CN116242431A - 水利水电工程固定卷扬式启闭机启闭的平面定轮闸门实时在线监测系统及闸门安全评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于在线监测技术领域，提供了一种水利水电工程固定卷扬式启闭机启闭的平面定轮闸门实时在线监测系统及闸门安全评价方法，其中，实时在线监测系统包括边缘计算PC、与所述边缘计算PC通信的数据采集箱，以及通过信号线缆与所述数据采集箱通信的传感器监测模块；所述传感器监测模块包括闸门应力监测模块、闸门流激振动监测模块、闸门运行姿态监测模块、电流监测模块、转速监测模块、启闭机振动监测模块、启闭机机架应力监测模块和钢丝绳断丝监测模块。本发明不仅监测覆盖范围广，而且根据设备的运行特点，各测点的布置更科学合理，相较于现有技术而言，本发明监测更全面、监测数据更精确，为全面评估闸门运行安全提供了有力的数据支撑。

Description

水利水电工程固定卷扬式启闭机启闭的平面定轮闸门实时在 线监测系统及闸门安全评价方法

技术领域

本发明属于在线监测技术领域，具体的说，是涉及一种水利水电工程固定卷扬式启闭机启闭的平面定轮闸门实时在线监测系统及闸门安全评价方法。

背景技术

平面定轮闸门是一种闸门边梁上装设定轮作为支承行走部件的平面闸门；平面定轮闸门在水利水电工程中应用十分广泛，例如：工作闸门、事故闸门等。

平面定轮闸门的运行安全至关重要，因此，需要对平面定轮闸门进行监测，现有技术中，针对平面定轮闸门的监测主要有两种方案：方案一采用人工定检或巡检，其存在效率低、监测准确率差等不足，已经逐渐被淘汰；方案二是通过传感器对平面定轮闸门进行实时的在线监测，其监测主要针对平面定轮闸门的应力监测、振动监测，已经启闭机的运行监测，该方案主要存在以下不足：(1)监测范围窄、测点布置不科学，无法全面评估平面定轮闸门的运行安全；(2)行业内对于闸门综合振动频率、振动位移、振动特征的闸门安全评价仍然处于空白。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水利水电工程固定卷扬式启闭机启闭的平面定轮闸门实时在线监测系统，以解决现有技术所存在监测范围窄、单吊点和双吊点闸门监测点布置没有相区别、对于闸门综合振动频率、振动位移、振动特征的闸门安全评价仍然处于空白的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种水利水电工程固定卷扬式启闭机启闭的平面定轮闸门实时在线监测系统，包括边缘计算PC、与所述边缘计算PC通信的数据采集箱，以及通过信号线缆与所述数据采集箱通信的传感器监测模块；所述传感器监测模块包括闸门应力监测模块、闸门流激振动监测模块、闸门运行姿态监测模块、电流监测模块、转速监测模块、启闭机振动监测模块、启闭机机架应力监测模块和钢丝绳断丝监测模块。

进一步的，还包括用于所述信号线缆收放的线缆收放装置。

进一步的，当平面定轮闸门为双吊点闸门时，所述闸门应力监测模块包括主梁后翼缘跨中、横向布置的双吊点第一应力传感器、双吊点第二应力传感器、双吊点第三应力传感器和双吊点第四应力传感器，主梁上部梁格面板跨中、横向布置的双吊点第五应力传感器，以及主梁上部梁格面板跨中、纵向布置的双吊点第六应力传感器；

当平面定轮闸门为单吊点闸门时，所述闸门应力监测模块包括主梁后翼缘跨中、横向布置的单吊点第一应力传感器、单吊点第二应力传感器，主梁上部梁格面板跨中、横向布置的单吊点第三应力传感器和单吊点第五应力传感器，主梁上部梁格面板跨中、纵向布置的单吊点第四应力传感器和单吊点第六应力传感器。

进一步的，当平面定轮闸门为双吊点闸门时，所述闸门流激振动监测模块包括布置在闸门底主梁后翼缘与左侧纵梁连接处的双吊点第一流激振动传感器，布置在闸门底主梁上部梁格面板跨中的双吊点第二流激振动传感器，布置在闸门底主梁后翼缘与右侧纵梁连接处的双吊点第三流激振动传感器，顶主梁后翼缘与左侧纵梁连接处的双吊点第四流激振动传感器，布置在顶主梁下部梁格面板跨中的双吊点第五流激振动传感器，布置在顶主梁后翼缘与右侧纵梁连接处的双吊点第六流激振动传感器；

当平面定轮闸门为单吊点闸门时，所述闸门流激振动监测模块包括布置在底主梁后翼缘与左侧纵梁连接处的单吊点第一流激振动传感器、布置在底主梁上部梁格面板跨中的单吊点第二流激振动传感器、布置在闸门底主梁后翼缘与右侧纵梁连接处的单吊点第三流激振动传感器、布置在顶主梁后翼缘与左侧纵梁连接处的单吊点第四流激振动传感器、布置在顶主梁下部梁格面板跨中的单吊点第五流激振动传感器、布置在顶主梁后翼缘与右侧纵梁连接处的单吊点第六流激振动传感器。

进一步的，当平面定轮闸门为双吊点闸门时，所述闸门运行姿态监测模块包括布置在顶节闸门顶主梁腹板跨中的双吊点倾角传感器；

当平面定轮闸门为单吊点闸门时，所述闸门运行姿态监测模块包括布置在顶节闸门顶主梁腹板跨中的单吊点倾角传感器。

进一步的，所述电流监测模块包括布置在启闭机控制柜电动机端子输出端的电流传感器；所述转速监测模块包括布置在电动机轴端的转速传感器；所述钢丝绳断丝监测模块包括布置在卷筒两侧钢丝绳处的钢丝绳断丝传感器。

进一步的，当平面定轮闸门为双吊点闸门时，所述启闭机机架应力监测模块包括布置在左吊点左侧机架主梁上翼缘跨中、横向布置的双吊点应力传感器I，布置在左吊点右侧机架主梁上翼缘跨中、横向布置的双吊点应力传感器II，布置在右吊点左侧机架主梁上翼缘跨中、横向布置的双吊点应力传感器III，布置在右吊点右侧机架主梁上翼缘跨中、横向布置的双吊点应力传感器IV；

当平面定轮闸门为单吊点闸门时，所述启闭机机架应力监测模块包括布置在机架主梁上翼缘跨中、横向布置的单吊点应力传感器I，布置在机架主梁下翼缘跨中、横向布置的单吊点应力传感器II。

进一步的，当平面定轮闸门为双吊点闸门时，所述启闭机振动监测模块包括左吊点电动机固定端、水平布置的双吊点振动传感器，左吊点电动机固定端、垂直布置的双吊点振动传感器，左吊点减速器高速端轴承座、水平布置的双吊点振动传感器，左吊点减速器高速端轴承座、垂直布置的双吊点振动传感器，左吊点减速器低速端轴承座、水平布置的双吊点振动传感器，左吊点减速器低速端轴承座、垂直布置的双吊点振动传感器，左吊点卷筒轴承座、水平布置的双吊点振动传感器，左吊点卷筒轴承座、垂直布置的双吊点振动传感器，右吊点电动机固定端、水平布置的双吊点振动传感器，右吊点电动机固定端、垂直布置的双吊点振动传感器，右吊点减速器高速端轴承座、水平布置的双吊点振动传感器，右吊点减速器高速端轴承座、垂直布置的双吊点振动传感器，右吊点减速器低速端轴承座、水平布置的双吊点振动传感器，右吊点减速器低速端轴承座、垂直布置的双吊点振动传感器，右吊点卷筒轴承座、水平布置的双吊点振动传感器，右吊点卷筒轴承座、垂直布置的双吊点振动传感器；

当平面定轮闸门为单吊点闸门时，所述启闭机振动监测模块包括电动机固定端、水平布置的单吊点振动传感器，电动机固定端、垂直布置的单吊点振动传感器，减速器高速端轴承座、水平布置的单吊点振动传感器，减速器高速端轴承座、垂直布置的单吊点振动传感器，减速器低速端轴承座、水平布置的单吊点振动传感器，减速器低速端轴承座、垂直布置的单吊点振动传感器，卷筒轴承座、水平布置的单吊点振动传感器，卷筒轴承座、垂直布置的单吊点振动传感器。

本发明还提供了应用如上所述的水利水电工程固定卷扬式启闭机启闭的平面定轮闸门实时在线监测系统的闸门安全评价方法，包括：

(1)闸门振动特征评价

首先，通过智能型激振装置的激励扫频测试，得到闸门的谐振频率，并确定闸门实际启闭工况条件下的振动频率预警、报警阈值；

其次，闸门启闭过程中，根据其在实际水位条件下，实时在线监测系统测得的流激振动实测频率，通过运行模态分析得到闸门的时域数据；

最后，采取比对方法判断闸门运行的安全裕度和闸门运行的稳定性；

(2)闸门振动特性评价

根据度汛过程中实时在线监测系统针对的闸门监测数据，得到A-f曲线图，判断闸门振动响应的振幅、频率是否满足公式logA＜3.14-1.16logf的要求，当不满足公式关系时，表明闸门的振动特性状态不良，式中，A为振动幅值，f为振动频率；

(3)闸门振动位移评价

根据测得的闸门振动构件的平均位移，判断闸门振动危害程度。

进一步的，在所述的闸门振动特征评价中，在闸门运行过程中，采用模糊推理实现工作闸门当前运行状态和振动特征数据库的状态匹配，建立并确定评判标准以及各评判特征阈值。

进一步的，所述运行模态分析采用协方差驱动的随机子空间分析模态识别算法，其具体步骤如下：

首先，由数据的相关矩阵组成Toeplitz矩阵，并将式(2)代入式(1)，得到式(3)

R_i＝CA^i-1G (2)

上式中，R_i表示相关矩阵，G为下一状态输出相关矩阵，A为空间矩阵，C为输出矩阵，O_i为扩展的可观矩阵；Γ_i为逆向扩展的可控矩阵；

其次，对式(3)进行奇异值分解，得式(4)，然后比较式(3)和式(4)，得式(5)，将式(5)代入式T_2i+1，得到式(6)，即系统空间矩阵A：

式(3)中的C为O_i矩阵的前l行，G为Γ_i矩阵的后l列；

最后，根据式(7)对系统空间矩阵A进行特征值分解，得到各振型的固有频率值、模态阻尼比和系统的模态振型：

A＝ψΛψ (7)

固有频率值：

模态阻尼比：

模态振型：

φ＝Cψ (10)

式中：f_n为系统的振动频率；ξ_n为系统的阻尼比；Δt为输出数据的采样间隔；Re为特征值的实部。

进一步的，还包括闸门运行姿态评价：倾角传感器的Y轴与闸门中心线在同一平面，X轴为平行于闸门的水平轴，当闸门边距l小于规定值l_min时，即表示闸门倾斜角度达到临界值；其中，l是闸门倾斜后，闸门侧边到侧轨之间的距离。

与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

(1)本发明采用闸门应力监测模块、闸门流激振动监测模块、闸门运行姿态监测模块、电流监测模块、转速监测模块、启闭机振动监测模块、启闭机机架应力监测模块和钢丝绳断丝监测模块作为闸门的监测构件，不仅监测覆盖范围广，而且根据设备的运行特点，各测点的布置更科学合理，相较于现有技术而言，本发明监测更全面、监测数据更精确，为全面评估闸门运行安全提供了有力的数据支撑。

(2)本发明结合了闸门振动特征评价、闸门振动位移评价、闸门振动特性评价、闸门运行姿态评级，通过上述四个评价基准实现对闸门安全运行的主要参数的评估，填补了业内的技术空白，有效地保证了闸门的运行安全。

(3)本发明根据单吊点闸门和双吊点闸门的结构特点，提供了二者相区分的传感器布置方式，更科学合理。

附图说明

图1为本发明-实施例1的系统原理框图。

图2为本发明-实施例1中双吊点闸门测点布置示意图。

图3为本发明-实施例1中单吊点闸门测点布置示意图。

图4为本发明-实施例1中双吊点启闭机测点布置示意图。

图5为本发明-实施例1中单吊点启闭机测点布置示意图。

图6为本发明-实施例1中钢丝绳断丝传感器的安装示意图。

图7为本发明-实施例2的流程示意图。

图8为本发明-实施例2中的A-f曲线图。

图9为本发明-实施例2中闸门运行姿态监测示意图。

其中，附图标记对应的名称如下：

11-单吊点第一应力传感器、12-单吊点第二应力传感器、13-单吊点第三应力传感器、14-单吊点第四应力传感器、15-单吊点第五应力传感器、16-单吊点第六应力传感器；

21-双吊点第一应力传感器、22-双吊点第二应力传感器、23-双吊点第三应力传感器、24-双吊点第四应力传感器、25-双吊点第五应力传感器、26-双吊点第六应力传感器；

31-单吊点第一流激振动传感器、32-单吊点第二流激振动传感器、33-单吊点第三流激振动传感器、34-单吊点第四流激振动传感器、35-单吊点第五流激振动传感器、36-单吊点第六流激振动传感器；

41-双吊点第一流激振动传感器、42-双吊点第二流激振动传感器、43-双吊点第三流激振动传感器、44-双吊点第四流激振动传感器、45-双吊点第五流激振动传感器、46-双吊点第六流激振动传感器；

51-单吊点倾角传感器、52-双吊点倾角传感器；

7-转速传感器；

81-双吊点应力传感器I、82-双吊点应力传感器II、83-双吊点应力传感器III、84-双吊点应力传感器IV；

91-单吊点应力传感器I、92-单吊点应力传感器II；

10-钢丝绳断丝传感器；

100-双吊点振动传感器；

110-单吊点振动传感器；

112-定滑轮、113-钢丝绳。

具体实施方式

为了使得本领域技术人员对本发明有更清晰的认知和了解，以下结合实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当知晓的，下述所描述的具体实施例只是用于解释本发明，方便理解，本发明所提供的技术方案并不局限于下述实施例所提供的技术方案，实施例所提供的技术方案也不应当限制本发明的保护范围。

除非另外定义，本申请公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。位置关系词“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等是依据说明书附图的布局方向确定，其仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

实施例1

如图1～6所示，本实施例提供了一种水利水电工程固定卷扬式启闭机启闭的平面定轮闸门实时在线监测系统，其系统的主要组成包括边缘计算PC、与边缘计算PC通信的数据采集箱，以及通过信号线缆与数据采集箱通信的传感器监测模块。本系统在使用前，需对闸门进行固有频率测试试验，试验环境：在工作闸门门前无水下进行；本实施例通过智能型激振装置的激励扫频测试，跟传统的锤击方法比较，可以得到更加精准的闸门固有特性(谐振频率)。

本系统可按用户管理、系统参数、数据采集、数据分析、数据查询、数据通讯等分设不同的功能模块，具体如下：a用户管理：用户模块至少包含新增用户和注销用户两个功能。并对不同用户设置权限；b系统参数：此模块设置在典型运行水位下各监测点的设计计算数据，同时可集成激振试验数据。作为监测成果分析判断的主要依据；c数据采集：此模块用于存储和处理采集数据，并可以任意设定数据采集周期，记录数据采集时间、部位；d数据分析：此模块能根据采集数据及边界条件进行分析判断，包括报警；e数据查询和通讯：原始数据、处理后数据、分析结果均能根据运行日期、运行工况参数进行自动检索查询，并具有下载功能；分析结果均能根据运行时间进行查询；分析结果和报警信号能远方输送。

本实施例中，边缘计算PC优选边缘计算高性能PC：由数据服务器、显示器、屏柜、操作台、打印输出、网络服务器、网络安全装置等设备组成，安装启闭机房内，其防护等级不低于IP54。采用标准化、开放式的硬件结构，所选设备应采用成熟的主流产品，并能满足状态在线监测系统的远景发展要求；具备通信、数据存储和管理功能，存储容量能够满足至少存储36个月的监测数据。提供至少2个以太网端口；支持掉电保护，能够承受电压扰动和电源恢复后的自动重新启动。

数据采集箱：数据采集箱由数据采集装置、相关软件、传感器供电电源等设备组成，安装启闭机房内，其防护等级不低于IP54；数据采集设备内的部件均标准化、模块化，易于扩展和替换，具有通道和模块状态指示灯；数据采集模块能设定采样周期，以便对信号进行整周期采样，各数据采集模块之间应相互独立、互不影响，单个模块故障应不影响系统整体运行；数据采集设备采用容错设计，具有自诊断、温度自补偿和抗干扰功能，具有串行通信接口或以太网通信接口。

传感器监测模块包括闸门应力监测模块、闸门流激振动监测模块、闸门运行姿态监测模块、电流监测模块、转速监测模块、启闭机振动监测模块、启闭机机架应力监测模块和钢丝绳断丝监测模块；其中，闸门应力监测模块、闸门流激振动监测模块、闸门运行姿态监测模块主要应用于闸门监测，电流监测模块、转速监测模块、启闭机振动监测模块、启闭机机架应力监测模块和钢丝绳断丝监测模块主要应用于启闭机监测，优选的，本实施例启闭机为固定式卷扬机。通过上述设置，使得本监测系统的监测覆盖范围广，而且根据设备的运行特点，各测点的布置更科学合理，本实施例中，各测点的布置如下：

一、针对双吊点闸门监测测点布置

应力传感器6个，设置及检测项目见下表：

流激振动传感器6个，设置及检测项目见下表：

倾角传感器1套，设置及检测项目见下表：

	双轴倾角测点位置
		1	顶节闸门顶主梁腹板跨中，监测闸门双向倾角量

二、针对双吊点启闭机监测测点布置

应力传感器4个，设置及检测项目见下表：

	表面应变计测点位置
		1	左吊点左侧机架主梁上翼缘跨中，横向布置，监测主梁弯曲应力
2	左吊点右侧机架主梁上翼缘跨中，横向布置，监测主梁弯曲应力
		3	右吊点左侧机架主梁上翼缘跨中，横向布置，监测主梁弯曲应力
4	右吊点右侧机架主梁上翼缘跨中，横向布置，监测主梁弯曲应力

电流传感器1个，设置及检测项目见下表：

	电流测点位置
		1	固卷机控制柜电动机端子输出端，监测电动机实时电流

转速传感器1个，设置及检测项目见下表：

	转速测点位置
		1	左吊点电动机轴端，监测电动机转速

振动传感器16套，设置位置及检测项目见下表：

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钢丝绳断丝传感器4套，设置位置及检测项目见下表：

	钢丝绳断丝测点位置
		1	左侧吊点卷筒左侧钢丝绳，监测钢丝绳断丝状态
2	左侧吊点卷筒右侧钢丝绳，监测钢丝绳断丝状态
		3	右侧吊点卷筒左侧钢丝绳，监测钢丝绳断丝状态
4	右侧吊点卷筒右侧钢丝绳，监测钢丝绳断丝状态

三、针对单吊点点闸门监测测点布置

应力传感器6个，设置及检测项目见下表：

流激振动传感器6个，设置及检测项目见下表：

倾角传感器1套，设置及检测项目见下表：

	双轴倾角测点位置
		1	顶节闸门顶主梁腹板跨中，监测闸门双向倾角量

四、针对单吊点启闭机监测测点布置

应力传感器2个，设置及检测项目见下表：

	表面应变计测点位置
		1	机架主梁上翼缘跨中，横向布置，监测主梁弯曲应力
2	机架主梁下翼缘跨中，横向布置，监测主梁弯曲应力

电流传感器1个，设置及检测项目见下表：

	电流测点位置
		1	固卷机控制柜电动机端子输出端，监测电动机实时电流

转速传感器1个，设置及检测项目见下表：

	转速测点位置
		1	电动机轴端，监测电动机转速

振动传感器8套，设置位置及检测项目见下表：

	振动测点位置
		1	电动机固定端，水平布置，监测电动机振动
2	电动机固定端，垂直布置，监测电动机振动
		3	减速器高速端轴承座，水平布置，监测减速器振动
4	减速器高速端轴承座，垂直布置，监测减速器振动
		5	减速器低速端轴承座，水平布置，监测减速器振动
6	减速器低速端轴承座，垂直布置，监测减速器振动
		7	卷筒轴承座，水平布置，监测卷筒振动
8	卷筒轴承座，垂直布置，监测卷筒振动

钢丝绳断丝传感器2套，设置位置及检测项目见下表：

需要说明的是，本发明中申请所命名的单吊点第一应力传感器……单吊点第六应力传感器，双吊点第一应力传感器……双吊点第六应力传感器，单吊点第一流激振动传感器……单吊点第六流激振动传感器，双吊点第一流激振动传感器……双吊点第六流激振动传感器，双吊点应力传感器I……双吊点应力传感器IV，单吊点应力传感器I、电吊点应力传感器II，其中的前缀“单吊点”和“双吊点”是为了方便区分，同理的，第X应力传感器、第X流激振动传感器、应力传感器I、应力传感器II等的命名方式，均是为了方便区分，其实际采用的同类型传感器的型号及规格相一致。

上述中，应力监测点均应采用防水型应变计，额定电阻120Ω，线性膨胀系数不高于11，基地尺寸21mm×5mm，敏感栅长度5mm，可承受最大水压1MPa；应力应变采集18位以上A/D采样分辨率，1kHz以上总采样频率；使用环境-20℃～90。在线监测系统通过布置应变传感器测点，采集挡水工况和启闭工况数据并转换成闸门运行状态下的综合应力，通过与设计运行水位下各监测点的计算数据比较，分析和判断闸门结构的安全性，当测试数据超限时，应报警并分析异常报警原因。

流激振动监测：流激振动响应测点均应采用三向加速度传感器，安全过载不低于1000％，灵敏度偏差不大于±5％，耐水压不低于490kPa，不锈钢外壳的耐腐蚀型材料盒体，传感器额定容量±5g，；流激振动采集24位以上A/D采样分辨率，125kHz以上同步采样频率，硬件抗混滤波；使用环境-20℃～90℃。在线监测系统通过布置三向加速度传感器测点，采集启闭工况数据并转换成测点的加速度均方根值和位移均方根值，并对照美国阿肯色河通航枢纽中心提出的以振动位移均方根值来划分水工钢闸门振动强弱的标准，对闸门的振动强度作出判断；当闸门结构动态响应的振幅异常时，应报警并分析异常报警原因。

运行姿态监测：运行姿态测点采用全温补高精度电流输出型双轴倾角仪，监测范围±10°，监测轴X-Y双轴，绝对精度0.003°，年长期稳定性0.01°，零点温度系数(-20℃～90℃。)±0.0008°/℃，灵敏度温度系数(-20℃～90℃。)≤50ppm/℃，上电启动时间0.5s，响应时间0.02s，响应频率1～20Hz，抗振动10grms、10～1000Hz；运行姿态采集24位以上A/D采样分辨率，125kHz以上同步采样频率，硬件抗混滤波；在线监测系统采用布置倾角传感器的方式进行监测，事先检测或收集门槽安装后的实际状态，并输入系统作为门叶运行姿态合适与否的判断依据；门叶与门槽的相对位置超出允许值时报警；此监测数据可用于指导双吊点启闭机的同步调试。

本实施例中，应力评价准则如下：

静应力：

在线监测系统静应力预警和报警的限值应根据金属结构设备工作性质、结构部位等确定，并应符合下列规定：

(1)预警的限值宜以设计计算应力值的100％为预警的限值。当静应力达到结构部位设计计算应力值的100％时，在线监测系统应给出预警提示信号。

(2)报警的限值宜以材料许用应力值[σ]的90％为报警的限值。当静应力达到结构部位材料许用应力值的90％时，在线监测系统应给出报警提示信号。

动应力：

在线监测系统应监测金属结构设备振动动应力值，其预警和报警的限值应根据金属结构设备工作性质、结构部位等确定，并应符合按下列规定：

(1)预警的限值宜以设计计算应力值的10％为预警的限值。当动应力达到结构部位设计计算应力值的10％时，在线监测系统应给出预警提示信号。

(2)报警的限值宜以材料许用应力值[σ]的20％为报警的限值。当动应力达到结构部位材料许用应力值[σ]的20％时，在线监测系统应给出报警提示信号。

本实施例中，传感器与数据采集箱之间采用信号线缆连接以实现通信，具体的说，传感器采用专用集成线缆将信号实现通信，专用集成线缆是一种特制电缆，内部集成了通讯所需的30根线缆，可以满足传感器的常规供电和通讯要求；该集成线缆内置2根

钢丝绳，可承担不低于120kg的拉力，同时，集成线缆通过安放在启闭机机架上的专用电缆收放装置，实现随闸门同步启闭动作，优选的，电缆收放装置采用弹簧式电缆卷筒，不需外力即可实现线缆跟随闸门同步起升；线缆收放装置(弹簧式电缆卷筒)是在线监测系统必备的辅助设备，优选的，采用专用电缆卷筒，其应满足闸门最大起升高度的要求。

实施例2

如图7～9所示，本实施例提供了基于实施例1所提供的一种水利水电工程固定卷扬式启闭机启闭的平面定轮闸门实时在线监测系统的基础上的闸门安全评价方法，该方法填补了业内对于综合振动频率、振动位移、振动特征的闸门安全评价体系的空白，有效地保证了闸门的运行安全，具体的说，其主要包括以下内容：

一、闸门振动特征评价

首先，通过智能型激振装置的激励扫频测试，得到闸门的谐振频率，并确定闸门实际启闭工况条件下的振动频率预警、报警阈值；

其次，闸门启闭过程中，根据其在实际水位条件下，实时在线监测系统测得的流激振动实测频率，通过运行模态分析得到闸门的时域数据；

最后，采取比对方法判断闸门运行的安全裕度和闸门运行的稳定性。

在闸门运行过程中，采用模糊推理实现工作闸门当前运行状态和振动特征数据库的状态匹配，进一步建立并确定评判标准以及各评判特征阈值。

在运行模态分析方法中，本实施例采用可靠性好、精度高的协方差驱动的随机子空间分析(SSI-COV)模态识别算法。SSI-COV算法首先由数据的协方差矩阵(或相关矩阵)组成Toeplitz矩阵，然后通过奇异值分解(SVD)求出系统矩阵，最后根据系统矩阵求出结构的模态参数。该算法基于一个基本假设：即白噪声激励下结构响应的相关函数是由指数衰减的正弦信号之和定义的。由于这些正弦波与脉冲结构响应有关，因此可以从这些函数中提取结构的动态特性。Toeplitz矩阵的最主要作用是在保留输出数据原有信息的情况下缩减数据量，将系统的协方差矩阵组成Toeplitz矩阵：

考虑到输入被理想化为白噪声过程，状态向量可以用零均值平稳随机过程来描述，每一个相关矩阵R_i可以根据下式得到：

R_i＝CA^i-1G (2)

式中：G为下一状态输出相关矩阵。式(2)说明了输出相关矩阵R_i及与空间矩阵A、输出矩阵C之间的关系，证明随机识别问题可以实现。

将方程(2)代入到Toeplitz矩阵(1)，可以得到：

式中：O_i为扩展的可观矩阵；Γ_i为逆向扩展的可控矩阵。

进一步对Toeplitz矩阵进行奇异值分解：

式中：U和V为正交矩阵，S为对角矩阵，其中元素依照由大至小的顺序排列，比较(3)和(4)：

式(3)中的C为O_i矩阵的前l行，G为Γ_i矩阵的后l列，将(5)代入T_2i+1，可得系统空间矩阵A：

至此，系统的空间矩阵A输出矩阵C全部求得，对A进行特征值分解:

A＝ψΛψ (7)

式中：ψ为特征向量组成的矩阵；Λ为包含复特征值μ_n的对角阵。

考虑离散时间特征值到连续时间摸型的转换，得到各振型的固有频率值和模态阻尼比：

/>

式中：f_n为系统的振动频率；ξ_n为系统的阻尼比；Δt为输出数据的采样间隔；Re为特征值的实部。

同时，可以得到系统的模态振型为：

φ＝Cψ (10)

通过以上SSI-COV方法步骤，即可实时准确辨识工作闸门实测信号中所蕴含的振动特征。

二、闸门振动特性评价

根据度汛过程中实时在线监测系统针对的闸门监测数据，得到A-f曲线图，判断闸门振动响应的振幅、频率是否满足公式logA＜3.14-1.16logf的要求，当不满足公式关系时，表明闸门的振动特性状态不良，此时，应当及时预警、报警；式中，A为振动幅值，f为振动频率。

三、闸门振动位移评价

根据测得的闸门振动构件的平均位移，判断闸门振动危害程度。

本领域技术人员可以根据闸门的实际运行情况制定评价标准，例如：依据《水工金属结构实时在线监测评价准则》(Q/MA61UHLTX﹒002-2017)企业标准采纳的美国阿肯色河通航枢纽管理局“振动构件平均位移划分振动危害的判别标准”，采取“中等危害”、“严重危害”的指标作为ROMS系统的预警、报警阈值，具体如下表所示：

平均位移(mm)	振动危害程度
		0～0.05	忽略不计(可正常运行)
0.05～0.25	微小危害
		0.25～0.5	中等危害
>0.5	严重危害

四、闸门运行姿态评价

结合倾角传感器测量闸门运行姿态，倾角传感器布置在闸门垂直中心线上，高度上处于下支臂对应的小横梁腹板中间位置，倾角传感器的Y轴与门叶中心线在同一平面，X轴为平行于面板的水平轴；当闸门启闭过程发生左、右方向倾斜时，记录的数据为门体绕A点左右转动的倾斜角度β。

该评价中包括倾角及边距两个参数，其中边距l是闸门倾斜后，闸门侧边到侧轨(设计边界)之间的距离，由闸门测点处的倾角β近似计算而得；当闸门边距l小于规定值lmin(设定值)时，即倾角仪监测到的倾斜角度达到临界值βe时，报警提示；其中，临界倾斜角度βe应按如下公式计算：

式中：βe——监测点处的允许临界倾斜角度，单位rad；L2——闸门距侧轨(设计边界)允许最小间隙值，单位mm。

以了上所述即为本发明的优选实施方案。应当说明的是，本领域技术人员，在不脱离本发明的设计原理及技术方案的前提下，还可以作出若干的改进，而这些改进也应当视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种水利水电工程固定卷扬式启闭机启闭的平面定轮闸门实时在线监测系统，其特征在于，包括边缘计算PC、与所述边缘计算PC通信的数据采集箱，以及通过信号线缆与所述数据采集箱通信的传感器监测模块；所述传感器监测模块包括闸门应力监测模块、闸门流激振动监测模块、闸门运行姿态监测模块、电流监测模块、转速监测模块、启闭机振动监测模块、启闭机机架应力监测模块和钢丝绳断丝监测模块。

2.根据权利要求1所述的水利水电工程固定卷扬式启闭机启闭的平面定轮闸门实时在线监测系统，其特征在于，还包括用于所述信号线缆收放的线缆收放装置。

3.根据权利要求2所述的水利水电工程固定卷扬式启闭机启闭的平面定轮闸门实时在线监测系统，其特征在于：

当平面定轮闸门为双吊点闸门时，所述闸门应力监测模块包括主梁后翼缘跨中、横向布置的双吊点第一应力传感器(21)、双吊点第二应力传感器(22)、双吊点第三应力传感器(23)和双吊点第四应力传感器(24)，主梁上部梁格面板跨中、横向布置的双吊点第五应力传感器(25)，以及主梁上部梁格面板跨中、纵向布置的双吊点第六应力传感器(26)；

当平面定轮闸门为单吊点闸门时，所述闸门应力监测模块包括主梁后翼缘跨中、横向布置的单吊点第一应力传感器(11)、单吊点第二应力传感器(12)，主梁上部梁格面板跨中、横向布置的单吊点第三应力传感器(13)和单吊点第五应力传感器(15)，主梁上部梁格面板跨中、纵向布置的单吊点第四应力传感器(14)和单吊点第六应力传感器(16)。

4.根据权利要求3所述的水利水电工程固定卷扬式启闭机启闭的平面定轮闸门实时在线监测系统，其特征在于：

当平面定轮闸门为双吊点闸门时，所述闸门流激振动监测模块包括布置在闸门底主梁后翼缘与左侧纵梁连接处的双吊点第一流激振动传感器(41)，布置在闸门底主梁上部梁格面板跨中的双吊点第二流激振动传感器(42)，布置在闸门底主梁后翼缘与右侧纵梁连接处的双吊点第三流激振动传感器(43)，布置在顶主梁后翼缘与左侧纵梁连接处的双吊点第四流激振动传感器(44)，布置在顶主梁上部梁格面板跨中的双吊点第五流激振动传感器(45)，布置在顶主梁后翼缘与右侧纵梁连接处的双吊点第六流激振动传感器(46)；

当平面定轮闸门为单吊点闸门时，所述闸门流激振动监测模块包括布置在底主梁后翼缘与左侧纵梁连接处的单吊点第一流激振动传感器(31)、布置在底主梁上部梁格面板跨中的单吊点第二流激振动传感器(32)、布置在闸门底主梁后翼缘与右侧纵梁连接处的单吊点第三流激振动传感器(33)、布置在顶主梁后翼缘与左侧纵梁连接处的单吊点第四流激振动传感器(34)、布置在顶主梁下部梁格面板跨中的单吊点第五流激振动传感器(35)、布置在顶主梁后翼缘与右侧纵梁连接处的单吊点第六流激振动传感器(36)。

5.根据权利要求4所述的水利水电工程固定卷扬式启闭机启闭的平面定轮闸门实时在线监测系统，其特征在于：

当平面定轮闸门为双吊点闸门时，所述闸门运行姿态监测模块包括布置在顶节闸门顶主梁腹板跨中的双吊点倾角传感器(52)；

当平面定轮闸门为单吊点闸门时，所述闸门运行姿态监测模块包括布置在顶节闸门顶主梁腹板跨中的单吊点倾角传感器(51)。

6.根据权利要求5所述的水利水电工程固定卷扬式启闭机启闭的平面定轮闸门实时在线监测系统，其特征在于，所述电流监测模块包括布置在启闭机控制柜电动机端子输出端的电流传感器；所述转速监测模块包括布置在电动机轴端的转速传感器(7)；所述钢丝绳断丝监测模块包括布置在卷筒两侧钢丝绳处的钢丝绳断丝传感器(10)。

7.根据权利要求6所述的水利水电工程固定卷扬式启闭机启闭的平面定轮闸门实时在线监测系统，其特征在于：

当平面定轮闸门为双吊点闸门时，所述启闭机机架应力监测模块包括布置在左吊点左侧机架主梁上翼缘跨中、横向布置的双吊点应力传感器I(81)，布置在左吊点右侧机架主梁上翼缘跨中、横向布置的双吊点应力传感器II(82)，布置在右吊点左侧机架主梁上翼缘跨中、横向布置的双吊点应力传感器III(83)，布置在右吊点右侧机架主梁上翼缘跨中、横向布置的双吊点应力传感器IV(84)；

当平面定轮闸门为单吊点闸门时，所述启闭机机架应力监测模块包括布置在机架主梁上翼缘跨中、横向布置的单吊点应力传感器I(91)，布置在机架主梁下翼缘跨中、横向布置的单吊点应力传感器II(92)。

8.根据权利要求7所述的水利水电工程固定卷扬式启闭机启闭的平面定轮闸门实时在线监测系统，其特征在于：

当平面定轮闸门为双吊点闸门时，所述启闭机振动监测模块包括左吊点电动机固定端、水平布置的双吊点振动传感器(100)，左吊点电动机固定端、垂直布置的双吊点振动传感器(100)，左吊点减速器高速端轴承座、水平布置的双吊点振动传感器(100)，左吊点减速器高速端轴承座、垂直布置的双吊点振动传感器(100)，左吊点减速器低速端轴承座、水平布置的双吊点振动传感器(100)，左吊点减速器低速端轴承座、垂直布置的双吊点振动传感器(100)，左吊点卷筒轴承座、水平布置的双吊点振动传感器(100)，左吊点卷筒轴承座、垂直布置的双吊点振动传感器(100)，右吊点电动机固定端、水平布置的双吊点振动传感器(100)，右吊点电动机固定端、垂直布置的双吊点振动传感器(100)，右吊点减速器高速端轴承座、水平布置的双吊点振动传感器(100)，右吊点减速器高速端轴承座、垂直布置的双吊点振动传感器(100)，右吊点减速器低速端轴承座、水平布置的双吊点振动传感器(100)，右吊点减速器低速端轴承座、垂直布置的双吊点振动传感器(100)，右吊点卷筒轴承座、水平布置的双吊点振动传感器(100)，右吊点卷筒轴承座、垂直布置的双吊点振动传感器(100)；

当平面定轮闸门为单吊点闸门时，所述启闭机振动监测模块包括电动机固定端、水平布置的单吊点振动传感器(110)，电动机固定端、垂直布置的单吊点振动传感器(110)，减速器高速端轴承座、水平布置的单吊点振动传感器(110)，减速器高速端轴承座、垂直布置的单吊点振动传感器(110)，减速器低速端轴承座、水平布置的单吊点振动传感器(110)，减速器低速端轴承座、垂直布置的单吊点振动传感器(110)，卷筒轴承座、水平布置的单吊点振动传感器(110)，卷筒轴承座、垂直布置的单吊点振动传感器(110)。

9.应用如权利要求1～8任一项所述的水利水电工程固定卷扬式启闭机启闭的平面定轮闸门实时在线监测系统的闸门安全评价方法，其特征在于，包括：

(1)闸门振动特征评价

首先，通过智能型激振装置的激励扫频测试，得到闸门的谐振频率，并确定闸门实际启闭工况条件下的振动频率预警、报警阈值；

其次，闸门启闭过程中，根据其在实际水位条件下，实时在线监测系统测得的流激振动实测频率，通过运行模态分析得到闸门的时域数据；

最后，采取比对方法判断闸门运行的安全裕度和闸门运行的稳定性；

(2)闸门振动特性评价

根据度汛过程中实时在线监测系统针对的闸门监测数据，得到A-f曲线图，判断闸门振动响应的振幅、频率是否满足公式logA＜3.14-1.16logf的要求，当不满足公式关系时，表明闸门的振动特性状态不良，式中，A为振动幅值，f为振动频率；

(3)闸门振动位移评价

根据测得的闸门振动构件的平均位移，判断闸门振动危害程度。

10.根据权利要求9所述的闸门安全评价方法，其特征在于，在所述的闸门振动特征评价中，在闸门运行过程中，采用模糊推理实现工作闸门当前运行状态和振动特征数据库的状态匹配，建立并确定评判标准以及各评判特征阈值。

11.根据权利要求10所述的闸门安全评价方法，其特征在于，所述运行模态分析采用协方差驱动的随机子空间分析模态识别算法，其具体步骤如下：

首先，由数据的相关矩阵组成Toeplitz矩阵，并将式(2)代入式(1)，得到式(3)

R_i＝CA^i-1G (2)

上式中，R_i表示相关矩阵，G为下一状态输出相关矩阵，A为空间矩阵，C为输出矩阵，O_i为扩展的可观矩阵；Γ_i为逆向扩展的可控矩阵；

其次，对式(3)进行奇异值分解，得式(4)，然后比较式(3)和式(4)，得式(5)，将式(5)代入式T_2/i+1，得到式(6)，即系统空间矩阵A：

式(3)中的C为O_i矩阵的前l行，G为Γ_i矩阵的后l列；

最后，根据式(7)对系统空间矩阵A进行特征值分解，得到各振型的固有频率值、模态阻尼比和系统的模态振型：

A＝ψΛψ(7)

固有频率值：

模态阻尼比：

模态振型：

φ＝Cψ(10)

式中：f_n为系统的振动频率；ξ_n为系统的阻尼比；Δt为输出数据的采样间隔；Re为特征值的实部。

12.根据权利要求9所述的闸门安全评价方法，其特征在于，还包括闸门运行姿态评价：倾角传感器的Y轴与闸门中心线在同一平面，X轴为平行于闸门的水平轴，当闸门边距l小于规定值l_min时，即表示闸门倾斜角度达到临界值；其中，l是闸门倾斜后，闸门侧边到侧轨之间的距离。

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