CN110008586A - 一种闸门安全评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种闸门安全评估方法，其特征在于包括以下步骤：(1)对水工闸门在不同开度下、不同速度时，闸门振动测试数据进行分析，并建立基于反距离加权的闸门标准振动模型；(2)将测试状态下，闸门在当前运行工况的参数数据代入训练好的闸门标准振动模型，计算当前运行工况下的闸门振动的安全标准值，将安全标准值和当前工况的实测值输入闸门振动安全评估模型，得到闸门的安全评估状态。本发明基于能较全面地描述闸门振动的变化过程，能提早发现闸门运行过程中可能出现的异常，有很好的实用性，同时有很快的计算速度和很高计算精度，可以广泛应用于闸门的安全评估领域。

Description

一种闸门安全评估方法

技术领域

本发明涉及一种闸门安全评估方法，特别是关于一种基于反距离加权模型的闸门安全评估方法，属于闸门安全评估领域。

背景技术

弧形钢闸门由于具有不设门槽，启闭力较小，运转可靠、泄流条件好，且能满足各种类型泄水孔道需要的优点，已经成为水工建筑物中运用最为广泛的一种门型。

弧形闸门在启闭过程中或局部开启时，都可能发生振动。而且，由于闸门设计、安装、设备质量问题及闸门老化、腐蚀等结构静态损伤，使得闸门运行时会产生强烈的振动。闸门的强烈振动，会引起闸门金属构件疲劳、变形、焊缝开裂、紧固件松动、止水破坏以致闸门整体结构破坏等，进而给整个水利枢纽和下游人民生命财产带来巨大的隐患。因此，应及时准确掌握闸门的动态特性参数和自振特性的规律，及时发现并解决闸门相关设备的故障、隐患及存在的问题，以保持设备完好，确保水利枢纽的运行安全。

然而，弧形闸门振动是一个非常复杂的问题，是影响水利枢纽安全运行的一大隐患。目前尚未有考虑闸门开度、起/闭运行速度时，对闸门振动建立预警模型的研究。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种闸门安全评估方法，基于反距离加权模型，建立能自适应其工况变化的、精细的闸门安全评估方法，及时获取闸门的真实可靠的状态信息。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种闸门安全评估方法，其包括以下步骤：

(1)对预先获取的水工闸门在不同开度下、不同起/闭速度时，闸门振动测试数据进行分析，并建立基于反距离加权的闸门标准振动模型；

(2)将测试状态下，闸门在当前运行工况的参数数据代入训练好的闸门标准振动模型，计算当前运行工况下的闸门振动的安全标准值，将安全标准值和当前工况的实测值输入闸门振动安全评估模型，得到闸门的安全评估状态。

进一步的，所述步骤(1)中，对水工闸门在不同开度下、不同起/闭速度时，闸门振动测试数据进行分析，并建立基于反距离加权的闸门标准振动模型的方法，包括以下步骤：

(1.1)确定闸门在各种运行工况下的安全标准状态；

(1.2)选取能反映闸门运行状态的敏感特征参数，同时选取该闸门运行状态良好时，不同运行工况时的振动数据作为健康标准样本数据，从健康标准样本数据中随机选取若干组作为标准样本，剩余数据作为测试样本；

(1.3)将闸门在安全标准状态下，它在各种运行工况下的特征参数的标准样本数据输入反距离加权模型进行训练，并用测试样本数据进行验证，得到基于反距离加权的闸门标准振动模型。

进一步的，所述步骤(1.2)中，选取健康标准样本数据的原则为：能够覆盖闸门可能的起门速度和闸门开度变化区间。

进一步的，所述步骤(1.3)中，建立的基于反距离加权的闸门标准振动模型为：

式中：Z(v_i,h_i)为在样本点(v_i,h_i)处的实测振动值，v_i为样本点对应的起门速度，h_i为样本点对应的闸门开度；为在待预测点(v,h)处的预测振动值，v为待预测点对应的起门速度，h为待预测点对应的闸门开度；n为样本数；w_i为距离权重，计算公式为：

式中，d_i(v,h)为待预测点(v,h)与样本点(v_i,h_i)之间的欧式距离，P为幂指数。

进一步的，所述步骤(2)中，建立的闸门振动安全评估模型为：

式中：Z(i)为计算出的闸门振动标准值；r(i)为实测振动数据；i表示第i个闸门测试数据；w为预警阈值。

进一步的，所述预警阈值为50％。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明提出的基于反距离加权模型的闸门安全评估模型，实现了闸门运行工况和状态参数的有机耦合，可以及时充分地考虑闸门运行工况的变化过程，提高了反距离加权模型的精度，基于该反距离加权模型获取的闸门振动信息更贴近实际。2、本发明根据闸门安全评估模型以及闸门当前的实测数据，对闸门振动状态进行评估，能较全面地描述闸门振动的变化过程，提早发现闸门运行过程中可能出现的异常，有很好的实用性，同时有很快的计算速度和很高计算精度，能获得全生命周期的闸门性能演化趋势，能及时发现闸门振动的异常，非常适合弧形钢闸门振动的异常检测。因此，本发明可以广泛应用于闸门安全评估领域。

附图说明

图1是本发明实施例中闸门发生故障时的安全评估结果；

图2是本发明实施例中闸门运行正常时的安全评估结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明提出的一种闸门安全评估方法，根据弧形钢闸门的自身特性，基于反距离加权模型，建立能自适应其工况变化的、精细的闸门安全评估方法，现场运行人员能及时获取闸门的真实可靠的状态信息，以便做出准确的决策。具体的，包括以下步骤：

(1)对预先获取的水工闸门在不同开度下、不同速度时，闸门振动测试数据进行分析，并建立基于反距离加权的闸门标准振动模型；

具体的，包括以下步骤：

(1.1)对水工闸门在不同开度下、不同速度时的闸门振动测试数据进行深入分析，确定闸门在各种运行工况下的安全标准状态。

(1.2)选取能反映闸门运行状态的敏感特征参数，同时选取该闸门在安全标准运行状态时，不同运行工况(不同闸门开度、不同起门速度)对应的振动数据作为健康标准样本数据，从健康标准样本数据中随机选取若干组作为标准样本，剩余数据作为测试样本。其中，所选取的健康标准样本数据要尽量覆盖闸门可能的起门速度和闸门开度变化区间。

(1.3)将闸门在安全标准状态下，它在各种运行工况下的特征参数的标准样本数据输入反距离加权模型进行训练，并用测试样本数据进行验证，得到基于反距离加权的闸门标准振动模型。

其中，建立的基于反距离加权的闸门标准振动模型为：

式中：Z(v_i,h_i)为在样本点(v_i,h_i)处的实测振动值，v_i为样本点对应的起门速度，h_i为样本点对应的闸门开度；为在待预测点(v,h)处的预测振动值，v为待预测点对应的起门速度，h为待预测点对应的闸门开度；n为样本数；w_i为距离权重，计算公式为：

式中，d_i(v,h)为待预测点(v,h)与样本点(v_i,h_i)之间的欧式距离，P为幂指数。

(2)将测试状态下，闸门在当前运行工况的参数数据代入训练好的闸门标准振动模型，计算当前运行工况下的闸门振动的安全标准值，将安全标准值和当前工况的实测值输入闸门振动安全评估模型，得到闸门的安全评估状态。

其中，闸门振动安全评估模型为：

式中：i表示第i个闸门测试数据；w为预警阈值，预设为50％(可根据不同闸门、不同参数进行适当调整)，即当实测值超过安全标准值的50％时，进行故障预警，这样可以及时发现闸门的异常状态和早期故障。

实例分析

本实施例采用某水电站的某个底孔闸门的测试数据作为样本，来验证基于反距离加权模型的闸门安全评估方法的有效性。该闸门孔口尺寸均为8.0m×8.5m，设计水头41.3m，弧门最大开启高度9.9m；弧门为直支臂，支铰采用进口球面滑动自润滑轴承支承型式。弧门埋件门楣处设有转角水封，侧轨埋件高度17.25m(弧门最大开启高度9.9m时，仅弧门上部侧轮出槽760mm)；启闭设备为双缸后拉式液压启闭机，启门容量为2×2500KN。选取该闸门在运行正常的安全健康状态和发生故障时的非安全状态下，不同运行工况(不同闸门开度、不同起门速度)时的振动数据为研究对象。选取闸门左上面板的振动测点。由于闸门的工况参数不断变化，使得振动的变化及其复杂，不能直接从振动数据中获取闸门的真实安全状态及其演变趋势。因此，需要根据该闸门的自身特性，建立能自适应其工况变化的、精细的闸门安全评估方法。

(1)选取健康标准样本数据

选取该闸门运行状态良好时，不同运行工况时的振动测试数据，作为闸门健康时的标准状态数据。

(2)建立闸门健康标准模型

在闸门340组健康时的标准状态数据中，抽取200组建立振动标准模型，获得闸门运行正常时，输入参数(起门速度、闸门开度)和输出参数(闸门振动)的精确映射关系；将剩下的140组数据作为测试样本进行模型验证。为了能使反距离加权模型具有很好的异常辨识能力，所选取的340组健康标准数据要尽量覆盖闸门可能的起门速度和闸门开度变化区间。

将140测试样本中的起门速度和闸门开度输入振动标准模型，模型输出闸门振动标准值Z(i)，Z(i)与实测数据r(i)的比较可以看出，闸门振动标准值和实测值基本吻合，所建模型平均相对误差为0.26％，具有非常高的精度。

(3)建立闸门振动安全评估模型

将闸门测试获得的起门速度和闸门开度数据代入闸门健康标准模型，计算得到不同运行工况下，闸门振动的标准值，采用式(2)计算当前运行工况下，闸门的振动偏差H_d，对发生状态突变和振动偏差高于预设值的时刻进行预警，建立最终的闸门振动评估模型。

如图1所示，选取闸门发生液压油问题时，220组振动测试数据进行振动异常检测。将该实测数据中的起门速度和闸门开度输入振动标准模型，获得振动标准值，图1给出了220个待检测样本的振动标准值以及实测值。从图中可以看出，当闸门发生故障时，闸门左上面板的振动均方根值明显超出了允许的阈值，可以判别闸门出现了严重故障，需及时对其进行检修维护。

如图2所示，同时给出了闸门无故障时，220个健康样本进行异常检测的结果，以便和闸门发生故障时的检测结果进行比较。由图2可知，当闸门没有发生故障时，闸门左上面板的振动均方根值没有超出允许的阈值，可以判别闸门是正常的、安全的，可以继续运行。

综上所述，本发明所提出的闸门安全评估方法实现了闸门运行工况和状态参数的有机耦合，可以及时充分地考虑闸门运行工况的变化过程，提高了反距离加权模型的精度，基于该反距离加权模型获取的闸门振动信息更贴近实际，能较全面地描述闸门振动的变化过程，能提早发现闸门运行过程中可能出现的异常，有很好的实用性。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (6)

1.一种闸门安全评估方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)对预先获取的水工闸门在不同开度下、不同起/闭速度时，闸门振动测试数据进行分析，并建立基于反距离加权的闸门标准振动模型；

(2)将测试状态下，闸门在当前运行工况的参数数据代入训练好的闸门标准振动模型，计算当前运行工况下的闸门振动的安全标准值，将安全标准值和当前工况的实测值输入闸门振动安全评估模型，得到闸门的安全评估状态。

2.如权利要求1所述的一种闸门安全评估方法，其特征在于：所述步骤(1)中，对水工闸门在不同开度下、不同起/闭速度时，闸门振动测试数据进行分析，并建立基于反距离加权的闸门标准振动模型的方法，包括以下步骤：

(1.1)确定闸门在各种运行工况下的安全标准状态；

(1.2)选取能反映闸门运行状态的敏感特征参数，同时选取该闸门运行状态良好时，不同运行工况时的振动数据作为健康标准样本数据，从健康标准样本数据中随机选取若干组作为标准样本，剩余数据作为测试样本；

(1.3)将闸门在安全标准状态下，它在各种运行工况下的特征参数的标准样本数据输入反距离加权模型进行训练，并用测试样本数据进行验证，得到基于反距离加权的闸门标准振动模型。

3.如权利要求2所述的一种闸门安全评估方法，其特征在于：所述步骤(1.2)中，选取健康标准样本数据的原则为：能够覆盖闸门可能的起门速度和闸门开度变化区间。

4.如权利要求2所述的一种闸门安全评估方法，其特征在于：所述步骤(1.3)中，建立的基于反距离加权的闸门标准振动模型为：

式中：Z(v_i,h_i)为在样本点(v_i,h_i)处的实测振动值，v_i为样本点对应的起门速度，h_i为样本点对应的闸门开度；为在待预测点(v,h)处的预测振动值，v为待预测点对应的起门速度，h为待预测点对应的闸门开度；n为样本数；w_i为距离权重，计算公式为：

式中，d_i(v,h)为待预测点(v,h)与样本点(v_i,h_i)之间的欧式距离，P为幂指数。

5.如权利要求1所述的一种闸门安全评估方法，其特征在于：所述步骤(2)中，建立的闸门振动安全评估模型为：

式中：Z(i)为计算出的闸门振动标准值；r(i)为实测振动数据；i表示第i个闸门测试数据；w为预警阈值。

6.如权利要求5所述的一种闸门安全评估方法，其特征在于：所述预警阈值为50％。