升船机计算机监控系统中多传感器数据融合方法研究

石晓俊  王虎军

(西安航天自动化股份有限公司,陕西 西安 710065)

  要:升船机承船厢行程及上、下游水位信号的可靠性对升船机系统的安全运行至关重要。一般工程中均选用多种不同测量原理的检测装置进行冗余检测。作者在工程实践的基础上给出了采用分布式多传感器数据融合结构,通过加权的融合方法为升船机计算机监控系统提供可信数据的方法。该方法已在景洪升船机计算机监控系统中成功应用。

关键词:数据融合;多传感器;计算机监控系统;升船机

中图分类号:U642.2            文献标识码:B         文章编号:

Research on the Multi-Sensor Data Fusion of the Shiplift Computer Monitoring and Control System

SHI Xiaojun, WANG Hujun

(Xi’an Aerospace Automation Co., Ltd., Xi’an 710065, Shaanxi, China )

AbstractThe reliability of chamber motion and water levels detection is very important for the safe operation of the shiplift system. Generally, in a project, more than three kinds of detecting devices with different measuring principles are used. The distributed multi-sensor data fusion structure is presented on the basis of engineering practice, and a new idea of adopting weighted fusion method to obtain the reliable outcome is put forward. The method has been successful application in Jinghong shiplift computer monitoring and control system.

Key Wordsdata fusion; multi-sensor; computer monitoring and control system; shiplift

1引言

升船机是采用机械方法升降船舶以克服航道集中水位落差的一种通航建筑物。由于其具有快捷、通畅和可频繁运行、节省发电用水等特点,所以特别适合高坝通航。因此,在国家大力发展水电建设以及大量兴修电站大坝后,为保持内河航运的畅通,让船舶跨越电站大坝屏障,升船机通航设备成为解决高坝通航的重要选择。

升船机主要由上闸首、主提升、承船厢和下闸首等设备组成,垂直升船机承船厢运行路径为上下垂直方向。由于升船机承船厢在上、下游闸首的对接精度直接影响到解除对接时承船厢及厢内水体的重量,所以在升船机计算机监控系统中对升船机承船厢行程及上、下游水位进行精确检测至关重要。工程中均采用了冗余配置的多个传感器进行检测。本文介绍了在升船机计算机监控系统中,承船厢行程和上、下游水位等多传感器检测系统的数据融合处理方法。

2 承船厢行程检测及数据融合方法

2.1 承船厢行程检测

目前,已经在升船机工程中成功使用的承船厢行程检测装置主要有绝对型光电编码器、链轮链条装置、激光测距仪、磁感应尺和红外开关行程校准等。一般大型升船机承船厢行程均选用三种或更多采用不同测量原理的检测装置进行冗余检测。例如,云南景洪升船机承船厢行程就采用了绝对型光电编码器、激光测距仪和红外开关行程校准三种检测装置进行检测【1】。由于升船机承船厢尺寸较大,每种方案基本上都设4个测点进行检测,一般设在4角位置。

采用绝对型光电编码器进行行程检测时,4台绝对型光电编码器分别与主提升机房四角相应卷筒的卷筒轴相联,由卷筒的旋转带动绝对型轴角编码器来测量承船厢四角的位移,然后换算出承船厢在4个测量点的行程。

用于升船机承船厢行程检测的链轮链条装置【2】由相同的两个链轮、两个链轮支撑架、一根链条、一个配重以及一个轴角编码器组成。链条与链轮配合,链条的一端连接承船厢甲板,另一端连接配重,在其中一个链轮的轴端连接一个绝对型编码器。当承船厢上、下运行时,由链条带动链轮旋转,通过轴角编码器测量链轮的转动量即可间接测量出承船厢在测点的行程。

激光测距仪方案是在承船厢四角垂直对应的主提升机房内分别安装4台在线式激光测距仪,同时在激光测距仪垂直照射的承船厢四角处分别设置1面反射板,即可测量出承船厢4个检测点到激光测距仪的绝对距离,进而换算出承船厢行程。

磁感应尺测量装置主要由磁标尺和测量杆两部分构成,磁标尺内藏精密磁敏线性阵列和单片机系统,借用游标卡尺差分刻度测微的方法进行解析;测量杆一般为长方形截面不锈钢管,内部集成磁钢,这些磁钢之间的距离信息组成了唯一的一组绝对编码,用来表示绝对的位置信息。该方法在文献【3】中有详细描述。测量时磁标尺感应面平行于测量杆感应面移动,当磁标尺检测到测量杆内的磁钢时就能确定其绝对位置。

红外开关行程校准装置【4】由1套红外发射接收器及多个反光板组成。红外发射接收器通过安装附件固定安装在承船厢两侧靠近上、下游位置,相应两侧船厢池边墙上高程方向每固定间隔安装1块反射板,安装间隔根据校准点多少确定。

2.2承船厢行程的数据融合方法

2.2.1 融合方案选择

由于升船机承船厢是一个大尺寸的矩形体,一般在承船厢四角位置设置4个测点,每个测点安装三种检测装置进行测量,所以要得出唯一可靠的承船厢行程有以下两种融合方案:方案一:4个安装在不同测点的同类传感器数据进行融合处理,得出一个承船厢位置数据,然后不同类传感器数据相融合得出承船厢行程数据。方案二:同测点不同类传感器数据融合处理得出该测点的位置数据,然后计算出承船厢该测点的位置,最后通过4个测点的位置数值和基准高程计算出承船厢行程。

方案一的优点是可以在传感器数据预处理及健康状态判断阶段进行数据融合,计算量较小。缺点是同类不同测点的传感器数据合一后,不能计算出承船厢四角的水平偏差。方案二的优点是同一测点数据融合,目标统一,具有可比性,各测点数据融合后可以计算出承船厢的水平度,而且更适合于某一种测量装置不是每个测点都布置的情况。缺点是每个传感器数据在经过预处理后才具有可比性,计算量较大。

综上所述,方案二更符合升船机工程计算机监控系统的实际需要。

2.2.2单个测点多传感器数据融合

用于升船机承船厢行程检测的单个测点多个传感器数据融合采用分布式结构,如图1所示。各种不同测量原理的传感器检测信号经过相应的PLC信号采集模块,将各种信号Xn转换成可供计算机监控系统处理的原始数据Yn;通过程序中的数据处理模块对原始数据进行预处理,得到处理后数据Zn;再结合传感器测量范围和标定后工程值范围等条件对检测值进行正确性判定,如果判定正确可以得出该传感器测量数据Un。最后,多个传感器数据进行融合处理,得出承船厢在该测点的位置或行程值Vn

图1 单个测点多传感器数据融合结构图

2.2.3承船厢行程获取

考虑到升船机承船厢行程在于上、下有对接时至关重要,而升船机在上游对接时位于承船厢上游侧的a、d两个测点数值更加接近承船厢上游实际位置,在下有对接时位于承船厢下游侧的b、c两个测点数值更加接近承船厢下游实际位置,所以在4个测点数据进行融合时,根据a测点结果Va数据动态赋予上、下游测点不同权值。然后进行加权融合处理,获得承船厢行程数值。承船厢行程获取过程如图2所示。

图2 承船厢行程数据融合示意图

上游a、d两个测点权重α和下游b、c两个测点权重β根据测点a的检测结果Va按照如下方法确定:

(1)当Va大于等于上游最低对接位设定值Hh时,α=0.35,β=0.15;

(2)当Va小于等于下游最高对接位设定值Hd时,α=0.15,β=0.35;

(3)当Hd>Va>Hh时,α随着Va的增大而线性增大,即α= ,β=0.5-α。

承船厢行程Hc=α(Va+Vd)+β(Vb+Vc)。

3上、下游水位检测及数据融合

升船机上、下游水位一般选用2套投入式水位计和1套气泡式水位计进行冗余检测。投入式水位计为连续信号源,而气泡式水位计有连续性和间接性信号两种类型。例如,湖北高坝洲升船机上、下游水位检测采用了2套投入式水位计和1套带有储气罐的可连续吹气输送水位信号的吹气水位计,而云南景洪升船机上、下游水位检测则采用了2套投入式水位计和1套间接性发送水位信号的吹气式水位计。

针对象高坝洲升船机上、下游水位检测方案的多传感器系统,可以采用与承船厢行程相同的分布式融合方案进行处理。但对于象景洪升船机上、下游水位检测方案的多传感器系统,则需要采取不同的处理方法,下文加以介绍。

假定两台投入式水位计检测数据为ht1和ht2,吹气式水位计检测数据为hc。由于吹气式水位计信号为非连续信号,而计算机监控系统需要连续的水位信号,所以必须以投入式水位计信号为主,吹气式水位计作为对投入式水位计检测结果的判定。再设定计算机监控系统允许两台投入式水位计输出数据偏差在Δh以内,当偏差超过Δh时由hc进行裁决。具体方法如下:

当|ht1-ht2|≤Δh时,水位值H=(ht1+ht2)/2

当|ht1-ht2|>Δh时,在hc数据刷新时确定ht1和ht2的权重值α和β,其中

α=

β=1-α

   在hc再次刷新前的水位值H=α·ht1-β·ht2

4结语

升船机承船厢行程及上、下游水位信号对升船机系统的安全运行至关重要,一般工程中均选用多种不同测量原理的检测装置行冗余检测。作者在工程实践的基础上给出了采用分布式多传感器数据融合结构,通过加权的融合方法为升船机计算机监控系统提供可信数据。

文中所述多传感器数据融合方法已在景洪升船机计算机监控系统中成功应用。同时,该多传感器数据融合方法也可广泛应用于其它类似的工业过程状态监控和故障诊断系统中。

参考文献:

[1] 石晓俊,王虎军. 景洪水电站水力式升船机信号检测系统设计与实现[J]. 中国水运,2013,13(11):117-118,121.

[2] 石晓俊,易春辉,田云福. 用于升船机承船厢行程检测的链轮链条装置[P]. 中国专利:CN102926367A, 2013-02-13.

[3] 盛旭军,胡永国,梅华峰. 浅析升船机承船厢行程检测方法[J]. 水利建设与管理,2009,29(9):57-58,56.

[4] 石晓俊,范云勇,王虎军. 升船机承船厢高程校验系统[P]. 中国专利:ZL201320266688.9, 2013-05-16.

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