1由一根光纤上串接多个不同反射波长的光纤光栅传感单元构成，实现单点多只传感器检测水位。
多组光纤光栅传感器组1连接配线盒2，配线盒2通过光缆3连接光纤光栅解调器4，光纤光栅解调器4连接中央处理系统5。
对于同一个水位测量点，一组光纤光栅传感器组1按照一定的间距布设多个光纤光栅传感器，光纤光栅传感器组1通过水位计套管7垂直放入水位计井中，对该处水位进行分布检测，实现单点多只传感器检测水位。根据各闸室在船闸不同运行方式情况下的最低水位和最高水位，可布设不同测量范围的光纤光栅传感器，从而实现单点多只传感器检测，同时降低设备成本。
所述光纤光栅传感器包括：
温度补偿光栅，用于温度补偿；
测压光栅，用于测量张力；
温补光栅与测压光栅串联，其单端固定，栅区呈完全自由状态，不受外界应力影响，可以精确测量其所处环境的温度，对测压光栅在测量过程中因温度引起的波长漂移量实现较为精确的补偿。
所述的光纤光栅传感器组1包括：
至少3个不同测量范围的光纤光栅传感器，实现单点多只传感器检测；
气压补偿传感器，用于气压补偿；
气压补偿传感器串联在光纤光栅传感器组尾端，检测外界大气压。在后期处理测压光栅所测水压力值时可采用气压补偿传感器所测大气压值作为基准进行计算，用以补偿气压变化对测压光栅产生的影响，从而得出更为精准的水位值。该方法代替了传统光纤光栅封装时采用通气管与外界大气压连通的方式，避免了因通气管堵塞而产生的测量误差。
温度补偿光栅、测压光栅、以及气压补偿传感器串联在同一根光纤上。减小温度和气压的变化对光纤光栅传感器所测水压的影响，提高传感器检测精度。
所述水位计井是船闸现有设施，其底部与闸室连通。水位计井设置有冲淤系统，用于对水位计井和水位计套管7进行冲淤，避免传感器受淤泥影响而导致测量值不精确。
所述水位计套管7采用内径为100mm的不锈钢管，固定于水位计井中。其圆周设置有通气孔9与水位计井连通，端口设置有导向滑轮8，光纤光栅传感器经导向滑轮8放入水位计套管7，最终下放至水位计井底部。光纤光栅传感器底部设置有圆形配重块，其直径大于光纤光栅传感器，小于水位计套管7，防止光纤光栅传感器在水位计套管7内产生撞击而造成的损坏。
所述配线盒2包括多个适配器，多个适配器将分散的多个光纤光栅传感器组1与光缆3进行配线连接。
所述光缆3为单模光纤制成的光缆，适合远距离信号传输。
所述中央处理系统5包括CPU处理器、显示器、外设接口；CPU处理器分别连接显示器、外设接口；
CPU处理器，将光纤光栅解调器4传输过来的信号通过计算，得出每个光纤光栅传感单元测量的水位值；
显示器，用于动态显示各个光纤光栅传感单元测量的实时水位值，以及船闸水位控制过程显示和最终状态显示；
外设接口，将CPU处理器计算出的水位值传输至船闸控制系统6，船闸控制系统6包括船闸集控控制系统和现地控制系统。船闸集控控制系统和现地控制系统是现有系统，通过读取水位监测系统中的水位值进行布尔运算，得出船闸各闸室水位以及船闸运行水位控制所需要的布尔量，并通过“举手表决法”得出最终水位控制信号，完成船闸运行相关工艺控制。
CPU处理器采用西门子300系列PLC控制器。
显示器采用Skyworth M221F显示屏。
外设接口包括RS485接口/PCI接口/MPI接口。
光纤光栅解调器4采用MWY-FBG-DSGC光纤传感分析仪。
光纤光栅传感器组布设示意图如图2所示，以多级船闸的中间闸室为例，A为上游闸室，B为下游闸室，C为船闸人字门,D为船闸输水阀门，E为输水廊道。在上游闸室A包含测量点1#，测量点2#，测量点1#，测量点2#分别布设第一光纤光栅传感器组①、第二光纤光栅传感器组②；在下游闸室B包含测量点3#，测量点4#，测量点3#，测量点4#分别布设第三光纤光栅传感器组③、第四光纤光栅传感器组④；第一光纤光栅传感器组①、第二光纤光栅传感器组②、第三光纤光栅传感器组③、第四光纤光栅传感器组④连接到配线盒2。
假设每个光纤光栅传感器组1包含3个光纤光栅传感器，以中间闸室为例，船闸运行动态水位监测方法，如图3所示，包括以下步骤：
步骤1：将3个光纤光栅传感器以一定间距串联在同一根光纤上，光纤尾部串联气压传感器作为气压补偿，形成光纤光栅传感器组。
步骤2：将第一光纤光栅传感器组①、第二光纤光栅传感器组②、第三光纤光栅传感器组③、第四光纤光栅传感器组④分别布置如图2所示，并通过配线盒将光纤接入光缆；
步骤3：经温度补偿后的各光纤传感器检测的光信号以及气压补偿传感器的光信号通过光缆传送至光纤光栅解调器4，并通过解调器将光信号转换为电信号。
步骤4：光纤光栅解调器4处理过的电信号通过串口通信传至中央处理系统5的CPU处理器，计算得出各传感器所测压力值。
步骤5：利用各传感器组中的气压补偿传感器所测得的气压值对各组传感器压力值进行修正，并计算得出测量点1#、测量点2#、测量点3#、测量点4#不同水深下的各传感器水位值，分别为H11、H12、H13，H21、H22、H23，H31、H32、H33，H41、H42、H43；
步骤6：根据格拉布斯准则，剔除测量点误差较大的传感器测量值，再采用均值法可以计算出测量点1#、测量点2#、测量点3#、测量点4#的有效水位值H1、H2、H3、H4；
步骤7：通过对H1、H2采用均值法计算出上游闸室A的水位值HA；对H3、H4采用均值法计算出下游闸室B的水位值HB；
步骤8：输水阀门D开阀运行前，水位监测系统对上游闸室A的水位值HA与下游闸室B的水位值HB进行差值运算，再将所得差值与判定值进行布尔运算。当HA-HB＜△1时，得出布尔量“0”；当HA-HB≥△1时，得出布尔量“1”；其中，△1为开阀控制判定值。该布尔量通过外设接口传输至船闸控制系统6，作为输水阀门开启的必要条件；
步骤9：输水阀门D开启后，水位监测系统对上游闸室A的水位值HA与下游闸室B的水位值HB进行差值运算，再将所得差值与判定值进行布尔运算。当HA-HB≤△2时，得出布尔量“1”；当HA-HB>△2时，得出布尔量“0”；其中，△2为关阀控制判定值。该布尔量通过外设接口传输至船闸控制系统6，控制输水阀门关阀运行；
步骤10：在输水过程中，水位监测系统对上游闸室A的各传感器值与下游闸室B的各传感器值进行差值运算，再将所得差值与判定值进行布尔运算。例如，当H11-H31≤△3时，得出布尔量“1”；当H11-H31>△3时，得出布尔量“0”；其中，△3为开闸门控制判定值。同理，测量点1#与测量点3#、测量点2#与测量点3#、测量点1#与测量点4#、测量点2#与测量点4#的各传感器水位值进行差值运算和布尔运算，共可得出36个布尔量(根据步骤6，对于误差较大的传感器测量值不予采集，以确保水位控制信号的可靠性)；
步骤11：通过“举手表决”法，水位监测系统对步骤10得出的36个布尔量进行“表决”：当布尔量“1”数量大于布尔量“0”时，则判定此次运算结果为“1”；当布尔量“1”数量小于布尔量“0”时，则判定此次运算结果为“0”；
步骤12：通过外设接口，步骤11判定的最终布尔量传输至船闸控制系统6，控制闸门开闸运行；
步骤13：PC端通过串口通信连接CPU处理器，动态显示各传感器H11、H12、H13，H21、H22、H23、H31、H32、H33、H41、H42、H43水位值，各测量点H1、H2、H3、H4水位值，闸室HA、HB水位值，以及船闸运行所需的各项水位值和水位控制信号等信息。
