基于遺傳程序水閘綜合智能化控制系統的設計

施 翔，薛萍萍，王 新

（江蘇省洪澤湖水利工程管理處，江蘇 淮安 223100）

0 引言

水閘作為水資源管理和防洪控制的關鍵基礎設施，對于保障水安全、調節水資源有著不可或缺的作用。它們不僅在灌溉、供水系統中起到了至關重要的調控作用，也是防洪減災體系中的重要組成部分。通過精確控制水位和流量，水閘確保了水資源的合理分配和有效利用，同時最大限度地減少了自然災害的潛在風險。然而，傳統控制系統往往面臨一對一布線導致的系統可靠性問題。在這種布線方式下，任何單一的故障點都可能導致整個系統的故障，影響水閘的正常運行。此外，隨著系統規模的擴大，布線的復雜性會急劇增加，進一步增加了維護成本和故障風險[1]。鑒于此，本研究提出了一種基于遺傳程序的水閘綜合智能化控制系統設計。遺傳程序是一種模擬自然進化過程的搜索算法，通過迭代進化來優化解決方案。應用遺傳程序于水閘控制系統設計中，可以有效地解決傳統系統中存在的問題，如提高系統的適應性、可靠性和效率。通過優化控制策略和參數設置，基于遺傳程序的控制系統能夠自動適應環境變化，實現更加精確和穩定的水閘控制，從而有效提高水資源管理的效率和安全性[2]。

1 水閘綜合智能化控制系統硬件設計

1.1 系統通信功能設計

水閘智能化控制系統的通信功能設計是確保系統運行效率和安全性的關鍵環節。通信功能設計采用RS485 通信標準，具有高可靠性和強抗干擾性，支持長距離通信，對于水閘這樣的大型基礎設施尤為重要。通過差分傳輸技術，RS485 設計能夠在惡劣的工業環境下保持穩定的通信性能，確保水閘控制系統的數據傳輸準確及時，對于實現高效水資源管理和防洪控制具有重要作用。

RS485 設計的通信網絡設中，485 收發器轉換TTL 電平和RS485 電平。其節點中的串口控制器使用RX 和TX 信號線連接在485 收發器上，通過差分線將收發器連接至網絡總線，使用差分信號提高信號傳輸過程中的穩定性和抗干擾能力。在該基礎上，工業以太網被引入作為通信框架，提高數據傳輸的速度和效率[3]。通信服務器的程序流程圖見圖1所示。

圖1 通信服務器的程序流程示意圖

在構建通信服務器時，主要職能是處理通過以太網和串口收發的數據。采用編碼方式明確定義各個端口接收和發送數據的數據結構，服務器能夠按照既定的通信協議對串口數據進行相應的處理。

1.2 水閘監控界面設計

在水閘綜合智能化控制系統中，人機交互界面的設計直接影響到操作人員與系統交互，執行命令及監測水閘運行狀態。通過人機交互界面，工作人員通過輸入工作參數及操作指令實現人機之間的有效溝通[4]。

人機交互界面硬件由中央處理器（CPU）、顯示屏（如液晶顯示屏）、通信接口（用于與控制系統及其他設備通信的接口）和數據存儲單元（用于存儲系統參數、用戶操作記錄等信息）。這些硬件設備共同工作，提供一個直觀、易操作的界面給用戶，從而實現對水閘系統的有效控制和監控，如圖2 所示。

圖2 人機界面硬件組成示意圖

人機交互方式選用觸摸屏設計，通過集成的觸摸檢測裝置和控制器實現。確定采用表面聲波技術的觸摸屏類型，具有高精度和可靠性，該觸摸屏通過屏幕四角的超聲波發射和接收換能器覆蓋整個屏幕，利用超聲波在觸摸點處的變化來精確定位觸摸位置。

考慮到水閘控制的復雜性界面被分成多個不同的畫面，以便于監控和控制不同的系統參數。這些畫面包括閘首控制畫面、電氣量畫面、模擬量畫面、溫度量畫面和報警畫面，每個畫面都設計有特定的功能和顯示信息，以便操作人員可以快速地獲取所需信息并作出相應的控制決策。這種分畫面設計不僅使得界面更加直觀易用，也有助于提高水閘智能化系統的監控效率和控制精度。

水閘智能化控制系統的人機界面設計重點在于采用高精度的觸摸屏技術，結合邏輯清晰的多畫面布局，以實現對水閘運行狀態的精確監控和高效控制。通過這樣的設計，可以大大提高操作人員與系統之間的交互效率，確保水閘智能化系統的可靠運行。

2 基于遺傳程序的水閘綜合智能化控制系統軟件設計

2.1 建立控制對象的傳遞函數

智能化控制系統軟件設計中，使用遺傳程序來優化和確定控制系統的數學模型，從而確保控制策略的有效性和高效性。

針對常規控制目標采用遺傳程序建立傳遞函數：當系統輸入量水壓b單位階躍變化時，輸出量閘門壓力p傳遞函數fpb(s)如式（1），電功率數值g傳遞函數fgb(s)如式（2）；當系統閘門開度μ單位階躍變化時，輸出量閘門壓力p傳遞函數fpμ(s)如式（3），電功率數值g傳遞函數fgμ(s)如式（4）。

式中：s—終止符集，在計算過程中隨機獲得。

針對同時考慮多個控制目標，設計多目標遺傳程序，輸出適應度函數，公式如（5）。

式中：x（i，j）—在輸入階躍擾動時，系統輸出量閘門壓力p第j個分量對于變量i 的響應；x'（j）—實際系統輸出壓力p 的第j 個分量；η1和η2為權重系數，用于平衡不同分量的重要性，η1+η2=1；n—實際系統輸出量的分量個數。

適應度函數的值范圍為[0，1]，值越接近1，表示程序樹（即遺傳程序中的解決方案）越能準確地反映實際系統行為。根據適應度函數評分，選擇遺傳操作，復制（概率為0.1）：直接將選中的個體復制到下一代；交叉（概率為0.9）：選中的兩個個體交換部分結構，生成新的個體；突變（概率為0.01）：隨機改變個體的某部分，以引入新的變異。通過迭代計算，不斷更新適應度函數和個體，以逐步逼近最優解。每一代的個體都是基于上一代中表現最好的個體通過遺傳操作生成的。這個過程持續進行，直到滿足終止條件

2.2 水閘智能化控制系統的回路控制

首先定義系統的控制目標，通過構建傳遞函數矩陣H（s）來實現。通過傳遞函數矩陣詳細描述在不同控制輸入下系統輸出如何響應，揭示系統的動態行為。

接下來引入靜態解耦網絡Z，通過補償措施減少或消除系統各輸出之間的相互干擾。通過靜態解耦網絡的補償，獲得一個“等效對象”，反映經過解耦處理后的系統動態行為。基于上述分析和設計過程，構建出水閘智能化控制系統的回路控制結構，如圖3 所示。

圖3 回路控制器

由于閘門壓力和電功率均采用單輸入單輸出（SISO）的控制策略，基于這兩個SISO 對象設計的回路控制器，通過精確調節輸入（如控制信號），可以獲得期望的輸出（如壓力調節和功率分配），從而形成了良好的閉環控制特性。閉環控制系統的優點在于能夠自動補償外部擾動和系統內部的變化，保持系統輸出的穩定性和準確性。

3 水閘綜合智能化控制系統性能測試

3.1 實驗準備

水閘綜合智能化控制系統包含多個協同工作的子項目，其內部構成也相當復雜。為確保測試能夠全面評估系統的實際應用性能，選擇了具有代表性的安徽省荊山湖退洪閘做為實際應用場景進行測試。退洪閘的主要功能是在洪水期間控制水流，防止上游水位過高而導致的洪水災害，這要求控制系統必須具備高度的可靠性和響應能力。退洪閘關鍵結構參數：閘底板高程17.0 m，單孔凈寬10 m，閘室總寬度340.6 m，閘頂高程：25.8 m，閘室順水流長度19 m。

第一，對系統內部元件故障情況進行性能測定，通過計算系統元件總故障率來實現。第二，在系統元件總故障率測試和閘門開度測試中，分別使用基于自適應遺傳程序的控制系統和基于PLC 技術的控制系統。這兩種控制系統的選擇反映了不同技術路徑在提高水閘控制系統可靠性方面的應用。

3.2 系統元件總故障率測試結果及分析

在進行系統元件總故障率的測試時，所有測試都在相同的環境條件和使用條件下進行，以確保結果的可比性。這種統一的測試條件為比較不同控制系統提供了一個公平的基礎。基于自適應遺傳算法控制系統電氣設備狀態、關閉狀態時系統原件總故障率分別為25.73%、14.56%；基于PLC 技術的控制系統電氣設備狀態、關閉狀態時系統原件總故障率分別為20.11%、10.05%；基于自適應遺傳算法控制系統電氣設備狀態、關閉狀態時系統原件總故障率分別為0.59%、0.11%。

控制系統在電氣設備啟動狀態下的故障率普遍高于關閉狀態，因為啟動狀態下電氣設備承受的負載和壓力更大，從而增加了故障的可能性。傳統的控制系統，無論是基于自適應遺傳程序還是基于PLC 技術的系統，其元件總故障率高于15%；相比之下基于遺傳程序的智能化控制系統的元件總故障率在0.11%～0.59%之間，故障率顯著降低。

從測試結果來看，基于遺傳程序的智能化控制系統在可靠性方面表現出色，遠超傳統控制系統。這種顯著的改進可能歸因于智能化控制系統更高效的故障預防和管理機制，以及可能的更先進的元件選擇和系統設計。

3.3 閘門開度測試結果及分析

測試中使用位移傳感器來檢測油缸的行程，同時通過第三方軟件將油缸行程轉換為閘門的開度值。測試從閘門完全關閉的位置開始，每當油缸行程增加0.5 m，就記錄相應的閘門開度值，直至油缸完全伸出。

測試結果表明：在油缸行程為3.5 m 時，基于遺傳程序的控制系統、自適應遺傳算法的控制系統、PLC 技術控制的閘門開度達到的最大值分別為8 280 mm、4 090 mm、3 750 mm。這表明基于遺傳程序的水閘綜合智能化控制系統不僅元件故障率較低，在閘門動作準確性和系統可靠性方面表現更為優異。

4 結語

在水閘現有自動化控制基礎上提出一種基于遺傳程序的水閘綜合智能化控制系統，可有效解決傳統控制系統中存在的可靠性問題。通過設計對比實驗，驗證了基于遺傳程序技術在智能化控制系統中的應用效果，特別是在提高系統可靠性方面的效果顯著。基于遺傳程序技術可以有效解決智能化控制系統中的可靠性問題，從而提升水閘控制系統的整體性能。