Техніка та енергетика

Проєктування та оптимізація автоматизованих систем керування гідравлічними затворами для боротьби з паводками

Альфред Лако, Ольсі Барко
Завантажити статтю
Анотація

Дослідження проведено з метою аналізу проєктування та оптимізації автоматизованих систем управління гідравлічними затворами для ефективного контролю паводків. У ньому використано аналіз даних з датчиків рівня води, моделювання гідравлічних систем та алгоритми керування для автоматизації моніторингу гідравлічних шлюзів. В результаті дослідження визначено ключові аспекти, які підтверджують важливість автоматизації управління гідравлічними затворами для ефективного протипаводкового захисту. Встановлено, що впровадження радіочастотних та ультразвукових датчиків для моніторингу рівня води забезпечує високий рівень точності даних, що дозволяє своєчасно реагувати на підвищення рівня води. Адаптивні алгоритми керування дозволили оптимізувати роботу затворів у динамічних умовах, враховуючи зміни гідродинамічних характеристик. Крім того, аналіз стійкості затворів показав, що використання сучасних матеріалів, таких як високоміцні сталі та композити, суттєво підвищує їх довговічність та корозійну стійкість. Це стало важливим фактором забезпечення надійної роботи конструкцій в екстремальних умовах. Розглянуті моделі динамічної поведінки затворів дозволили виявити критичні зони, які підлягають особливій увазі під час проєктування, оскільки можуть бути зруйновані під дією гідродинамічних сил. Загалом, результати дослідження підкреслили важливість інтеграції сучасних технологій у проєктування гідравлічних систем для підвищення їх функціональності та надійності в умовах паводкового ризику. Проаналізовано вплив вібрацій та резонансних явищ на конструкції затворів, що дозволило виявити можливі ризики для їх стійкості в умовах паводків. В результаті надано рекомендації щодо проєктування затворів, які включають конструктивні вдосконалення, що сприяють зменшенню динамічних навантажень та підвищенню їхньої здатності витримувати екстремальні гідродинамічні умови

Ключові слова

датчики рівня води, алгоритми, гідродинамічний тиск, прогнозування погоди, динамічна поведінка

ЦИТУВАТИ
Lako, A., & Barko, O. (2024). Design and optimisation of automated hydraulic gate control systems for flood control. Machinery & Energetics, 15(4), 58-68. https://doi.org/10.31548/machinery/4.2024.58
Використані джерела

[1] Abdykalykov, А., Bolotov, Т., Kurbanbaev, А., Matyeva, А., & Zhumabaev, R. (2024). Optimisation of composition and strength properties of slag-alkali binders based on fuel slags. Architectural Studies, 10(1), 125-135. doi: 10.56318/as/1.2024.125.

[2] Akiyanova, F., Ongdas, N., Zinabdin, N., Karakulov, Y., Nazhbiyev, A., Mussagaliyeva, Z., & Atalikhova, A. (2023). Operation of gate-controlled irrigation system using HEC-RAS 2D for spring flood hazard reduction. Computation, 11(2), article number 27. doi: 10.3390/computation11020027.

[3] Albo-Salih, H., & Mays, L. (2021). Testing of an optimization-simulation model for real-time flood operation of river-reservoir systems. Water, 13(9), article number 1207. doi: 10.3390/w13091207.

[4] Aslanov, J.N., Mammadov, K.S., & Zeynalov, N.A. (2022). Selection of structural materials for improved Liner motion gate valves based on friction correlation method. International Journal of Advanced Technology and Engineering Exploration, 9(87), article number 155. doi: 10.19101/IJATEE.2021.874681.

[5] Bai, Y., You, J.B., & Lee, I.K. (2021). Design and optimization of smart factory control system based on digital twin system model. Mathematical Problems in Engineering, 2021(1), article number 2596946. doi: 10.1155/2021/2596946.

[6] Bazarov, D., Obidov, B., Norkulov, B., Vokhidov, O., & Raimova, I. (2022). Hydrodynamic loads on the water chamber with cavitating dampers. In N. Vatin, S. Roshchina & D. Serdjuks (Eds.), Lecture notes in civil engineering (pp. 17-24). Cham: Springer. doi: 10.1007/978-3-030-85236-8_2.

[7] Bhattacharjee, S., Kumar, P., Thakur, P.K., & Gupta, K. (2021). Hydrodynamic modelling and vulnerability analysis to assess flood risk in a dense Indian city using geospatial techniques. Natural Hazards, 105, 2117-2145. doi: 10.1007/s11069-020-04392-z.

[8] Cea, L., & Costabile, P. (2022). Flood risk in urban areas: Modelling, management and adaptation to climate change. A review. Hydrology, 9(3), article number 50. doi: 10.3390/hydrology9030050.

[9] Cvejić, S., Petrović, R., Andjelković, M., Ilić, I., Mutavči, V., Mihajlović, A.R., & Vuruna, M. (2024). Development of methodologies and software for design, simulation and optimization of oil hydraulic cylinders of large dimensions and power. Applied Sciences, 14(16), article number 7393. doi: 10.3390/app14167393.

[10] Delgado, A., Briciu-Burghina, C., & Regan, F. (2021). Antifouling strategies for sensors used in water monitoring: Review and future perspectives. Sensors, 21(2), article number 389. doi: 10.3390/s21020389.

[11] Deng, P., Yang, J.J., & Yee, T. (2024). Deep learning-based flood detection for bridge monitoring using accelerometer data. Infrastructures, 9(9), article number 140. doi: 10.3390/infrastructures9090140.

[12] Desnanjaya, G.M.N., & Nugraha, M.A. (2021). Design and control system of sluice gate with web-based information. In 2021 International conference on smart-green technology in electrical and information systems (pp. 52-57). Sanur: IEEE. doi: 10.1109/ICSGTEIS53426.2021.9650409.

[13] Fakher, S., Khlaifat, A., Hossain, M.E., & Nameer, H. (2021). A comprehensive review of sucker rod pumps’ components, diagnostics, mathematical models, and common failures and mitigations. Journal of Petroleum Exploration and Production Technology, 11(10), 3815-3839. doi: 10.1007/s13202-021-01270-7.

[14] Farajvand, M., García-Violini, D., Windt, C., Grazioso, V., & Ringwood, J.V. (2021). Quantifying hydrodynamic model uncertainty for robust control of wave energy devices. Retrieved from https://mural.maynoothuniversity.ie/16256/.

[15] Fernández-Nóvoa, D., González-Cao, J., & García-Feal, O. (2024). Enhancing flood risk management: A comprehensive review on flood early warning systems with emphasis on numerical modeling. Water, 16(10), article number 1408. doi: 10.3390/w16101408.

[16] Guo, Z., Sun, T., Zhang, T., Bao, C., & Wu, Y. (2023). Research on mechanical design of automatic flood control gate based on ant colony algorithm. In 2023 International conference on mechatronics, IoT and industrial informatics (ICMIII) (pp. 582-586). Melbourne: IEEE. doi: 10.1109/ICMIII58949.2023.00122.

[17] Hassani, Y., & Shahdany, S.M.H. (2021). Implementing agricultural water pricing policy in irrigation districts without a market mechanism: Comparing the conventional and automatic water distribution systems. Computers and Electronics in Agriculture, 185, article number 106121. doi: 10.1016/j.compag.2021.106121.

[18] Homon, S., Litnitsky, S., Gomon, P., Kulakovskyi, L., & Kutsyna, I. (2023). Methods for determining the critical deformations of wood with various moisture content. Scientific Horizons, 26(1), 73-86. doi: 10.48077/scihor.26(1).2023.73-86.

[19] Honcharenko, D., Mokin, V., & Protsenko, D. (2023). Building an information system for monitoring physical indicators based on the internet of things technology. Information Technologies and Computer Engineering, 20(2), 99-108. doi: 10.31649/1999-9941-2023-57-2-99-108.

[20] Issaoui, M., Jellali, S., Zorpas, A.A., & Dutournie, P. (2022). Membrane technology for sustainable water resources management: Challenges and future projections. Sustainable Chemistry and Pharmacy, 25, article number 100590. doi: 10.1016/j.scp.2021.100590.

[21] Júnior, A.C.D.S., Munoz, R., Quezada, M.D.L.Á., Neto, A.V.L., Hassan, M.M., & De Albuquerque, V.H.C. (2021). Internet of water things: A remote raw water monitoring and control system. IEEE Access, 9, 35790-35800. doi: 10.1109/ACCESS.2021.3062094.

[22] Kabdoldina, A., Ualiyev, Z., Smailov, N., Malikova, F., Oralkanova, K., Baktybayev, M., Arinova, D., Khikmetov, A., Shaikulova, A., & Bazarbay, L. (2022). Development of the design and technology for manufacturing a combined fiber-optic sensor used for extreme operating conditions. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5(5-119), 34-43. doi: 10.15587/1729-4061.2022.266359.

[23] Kim, S., Kim, S., Hwang, S., Lee, H., Kwak, J., Song, J., Jun, S., & Kang, M. (2023). Impact assessment of water-level management on water quality in an estuary reservoir using a watershed-reservoir linkage model. Agricultural Water Management, 280, article number 108234. doi: 10.1016/j.agwat.2023.108234.

[24] Krichen, M., Abdalzaher, M.S., Elwekeil, M., & Fouda, M.M. (2024). Managing natural disasters: An analysis of technological advancements, opportunities, and challenges. Internet of Things and Cyber-Physical Systems, 4, 99-109. doi: 10.1016/j.iotcps.2023.09.002.

[25] Lei, L., Gang, Y., Jing, G., & Chen, L. (2022). Gliding hydrodynamic modeling and identification of underwater glider based on differential evolution algorithm. Ocean Engineering, 244, article number 110250. doi: 10.1016/j.oceaneng.2021.110250.

[26] Li, B., Zhou, X., Ning, Z., Guan, X., & Yiu, K.F.C. (2022). Dynamic event-triggered security control for networked control systems with cyber-attacks: A model predictive control approach. Information Sciences, 612, 384-398. doi: 10.1016/j.ins.2022.08.093.

[27] Li, Y., Zhang, Z., Kong, L., Lei, X., Zhu, J., Li, H., Wang, Y., & Cao, R. (2023). Hydraulic optimization control of cascaded open channel under the emergency scenario of a downstream water supply interruption. Journal of Water Resources Planning and Management, 149(7), article number 04023029. doi: 10.1061/JWRMD5.WRENG-5881.

[28] Moldabayeva, G.Zh., Suleimenova, R.T., Bimagambetov, K.B., Logvinenko, A., & Tuzelbayeva, S.R. (2021). Experimental studies of chemical and technological characteristics of cross-linked polymer systems applied in flow-diversion technologies. News of the National Academy of Sciences of the Republic of Kazakhstan, Series of Geology and Technical Sciences, 4(448), 50-58. doi: 10.32014/2021.2518-170X.81.

[29] Momynkulov, Z., Dosbayev, Z., Suliman, A., Abduraimova, B., Smailov, N., Zhekambayeva, M., & Zhamangarin, D. (2023). Fast detection and classification of dangerous urban sounds using deep learning. Computers, Materials and Continua, 75(1), 2191-2208. doi: 10.32604/cmc.2023.036205.

[30] Nowak, B., Ptak, M., Bartczak, J., & Sojka, M. (2022). Hydraulic structures as a key component of sustainable water management at the catchment scale – case study of the Rgilewka River (Central Poland). Buildings, 12(5), article number 675. doi: 10.3390/buildings12050675.

[31] Pan, Z., Liu, E., Xia, Z., & Yang, J. (2023). Design of brake pump information management system based on feature extraction algorithm. In 2023 2nd International Conference on Artificial Intelligence and Autonomous Robot Systems (pp. 29-33). Bristol: IEEE. doi: 10.1109/AIARS59518.2023.00012.

[32] Piadeh, F., Behzadian, K., & Alani, A.M. (2022). A critical review of real-time modelling of flood forecasting in urban drainage systems. Journal of Hydrology, 607, article number 127476. doi: 10.1016/j.jhydrol.2022.127476.

[33] Pramanik, M., Khanna, M., Singh, M., Singh, D.K., Sudhishri, S., Bhatia, A., & Ranjan, R. (2022). Automation of soil moisture sensor-based basin irrigation system. Smart Agricultural Technology, 2, article number 100032. doi: 10.1016/j.atech.2021.100032.

[34] Quaranta, E., Bejarano, M.D., Comoglio, C., Fuentes-Pérez, J.F., Pérez-Díaz, J.I., Sanz-Ronda, F.J., & Tuhtan, J.A. (2023). Digitalization and real-time control to mitigate environmental impacts along rivers: Focus on artificial barriers, hydropower systems and European priorities. Science of the Total Environment, 875, article number 162489. doi: 10.1016/j.scitotenv.2023.162489.

[35] Ragheb, H.A., Goodridge, M., Pham, D.C., & Sobey, A.J. (2021). Extreme response based reliability analysis of composite risers for applications in deepwater. Marine Structures, 78, article number 103015. doi: 10.1016/j.marstruc.2021.103015.

[36] Rahu, M.A., Karim, S., Shams, R., Soomro, A.A., & Chandio, A.F. (2022). Wireless sensor networks-based smart agriculture: Sensing technologies, application and future directions. Sukkur IBA Journal of Emerging Technologies, 5(2), 18-32. doi: 10.30537/sjet.v5i2.1104.

[37] Skowrońska, J., Kosucki, A., & Stawiński, Ł. (2021). Overview of materials used for the basic elements of hydraulic actuators and sealing systems and their surfaces modification methods. Materials, 14(6), article number 1422. doi: 10.3390/ma14061422.

[38] Song, Y., Hu, Z., & Ai, C. (2022). Fuzzy compensation and load disturbance adaptive control strategy for electro-hydraulic servo pump control system. Electronics, 11(7), article number 1159. doi: 10.3390/ Philip electronics11071159.

[39] Varkey, M.V., & Philbin, M.P (2022). Flood risk mitigation through self-floating amphibious houses – Modelling, analysis, and design. Materials Today: Proceedings, 65(Part 2), 442-447. doi: 10.1016/j.matpr.2022.02.547.

[40] Vignesh, A., Kanchana, D., Kavitha, P.M., Anitha, M., & Shanmugam, D.B. (2024). Enhancing dam safety with sensor technology: Automated alerts and shutter controls. Utilitas Mathematica, 121, 62-67.

[41] Yasmin, M.N., Mohd Razali, S.F., Sharil, S., Wan Mohtar, W.H.M., & Saadon, K.A. (2022). Effectiveness of tidal control gates in flood-prone areas during high tide appearances. Frontiers in Environmental Science, 10, article number 919704. doi: 10.3389/fenvs.2022.919704.

[42] Zaczek-Peplinska, J., & Saloni, L. (2023). Modernising the control network for determining displacements in hydraulic structures using automatic measurement techniques. Journal of Water and Land Development, 59, 66-75. doi: 10.24425/jwld.2023.147230

[43] Zhang, H., Liao, Y., Tao, Z., Lian, Z., & Zhao, R. (2022). Modeling and dynamic characteristics of a novel high-pressure and large-flow water hydraulic proportional valve. Machines, 10(1), article number 37. doi: 10.3390/machines10010037

[44] Zhang, L., Wang, C., Yu, Y., Duan, C., Lei, X., Chen, B., Wang, H., Zhang, R., & Wang, Y. (2023). Real-time optimization of urban channel gate control based on a segmentation hydraulic model. Journal of Hydrology, 625(Part B), article number 130029. doi: 10.1016/j.jhydrol.2023.130029

[45] Zhang, Q., Zheng, F., Jia, Y., Savic, D., & Kapelan, Z. (2021). Real-time foul sewer hydraulic modelling driven by water consumption data from water distribution systems. Water Research, 188, article number 116544. doi: 10.1016/j.watres.2020.116544

[46] Zoffoli, G., Gangi, F., Ferretti, G., & Masseroni, D. (2023). The potential of a coordinated system of gates for flood irrigation management in paddy rice farm. Agricultural Water Management, 289, article number 108536. doi: 10.1016/j.agwat.2023.108536