CN103669313B - 一种内河船闸水位的测试控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内河船闸水位的测试控制装置及方法，所述装置包括PLC、信息对比分析模块、水位检测传感器和船舶位置检测器、所述的PLC中设置有控制模块，且所述的控制模块分别与信息对比分析模块和船闸启闭装置连通，而所述的信息对比分析模块则与水位检测传感器和船舶位置检测器分别连通。本发明结构简单、材料易得，且能够准确、简便部署，能精确测定船闸上下游水位，并判断闸内船舶是否在安全距离，为船闸自动启闭的实际应用提供可靠的理论基础和方法参考，实现了船闸的自动控制。

Description

一种内河船闸水位的测试控制装置及方法

技术领域

本发明涉及一种内河船闸水位的测试控制装置及方法，属于船舶自动化技术领域。

背景技术

随着电子技术和微机控制技术的日益发展，液压技术也朝着智能化方向迈进，其中，微机电控制技术成为船闸控制系统发展的核心，结合电子技术和微机控制技术，引进新一代的工业控制装置PLC和计算机，新的船闸液压控制系统开始在内河推广，当前的船闸控制系统具备人机界面良好、自动化程度和控制精度高的优势，引进智能控制技术，能实现实时和远程监控，但总的趋势是船闸水位的测试与控制还不完善，这极大地影响了船闸控制系统的自动化。

船闸控制系统主要包括现地控制系统和集中控制系统。集中监控系统负责三峡船闸过闸流程的逻辑关系控制与保护，包括船闸过闸工艺流程和船闸闸门、阀门之间的闭锁保护控制条件，对现地控制站发布控制命令，并采集各现地控制站的运行状态等信息。

船闸控制系统的核心是船闸启闭系统。船闸启闭控制系统经过了机械传动、电气传动、液压传动的发展过程。最初的船闸启闭操作是由机械传动通过手动完成的，精度低，不能进行无级调速，结构复杂，且实现困难，故障率频繁。人们转向了其它更适合船闸启闭的传动方式，液压传动成为了主要采用的方式，与上述其它传动方式相比，液压传动有如下特点:单位重量输出功率大，容易获得很大的力矩；惯性小，启动、制动迅速，运动平稳，可以快速而无冲击地变速和换向：调速方便，能在运行中进行无级调速，操纵简便，易于实现远距离操纵和自动控制；由于系统充满油液，对各液压元件有自润滑和冷却作用，容易实现过载保护。

随着电气自动化的发展，引进电气传动实现船闸的启闭操作成为现实，它的优点在于能量传递方便、信号传递迅速，标准化程度高，且易于实现自动化控制，不过电气传动的运动平稳性比较差，容易受到外界负载的影响；成本也相对较高，受温度、湿度以及振动等环境影响较大。

国内和国际上早己形成了多种水位测量方法，根据应用场合以及要求不同，所使用传感器的各项技术指标也有较大区别。目前，国内外水位测量方法从原理上大致可分为以下四种类型：

1）非接触法:声学、电容接近式、射频和微波法、辐射法；

2）机械法:浮子法、平衡浮子法和称重法；

3）流体静压头压力检测：如应变计和电容压力传感器；

4）插入探头法：包括尖端敏感型、倾斜式等。

但由于内河水位往往落差较大、水质混浊，现有的水位传感器及应用往往存在不足，无法实现准确水位、无法自动判断上下游水位是否配平，无法实现船闸前后启闭的自动化。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种结构简单、材料易得，且能够提高船闸启闭自动化程度的内河船闸水位的测试控制装置及方法。

为达到上述目的，本发明是通过以下的技术方案来实现的：

一种内河船闸水位的测试控制装置，其特征在于，包括PLC、信息对比分析模块、水位检测传感器和船舶位置检测器、所述的PLC中设置有控制模块，且所述的控制模块分别与信息对比分析模块和船闸启闭装置连通，而所述的信息对比分析模块则与水位检测传感器和船舶位置检测器分别连通。

进一步，所述的水位检测传感器包括两个设置在船闸上水位2米处的压差式水位检测传感器和两个设置在船闸下水位2米处的超声波式水位传感器，且所述的压差式水位检测传感器和超声波式水位传感器两两对应设置。

根据权利要求1所述的一种内河船闸水位的测试控制装置，其特征在于，所述的船舶位置检测器包括RFID卡和RFID读卡器，所述的RFID卡设置在船舶上，而所述的RFID读卡器则设置有两套，分别设置有船闸上水位、船闸下水位、待闸区和闸室中间，可感知船舶位置。

进一步，内河船闸水位的测试控制装置还包括声光报警装置，所述的声光报警装置与所述的控制模块连通，且所述的声光报警装置设置在闸门入口处。

更进一步，内河船闸水位的测试控制装置还包括视频采集装置，所述的视频采集装置与所述的控制模块连通，且所述的视频采集装置设置在闸门入口处。

而所述的信息对比分析模块包括嵌入式压差式水位的贝叶斯预测方法与超声波检测水位的功率谱分析算法的主攻模块。

一种内河船闸水位的测试控制方法，其特征在于，以船闸闭合、正在排放水为初始状态，包括以下步骤：

（1）将水位检测传感器设置在船闸上、下水位2米处，同时在船舶上安装RFID卡，而在上水位、下水位、待闸区和闸室中间均安装RFID读卡器，同时将水位检测传感器和船舶位置检测器与信息对比分析模块连通，同时将信息对比分析模块与PLC中设置的控制模块连通；

（2）根据船舶位置检测器判断船舶上的RFID卡是否触发RFID读卡器，若触发，将所述的触发信息传送到控制模块，所述的控制模块控制船闸启闭装置不动作；

（3）根据水位检测传感器采集的水位信息，经信息对比分析模块判断船闸上下水位是否配平，若不配平，所述的控制模块控制船闸启闭装置不动作，若配平，则所述的控制模块控制船闸启闭装置开启；

（4）根据RFID读卡器的触发情况，判断船舶是否通过，然后进入船闸启闭的下一个流程。

更进一步，所述的信息对比分析模块包括嵌入式压差式水位的贝叶斯预测方法与超声波检测水位的功率谱分析算法的主攻模块，且所述的信息对比分析模块的具体比对过程为：

1）数据获取：获取两个设置在船闸上水位2米处的压差式水位检测传感器和两个设置在船闸下水位2米处的超声波式水位传感器采集的数据信息；

2）数据分析：

①若步骤1）所述的四个传感器的数据信息显示船闸的上游和下游水位相同，则开启船闸；

②若其中一个传感器的数据信息明显不同于其他三个传感器的数据信息，则抛弃改数据，并进行人工辅助检查，判断是否传感器故障；

③若传感器信息两两不同，则需要应用压差式水位的贝叶斯预测方法与超声波检测水位的功率谱分析算法进行数据分析；

所述的贝叶斯预测方法为：

建立压差式水位计启闭船闸的样本集，建立训练样本集，利用式（Ι）计算启闭的概率，

（Ι）

超声波检测水位检测结果是一串连续的离散数据，依据功率谱分析法，得到启闭时的阈值，然后将压差式水位计的启闭概率与超声波水位检测的结果相对比；

3）结果输出：船闸根据信息对比分析模块的输出结果输出启闭信号，进行启闭动作。

本发明的有益效果是：本发明结构简单、材料易得，且能够准确、简便部署，能精确测定船闸上下游水位，并判断闸内船舶是否在安全距离，为船闸自动启闭的实际应用提供可靠的理论基础和方法参考，实现了船闸的自动控制，而由于采用了多个传感器，因此提升了水位检测的准确性和精度，且可实现水位检测的容错自判断功能，自适应输出检测结果。

附图说明

图1为本发明一实施例的结构示意图。

图中主要附图标记含义为：

1、水位检测传感器2、船舶位置检测器3、信息对比分析模块

4、PLC5、船闸启闭装置。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明进行具体的介绍。

图1为本发明一实施例的结构示意图。

如图1和所示：内河船闸水位的测试控制装置，包括PLC4、信息对比分析模块3、水位检测传感器1和船舶位置检测器2、所述的PLC4中设置有控制模块，且所述的控制模块分别与信息对比分析模块3和船闸启闭装置5连通，而所述的信息对比分析模块3则与水位检测传感器1和船舶位置检测器2分别连通，且在本实施方式中，所述的控制模块包括ARMCortexM3控制MCU，而所述的信息对比分析模块3包括嵌入式压差式水位的贝叶斯预测方法与超声波检测水位的功率谱分析算法的主攻模块。

在本实施方式中，所述的水位检测传感器1包括两个设置在船闸上水位2米处的压差式水位检测传感器和两个设置在船闸下水位2米处的超声波式水位传感器，且所述的压差式水位检测传感器和超声波式水位传感器两两对应设置，在本实施方式中，所述的压差式水位检测传感器的型号为美国GlobalWater的WL450型投入式压力水位传感器，采用316L不锈钢封装，全温区、全量程数字温度补偿，测量水深4.5米，而所述的超声波式水位传感器的型号为美国GlobalWater的WL705，测试水深范围为0.10-3.66m。

而所述的船舶位置检测器2包括RFID卡和RFID读卡器，所述的RFID卡设置在船舶上，而所述的RFID读卡器则设置有两套，分别设置有船闸上水位1米处、船闸下水位1米处、待闸区和闸室中间，且在本实施方式中，所述的RFID读卡器的品牌为奥德斯，型号为ADS-810。

当然，为了实现报警提醒功能，内河船闸水位的测试控制装置还可以包括声光报警装置，所述的声光报警装置与所述的控制模块连通，且所述的声光报警装置设置在闸门入口处。

内河船闸水位的测试控制装置还可以包括视频采集装置，所述的视频采集装置与所述的控制模块连通，且所述的视频采集装置设置在闸门入口处。

上述的内河船闸水位的测试控制方法则包括以下步骤：

以船闸闭合、正在排放水为初始状态，

（1）将水位检测传感器1设置在船闸上、下水位2米处，同时在船舶上安装RFID卡，而在上、下水位1米处安装RFID读卡器，同时将水位检测传感器1和船舶位置检测器2与信息对比分析模块3连通，同时将信息对比分析模块3与PLC4中设置的控制模块连通；

（2）根据船舶位置检测器2判断船舶上的RFID卡是否触发RFID读卡器，若触发，将所述的触发信息传送到控制模块，所述的控制模块控制船闸启闭装置5不动作；

（3）根据水位检测传感器1采集的水位信息，经信息对比分析模块3判断船闸上下水位是否配平，若不配平，所述的控制模块控制船闸启闭装置5不动作，若配平，则所述的控制模块控制船闸启闭装置5开启；

（4）根据RFID读卡器的触发情况，判断船舶是否通过，然后进入船闸启闭的下一个流程。

所述的信息对比分析模块包括嵌入式压差式水位的贝叶斯预测方法与超声波检测水位的功率谱分析算法的主攻模块，且所述的信息对比分析模块的具体比对过程为：

1）数据获取：获取两个设置在船闸上水位2米处的压差式水位检测传感器和两个设置在船闸下水位2米处的超声波式水位传感器采集的数据信息；

2）数据分析：

①若步骤1）所述的四个传感器的数据信息显示船闸的上游和下游水位相同，则开启船闸；

②若其中一个传感器的数据信息明显不同于其他三个传感器的数据信息，则抛弃改数据，并进行人工辅助检查，判断是否传感器故障；

③若传感器信息两两不同，则需要应用压差式水位的贝叶斯预测方法与超声波检测水位的功率谱分析算法进行数据分析；

所述的贝叶斯预测方法为：

建立压差式水位计启闭船闸的样本集，建立训练样本集，利用式（Ι）计算启闭的概率，

（Ι）

超声波检测水位检测结果是一串连续的离散数据，依据功率谱分析法，得到启闭时的阈值，然后将压差式水位计的启闭概率与超声波水位检测的结果相对比；

3）结果输出：船闸根据信息对比分析模块的输出结果输出启闭信号，进行启闭动作。

本发明结构简单、材料易得，且能够准确、简便部署，能精确测定船闸上下游水位，并判断闸内船舶是否在安全距离，为船闸自动启闭的实际应用提供可靠的理论基础和方法参考，实现了船闸的自动控制，本发明完全可利用船闸启闭与水位计的当前数据，实现信息对比分析模块对船闸动作的自适应控制。

本发明按照上述实施例进行了说明应当理解，上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采用等同替换或等效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种内河船闸水位的测试控制装置，其特征在于，包括PLC、信息对比分析模块、水位检测传感器和船舶位置检测器； 所述的PLC中设置有控制模块，且所述的控制模块分别与信息对比分析模块和船闸启闭装置连通，而所述的信息对比分析模块则与水位检测传感器和船舶位置检测器分别连通，所述的水位检测传感器包括两个设置在船闸上水位2米处的压差式水位检测传感器和两个设置在船闸下水位2米处的超声波式水位传感器，且所述的压差式水位检测传感器和超声波式水位传感器两两对应设置，而所述的船舶位置检测器包括RFID卡和RFID读卡器，所述的RFID卡设置在船舶上，而所述的RFID读卡器则设置有两套，分别设置有船闸上水位、船闸下水位、待闸区和闸室中间。

2.根据权利要求1所述的一种内河船闸水位的测试控制装置，其特征在于，还包括声光报警装置，所述的声光报警装置与所述的控制模块连通，且所述的声光报警装置设置在闸门入口处。

3.根据权利要求1所述的一种内河船闸水位的测试控制装置，其特征在于，还包括视频采集装置，所述的视频采集装置与所述的控制模块连通，且所述的视频采集装置设置在闸门入口处。

4.根据权利要求1所述的一种内河船闸水位的测试控制装置，其特征在于，所述的信息对比分析模块包括嵌入式压差式水位的贝叶斯预测方法与超声波检测水位的功率谱分析算法的主攻模块。

5.一种内河船闸水位的测试控制方法，其特征在于，以船闸闭合、正在排放水为初始状态，包括以下步骤：

（1）将水位检测传感器设置在船闸上、下水位2米处，同时在船舶上安装RFID卡，而在上水位、下水位、待闸区和闸室中间均安装RFID读卡器，同时将水位检测传感器和船舶位置检测器与信息对比分析模块连通，同时将信息对比分析模块与PLC中设置的控制模块连通；

（2）根据船舶位置检测器判断船舶上的RFID卡是否触发RFID读卡器，若触发，将所述的触发信息传送到控制模块，所述的控制模块控制船闸启闭装置不动作；

（3）根据水位检测传感器采集的水位信息，经信息对比分析模块判断船闸上下水位是否配平，若不配平，所述的控制模块控制船闸启闭装置不动作，若配平，则所述的控制模块控制船闸启闭装置开启；

（4）根据RFID读卡器的触发情况，判断船舶是否通过，然后进入船闸启闭的下一个流程。

6.根据权利要求5所述的一种内河船闸水位的测试控制方法，其特征在于，所述的信息对比分析模块包括嵌入式压差式水位的贝叶斯预测方法与超声波检测水位的功率谱分析算法的主攻模块，且所述的信息对比分析模块的具体比对过程为：

1）数据获取：获取两个设置在船闸上水位2米处的压差式水位检测传感器和两个设置在船闸下水位2米处的超声波式水位传感器采集的数据信息；

2）数据分析：

①若步骤1）所述的四个传感器的数据信息显示船闸的上游和下游水位相同，则开启船闸；

②若其中一个传感器的数据信息明显不同于其他三个传感器的数据信息，则抛弃改数据，并进行人工辅助检查，判断是否传感器故障；

③若传感器信息两两不同，则需要应用压差式水位的贝叶斯预测方法与超声波检测水位的功率谱分析算法进行数据分析；

所述的贝叶斯预测方法为：

建立压差式水位计启闭船闸的样本集，建立训练样本集，利用式（Ι）计算启闭的概率，

（Ι）

超声波检测水位检测结果是一串连续的离散数据，依据功率谱分析法，得到启闭时的阈值，然后将压差式水位计的启闭概率与超声波水位检测的结果相对比；

3）结果输出：船闸根据信息对比分析模块的输出结果输出启闭信号，进行启闭动作。