具备启闭性状辨识功能的水工钢闸门的制作方法

本实用新型涉及应用于水利水电工程中对水工钢闸门设备开启、关闭、持住和调水的水工钢闸门的技术领域。

背景技术：

水工钢闸门是水工建筑物的主要挡水结构，是实现安全渡汛、合理调配水资源的重要设备，其启闭过程的安全性状直接关系到整个工程的安全。由于缺乏水工钢闸门在役启闭过程性状的实时辨识技术，目前水工钢闸门启闭运行性状监测呈现空白。长期以来，工程管理部门主要采取汛前泄水试验方法，确保水工钢闸门启闭过程的安全。由于受工程在役恶劣条件和运行荷载的复杂多变的影响，这种工程方便适宜的安全措施并不能对在役启闭性状做出准确预测和防范，甚至诱发运行过程失事情况的发生、发展。因此加强水工钢闸门的启闭性状辨识功能，成为保障钢闸门安全运行的核心问题。

水工钢闸门日常运行下，主要受到水位波动、开闸激浪、冻凝、温度等复杂环境影响，以及结构受载摩阻、主轮锈蚀、滑块卡顿、转枢抱死等内在因素影响。因此，水工钢闸门在运行过程中启闭性状的良好状况，关系着整个水利系统的安全运行。所以说，准确辨识水工钢闸门启闭性状，辨识对工程运行安全有影响的特征信息，极大地提升钢闸门在整个水利枢纽的重要作用，对水利水电工程设备的安全运行有重要的意义。

技术实现要素：

本实用新型目的是提出一种方便、及时了解钢闸门启闭状态的水工钢闸门。

本实用新型包括钢闸门、设有吊孔和对称设置两组腹板的吊耳，所述吊耳的下端连接在钢闸门的上端，其特征在于还包括对水工钢闸门的启闭性状进行辨识的启闭性状辨识装置，所述启闭性状辨识装置包括依次信号连接的吊耳启闭受力信号传感装置、ADC（模拟/数字转换器）和传输变送模块，所述传感装置将采集到的吊耳启闭受力信号经ADC（模拟/数字转换器）传送至传输变送模块。

本实用新型的启闭性状辨识装置利用其系统化、多功能化、数字化的特点，预测未来发展趋势和影响因素辨识，结合构建数学模型协助分析，并做出符合钢闸门启闭性状的智能化辨识监测。ADC（模拟/数字转换器）由模拟信号经放大转换为数字量，再由数字电路进行处理，得到钢闸门启闭过程的大量数据，通过对数据的实时分析，实现对卡阻、爬行等异常性状的侦知和辨识，有效地获取预警征兆信息。

本实用新型在水工钢闸门启闭过程中有效地满足了水利现代化管养的理念，加强了水利设备系统化关键技术的提升。本实用新型应用于水利水电工程中对水工钢闸门设备开启、关闭、持住和调水等工况运行过程中对钢闸门启闭性状的信息侦知和信息辨识，对出现的卡阻、爬行、双吊点不平衡等病态特征和受激振动等安全性状作出预警，以及关联预警阀限，对工作人员的管理提供有效明确的判断，对钢闸门运行过程中病态性状的有效侦知和辨识，为其性状的侦知和辨识提供足够量化的科学性和准确性，使得对管养人员提供准确的判断，有效的提升对水工钢闸门的管理效率，对广域钢闸门的有效管理产生了重要的意义。

进一步地，本实用新型所述吊耳启闭受力信号传感装置包括应力应变传感器、电测变送模块、电测铠装和传输导线，所述应力应变传感器复合在吊耳的腹板表面，应力应变传感器的信号输出端连接电测变送模块的信号输入端，电测变送模块的信号输出端连接与ADC（模拟/数字转换器）连接的传输导线；所述电测铠装设置在应力应变传感器和电测变送模块的外围。

本实用新型的应力应变传感器采用惠氏电桥测量方法获得吊耳腹板的受载形变微应变信息；电测变送模块对应力应变传感器受载形变微应变信息准确检测，并按虎克定理侦知钢闸门启闭力。电测铠装则用于保护应力应变传感器和电测变送模块等部件，避免受近水或水下等恶劣工况造成的危害，确保工程在役条件下可靠工作。

为了获得更为客观的吊耳腹板变形数据，所述吊耳为两只，传感装置为四组，两组传感装置的各应力应变传感器分别设置在一只吊耳的两组腹板上，另两组传感装置的各应力应变传感器分别设置在另一只吊耳的两组腹板上，并且四组传感装置的各应力应变传感器分别布置在相应吊耳的吊孔下方、居中的同一高度上。

更进优选地，每一组传感装置的应力应变传感器由至少两块竖向应变片和至少两块横向应变片组成，各竖向应变片布置在同一高度上，且相对吊耳的吊孔竖向中心轴对称布置；各横向应变片布置在同一高度上，且相对吊耳的吊孔竖向中心轴对称布置。

本实用新型机理：

（一）本实用新型采用以下硬件装置，作为硬件技术的支持：

1.具备启闭安全辨识功能的水工钢闸门启闭力传感装置的结构设计安排：

吊耳的腹板是启闭钢闸门施加作用的节点构件，其受载直接反映钢闸门启闭力大小、趋势等特征，本实用新型针对吊耳板开展钢闸门启闭力快速侦知与测报。本实用新型启闭力测报传感器的结构设计采用有限元力学仿真分析的方法，模拟水工钢闸门在运行过程中，吊耳的腹板受载的应力状态，重点获取吊耳的腹板与启闭力相关的应力区域及动态变化趋势等关键信息，明确吊耳的腹板受启闭力荷载作用的主要分布区域。

启闭力传感装置结构设计采用冗余设计、倍量原则，在吊耳板的预设区域，正反两面、双组受力板，分别布设AB-CD-EF-GH八组测力装置，每组传感器结合吊耳受力板的尺寸大小，按等比渐次分布4～8组测力传感器。传感器按主应力方向和切应力方向布设两个，互为90°。冗余测力传感器的数据采用表决制，按离方差大小确定取舍。

测力变送器临近测力传感器布设，考虑水工钢闸门涉水工况下运行，该变送传感器采用防水密封与铠装保护。

铠装保护，按测力传感器、测力变送器等电子器件具体位置进行布设。

2.启闭力传感装置测力技术：

本实用新型依据虎克力学原理实现，通过惠氏电桥测量技术获得吊耳板的受载，以此侦知与测报水工钢闸门启闭力。

启闭力传感装置具备在线启闭力检测能力和信息测报功能，与水工钢闸门设备实现技术与功能的集成。钢闸门启闭力可以直接、便捷侦知和信息测报，改变现行在役钢闸门启闭力只能间接测量、准确性不足的现状，有利于保障工程安全可靠运行。

3.启闭性状智能辨识装置信号模拟转换技术

启闭性状智能辨识装置信号转换通过ADC（模拟/数字转换器）利用其系统化、多功能化、数字化的特点，通过被测量的信息，按照一定的规律变换成电信号，来进行传输、处理、显示等要求，实现对钢闸门启闭性状准确化和智能化的辨识通过监测。ADC数字转换长期历时积累的海量数据, 获取其中内在的趋势和各影响因素对钢闸门运行过程中影响的内在规律，并根据现有的数据预测未来的发展趋势,通过构建必要的数学模型协助分析计算，并做出符合客观规律的推理过程。

启闭性状智能辨识装置还包括传输变送模块，准确检测传输信号，稳定输出传输数据。

通过modbus通讯协议传输出的数据信号，根据数据信息分解各频段的信号及其能量信号，通过不同性状与其频率分段能量信号的分布关联性，从而提取各能量段信号的特征向量集，是实现设备运行警兆信息甄别和性状类型的关键技术路线。

（二）本实用新型采用专家系统和人工神经网络支撑钢闸门启闭性状的辨识：

启闭性状智能辨识软件系统，主要包括人工神经网络和专家系统，所述人工神经网络由大量处理单元互联组成的非线性、自适应信息处理系统，其特征在于:具有自学功能、具有联想储存功能、具有高速寻找优化解的能力；所述专家系统，主要包括知识库、推理机、综合数据库、人机接口、解释程序、知识获取程序等六个组成部分，其特征在于：具有启发性、灵活性和透明性的特点，通过计算机技术实现推理过程，综合既有的知识和方法模拟行业专家的评价决策思维，从而对用户输入信息的控制执行等进行问题的求解，具有人工智能的典型特征。

根据专家系统具有启发性、灵活性和透明性的特点，通过计算机技术实现推理过程，综合既有的知识和方法模拟行业专家的评价决策思维，从而对用户输入信息的控制执行等进行问题的求解，具有人工智能的典型特征；根据人工神经网络从信息处理角度对人脑神经元网络进行抽象，建立某种简单模型，按不同的连接方式组成不同的网络。试图通过模拟大脑神经网络处理、记忆信息的方式进行信息处理。

构建钢闸门运行性状辨识的专家系统，对钢闸门的安全性状作出侦知，实现钢闸门科学、智能的辨识预警能力，对于及时了解钢闸门运行状况、制定合理的安全决策等起着重要支撑作用。通过采用人工神经网络与专家系统相衔接的辨识系统，依靠海量数据的数理统计分析，获得对钢闸门运行性状的辨识能力。可以为水工钢闸门启闭过程提供安全性状的信息侦知、信息辨识和信息决策辅助决策，达到水工钢闸门启闭性状的软技术支撑的工程目标。

人工神经网络与专家系统相结合，推动人工智能和信息处理技术不断发展。依靠对海量数据进行深入分析，获取其中内在的趋势和各影响因素对钢闸门影响的内在规律，有效地辨识水工钢闸门运行过程中的启闭性状。对启闭性状的变化提供足够量化准确性和实时性，及时发现钢闸门存在的隐患。

附图说明

图1为本实用新型的一种结构示意图。

图2为图1中I部放大图。

图3为一组传感装置中应变片与吊耳的连接关系示意图。

图4为传感装置的信号传递示意图。

图5为实用新型的启闭性状辨识装置的信号传递框图。

图6为实用新型的直接测量实际应变示意图。

图7为实用新型的惠氏电桥测量原理的示意图。

图8为实用新型的专家系统结构示意图。

图9为实用新型的水工钢闸门安全辨识与决策预警数据流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细描述。

一、结构说明：

如图1、2、3所示，本实用新型设有钢闸门1、具有吊孔2-1的两只吊耳2，两只吊耳2的下端分别与钢闸门1的上端焊接固定，在两只吊耳2之间，通过吊孔2-1穿置连接销3，每只吊耳2设有相背且对称的两组腹板2-2。

在其中一只吊耳2的两组腹板2-2上分别设置两组传感装置A和B，在另一只吊2的两组腹板2-2上分别设置两组传感装置C和D。

如图2、4所示，每一组传感装置设有应力应变传感器4、电测变送模块5、电测铠装6和传输导线7，应力应变传感器4的信号输出端连接电测变送模块5的信号输入端，电测变送模块5的信号输出端连接传输导线7，电测铠装6包覆式设置在应力应变传感器4和电测变送模块5的外围，用以防水防尘。

如图3所示，每一组传感装置的应力应变传感器4由四块竖向应变片4-1和四块横向应变片4-2组成，各竖向应变片4-1布置在腹板2-2的同一高度上，且相对吊耳2的吊孔2-1竖向中心轴对称布置，各横向应变片4-2布置在腹板2-2的同一高度上，且相对吊耳2的吊孔2-1竖向中心轴对称布置。

四组传感装置的各应力应变传感器的各竖向应变片分别布置在相应吊耳的吊孔下方腹板的同一高度上，各横向应变片分别布置在相应吊耳的吊孔下方腹板的同一高度上。

如图5所示，本实用新型的启闭性状辨识装置由依次信号连接的传感装置8、ADC（模拟/数字转换器）9和传输变送模块10组成，传感装置8将采集到的吊耳受力信号经ADC（模拟/数字转换器）9传送至传输变送模块10。

二、结合图6、7对本实用新型的工作原理进行说明：

1、电桥测量原理：

应变片一般采用惠斯通电桥进行电路测量。惠斯通电桥将应变片应变产生的电阻转换为差分电压，+Exc和-Exc为终端加载激励电压，+VOUT和-VOUT为终端与应变成正比的差分电压,式（1.1）给出了输出电压Vo，它是激励电压和电桥所有电阻的函数。当Vo+和Vo-等于Ve的1/2时，电桥输出对电阻的改变非常敏感，这是惠斯通电桥进行应变测量的基本原理。

(1.1)

式中：Ve为电桥激励电压，(++Exc)-(- Exc)；R1～R2为电桥电阻。

式(1.1)比较复杂，通常所用四个电阻采用同样的标称值R。考虑电阻具有4个、2个或1个电阻变化增量的情况进行简化，以待测量阻值R的变化增量为dR表示，假定dR为正值，如果实际阻值减小，则用-dR表示。

）4个电阻变化增量

四个电桥电阻中R2和R4的阻值随着待测量的增大而增大，R1和R3的阻值则相应减小,这种情况常见于全桥四个应变计检测。式（1.2）给出了输出电压(Vo)与电阻相对变化量(dR/R)呈线性关系。

（1.2）

2）2个电阻变化增量

对于半桥惠斯通电桥电路中，四个电桥电阻中同一侧(R1和R2，或R3和R4)两个电阻有阻值变化特增量，且相反(dR和-dR)，另两片为补偿电阻。这种情况常见于采用半桥两个应变计检测，另两个电阻仅提供中位电压，作为补偿片出现。式（1.3）给出了输出电压(Vo)与电阻相对变化量(dR/R)仍呈线性关系，其灵敏度是四电阻变化增量电桥的一半。

（1.3）

3）1个电阻变化增量

电桥中有一只电阻R1或R2或R3或R4有阻值变化增量(dR和-dR) 。式（1.4）给出输出电压(Vo)与电阻相对变化量(dR/R)的关系，由于分母中出现了dR项，必须通过软件校准其非线性输出，多见成本或布线比信号幅度更重要的场合。

（1.4）

刚性结构受外力作用时发生轻微变形，设在1V激励电压下，由式（1.2）可以知道电桥满幅输出2mV相当于阻值满幅变化0.2%。

吊耳板呈现的闸门启闭力，按照虎克定律，吊耳板呈现的闸门启闭力按式1.5所获得。

（1.5）

式中，Fn表示闸门受载启闭力，S是Fn作用的面积，是弹性体原长，是受力后的伸长量，比例系数E称为弹性模量，也称为杨氏模量，由于应变为纯数，故弹性模量和应力具有相同的单位，弹性模量是描写材料本身的物理量，由上式可知，应力大而应变小，则弹性模量较大；反之，弹性模量较小。

2、水工钢闸门运行过程中启闭力特征的应用：

1）当钢闸门不受水压力时，将钢闸门从闭到开的过程运行一次，可以测得钢闸门此时启闭力的大小，测得门的自重，也可以作为汛前检查，得知钢闸门运行状况是否良好；当汛期后，水处于静止状态时，闸门吊耳处受到上托力的作用，可以测得此状态时钢闸门启闭力的大小。

2）当钢闸门处于静止状态时，受到上下水压力的作用，此时，钢闸门运行过程中主要是持住力，通过集成启闭力检测功能的水工钢闸门，可以测得此时持住力的大小。

3）当钢闸门泄水运行时，受到泄水激流的作用，闸门固定在一定的开度，可以获得此时钢闸门的持住力。

4）当钢闸门需要运行时，闸门从静止开始运作，此时钢闸门的受到的力为启门力，可以通过本实用新型侦知运行过程中的启门力。

5）当钢闸门全开或者关门运行时，可以获得此运行过程中的闭门力。

通过本实用新型，使水工钢闸门在启闭运行过程中，不管是钢闸门的关闭或者钢闸门的开启运行，还是钢闸门各种工况的运行，启闭力都可以得到准确的侦知，以保障水工钢闸门的安全运行。

3、启闭力传感装置：

1）启闭力传感装置的测力原理

（1）启闭力应变片的测力原理

设金属电阻丝，其材料的电阻率为ρ，原始长度为L，设其横截面是直径为D的圆形，横截面积为A，初始时其电阻值R见式（2.1）所示。

（2.1）

在外力作用下，电阻丝发生变形，设电阻丝沿轴向伸长，其横向尺寸会相应缩小，横截面的半径减少导致横截面面积发生变化。导线的横截面原面积为，其相对变化为。其中u为金属丝材料的泊松比；应变，为金属导线长度的相对变化，见式（2.2）所示。

（2.2）

在电阻丝伸长所产生的电阻值变化dR/R，见式（2.3）所示。在式（2.3）式中，前一项是由金属丝变形后电阻率发生变化所引起的；后一项是由金属丝变形后几何尺寸发生变化所引起的。可以知道，金属材料在一定的应变范围内，电阻丝的相对电阻变化与丝的轴向长度的相对变化成正比，见式（2.4）所示。当敏感栅电阻应变计被粘贴到构件表面后，构件受力而变形时，可以通过测试电阻变化表征构件的应变。

式中：Ks为单根金属丝的灵敏系数，与导线材料的成分、加工过程和热处理状态有关，而与受力状态（即拉伸或压缩）无关。

（2）启闭力的测力原理-虎克定理

（2.5）

式中Fn表示内力，S是Fn作用的面积，是弹性体原长，是受力后的伸长量，比例系数E称为弹性模量，也称为杨氏模量，由于应变为纯数，故弹性模量和应力具有相同的单位，弹性模量是描写材料本身的物理量，由上式可知，应力大而应变小，则弹性模量较大；反之，弹性模量较小。

启闭力的测量计算公式，见式（2.6）所示，

（2.6）

式中：F为启闭力，k为标定系数，为应力的大小。

2）启闭力传感装置的信息传递通讯协议：

Modbus通讯标准是一个工业通讯系统，由带智能终端的可编程序控制器和计算机通过公用线路或局部专用线路连接而成，主要应用于各种数据的采集和过程监控。本实用新型中，通讯协议主要对启闭力检测的相关数据顺利地传送到数据接收的地方，依据标准要求，编写本实用新型的数据通讯协议。

通讯协议编码格式，见下式所示：

式中：ID为监测地址；XX为功能代码：03为查询相关数据功能码/05为输入相关操作数据；LL为传感器被读或输入的对应寄存器编号；YYYY为寄存器编号对应的具体数据。

4、钢闸门安全辨识专家系统结构：

钢闸门安全评估专家系统结构采用基于规则的专家系统(Rule-Based Expert System)，见图8所示。主要包括知识库、推理机、综合数据库、人机接口、解释程序、知识获取程序等六个组成部分。与传统程序相比，专家系统具有启发性、灵活性和透明性的特点，通过计算机技术实现的是推理过程，综合既有的知识和方法模拟行业专家的评价决策思维，从而对用户输入信息的控制执行等进行问题的求解，具有人工智能的典型特征。

（1）结合专家知识构成，进行系统中的知识库设计，包括知识的表示、推理、获取等内容。

（2）数据库设计，为主要的实体对象确定出关系数据模型，实现数据的更新、查询等功能。数据库的组织、数据间的联系、数据的管理等内容是数据库设计时需要考虑的主要问题。

（3）方法库设计，利用获得的专家知识来进行推理的特定算法。存储评价、修复方法信息，内部为程序集合，包括许多与工程安全监测和评估有关的分析计算程序，负责管理知识库中的知识更新，包括根据需要修改、删除或添加知识及由此引起的必要改动，以维持知识库的一致性、完整性，提高了系统的自适应性。

（4）推理库设计，通过解释程序，调用知识库完成定性项目、定量项目的判断，并结合评估矩阵对钢闸门的安全性状进行定量化评估和推理，回答用户提出的问题，包括与系统运行有关的问题和系统自身的一些问题，得出具体结果，从而帮助工程管理部门决策。

1）专家系统知识库设计

知识库是问题求解、评判所需要的专业知识的集合，包括工程事实、判断规则等。其工作过程是基于知识库信息获得并应用知识的过程，其中知识应有适当的形式，方便于计算机贮存、检索、使用和修改，并需要结合专家知识进行判断。知识发现模型结构见图9所示。

2) 专家系统数据库设计

数据库是为了满足用户应用系统的需要，在计算机系统中建立起来的相互关联的数据集合，这些数据按照一定的数据模型来组织和存储，并能为所有的应用业务共享。数据库设计主要解决，对于一个给定的系统应用领域，满足用户信息管理和数据操作要求，有效地支持应用系统的开发和运行。

数据库系统（DBS）包括数据库管理系统（DBMS）、数据库（DB）、数据库管理员（DBA）和应用程序。数据库管理系统是数据库系统的核心部分，是介于数据库和用户应用系统之间的一个管理软件，包括数据库的建立、维护和使用。对于广大数据库用户来说，DBMS能为他们提供各种数据库服务功能，他们不需要关心数据库提供的功能是如何实现的。目前，DBMS一般采用通用软件，由生产厂家提供，如现在流行的Oracle、DS2、SQL Server等。

数据库设计见图4所示，首先进行需求分析，找出应用领域内数据操作任务，形成需求分析说明书；根据需求说明书进行概念数据库设计形成概念数据库模式；然后再进行逻辑数据库设计，形成特定的数据模式；最后进行数据库设计，优化数据结构。

3) 专家系统的方法库

方法库从本质上来说是各种计算分析程序的程序包，其主要功能是存储方法信息和调用管理的计算机软件。方法库中主要包括的程序块包括：检测数据预处理模块、检测数据统计分析模块、结构指标计算模块和综合分析评估模块四大类。

4) 推理系统设计

专家系统一般拥有大量的专门知识，而且还具有选择和运用知识的能力，其推理思维过程可以分为三个阶段：概念、判断和推理。推理就是利用一个或几个已获得的判断前提推出新的判断的过程，对于专家系统来说，采用何种推理方式和知识库知识的表示方法有着较大的联系，或者在一定程度上来讲，专家系统的知识结构和知识表示方法决定着推理系统中的推理方法，同时也要注意知识库的设计和推理系统的设计是相互独立的。大致可以分为以下过程：

（1）根据知识表示方法，选择合适的推理方法；

（2）选择合适的推理方法后，确定什么时候利用知识库中的知识；

（3）知识确定后，根据实际需要确定调度知识库中知识的方案；

病态性状阈值的设定：

（1）具备启闭性状辨识功能的水工钢闸门，对于双吊点不平衡病态因素，根据左右两端吊点启闭力的均值，或瞬时的均值，按照超过15%为轻微不平衡、超过30%为严重不平衡、超过75%为失事不平衡、大于75%需要退出运行，进行划分。

（2）水工钢闸门运行过程中，闸门能否升起，需要闸门的额定启闭力，根据启闭力的启闭能力提出：启闭机有足够的启闭裕度时，要求为启闭裕度30%；当启门力的裕度不足时，启闭力达到启闭机裕度的90%，需要预警征兆；当启闭力达到启闭机裕度的100%，钢闸门需要严密监控；当启闭力超过100%时，此时的钢闸门需要退出运行。

（3）闭门力的设定，当水工钢闸门闭门时，需要有足够的闭门力，防止闸门会漂浮。

在水工钢闸门运行过程中，考虑到冲击荷载以及其余各种荷载的同时作用影响时，钢闸门的持住力最多相当于额定力的80%；当持住力大于80%时，钢闸门应该退出运行，立即抢修。