一种具备即时分析、调整功能的测控管一体式闸门的制作方法

1.本发明涉及闸门控制技术领域，具体涉及一种具备即时分析、调整功能的测控管一体式闸门。


背景技术：

2.闸门是水利工程的重要组成部分，他是用来开放和关闭泄水通道的控制设备，可应用于各种类型的水利场景。实现水利的科学调度，实现农作物的灌溉控制，实现水位、水流控制及水质的调节改善。
3.目前，闸门的自动化程度相对落后，大部分没有自动化，人工操作闸门的开启和关闭，费时费力，操作人员的劳动强度大。
4.因此，如何提供一种自动化程度高、具备即时分析、调整功能的测控管一体式闸门是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提出了一种具备即时分析、调整功能的测控管一体式闸门，解决现有技术中闸门的自动化程度相对落后的技术问题。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.本发明公开了一种具备即时分析、调整功能的测控管一体式闸门，包括：采集单元、闸门控制单元和人工智能控制单元；其中，
8.所述采集单元用于采集闸门信息；
9.所述人工智能控制单元连接并接收所述采集单元采集的闸门信息，用于构建拟合算法模型，结合历史闸门信息计算得到实时的闸门运行过程曲线，并对所述拟合算法模型进行实时更新优化，根据更新后拟合算法模型拟合新的闸门运行过程曲线；
10.所述闸门控制单元连接并接收所述采集单元采集的闸门信息，所述闸门控制单元还连接所述人工智能控制单元，用于根据实时的闸门运行过程曲线控制闸门的动作。
11.优选的，所述人工智能控制单元执行步骤包括：
12.接收当前闸门信息；
13.记忆库匹配检索，当前闸门信息与记忆库中存储的历史闸门信息进行对比，检索符合算法设定的误差范围内的历史闸门信息；
14.闸门运行过程曲线计算拟合，将检索的历史闸门信息输入至拟合算法模型，拟合闸门运行过程曲线，获得拟合标准曲线；
15.运行轨迹计算，根据拟合标准曲线实时推算出闸门下一阶段的运行轨迹；
16.运行安全区域监控，闸门运行过程中根据闸门参数判断电机运行功率是否超过拟合标准曲线的安全范围；
17.记忆库更新优化，记录当前闸门信息至记忆库，将当前闸门信息与记忆库原有的闸门信息进行运行过程曲线计算拟合，获得新的拟合算法模型和新的拟合标准曲线并存
储；
18.更新记忆库模型，利用所述新的拟合算法模型和新的拟合标准曲线对原拟合算法模型和拟合标准曲线进行更新。
19.优选的，所述闸门控制单元执行步骤包括：
20.当满足第一控制预设条件时闸门控制单元向闸门电机发出开闸指令或关闸指令；所述第一控制预设条件包括：控制闸门开启或关闭的控制回路中的开闸控制回路和关闸控制回路均未上电；
21.闸门控制单元向闸门电机发出开闸指令后，若满足第二控制预设条件则向闸门电机发出停止指令；所述第二控制预设条件包括：所述开闸控制回路未上电和/或关闸控制回路上电；
22.闸门控制单元向闸门电机发出关闸指令后，若满足第三控制预设条件则向闸门电机发出停止指令；所述第三控制预设条件包括：所述开闸控制回路上电和/或关闸控制回路未上电。
23.优选的，还包括限位保护控制单元，所述限位保护控制单元至少包括连接所述闸门控制单元的全开限位开关和全关限位开关；所述限位保护控制单元连接并接收所述采集单元采集的闸门信息，根据所述闸门信息触发所述全开限位开关和/或全关限位开关，进一步控制切断闸门控制单元的控制回路。
24.优选的，还包括异常保护单元，所述异常保护单元连接并接收所述采集单元采集的闸门信息以及所述限位保护控制单元的全开限位开关和全关限位开关的动作信息，用于执行以下步骤：
25.当满足第一异常预定条件时，所述异常保护单元向闸门控制单元发送停止命令；
26.当满足第二异常预定条件时，所述异常保护单元向闸门控制单元发送停止命令，且判断闸门是否堵转，如果堵转则向闸门控制单元发送反转命令；若不满足第二异常预定条件，所述异常保护单元向闸门控制单元发送反转命令；
27.第一异常预定条件包括：闸门位置达到闸门全开或全关位置，且全开限位开关和全关限位开关没有动作；
28.第二异常预定条件包括：闸门的动作速率与闸门电机的功率的比值超过设定的正常阈值。
29.优选的，还包括临时障碍物智能识别处理单元，所述临时障碍物智能识别处理单元连接并接收所述采集单元采集的闸门信息，用于在满足第一障碍识别条件或第二障碍识别条件时向闸门控制单元发送反转命令；
30.第一障碍识别条件包括：闸门关闭动作时，闸门电机运行功率升高和/或闸门速率下降，且闸后水位有落差；
31.第二障碍识别条件包括：闸门开启动作时，闸门电机运行功率升高和/或闸门速率下降。
32.优选的，所述临时障碍物智能识别处理单元在满足第一障碍识别条件时，间隔预定时间后向闸门控制单元发送关闸命令；在满足第二障碍识别条件时，在闸门位置达到全关位置后向闸门控制单元发送关闸命令。
33.优选的，还包括与所述闸门控制单元连接的闸门运行模式单元，实现闸门在不同
模式下的自动运行，包括：
34.定时运行模式，向所述闸门控制单元发送定时指令；
35.水位调节模式，向所述闸门控制单元发送水位控制指令；
36.水量调节模式，向所述闸门控制单元发送定量控制指令；
37.远程控制模式，向所述闸门控制单元发送远程控制指令。
38.本发明多种自动化运行模式实现了闸站的自动化运行、减少了运行人员的劳动强度、降低了闸站运行的成本，结合闸门的人工智能控制，实现了闸站的无人值班运行模式。
39.优选的，所述闸门控制单元通过交互界面和/或与闸门控制单元通信的控制终端获取闸门控制指令，闸门控制指令至少包括：关闸指令、开闸指令、停止指令、反转指令。
40.优选的，所述闸门控制单元和采集单元通过通信单元与控制终端通信连接。
41.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
42.本发明的具有人工智能的闸门仅需要接入常规的闸站传感器，在闸站改造过程中，无需增加新的投入，即可实现闸门的智能控制；通过人工智能控制单元的拟合算法模型的自学习能力，将实时数据和历史数据进行计算对比，优化历史数据中不合理的数据源，进而优化和得到新的拟合标准曲线以及优化出新的拟合算法模型，实现了闸门启动条件的判断、闸门行进过程的自我学习监测及处理，闸门行进过程的异常保护，进而实现了闸门启动、停止以及行进过程中的安全、可靠运行，为闸站实现无人值班创造了条件。
附图说明
43.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图；
44.图1为本发明一种实施例提供的具备即时分析、调整功能的测控管一体式闸门的原理框图；
45.图2为本发明另一种实施例提供的具备即时分析、调整功能的测控管一体式闸门的原理框图。
具体实施方式
46.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
47.如图1所示，本发明实施例公开了一种具备即时分析、调整功能的测控管一体式闸门，包括：采集单元、闸门控制单元和人工智能控制单元；其中，
48.采集单元用于采集闸门信息；
49.人工智能控制单元连接并接收采集单元采集的闸门信息，用于构建拟合算法模型，并结合历史闸门信息对拟合算法模型进行实时更新优化，根据更新后拟合算法模型拟合计算得到实时的闸门运行过程曲线；
50.闸门控制单元连接并接收采集单元采集的闸门信息，闸门控制单元还连接人工智能控制单元，用于根据实时的闸门运行过程曲线控制闸门的动作。
51.闸门信息至少包括闸前水位、闸后水位、闸门动作速率、闸门位置、用于驱动闸门的电机运行功率；闸前水位与闸后水位能够结合闸门自身的尺寸参数计算过闸流量，以及闸门动作过程中水位阻力的判断。闸门信息还可直接包含流量计计算的闸门流量。
52.本领域技术人员可以理解的是，利用常规的闸站传感器即可实现闸门信息的获取，包括闸门开度仪、闸前水位计、闸后水位计、电机运行功率监测器等。
53.上述闸门信息可以采用以下具体的方式：为保证闸位传输的高实时性以及闸门异常的快速反应的要求，采集闸门位置的闸位传感器使用4～20ma模拟量接口。用于闸门位置监测、闸门动作速率监测、辅助判断限位开关异常，用于过闸流量计算。
54.闸前、闸后水位计的采集利用水位传感器，水位传感器可以使用4～20ma模拟量输入接口或rs485串行通信接口。用于过闸流量计算，闸门动作过程中水位阻力的判断。电机运行功率监测器用于监测闸门运行全过程中的电机功率。
55.在一个实施例中，根据当前的闸门控制回路状态、各传感器状态、闸前水位、闸后水位、闸门当前位置以及目标位置，进行历史运行数据的的记忆库匹配检索，通过机器学习和计算形成本次的运行拟合曲线，给出安全的运行边界，在运行过程中实时进行边界判断，保证闸门在安全的运行边界内运行，超出安全运行边界进行预警和停止。
56.人工智能控制单元执行步骤包括：
57.接收当前闸门信息；
58.记忆库匹配检索，当前闸门信息与记忆库中存储的历史闸门信息进行对比，检索符合算法设定的误差范围内的历史闸门信息；利用拟合算法模型的自学习功能，会将从出厂后第一次使用开始的所有使用记录及操作习惯数据保存，即历史数据。
59.闸门运行过程曲线计算拟合，将检索的历史闸门信息输入至拟合算法模型，拟合闸门运行过程曲线，获得拟合标准曲线；涉及闸门参数拟合标准曲线包括：
60.闸门工况参数拟合曲线包括：电机功率参数、闸门荷重参数、闸门启闭力参数、电机堵转参数等的拟合曲线；
61.闸门业务参数拟合曲线包括：水位-开度拟合曲线：根据水位参数及水位-开度算法模型，通过设定的目标水位实时自动调节闸门开度；流量-开度拟合曲线：根据流量参数及流量-开度算法模型，通过设定的目标流量实时自动调节闸门开度。
62.运行轨迹计算，根据拟合标准曲线，结合当前闸门信息，实时推算出闸门下一阶段，即闸门电机在下一个时刻的运行状态的运行轨迹；本实施例先利用历史数据进行标准曲线的拟合，将历史运行数据作为其数据源，不断学习和优化，进而通过大数据和拟合曲线进行判定，以大数据为判定依据，其结果更加客观准确；
63.运行安全区域监控，闸门运行过程中根据闸门参数判断电机运行功率是否超过拟合标准曲线的安全范围；
64.记忆库更新优化，记录当前闸门信息至记忆库，将当前闸门信息与记忆库原有的闸门信息进行运行过程曲线计算拟合，获得新的拟合算法模型和新的拟合标准曲线并存储；
65.更新记忆库模型，利用新的拟合算法模型和新的拟合标准曲线对原拟合算法模型
和拟合标准曲线进行更新。
66.本实施例中，通过拟合算法实现的具体步骤如下：
67.创建拟合算法模型；
68.设定三个变量为入参参数：比例参数ks、积分参数tt、微分参数td；比例参数ks用于对当前状态的处理，提高响应速度；微分参数td用于对过去状态的处理，减小静态差值；积分参数tt用于对将来状态的预测，抑制震荡。
69.拟合算法模型表达式如下：
[0070][0071]
其中，v(t)为模型的输出，e(t)为目标值与测量值的差值。
[0072]
拟合算法模型计算时，通过上一阶段算法计算出下一阶段的运行状态，先通过ks进行比例粗调节，使得e(t)变小，进而再通过tt和td细调，使得闸门在最短的时间内达到计算出的目标值。
[0073]
实时采集闸门相关工况、运行、性能参数为数据源；
[0074]
实时存储相关采集数据到数据记忆库；
[0075]
将实时采集数据和历史存储数据输入到拟合算法模型，并通过调节三个入参变量值拟合和优化出当前曲线；
[0076]
通过当前曲线及当前实时参数，实时计算出下一阶段的运行曲线。
[0077]
在一个实施例中，闸门控制单元与电机至少连接有以下控制回路用于执行指令：开闸控制回路、关闸控制回路、停止控制回路、急停控制回路、开关闸互锁回路。闸门控制单元执行步骤包括：
[0078]
当满足第一控制预设条件时闸门控制单元向闸门电机发出开闸指令或关闸指令；第一控制预设条件包括：控制闸门开启或关闭的控制回路中的开闸控制回路和关闸控制回路均未上电；
[0079]
闸门控制单元向闸门电机发出开闸指令后，若满足第二控制预设条件则向闸门电机发出停止指令；第二控制预设条件包括：开闸控制回路未上电和/或关闸控制回路上电；
[0080]
闸门控制单元向闸门电机发出关闸指令后，若满足第三控制预设条件则向闸门电机发出停止指令；第三控制预设条件包括：开闸控制回路上电和/或关闸控制回路未上电。
[0081]
需要说明的是，开闸控制回路/关闸控制回路是指使得闸门开启/关闭的控制单元电路。上电是指，对上述两种回路控制单元进行供电的操作。
[0082]
在一个实施例中，还包括限位保护控制单元，限位保护控制单元至少包括连接闸门控制单元的全开限位开关和全关限位开关；限位保护控制单元连接并接收采集单元采集的闸门信息，根据闸门信息触发全开限位开关和/或全关限位开关，进一步控制切断闸门控制单元的控制回路。
[0083]
本实施例中，限位保护单元包括电子限位和机械限位，分上限位和下限位，分别安装于闸门最低部和闸门最大行程处。当闸门出现异常时，闸门无法停止当前动作，先通过触发电子限位，是闸门控制单元对闸门进行紧急停闸；如果电子限位触发也异常，则直接通过机械限位，将闸门闸板以机械的方式卡死，无法使其继续运动，进一步实现了闸门控制的双重保护。
[0084]
在一个实施例中，还包括异常保护单元，异常保护单元连接并接收采集单元采集的闸门信息以及限位保护控制单元的全开限位开关和全关限位开关的动作信息，用于执行以下步骤：
[0085]
当满足第一异常预定条件时，异常保护单元向闸门控制单元发送停止命令；
[0086]
当满足第二异常预定条件时，异常保护单元向闸门控制单元发送停止命令，且判断闸门是否堵转，如果堵转则向闸门控制单元发送反转命令；若不满足第二异常预定条件，异常保护单元向闸门控制单元发送反转命令；其中，堵转是指闸门被异物堵住后，闸门继续运动，进而会产生堵转。
[0087]
第一异常预定条件包括：闸门位置达到闸门全开或全关位置，且全开限位开关和全关限位开关没有动作；
[0088]
第二异常预定条件包括：闸门的动作速率与闸门电机的功率的比值超过设定的正常阈值。
[0089]
在一个实施例中，还包括临时障碍物智能识别处理单元，临时障碍物智能识别处理单元连接并接收采集单元采集的闸门信息，用于在满足第一障碍识别条件或第二障碍识别条件时向闸门控制单元发送反转命令；
[0090]
第一障碍识别条件包括：闸门关闭动作时，闸门电机运行功率升高和/或闸门速率下降，且水位有落差；
[0091]
第二障碍识别条件包括：闸门开启动作时，闸门电机运行功率升高和/或闸门速率下降。
[0092]
本实施例中，临时障碍物智能识别处理单元在满足第一障碍识别条件时，间隔预定时间后向闸门控制单元发送关闸命令；在满足第二障碍识别条件时，在闸门位置达到全关位置后向闸门控制单元发送关闸命令。
[0093]
在一个实施例中，还包括与闸门控制单元连接的闸门运行模式单元，闸门控制单元的运行模式可设置的包括定时运行模式、水位调节模式、水量调节模式、远程控制模式等，实现闸门在不同模式下的自动运行，包括：
[0094]
定时运行模式，向闸门控制单元发送定时指令；
[0095]
水位调节模式，向闸门控制单元发送水位控制指令；
[0096]
水量调节模式，向闸门控制单元发送定量控制指令；
[0097]
远程控制模式，向闸门控制单元发送远程控制指令。
[0098]
在一个实施例中，闸门控制单元通过交互界面和/或与闸门控制单元通信的控制终端获取闸门控制指令，闸门控制指令至少包括：关闸指令、开闸指令、停止指令、反转指令。
[0099]
在一个实施例中，闸门控制单元和采集单元通过通信单元与控制终端通信连接。
[0100]
以上对本发明所提供的具备即时分析、调整功能的测控管一体式闸门进行了详细介绍，本实施例中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
[0101]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。
对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本实施例中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本实施例所示的这些实施例，而是要符合与本实施例所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。