一种具有人工智能的闸门控制装置的制作方法

本发明涉及闸门控制技术领域，更具体地说，它涉及一种具有人工智能的闸门控制装置。

背景技术：

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。应用于防汛时体现出蓄洪泄洪的关键作用，实现洪水的科学调度；应用于工业污水控制时，可以限制未达标污水的排放；应用于灌区时，可以实现农作物的灌溉控制；应用于水电站生态流量时可以保证水生态的下泻流量；应用于景区时，可以实现景区内水位、水流控制及水质的调节改善。

目前，中小型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。

技术实现要素：

本发明提供一种自动化控制闸门的具有人工智能的闸门控制装置，解决相关技术中中小型闸门的自动化程度相对落后的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种具有人工智能的闸门控制装置，包括：

采集单元，其用于采集闸门信息；

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；

闸门控制单元，连接并接收采集单元采集的闸门信息，其用于控制闸门的电机的动作；

闸门控制单元向电机发出开闸指令或关闸指令应满足以下预设条件：

闸门的开闸回路和关闸回路均不带电；

闸门控制单元向电机发出开闸指令后如果满足以下预设条件则向电机发出停止指令：

闸门的开闸回路不带电和/或关闸回路带电；

闸门控制单元向电机发出关闸指令后如果满足以下预设条件则向电机发出停止指令：

闸门的开闸回路带电和/或关闸回路不带电；

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命令，闸门控制命令至少包括：关闸命令、开闸命令、停止命令、反转命令；

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，其用于在满足第一异常预定条件时向闸门控制单元发送停止命令，在满足第二异常预定条件时判断是否堵转，如果堵转则向闸门控制单元发送反转命令，如果满足第二异常预定条件则向闸门控制单元发送停止命令，如果不满足第二异常预定条件则向闸门控制单元发送反转命令；

第一异常预定条件是：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；

第二异常预定条件是：闸门的动作速率与电机的功率的比值超过正常阈值。

进一步地，所述闸门控制单元还连接用于计算得到运行拟合曲线的人工智能控制单元，人工智能控制单元连接并接收采集单元采集的闸门信息，人工智能控制单元计算得到运行拟合曲线包括：

接收闸门参数；

记忆库匹配检索，以闸门参数作为依据检索相似的数据；

运行过程曲线计算拟合，根据记忆库匹配检索的数据运行过程曲线计算拟合，获得拟合标准曲线；

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；

运行轨迹计算，根据拟合标准曲线能够实时推算出闸门下一阶段的运行曲线；

记忆库优化计算，记录本次闸门运行数据，与记忆库原有的数据进行运行过程曲线计算拟合获得新的拟合标准曲线；

更新记忆库模型，将记忆库优化计算获得的新的拟合标准曲线存储在记忆库中。

进一步地，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。

进一步地，所述闸门控制单元还连接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采集单元采集的闸门信息，其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；

第一障碍识别条件是：闸门关闭动作时，电机运行功率升高和/或闸门速率下降，且水位有落差；

第二障碍识别条件是：闸门开启动作时，电机运行功率升高和/或闸门速率下降。

进一步地，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。

进一步地，所述闸门控制单元还连接限位保护控制单元，所述限位保护控制单元连接并接收采集单元采集的闸门信息，其用于切断闸门控制单元的控制回路，至少包括连接闸门控制单元的控制回路的全开限位开关和全关限位开关。

进一步地，所述闸门包括：

门架，设置在需要门体控制的通道内，门架内设有门体以及用于驱动门体动作的执行机构；

门体与门架之间设有密封机构，密封机构可以是设置于门体与门架之间的密封条。

执行机构，包括连接门体以及门架的导向机构以及连接门体的驱动机构，其中，

导向机构，包括下端连接门体的立柱，立柱的上端贯穿门架并与门架滑动连接；

驱动机构，包括输入轴连接电机的输出轴的传动箱，传动箱的输出轴连接有绳轮，绳轮上绕有钢丝绳，钢丝绳贯穿绳轮，并且一端连接立柱的下端，另一端连接立柱的上端。绳轮双向的缠绕钢丝绳，绳轮的一个转向中，下方的钢丝绳被缠绕，上方的钢丝绳被放卷，立柱及门体被提升；

在绳轮的另一个转向中，上方的钢丝绳被缠绕，下方的钢丝绳被放卷，立柱及门体被下降。

进一步地，所述门体内部设有用于容纳非牛顿流体的容量可变的内腔室，内腔室容量的变化符合以下条件：内腔室的容量与通道的流量变量成反比，变量为正值时内腔室容量变小，变量为负值时内腔室容量变大；

门体的底部设有一个容量可变的与内腔室连通的外腔室；

伴随内腔室的容量变化，外腔室的容量变化符合以下条件：外腔室的容量增量与内腔室的容量减量相等，外腔室的容量减量与内腔室的容量增量相等；

并且，外腔室的长度伴随外腔室的容量增加而增加，伴随腔室的容量减小而减小。

进一步地，更为具体的，所述内腔室的容量的变化是：门体的两面设有与门体滑动连接的活动板，活动板封闭内腔室的一面，而且内腔室内设有用于驱动活动板复位的弹性件。

进一步地，所述外腔室的容量的变化是：门体的底部设有凹槽，凹槽内设有充盈后呈长方体形状的弹性囊，弹性囊的内部空间构成外腔室，弹性囊的开口连接门体，并连通门体的内腔室。

本发明的有益效果在于：

本发明的具有人工智能的闸门控制装置具有如下优点：

本发明的具有人工智能的闸门控制装置仅需要接入常规的闸站传感器，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，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。

本发明的具有人工智能的闸门控制装置通过人工智能单元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。

本发明的具有人工智能的闸门控制装置通过闸门运行模式单元的自动控制可以应用于相应的场景实现闸门的自动运行。定时运行模式可以应用于灌区的定时灌溉、景区的水质提升，水位调节模式可以应用于景区的水位控制保证景区的安全水位以及闸前闸后的安全水位落差，水量调节模式可以应用于灌区的定量灌溉、水电站保证下泻生态流量，远程控制模式可以根据应用场景的需求进行远程控制开、关闸门以及应急处置。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。

附图说明

图1是本发明实施例的具有人工智能的闸门控制装置的模块结构示意图；

图2是本发明实施例的闸门的正视图；

图3是本发明实施例的闸门的俯视图；

图4是本发明实施例的门体的结构示意图；

图5是本发明实施例的人工智能控制单元的运行流程图。

图中：具有人工智能的闸门控制装置100、采集单元101、闸门控制单元102、交互界面103、控制终端104、电机105、通信单元106、临时障碍物智能识别处理单元107、限位保护控制单元108、异常保护单元109、人工智能控制单元110、门架210、门体220、导向机构230、驱动机构240、传动箱2401、绳轮2402、钢丝绳2403、内腔室2201、外腔室2202、活动板2203、弹性囊2204、立柱2301。

具体实施方式

现在将参考示例实施方式讨论本文描述的主题。应该理解，讨论这些实施方式只是为了使得本领域技术人员能够更好地理解从而实现本文描述的主题，并非是对权利要求书中所阐述的保护范围、适用性或者示例的限制。可以在不脱离本说明书内容的保护范围的情况下，对所讨论的元素的功能和排列进行改变。各个示例可以根据需要，省略、替代或者添加各种过程或组件。例如，所描述的方法可以按照与所描述的顺序不同的顺序来执行，以及各个步骤可以被添加、省略或者组合。另外，相对一些示例所描述的特征在其它例子中也可以进行组合。

在本实施例中提供了一种具有人工智能的闸门控制装置100，如图1所示是根据本发明的具有人工智能的闸门控制装置100的模块示意图，如图1所示，该具有人工智能的闸门控制装置100包括：

采集单元101，其用于采集闸门信息；

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。

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。

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驱动闸门的电机105的功率的监测。

闸门控制单元102，连接并接收采集单元101采集的闸门信息，其用于控制闸门的电机105的动作；

闸门控制单元102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。

闸门控制单元102与电机105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102向电机105发出开闸指令或关闸指令应满足以下预设条件：

闸门的开闸回路和关闸回路均不带电。

闸门控制单元102向电机105发出开闸指令后如果满足以下预设条件则向电机105发出停止指令：

闸门的开闸回路不带电和/或关闸回路带电；

闸门控制单元102向电机105发出关闸指令后如果满足以下预设条件则向电机105发出停止指令：

闸门的开闸回路带电和/或关闸回路不带电；

闸门控制单元102通过交互界面103和/或与闸门控制单元102通信的控制终端104获取闸门控制命令，闸门控制命令至少包括：关闸命令、开闸命令、停止命令、反转命令。

电机105可选但不限于：异步电机105、步进电机105。作为闸门启闭的动力来源，作为闸门控制单元102的执行机构；

闸门控制单元102还连接用于计算得到运行拟合曲线的人工智能控制单元110，人工智能控制单元110连接并接收采集单元101采集的闸门信息，如图5所示是人工智能控制单元110的运行流程图，人工智能控制单元110计算得到运行拟合曲线的方法是：

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，也即向电机105发送停止指令。

例如，通过闸门关闸起始的闸前水位和闸后水位在记忆库中检索一个存储的与起始时的闸门信息相同的运行拟合曲线，依据该运行拟合曲线对闸门进行控制，安全的运行边界也即实际运行曲线与运行拟合曲线允许的最大偏差。

机器学习的曲线拟合使用加权最小二乘法，闸门运行的速率与电机105的功率，闸前后水位差的阻力等相关，因此曲线拟合的引入变量有闸前、闸后水位、闸门开度、电机运行功率，历史数据与本次数据的比较拟合，拟合出预计的闸位随时间的变化曲线。在拟合过程，与本次工况差异性小的以及最近的数据使用强关联的加权系数，对于差异性大的以及较早的数据使用弱关联的加权系数。

本次运行的数据进行实时记录和运用，在工况相同的情况下，运行轨迹应在一定的允许误差范围内。在工况不同的情况下，可以根据历史运行数据特征实时推算出下一阶段的运行数据曲线。

同时记录本次的运行轨迹，结合历史相似轨迹进行轨迹模型的优化，更新记忆库模型。通过曲线拟合的不断自学习，自修正，保证闸门的安全可靠运行。

总结来说包括：

接收闸门参数；

记忆库匹配检索，以闸门目标位置、闸门控制回路状态等不变量作为依据检索相似的数据，数据至少包括闸前水位、闸后水位、闸门位置、电机运行功率等变量；

根据记忆库匹配检索的数据运行过程曲线计算拟合，获得拟合标准曲线（y=电机运行功率）；

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；

运行轨迹计算，根据拟合标准曲线能够实时推算出闸门下一阶段的运行曲线；

记忆库优化计算，记录本次闸门运行数据，与记忆库原有的数据进行运行过程曲线计算拟合获得新的拟合标准曲线；

更新记忆库模型，将记忆库优化计算获得的新的拟合标准曲线存储在记忆库中；

临时障碍物智能识别处理单元107，连接并接收采集单元101采集的闸门信息，其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102发送反转命令；

第一障碍识别条件是：闸门关闭动作时，电机运行功率升高和/或闸门速率下降，且水位有落差。此时可以判断可移动性临时障碍物，可以自动通过反转提升闸门，释放障碍物后再进行关闸操作。

第二障碍识别条件是：闸门开启动作时，电机运行功率升高和/或闸门速率下降。此时可以判断可移动性临时障碍物，可以自动通过反转提升闸门，释放障碍物后再进行关闸操作。

因此在满足第一障碍识别条件时应间隔预定时间后向闸门控制单元102发送关闸命令。

因此在满足第二障碍识别条件时应在闸门位置达到全关位置后向闸门控制单元102发送关闸命令。

第二障碍识别条件也可以是闸门顶部设置的传感器检测到障碍物。

限位保护控制单元108，连接并接收采集单元101采集的闸门信息，其用于切断闸门控制单元102的控制回路，至少包括连接闸门控制单元102的控制回路的全开限位开关和全关限位开关。

闸门位置达到闸门全开或全关位置时，相应的全开、全关限位开关动作闭合，并自动切断控制回路，保证闸门可靠停止。

异常保护单元109，连接并接收采集单元101采集的闸门信息以及限位保护控制单元108的全开限位开关和全关限位开关的动作信息，其用于在满足第一异常预定条件时向闸门控制单元102发送停止命令，在满足第二异常预定条件时判断是否堵转，如果堵转则向闸门控制单元102发送反转命令，如果满足第二异常预定条件则向闸门控制单元102发送停止命令，如果不满足第二异常预定条件则向闸门控制单元102发送反转命令。

第一异常预定条件是：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；

此时可以判断全开限位开关和全关限位开关发生异常，通过异常保护单元109对闸门控制单元102发送停止命令控制电机105停止对于闸门的驱动。

第二异常预定条件是：闸门的动作速率与电机105的功率的比值超过正常阈值；

满足第二异常预定条件则可能出现电机105堵转问题，之后通过反转命令尝试闸门反向动作，判断是可能的钢丝绳2403缠绕故障，如果故障排除则再次反转继续运行，如果再次第二异常预定条件则判断彻底堵转，停止运行。

闸门的动作速率与电机105的功率成正比，设计时电机105的功率与闸门的动作速率应该是一个常数，正常阈值在该常数的基础上上下浮动合理的数值得到。

在配置控制终端104的基础上，人工智能的闸门控制装置100还包括与闸门控制单元102、采集单元101以及控制终端104通信连接的通信单元106。

控制终端104可以是有线控制终端或无线控制终端，可选但不限于：上位机、手机、平板电脑。

对于无线控制终端可以是通过远程无线通信加密通道通信，可实现远程的监控和控制。并且在采集单元101连接视频监控的情况下还可进行远程的视频监控。

本实施例中的闸门可以是现有技术中应用于水坝、沟渠等场景下的平板闸门或翻转闸门等，本实施例具体的提供一种平板闸门的示例：

如图2-3所示，闸门包括：

门架210，设置在需要门体220控制的通道内，门架210内设有门体220以及用于驱动门体220动作的执行机构；

门体220与门架210之间设有密封机构，密封机构可以是设置于门体220与门架210之间的密封条。

执行机构，包括连接门体220以及门架210的导向机构230以及连接门体220的驱动机构240，其中，

导向机构230，包括下端连接门体220的立柱2301，立柱2301的上端贯穿门架210并与门架210滑动连接；

驱动机构240，包括输入轴连接电机105的输出轴的传动箱2401，传动箱2401的输出轴连接有绳轮2402，绳轮2402上绕有钢丝绳2403，钢丝绳2403贯穿绳轮2402，并且一端连接立柱2301的下端，另一端连接立柱2301的上端。绳轮2402双向的缠绕钢丝绳2403，绳轮2402的一个转向中，下方的钢丝绳2403被缠绕，上方的钢丝绳2403被放卷，立柱2301及门体220被提升；

在绳轮2402的另一个转向中，上方的钢丝绳2403被缠绕，下方的钢丝绳2403被放卷，立柱2301及门体220被下降。

传动箱2401可选现有的各种类型的传动箱2401，可选但不限于：蜗轮蜗杆传动箱，齿轮传动箱。

立柱2301与门架210的滑动连接可以是立柱2301与门架210之间设置直线轴承或门架210顶部设置与立柱2301间隙配合的孔；

传动箱2401固定连接门架210的顶部，传动箱2401的输出轴通过轴承座连接门架210。提高传动的稳定性。与传动箱2401连接的电机105也可以是固定连接门架210或传动箱2401的箱体。

钢丝绳2403可以是通过绳头连接立柱2301，优选的，立柱2301上设有与钢丝绳2403间隙配合的槽。

本实施例考虑闸门在实际应用过程中会面对水流涌动的问题，也即单位时间内通道内的水流量不断变化或间歇性的变化产生的水流涌动现象；水流涌动虽然会对闸门产生间歇的冲击，这个问题只需要通过增强门体220以及门架210的结构即可解决；

水流涌动的另一个影响是使通过闸门的流量并非是稳定的，随着涌动程度的增加变化量也在增加，使得测量通过闸门的流量时存在误差，而且这个误差会伴随水流涌动的程度而扩大；

基于上述实际面对的情况，本实施例提供一种减少水流涌动影响的解决方案，具体是：

如图4所示，门体220内部设有用于容纳非牛顿流体的容量可变的内腔室2201，内腔室2201容量的变化符合以下条件：内腔室2201的容量与通道的流量变量成反比，变量为正值时内腔室2201容量变小，变量为负值时内腔室2201容量变大；

上述条件表征的是：水流涌动过程中流量增加内腔室2201容量变小，流量减小则内腔室2201容量变大。

门体220的底部设有一个容量可变的与内腔室2201连通的外腔室2202；

伴随内腔室2201的容量变化，外腔室2202的容量变化符合以下条件：外腔室2202的容量增量与内腔室2201的容量减量相等，外腔室2202的容量减量与内腔室2201的容量增量相等。

并且，外腔室2202的长度伴随外腔室2202的容量增加而增加，伴随腔室的容量减小而减小。

那么就产生这样一个效果，涌动导致流量增加，内腔室2201的非牛顿流体流入外腔室2202，长度增加的外腔室2202向下延伸，非牛顿流体受到水流冲击黏度变大形成一个接近固体的形态对水流产生阻碍，变相减小闸门打开的截面积，减少闸门通量，减少闸门通量伴随水流涌动的变化。

反之，涌动导致流量减小时，外腔室2202容量减小，向上回缩，变相增加闸门打开的截面积，增加闸门通量，增加闸门通量伴随水流涌动的变化。

更为具体的，内腔室2201的容量变化是：门体220的两面设有与门体220滑动连接的活动板2203，活动板2203封闭内腔室2201的一面，而且内腔室2201内设有用于驱动活动板2203复位的弹性件。涌动的流量增程活动板2203克服弹性件的弹力向内压缩减小内腔室2201容量，涌动的流量减程弹性件释放积聚的势能推动活动板2203回复平衡的位置。

外腔室2202的容量变化是：门体220的底部设有凹槽，凹槽内设有充盈后呈长方体形状的弹性囊2204，弹性囊2204的内部空间构成外腔室2202，弹性囊2204的开口连接门体220，并连通门体220的内腔室2201。

初始时弹性囊2204容量最小，收入门体220的凹槽内，伴随内腔室2201的容量变化，非牛顿流体流入或流出弹性囊2204，使弹性囊2204的外腔室2202的容量被动的变化。

弹性件可选但不限于：弹簧、气囊。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如rom/ram、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例的方法。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本发明的保护之内。