加強(qiáng)三峽通航技術(shù)研究,促進(jìn)航運(yùn)高質(zhì)量發(fā)展

齊俊麟

(長(zhǎng)江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002)

長(zhǎng)江是世界上通航里程最長(zhǎng)的河流，長(zhǎng)江水系通航總里程7萬余公里，占全國(guó)內(nèi)河通航里程的70%，年運(yùn)量占內(nèi)河運(yùn)量的80%，是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的東西主軸線，歷來是溝通國(guó)內(nèi)東、中、西部三大地區(qū)的運(yùn)輸動(dòng)脈，長(zhǎng)江黃金水道已成為世界上最繁忙、運(yùn)量最大的通航河流，并作為流域綜合運(yùn)輸體系的主骨架，對(duì)實(shí)施西部大開發(fā)戰(zhàn)略，促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)均衡、和諧發(fā)展起著十分重要的作用[1]。三峽工程是綜合治理和開發(fā)利用長(zhǎng)江的關(guān)鍵性水利樞紐工程，集防洪、發(fā)電和航運(yùn)于一體，為長(zhǎng)江航運(yùn)的快速發(fā)展創(chuàng)造了條件。三峽-葛洲壩梯級(jí)樞紐(三峽船閘、葛洲壩船閘以及三峽升船機(jī))投入運(yùn)行及三峽庫(kù)區(qū)的形成極大地改善了長(zhǎng)江中上游的通航條件，三峽-葛洲壩梯級(jí)樞紐成為溝通大西南與華中、華東地區(qū)的水運(yùn)主節(jié)點(diǎn)。長(zhǎng)江航運(yùn)的發(fā)展對(duì)三峽-葛洲壩船閘通航服務(wù)水平提出了更高的要求，其船舶通過能力與通航保障能力直接影響著長(zhǎng)江黃金水道的總體通過能力[2]。2011年，國(guó)務(wù)院以國(guó)發(fā)〔2011〕2號(hào)印發(fā)《關(guān)于加快長(zhǎng)江等內(nèi)河水運(yùn)發(fā)展的意見》，發(fā)展長(zhǎng)江等內(nèi)河水運(yùn)上升為國(guó)家戰(zhàn)略,“用好”與“管好”三峽-葛洲壩船閘對(duì)于支撐長(zhǎng)江航運(yùn)的快速發(fā)展意義重大。

1 解決“兩個(gè)問題”，保障三峽通航安全

運(yùn)行與調(diào)度控制是“用好”三峽-葛洲壩梯級(jí)樞紐的首要任務(wù)。三峽-葛洲壩梯級(jí)樞紐是目前世界上規(guī)模最大的梯級(jí)樞紐，其中三峽五級(jí)船閘水位變幅大、連續(xù)運(yùn)行級(jí)數(shù)最多、運(yùn)行方式多變；三峽升船機(jī)具有提升高度大、提升質(zhì)量大、上游通航水位變幅大和下游水位變化速率快的特點(diǎn)，技術(shù)難度極高。因此，對(duì)三峽-葛洲壩梯級(jí)樞紐通航建筑物運(yùn)行控制系統(tǒng)的可靠性與安全性要求高，研發(fā)三峽-葛洲壩船閘可靠與安全運(yùn)行的集散控制系統(tǒng)、解決三峽升船機(jī)運(yùn)行安全控制技術(shù)問題，摸索高水頭船閘閥門控制系統(tǒng)運(yùn)行特性、優(yōu)化船閘閥門運(yùn)行控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)三峽-葛洲壩船閘最優(yōu)運(yùn)行控制，保障三峽升船機(jī)運(yùn)行安全，是“用好”三峽-葛洲壩梯級(jí)樞紐首先需要解決的問題；三峽-葛洲壩船閘設(shè)計(jì)單向年通過能力是5 000萬t，通過的單體船只最大為3 000 t，萬噸級(jí)船隊(duì)可直接通過船閘[3]。但是隨著三峽工程航運(yùn)效益的發(fā)揮及過閘船舶大型化與自航化，最大化利用三峽-葛洲壩船閘閘室、尋求船舶過閘最佳組織模式與技術(shù)手段、優(yōu)化三峽-葛洲壩-升船機(jī)船舶聯(lián)合調(diào)度措施，提升三峽-葛洲壩船閘通過能力，是“用好”三峽-葛洲壩梯級(jí)樞紐需要同步解決的問題。

維修與安全保障是“管好”三峽-葛洲壩梯級(jí)樞紐的主要措施。從20世紀(jì)90年代初期，葛洲壩船閘計(jì)劃性大修的周期確定為6 a，一次大修平均停航85.6 d；三峽船閘從2012確定歲修制度以來，已經(jīng)進(jìn)行了2次歲修，每次歲修停航期為20 d。船閘檢修造成大量的過閘船舶積壓，在2012、2013年停航20 d的三峽船閘單線歲修中，停航到第6天，上、下游就積壓船舶500多艘。有效識(shí)別船閘關(guān)鍵設(shè)備的服役狀態(tài)，創(chuàng)新三峽-葛洲壩船閘維修管理模式，研發(fā)三峽-葛洲壩船閘快速檢修技術(shù)、裝備并制定相關(guān)的工藝與標(biāo)準(zhǔn)，保障三峽-葛洲壩船閘健康運(yùn)行，最大限度地減少停航維修時(shí)間，是“管好”三峽-葛洲壩船閘首先需要解決的問題。通航安全是水路交通管理永恒的主題，三峽-葛洲壩梯級(jí)樞紐既是長(zhǎng)江黃金水道的主節(jié)點(diǎn)又是航行受限水域，是通航安全高風(fēng)險(xiǎn)水域。特別是隨著過閘船舶大型化以及危險(xiǎn)品運(yùn)輸船舶的增多，三峽-葛洲壩梯級(jí)航運(yùn)樞紐通航安全壓力逐年加大。辨識(shí)三峽-葛洲壩梯級(jí)航運(yùn)樞紐通航安全風(fēng)險(xiǎn)致因，制定相應(yīng)的管理與應(yīng)急措施，實(shí)施三峽-葛洲壩梯級(jí)航運(yùn)樞紐航行船舶動(dòng)態(tài)與行為有效感知與監(jiān)控，保障三峽-葛洲壩梯級(jí)航運(yùn)樞紐通航安全，實(shí)現(xiàn)三峽-葛洲壩梯級(jí)航運(yùn)樞紐通航零事故目標(biāo)，是“管好”三峽-葛洲壩梯級(jí)航運(yùn)樞紐需要同步解決的問題。

2 構(gòu)建“四個(gè)體系”，提高三峽通航通過能力

三峽-葛洲壩船閘以及三峽升船機(jī)是三峽-葛洲壩梯級(jí)航運(yùn)樞紐通航運(yùn)行核心通航建筑物。船閘通航涉及水、機(jī)、電、船舶以及管理等諸多要素，通航運(yùn)行控制復(fù)雜性高、難度大。圍繞三峽-葛洲壩梯級(jí)航運(yùn)樞紐通航運(yùn)行“用”與“管”兩方面的關(guān)鍵技術(shù)問題，長(zhǎng)江三峽通航管理局構(gòu)建了“四個(gè)體系”，確保三峽樞紐的穩(wěn)定運(yùn)行，三峽通航通過能力不斷提升。

2.1 三峽-葛洲壩梯級(jí)航運(yùn)樞紐可靠與安全運(yùn)行控制

2.1.1三峽船閘自動(dòng)運(yùn)行控制系統(tǒng)優(yōu)化

1)依據(jù)船閘水位變化規(guī)律和級(jí)間工作水頭的限制條件，建立數(shù)學(xué)模型、編制控制程序。使船閘控制系統(tǒng)能隨時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水位信息，自動(dòng)生成運(yùn)用級(jí)數(shù)和運(yùn)行方式的控制指令，能自動(dòng)計(jì)算補(bǔ)水量并進(jìn)行精確控制。

2)確定抑制閘室超灌、超泄的定差值控制技術(shù)，解決閘室級(jí)間輸水水頭高、中間閘室間水位均相對(duì)變化的閘室超灌、超泄問題，將反向水頭限制到小于0.1 m的水平，減免了人字閘門承受的反向水頭壓力，改善啟閉機(jī)的運(yùn)行條件和閘室內(nèi)船舶停泊條件。

3)船閘自動(dòng)化運(yùn)行控制系統(tǒng)采用簡(jiǎn)化運(yùn)行操作的分項(xiàng)程序和整體運(yùn)行控制技術(shù)，滿足船閘單雙向運(yùn)行、換向運(yùn)行、變級(jí)數(shù)運(yùn)行、閘室補(bǔ)水不補(bǔ)水運(yùn)行、輸水閥門單雙邊運(yùn)行、船舶同步過閘運(yùn)行、船舶逐級(jí)過閘運(yùn)行等多變復(fù)雜的運(yùn)行工況。

4)采用同一閘首兩側(cè)控制站可編程邏輯控制器(PLC)長(zhǎng)距離熱備技術(shù)，優(yōu)化冗余配置方案，提高船閘整體運(yùn)行的可靠性，節(jié)省設(shè)備投資。

2.1.2三峽船閘運(yùn)行控制參數(shù)優(yōu)化

1)基于試驗(yàn)觀測(cè)與數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化各閘首、各水位組合下人字門、閥門輸水末期啟閉參數(shù)，提出閘、閥門進(jìn)行調(diào)試、調(diào)整的方法。

2)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)選擇適當(dāng)?shù)膭?dòng)水關(guān)閥水頭差，使閥門關(guān)至停機(jī)小開度時(shí)，正好處于人字門水平開門的時(shí)機(jī)是閥門在輸水末期最優(yōu)工作方式。

3)通過對(duì)人字門啟閉性能進(jìn)行分析及計(jì)算發(fā)現(xiàn)：人字門油缸活塞桿受力曲線為下凹馬鞍型，合力峰值出現(xiàn)在開門瞬間，即開度在1%～3%之間；人字門關(guān)門過程，人字門油缸活塞桿受力曲線為上凸馬鞍型，油缸合力峰值出現(xiàn)在門體關(guān)終瞬間及關(guān)門啟動(dòng)瞬間，即開度1%及99%以內(nèi)。在開關(guān)門中間階段，受力曲線平穩(wěn)。

4)提出改變變速曲線拐點(diǎn)位置，優(yōu)化比例泵控制電壓上升、下降梯度等進(jìn)一步優(yōu)化人字門變速曲線的方法。

2.1.3葛洲壩船閘三閘一控系統(tǒng)與船閘以及升船機(jī)運(yùn)行仿真控制系統(tǒng)研發(fā)

1)基于工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)、PLC和PC工作站的分布式監(jiān)控系統(tǒng)、管控一體化設(shè)計(jì)，關(guān)鍵部分采取冗余容錯(cuò)控制，實(shí)現(xiàn)葛洲壩三座船閘的統(tǒng)一調(diào)度、管理和控制。

2)研發(fā)升船機(jī)同步運(yùn)行控制模擬、三峽船閘網(wǎng)絡(luò)及控制模擬以及三峽雙線五級(jí)船閘運(yùn)行仿真系統(tǒng)，為特殊工況下的應(yīng)急控制方案驗(yàn)證、操作維護(hù)人員上崗的崗前培訓(xùn)和實(shí)操演練等提供基礎(chǔ)平臺(tái)。

2.2 三峽-葛洲壩梯級(jí)航運(yùn)樞紐通航優(yōu)化調(diào)度

2.2.1三峽-葛洲壩梯級(jí)航運(yùn)樞紐通航特性數(shù)字化

1)建立多級(jí)多線船閘微觀交通仿真模型和梯級(jí)樞紐航閘空間資源優(yōu)化配置方法，為樞紐通航船舶長(zhǎng)河段遠(yuǎn)程管控提供理論基礎(chǔ)。

2)通過模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同的船閘服務(wù)水平對(duì)應(yīng)不同的船閘通過能力，取6 h的船舶平均等待時(shí)間為服務(wù)水平指標(biāo)，三峽船閘的合理通過能力約為7 000萬t，極限通過能力約為7 500萬t。

3)通過理論計(jì)算和運(yùn)行實(shí)踐分析得知，單級(jí)船閘與連續(xù)多級(jí)船閘在單向運(yùn)行時(shí)通過能力最大。

2.2.2三峽-葛洲壩梯級(jí)航運(yùn)樞紐通航調(diào)度方法優(yōu)化

1)基于升船機(jī)引航道的通航環(huán)境和升船機(jī)通航后的實(shí)際需求，制定三峽升船機(jī)和三峽船閘聯(lián)合運(yùn)行通航指揮方案和三峽升船機(jī)引航道航標(biāo)配布以及信號(hào)布置方案，規(guī)劃三峽升船機(jī)引航道的航路航法。

2)在建立兩壩聯(lián)合調(diào)度數(shù)學(xué)模型(升船機(jī)投入運(yùn)行后)的基礎(chǔ)上，提出梯級(jí)樞紐聯(lián)合調(diào)度算法，設(shè)計(jì)開發(fā)了聯(lián)合調(diào)度驗(yàn)證軟件，驗(yàn)證了不同工況下的調(diào)度方案。

2.2.3船舶同步進(jìn)出閘控制方法

1)提出虛擬閘室的概念，提出并排虛擬成組、梭形成組2種適用于三峽過閘船舶的成組方式，經(jīng)測(cè)試可以提高1～2閘次[4]。

2)建立船舶同步進(jìn)出閘跟隨控制模型，開發(fā)閘區(qū)水域船舶航行動(dòng)態(tài)高精度感知系統(tǒng)，開展船舶過閘多船同步航行控制試驗(yàn)，船舶間距可以縮短至20 m以內(nèi)。

2.3 三峽-葛洲壩船閘關(guān)鍵設(shè)備、設(shè)施服役狀態(tài)評(píng)估與快速檢修

2.3.1三峽-葛洲壩船閘關(guān)鍵設(shè)備、設(shè)施服役狀態(tài)檢測(cè)與評(píng)估方法

1)形成針對(duì)高水頭船閘人字閘門頂、底樞和反向弧形門支鉸運(yùn)轉(zhuǎn)卡阻情況的檢測(cè)與分析技術(shù)，采用波形分析、時(shí)域參數(shù)分析、小波包分析及沖擊峰值-時(shí)刻坐標(biāo)延時(shí)等方法有效界定設(shè)備關(guān)鍵部件運(yùn)行狀態(tài)。

2)形成針對(duì)高水頭船閘人字閘門啟閉機(jī)減速器運(yùn)行情況的檢測(cè)與分析技術(shù)。運(yùn)用聲發(fā)射技術(shù)檢測(cè)間歇運(yùn)動(dòng)的低速重載大型人字閘門啟閉機(jī)減速器運(yùn)行狀態(tài)，綜合采用時(shí)域參數(shù)分析、小波包絡(luò)譜分析和自相關(guān)分析等方法準(zhǔn)確地識(shí)別該類設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

3)形成針對(duì)船閘液壓?jiǎn)㈤]機(jī)磨損情況的檢測(cè)與分析技術(shù)。根據(jù)光譜分析長(zhǎng)于精確檢測(cè)各磨損物的元素及其含量，鐵譜分析長(zhǎng)于判斷磨損故障的部位、嚴(yán)重程度的特點(diǎn)，綜合應(yīng)用光譜分析和鐵譜分析對(duì)三峽船閘液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的磨損情況進(jìn)行檢測(cè)分析，全面準(zhǔn)確地評(píng)判其磨損情況。

2.3.2三峽船閘快速維修關(guān)鍵技術(shù)

1)形成三峽船閘重點(diǎn)檢修項(xiàng)目成套工藝。包括：人字門頂、落門，人字門支枕墊塊表面修補(bǔ)、輸水閥門鋼止水修復(fù)、輸水閥門反弧門整體吊裝、輸水廊道混凝土表面蝕損修補(bǔ)等重點(diǎn)檢修工藝。

2)研發(fā)了檢修方案計(jì)算機(jī)輔助生成系統(tǒng)。運(yùn)用現(xiàn)代軟件工程技術(shù)，開發(fā)出基于三峽船閘檢修標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)案模塊的檢修方案輔助生成系統(tǒng)，可快速生成檢修項(xiàng)目的《施工組織設(shè)計(jì)》文件。

3)研發(fā)快速檢修專用裝備與工裝。完成適用于三峽船閘設(shè)備檢修特點(diǎn)的人字門頂樞拆裝、底樞異形橡皮止水安裝等工裝的設(shè)計(jì)，研制出反弧門鋼止水修磨專用設(shè)備。

2.3.3葛洲壩船閘大修成套技術(shù)

1)船閘檢修組織創(chuàng)新采用停航期與非停航期相結(jié)合的船閘檢修組織模式，合理劃分非停航期和停航期檢修項(xiàng)目，優(yōu)化停航施工工期，選擇合適的檢修時(shí)機(jī)，縮短停航時(shí)間，降低對(duì)航運(yùn)的影響。

2)研發(fā)葛洲壩船閘大修成套技術(shù)裝備。應(yīng)用包括同步升降系統(tǒng)、頂?shù)讟袡z修裝備、人字門固門工裝和頂落門工法的人字門檢修技術(shù)與裝備，包括輸水廊道施工展布裝備、高速水流過流面破損修補(bǔ)和結(jié)構(gòu)縫滲漏灌漿處理的水下水工設(shè)施檢修技術(shù)與裝備，包括浮式檢修門沉浮自動(dòng)化控制、深井泵運(yùn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、浮式檢修門快速精準(zhǔn)對(duì)位、閘室排干后快速子堰安裝和閘室快速抽排水裝置的排水裝備與控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了船閘檢修安全高效，縮短了檢修工期[5]。

3)編制《船閘檢修技術(shù)規(guī)程》《葛洲壩船閘檢修規(guī)程》、三峽船閘檢修標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)案等，規(guī)范葛洲壩船閘設(shè)備設(shè)施檢修工作，科學(xué)合理地確定檢修周期和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，提高了檢修效率，保證了檢修質(zhì)量。開發(fā)檢修方案計(jì)算機(jī)輔助生成系統(tǒng)，可以自動(dòng)生成檢修方案，減少船閘的檢修方案制定時(shí)間。

2.4 三峽-葛洲壩梯級(jí)航運(yùn)樞紐零事故通航安全保障

2.4.1多維度的三峽葛洲壩船閘通航風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

1)分析風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率和風(fēng)險(xiǎn)對(duì)船閘通航安全的影響程度，對(duì)主觀性和客觀性風(fēng)險(xiǎn)因子進(jìn)行比較分析和綜合評(píng)價(jià)，建立三峽船閘通航安全事故風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與評(píng)價(jià)模型。

2)分析三峽船閘通航安全存在的各種風(fēng)險(xiǎn)源，根據(jù)不同事故的特性制定針對(duì)性的應(yīng)急預(yù)案和措施，構(gòu)建通航事故風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警體系，提高應(yīng)對(duì)三峽船閘通航安全事故的應(yīng)急反應(yīng)能力。

3)對(duì)三峽船閘閘室船舶事故應(yīng)急預(yù)案的應(yīng)急響應(yīng)程序進(jìn)行設(shè)定，提出多項(xiàng)事故應(yīng)急措施。構(gòu)建三峽船閘通航安全事故風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)體系和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警評(píng)判模型，編制三峽船閘通航安全事故風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警評(píng)判系統(tǒng)軟件。

4)基于三峽-葛洲壩水域船舶航行數(shù)據(jù)，結(jié)合內(nèi)河航道和內(nèi)河船型，采用經(jīng)驗(yàn)公式、流體力學(xué)計(jì)算、系統(tǒng)辨識(shí)綜合預(yù)報(bào)方法開發(fā)內(nèi)河船舶操縱性數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

2.4.2研制三峽-葛洲壩梯級(jí)航運(yùn)樞紐船舶航行行為監(jiān)控設(shè)備

1)研發(fā)三峽過閘船舶吃水量快速檢測(cè)裝置。通過數(shù)據(jù)采取與分析、數(shù)據(jù)濾波處理、基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的船舶吃水建模等研究技術(shù)成果的應(yīng)用，降低三峽船閘通航船舶安全隱患，保障三峽船閘的安全暢通。

2)研發(fā)船閘閘室禁停區(qū)域船舶越界探測(cè)及報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)船舶過閘全過程的禁停區(qū)域自動(dòng)監(jiān)控和自動(dòng)報(bào)警，提高船舶過閘效率。

3)研制基于連續(xù)波的小型測(cè)速測(cè)距一體化雷達(dá)，解決船舶在低速條件下高精度測(cè)速與測(cè)距以及三峽升船機(jī)安裝位置受限等難題。雷達(dá)樣機(jī)與進(jìn)口測(cè)速雷達(dá)對(duì)比差為0.006 ms，與激光測(cè)距測(cè)速儀對(duì)比差為0.006 ms，與人工測(cè)量對(duì)比差為0.016 ms，通過中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院的計(jì)量測(cè)試，速度測(cè)量誤差≤0.03 ms，距離測(cè)量誤差≤1.3 m。

3 結(jié)語(yǔ)

1)三峽-葛洲壩梯級(jí)航運(yùn)樞紐運(yùn)行以來，通過科技創(chuàng)新，2018年，三峽船閘通過量1.42億t，超過設(shè)計(jì)通過能力42%；三峽升船機(jī)通過量為200萬t。葛洲壩船閘通過量1.49億t,同比增長(zhǎng)6.65%，為發(fā)揮長(zhǎng)江黃金水道的功能做出巨大的貢獻(xiàn)。

2)通過優(yōu)化運(yùn)行與調(diào)度控制、維修與安全保障等措施，構(gòu)建三峽-葛洲壩梯級(jí)航運(yùn)四個(gè)體系，不斷提高三峽-葛洲壩通航通過能力，開創(chuàng)更加安全、暢通、高效、和諧的三峽通航新局面。