測控一體化閘門及其調控技術研究分析

侯文濤，白美健，陳炳紳，章少輝，史 源

（1.流域水循環模擬與調控國家重點試驗室中國水利水電科學研究院，北京100048；2.云南省玉溪市水務局，云南玉溪653100）

0 引言

灌區是我國社會經濟發展的重大公益性基礎設施，是保證國家糧食安全、用水安全和生態安全的重要基石，是山水林田湖草系統治理和鄉村振興的關鍵支撐。灌區工程是集灌溉水源工程、輸配水工程、排水工程、田間灌溉工程、測控設施、管理設施于一體的系統工程，具有面廣，點多、散、小、偏、遠的特點[1]。測控設施是進行灌區水管理的重要工具，能幫助管理者準確掌握供給側“蓄引提調”多水源來水情況和需求側用水情況，為灌區水費收取和用水總量與定額管理提供支持[2]。目前，多數灌區測控設施配套與調控手段相對落后，用水戶需求多樣化發展態勢加大了灌區業務的管理難度，傳統管理方式已難以滿足各行業對灌區高質量服務的需求，急需借助信息化管理手段來提高灌區服務水平。

測控技術與設施升級配套是灌區信息化管理的關鍵所在。當前，隨著灌區信息化和農業水價改革工作的推進，灌區用水計量設施配套工程建設工作得到高度重視，量測水產品百花齊放，超聲波水位計、雷達水位計、磁致伸縮水位計、電磁流量計、超聲波流量計、雷達流量計等先進量測水設備逐漸被廣泛采用，測控合一的量水設備可避免獨立量水設施所產生的水頭附加損失，是未來的發展方向之一。測控一體化閘門及其調控技術結合計算機、自動控制、計算水動力學等學科，使控制系統能夠根據渠道的實際運行狀態對閘門進行自動控制。第一個自動控制閘門(AMIL GATE)由Neyrpic 旗下的French Group ALSTHOM 設計并生產，于1937年首次應用于Algeria(Oued Rhiou area)的主干渠（最大流量10 m3/s），盡管沒有執行任何控制算法，但其在實際應用中的表現廣受用戶好評。該自動控制閘門通過水位測井監測閘門上游水位，利用水箱及其他附加結構自動控制閘門開度，無需其他能源驅動[3]，但由于其操作靈活性有限，無法適應用水需求較為頻繁的灌區輸配水系統。 因此， USBR(the U.S.Bureau of Reclamation)研發了三點式控制器（也稱Little-Man），該控制器能夠接收控制點水位實測值并反饋其內置算法推薦的閘門開度調節值，通過設定相關參數（dead-band，靜帶；gateoperate-time，動作時間；gate-rest-time，休眠時間），實現對閘門的調控[4]。由此，測控一體化閘門的研究和發展正式拉開帷幕。

目前，我國多數灌區的分水控制、流量計量、信息管理等方面自動化程度不高，基本上依靠配水員的手動操作和經驗估算，工作效率和用水效率低，與灌區現代化管理要求有較大差距，無法滿足灌區水資源優化調度、及時制定應急減災策略等多目標管理需求。因此，國內外專家圍繞測控一體化閘門及其調控技術開展了大量研究工作，本文重點從閘門水力特性適應性、過閘流量估算方法和閘群聯合調控技術等方面進行梳理分析，并展望未來研究重點。

1 研究現狀分析

1.1 閘門水力特性適應性研究

利用閘門對輸配水過程進行干預時需要統籌考慮配水靈活性，渠道運行穩定性與安全約束，防洪需求等多目標需求[5]。多目標的實現受過閘水流水力特性影響顯著，研究人員多從閘門結構入手解決測控一體化技術中閘門水力特性適應性問題。

常用于灌區的閘門有下射式孔流板閘、堰高可調的槽閘等，由于二者具有不同的水力特性，故適用場景不同。板閘的過流方式一般為下射式孔流，槽閘的過流方式為頂面溢流，二者的優缺點見表1。板閘用于流量監測時，通常無需購買新的成套設備，且水頭損失低，但其穩定水位的能力與槽閘相比較差，不利于聯合調控；槽閘的過流形式為頂面溢流，能保證渠道不發生漫溢，且上下游水位穩定，故其在閘群聯合調控中的優勢不言而喻[6]。

表1 兩種閘門過流方式的特點[10]Tab.1 The characteristic of weir overflow and orifice flow

上、下游水位是渠道控制和流量計算的關鍵要素，水位穩定有利于改善渠道水力響應特性，因此將“堰”與“閘”相結合是一個巧妙的門體結構設計思路，測控一體化槽閘就是采用這樣的門體結構。但是，由于其固有的頂面溢流形式會造成頻繁的閘前淤積，不僅影響傳感器測量精度，嚴重時還影響閘門過流能力。有資料顯示，槽閘受淤積困擾時測流精度較正常工作狀態下降26.8%[7]。針對淤積問題，一種方法是在分析傳感器結構及其故障原因的基礎上，加裝一種外置的高效自動清洗裝置借助高壓水槍對傳感器濾網進行沖洗，在一定程度上解決因淤積而引起的傳感器工作性能下降問題[8]；另一種方法是從水力學角度入手，通過對閘門水力性能進行深入分析，提出結構更為簡單、實用的控水設備，使閘門的過流底面與渠底皆可齊平，有利于集中沖沙，緩解閘前淤積壓力[9]。

1.2 過閘流量估算方法研究

過閘流量的估算通常是利用實測的水位、流速和閘門開度等數據，通過過閘流量計算模型間接獲得流量，過閘流量計算模型可分為機理模型、軟測量模型[11]，模型特點及計算流程見圖1。

圖1 過閘流量計算流程Fig.1 The calculation process of discharge

機理模型在傳統水工建筑物量水方法中應用較多，即利用相應的水力學理論進行流量計算。但該方法不具備時間相關性，且工程中的過閘流態不滿足經驗公式假設時，會大大影響精度[11]。軟測量(Soft sensor)技術屬于控制理論，又可稱為狀態觀測技術(State observe)，包括軟測量建模方法，模型實時演算的工程化實施技術及模型自校正技術，其中軟測量建模方法是該技術的核心。軟測量建模方法主要有兩大類：一類是基于過程機理，該類方法需要開發人員透徹了解研究對象的過程機理，針對不同研究對象建立不同的模型，但該方法不適用于某些復雜的非線性過程；另一類是基于數據，該類方法將研究對象看作一個黑箱，利用數學回歸方法、系統辨識或神經網絡等方法建立模型，其優點是不需要深入了解研究對象的內部規律，適用性極廣，但物理意義不明確[12]。新型的軟測量模型結合了兩種建模技術的優點，能夠兼顧物理意義與時間相關性，提高了模型的非線性逼近能力，適用于具有強非線性、時變特點的水力過程。周玲（2002年）針對BP 網絡應用于涵閘流量計算時出現的訓練速度慢、易陷入局部極小值、推廣能力較差的問題，運用最小二乘法建立了RBF 軟測量模型，經測試與比較，發現RBF 方法較BP 方法收斂速度快、回憶誤差小、實時性好、泛化能力強[13]。曹玉升等（2016年）將遺傳算法與傳統閘孔出流公式結合，建立了過閘流量軟測量模型，可根據實測數據在線調整流量系數，自動擬合節制閘前后水位、閘門開度、流量系數之間的非線性關系，利用南水北調中線節制閘某時段渠道運行數據驗證模型有效性并與其他模型進行比較，結果表明其實際工作性能優于傳統水力學計算方法和基于BP網絡的過閘流量計算模型[14]。

1.3 閘群聯合調控技術研究

閘群聯合調控的關鍵是閘群長時間、持續工作中的強非線性、多擾動、強耦合、大滯后等協同調控問題，在滿足用水和安全需求的同時考慮復雜內邊界對渠道非恒定流輸水過程的影響，最終實現渠道輸水過程的及時調控[15]。Streeter[16]于20世紀60年代第一次提出全渠道控制概念，基于何種理論及方法實現全渠道范圍內的閘門聯合調控一直是研究熱、難點，許多學者從渠道控制模型、控制算法等方面對此進行研究。

1.3.1 渠道控制模型

渠道控制模型是進行控制算法設計和分析控制系統魯棒性、穩定性的基礎。目前，渠道控制模型主要包括非線性模型、線性模型、簡化模型和基于辨識的黑箱（或灰箱）模型四類，各類模型的優缺點及實現方法和相關研究成果見表2[17]。

表2 渠道控制模型特點及相關研究成果Tab.2 The characteristic and research findings of canal control models

1.3.2 明渠運行控制算法

明渠運行控制算法可以追溯到20世紀50年代，美國California 中央流域工程首次使用Little-Man 算法對渠道閘門進行控制，而后美國墾務局及其他機構在其基礎上提出了Colvin算法、PID 算法、P+PR 算法等[28]。早期的閘門控制器屬于單輸入單輸出形式，沒有考慮渠池之間的耦合問題，可能會出現水位和流量變幅逐級放大現象。為解決此問題，國內外學者開始研究具有多輸入多輸出算法結構的控制算法，本文主要介紹兩種比較受歡迎的方法：線性二次型算法(LQR)和模型預測算法(MPC)，兩種算法的特點見圖2。

圖2 MPC算法與LQR算法的特點Fig.2 The characteristic of MPC and LQR

針對可預知分水擾動問題，尚毅梓等以控制點水位偏差為主要抑制因子，基于線性二次型(LQR)指標，建立了渠道系統水位偏差及其變率、流量控制的全狀態空間模型，構造出包含有M 步未來信息的擴展系統，使渠道系統能夠有效應對可預知分水擾動[29]。王忠靜等（2018年）針對多級聯渠道時滯、耦合特性及一般未知取水擾動問題，基于輸水渠道線性積分時滯控制模型（ID 模型），建立了多級渠道離散時間狀態空間方程，基于線性二次型理論(LQR)設計了最優狀態反饋控制器，在流量變幅控制在0.1 m3/s 以內的試驗中表現良好，能夠使控制點水位始終保持在安全運行范圍內，但出現較大的水位變幅時仍可能發生水位超過渠道安全運行范圍甚至漫溢的情況，故后續需要研究能夠考慮較大取水擾動和水位輸出約束的控制算法[30]。Overloop 等（2010年）基于模型預測算法(MPC)設計了閘門控制器，經試驗發現該種控制器可在一定程度上克服噪聲和干擾問題，保持水位在約束范圍內[31]。Aydin 等（2017年）針對不可預知隨機擾動和操作性失水難以計入控制模型的問題，利用滾動時域估計(MHE)預測狀態變量和初始條件，結合模型預測算法(MPC)對渠道控制系統的每一步進行優化，以實現對不可預知隨機擾動的合理描述[32]。

2 展望

2.1 推進閘門水力特性適應性研究

測控一體化閘門與傳統閘門相比具有計量和控制雙重功能，故閘門水力特性適應性研究需圍繞精準計量、安全運行和易維護等方面綜合考慮。一方面從水力學角度出發，在保證上下游水位穩定的基礎上，力爭較高的水位和流量計量精度；另一方面，控水設備結構設計需考慮泥沙淤積、低溫、盜砸等問題，在不影響設備水力性能及測流能力的基礎上，增加或替換具有相同功能的裝置或元件，以此來保證控水設備在實際應用中的穩定與安全；第三方面，需加強各類設備的適應性研究，合理安排不同設備的使用場景，減少維護成本，將其功能和效益最大化。

2.2 推進過閘流量軟測量模型通用性研究

大部分對過閘流量軟測量模型的研究主要圍繞特定流態進行，在未來可嘗試將此類軟測量模型發展為具有自動適配機制的程序，自動判別流態并選擇適宜的過閘流量計算公式及AI 算法，建立軟測量模型，實現該種軟測量模型能夠在不同灌區、不同系統、不同流態下通用，減少重復開發的技術壓力，為用戶提供精準的分水口流量信息，為技術人員提供方便的開發工具。該目標的實現有賴于經典水力學理論的突破和系統辨識、AI技術的進一步發展。

2.3 推進閘群聯合調控技術實用性研究

閘群聯合調控的可實施性取決于渠道控制算法的控制性能，而控制算法的性能很大程度上依賴于渠道控制模型精度。復雜的非線性控制模型精度雖高，但數學推導復雜，且難以利用控制理論進行算法設計和分析，線性模型的參數整定和在線辨識較為困難，而簡化模型僅考慮主要水力因素，將渠段概化為均勻流區和回水區，在某些不符合假設或存在高頻擾動的情況下精度較低。因此，在未來的研究中，一方面，應對非線性模型的邊界條件、汊點進行適當簡化，降低控制算法設計難度，提高其實用性；另一方面，應深化系統辨識或AI 技術與線性渠道控制模型的結合，尋找更為穩定、高效的模型參數率定方法，進一步提高模型精度和計算效率；第三方面，應進一步推進狀態觀測技術與簡化模型的結合，提高其對高頻擾動的處理能力。

2.4 健全相關標準、規范

為了落實“百花齊放，百家爭鳴”方針，促進灌區信息化建設人員的交流學習、共同發展，需要一些基礎的規范性文件提供交流環境。通信協議對SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)的設計和應用而言非常重要，影響著硬件和軟件的選擇及系統的信息吞吐量、通信模式和通信拓撲結構。目前，國際上并沒有統一的灌區自動化通信協議，導致不同灌區管理系統之間通信困難、開發人員之間的交流壁壘過高，存在嚴重的重復開發現象，需要健全適用于灌區的自動化通信標準。此外，由于社會經濟迅速發展，灌區的任務也越來越多元化，涉及的數據和業務應用模塊繁多，而目前切合灌區實際情況的數據質量控制規范、數據協同交互規范、數據表單結構設計規范等都相對缺乏，需要健全灌區管理軟件開發標準，完善業務需求文檔和開發代碼規范，并對考慮到不同種類、不同數量因素的軟件進行分類、分級，幫助灌區根據自身需求選擇合適的管理軟件，促進開發人員之間的技術交流。

2.5 探索適宜的灌區信息化工程運維模式

灌區現代化發展逐漸向“智慧化”轉型，信息化工程建設無疑為灌區管理水平和服務能力提升提供了基礎支撐，但是信息化工程能否持續發揮效益，更多地取決于灌區運維水平的高低。我國灌區基礎設施條件參差不齊，基于灌區客觀條件探索適宜的灌區信息化工程運維模式是落實“強監管”的重要抓手。目前可提高灌區信息化工程運維水平的途徑主要包括：①加強培訓現有員工，提高其業務水平；②引進各種專業（如信息技術、自動化等）人員參與到灌區運維工作中；③通過向專業公司購買服務來保障信息化工程的正常運行。

3 結語

水力性能、流量計算精度、控制模型及算法的效率和精度、運維水平等均會對調控技術的實際應用效果產生影響，國內外學者為了改善調控技術在灌區中的應用效果進行了一系列研究，并取得了大量研究成果，涌現了許多優秀的測控一體化設備及軟件。本文通過對已有研究成果和技術現狀的梳理和分析，提出了測控一體化閘門及其調控技術在未來可進一步改善的建議，以期為灌區用水管理相關研究提供參考。