向家壩升船機(jī)船舶吃水和航速檢測(cè)系統(tǒng)建設(shè)

王向輝

摘 要：向家壩升船機(jī)的承船廂斷面系數(shù)較小，船舶進(jìn)出承船廂時(shí)的阻塞效應(yīng)十分明顯。相對(duì)于船閘，船舶進(jìn)出升船機(jī)承船廂過(guò)程船廂內(nèi)的水面波動(dòng)更大，吃水、航速一旦超標(biāo)極易發(fā)生船舶觸底事故。因此，升船機(jī)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)船舶的吃水、航行速度控制比船閘更為嚴(yán)格。為了盡量降低船舶觸底的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)通過(guò)船舶進(jìn)行實(shí)時(shí)吃水和航速檢測(cè)十分必要。在不影響船舶的正常通航的前提下，對(duì)超吃水、超速的船舶及時(shí)的預(yù)警和制止，有利于減少危險(xiǎn)事故的發(fā)生，安裝船舶吃水及航速檢測(cè)系統(tǒng)是具有十分重大的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：升船機(jī);吃水控制;航速控制

中圖分類號(hào)：U642? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2020）09-0084-02

向家壩水電站位于四川省宜賓縣和云南省水富縣交界的金沙江上，是金沙江下游最后一個(gè)梯級(jí)，以發(fā)電為主，同時(shí)具備改善航運(yùn)條件等作用。通航建筑物型式采用齒輪齒條爬升、螺母柱保安式一級(jí)垂直升船機(jī)，主要由上游引航道、上閘首、船廂室段、下閘首和下游引航道等五部分組成。向家壩升船機(jī)最大提升高度114.20米，是目前已建成提升高度最大的升船機(jī)。升船機(jī)按Ⅳ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)代表船型為2×500噸級(jí)一頂二駁船隊(duì)，同時(shí)兼顧1000噸級(jí)單船，承船廂設(shè)計(jì)水深3.0米，船舶設(shè)計(jì)最大吃水2.0米，進(jìn)出承船廂航速控制在0.5米/秒以內(nèi)。

向家壩升船機(jī)的承船廂長(zhǎng)而窄，斷面系數(shù)較小，船舶進(jìn)出承船廂時(shí)存在比較明顯的阻塞效應(yīng)。與船閘相比，船舶進(jìn)出升船機(jī)承船廂過(guò)程中船廂內(nèi)的水位波動(dòng)更大，吃水、航速一旦超標(biāo)極易發(fā)生船舶觸底事故，危及航行安全。因此，升船機(jī)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)船舶的吃水、航行速度限制更為嚴(yán)格。為了盡量降低船舶觸底的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)通過(guò)船舶進(jìn)行實(shí)時(shí)的吃水和航速檢測(cè)十分必要。在不影響船舶正常通航的前提下，對(duì)超吃水、超速的船舶及時(shí)的預(yù)警和制止，有利于減少海損事故的發(fā)生，安裝船舶吃水及航速檢測(cè)系統(tǒng)是具有十分重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程簡(jiǎn)介

為2018年向家壩電廠開(kāi)展了船舶吃水及航速自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)研究并取得了預(yù)期的測(cè)量精度及目標(biāo)。本項(xiàng)目擬在該研究基礎(chǔ)成果之上，建設(shè)2套船舶吃水檢測(cè)裝置、1套船廂富裕水深檢測(cè)裝置、2套航速檢測(cè)裝置以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)。

1.1 上游仰掃吃水檢測(cè)裝置

向家壩升船機(jī)上游引航道布置有躉船和浮式導(dǎo)航堤，仰掃吃水檢測(cè)系統(tǒng)計(jì)劃安裝在上游引航道91.3米浮堤上，能夠適應(yīng)上游水位變化，大大減少工程量。仰掃系統(tǒng)利用超聲波檢測(cè)原理，通過(guò)水下布置的檢測(cè)架掃描船底，可以生成船底三維圖，精確測(cè)定船舶吃水。

1.2 下游側(cè)掃吃水檢測(cè)裝置

升船機(jī)下游引航道沒(méi)有適應(yīng)水位變化的浮式裝置，只能考慮安裝側(cè)掃吃水檢測(cè)裝置。側(cè)掃裝置計(jì)劃安裝在輔助閘首處，主要由滑軌及浮體、檢測(cè)設(shè)備、數(shù)據(jù)采集處理、顯示軟件系統(tǒng)組成，實(shí)時(shí)檢測(cè)出通過(guò)船舶的吃水量信息，以二維坐標(biāo)圖顯示測(cè)量結(jié)果。同時(shí)通過(guò)通信模塊傳輸給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及檢索系統(tǒng)。

1.3 承船廂富裕水深檢測(cè)裝置

通過(guò)船舶吃水控制標(biāo)準(zhǔn)決定于航道水深和富裕水深，承船廂內(nèi)富裕水深受航道水位波動(dòng)、船舶下沉量等多重因素影響，在升船機(jī)承船廂廂頭安裝富裕水深檢測(cè)裝置，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)船舶進(jìn)出廂富裕水深值，收集各種船型、各種工況下富裕水深變化情況，為確定吃水標(biāo)準(zhǔn)提高數(shù)據(jù)支撐。

1.4 船舶進(jìn)出廂航速檢測(cè)裝置

通過(guò)升船機(jī)模型試驗(yàn)顯示，船舶進(jìn)出廂速度與富裕水深關(guān)系密切，在3米水深條件下，吃水2米船舶出廂速度從0.3米/秒增加到1米/秒，相應(yīng)下沉量由24.7厘米迅速增大到67.7厘米。如果不限制船速，發(fā)生船舶觸底的概率很高。在承船廂上安裝合適的船速檢測(cè)裝置，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)顯示和提醒，能夠?qū)崟r(shí)控制船舶進(jìn)出廂速度，減少下沉量。

1.5? 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及檢索系統(tǒng)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及檢索子系統(tǒng)包括AIS系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。AIS系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)安裝在升船機(jī)塔柱頂部機(jī)房，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸獲取船舶吃水檢測(cè)裝置采集的船舶吃水信息、船舶速度檢測(cè)裝置采集到的船舶航速信息以及承船廂富裕水深檢測(cè)裝置采集到的船舶的動(dòng)吃水信息，并對(duì)以上信息進(jìn)行一定數(shù)據(jù)處理，保存到船舶信息數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于工作人員了解過(guò)往船舶的具體信息并對(duì)違章船舶采取一定的措施，保證升船機(jī)的安全運(yùn)行。

2 項(xiàng)目建設(shè)情況

2.1 上游仰掃檢測(cè)裝置建設(shè)

根據(jù)向家壩升船機(jī)承船廂設(shè)計(jì)水深3米，長(zhǎng)江水系通過(guò)船舶標(biāo)準(zhǔn)船型最大吃水，并適當(dāng)兼顧已建非標(biāo)船型，檢測(cè)架安裝水深4米，吃水深度檢測(cè)范圍確定為0-3米。檢測(cè)支架采用L型支架（4米×10米），豎直段通過(guò)拆除浮堤一組軟靠把，利用原來(lái)預(yù)留螺栓孔固定，這樣也可以避免船舶經(jīng)過(guò)時(shí)碰撞損壞。

檢測(cè)裝置主要由吃水感知，聲速標(biāo)定，數(shù)據(jù)補(bǔ)償，水壓傳感器動(dòng)態(tài)測(cè)量，同步控制以及信息融合與處理等子系統(tǒng)組成。裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)出通過(guò)船舶的吃水量信息，以二維坐標(biāo)圖和三維圖形方式顯示測(cè)量結(jié)果。

吃水感知子系統(tǒng)由不少于16個(gè)高精度高速測(cè)距傳感器構(gòu)成單波束傳感器陣列，實(shí)現(xiàn)通過(guò)船舶到檢測(cè)架之間的距離值的測(cè)量。船舶經(jīng)過(guò)檢測(cè)支架時(shí)連續(xù)測(cè)量得到三維吃水?dāng)?shù)據(jù);聲速標(biāo)定子系統(tǒng)對(duì)聲速進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，從而對(duì)保證水下超聲波陣列測(cè)量的準(zhǔn)確性;同步控制子系統(tǒng)主要完成測(cè)量裝置的時(shí)間控制;水壓傳感器動(dòng)態(tài)測(cè)量子系統(tǒng)完成對(duì)檢測(cè)支架水下姿態(tài)的實(shí)時(shí)測(cè)量;數(shù)據(jù)補(bǔ)償子系統(tǒng)是對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)修正，從而提升吃水檢測(cè)精度。

2.2 下游側(cè)掃檢測(cè)裝置建設(shè)

考慮向家壩升船機(jī)通過(guò)船舶最大吃水小于2.5米，并考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，下游輔助閘首宜采用側(cè)掃吃水檢測(cè)法，安裝地點(diǎn)在輔助閘首防撞鋼絲繩門槽內(nèi)。通過(guò)在門槽內(nèi)設(shè)置滑軌、浮式檢測(cè)架隨動(dòng)采取數(shù)據(jù)，吃水深度檢測(cè)范圍確定為1.5米～3.0米。

側(cè)掃吃水檢測(cè)系統(tǒng)主要包含陣列調(diào)制發(fā)射、陣列調(diào)制接收、水壓傳感器動(dòng)態(tài)測(cè)量、同步控制信息融合與處理、遠(yuǎn)程傳輸?shù)茸酉到y(tǒng)、系統(tǒng)信息處理與顯示系統(tǒng)和水下浮式安裝架1對(duì)等組成，實(shí)時(shí)檢測(cè)出經(jīng)過(guò)船舶的吃水量信息，以二維坐標(biāo)圖顯示測(cè)量結(jié)果。

超聲波發(fā)射子系統(tǒng)和接收子系統(tǒng)利用浮箱分別安裝在升船機(jī)下游輔助閘首的兩側(cè)，使得發(fā)射與接收陣列能對(duì)應(yīng)協(xié)調(diào)，同步控制模塊給超聲波發(fā)射傳感器，具有防止信號(hào)相互干擾功能?？紤]現(xiàn)場(chǎng)的波浪大的情況，系統(tǒng)采用水壓傳感器動(dòng)態(tài)測(cè)量子系統(tǒng)對(duì)兩側(cè)傳感器陣列實(shí)時(shí)深度進(jìn)行測(cè)量，為消除風(fēng)浪的影響，接收陣列數(shù)量大于發(fā)射陣列數(shù)量的2倍。

最終的測(cè)量數(shù)據(jù)將通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)焦潭〝?shù)據(jù)點(diǎn)，得到船舶的吃水信息，并繪制船舶吃水二維坐標(biāo)圖和用文本顯示船舶吃水?dāng)?shù)據(jù)。

2.3 承船廂富裕水深檢測(cè)裝置建設(shè)

向家壩升船機(jī)貨物運(yùn)輸以下行為主，船舶出廂時(shí)，阻塞效應(yīng)最大，為確保船舶不觸碰升船機(jī)承船廂底板，在承船廂下廂頭安裝側(cè)掃式水深檢測(cè)裝置，實(shí)時(shí)檢測(cè)船舶出廂過(guò)程富裕水深值。富裕水深測(cè)量范圍確定為0.2米～1米。

富裕水深檢測(cè)系統(tǒng)組成與下游側(cè)掃吃水檢測(cè)系統(tǒng)基本相同，只是省略了滑軌和浮箱，檢測(cè)架直接固定在承船廂兩側(cè)。同時(shí)檢測(cè)范圍較窄，發(fā)射和接收傳感器數(shù)量適當(dāng)減少。

2.4 船舶航速檢測(cè)裝置建設(shè)

船舶速度檢測(cè)子系統(tǒng)硬件主要包括以下部分：上下游測(cè)速雷達(dá)裝置、數(shù)據(jù)采集和處理模塊、預(yù)警顯示模塊和與系統(tǒng)監(jiān)測(cè)控制中心通信模塊。雷達(dá)裝在承船廂中部，分別面對(duì)上下游。LED雙面顯示屏分別位于左右側(cè)廂頭，船舶進(jìn)出廂都能看到速度實(shí)時(shí)顯示和報(bào)警信息，提醒船舶駕駛員控制船速。

測(cè)速雷達(dá)裝置主要由測(cè)速一體化雷達(dá)和云臺(tái)組成，一體化雷達(dá)安裝在云臺(tái)上，測(cè)量船舶航速、距離數(shù)據(jù)，并將其傳送至預(yù)處理模塊，預(yù)處理模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理并傳送至上位機(jī)。

船舶航速檢測(cè)裝置與承船廂富裕水深檢測(cè)裝置具備集成顯示功能，可實(shí)現(xiàn)同一船舶航速與吃水（富裕水深）關(guān)系圖表，便于對(duì)比分析。

2.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及檢索系統(tǒng)建設(shè)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及檢索系統(tǒng)設(shè)置服務(wù)器和磁盤陣列，主要用于存儲(chǔ)和查詢歷史數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)綜合采集船舶吃水檢測(cè)裝置、船廂富裕水深檢測(cè)裝置、船舶速度檢測(cè)裝置、船舶AIS信息采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)補(bǔ)償子系統(tǒng)數(shù)據(jù)，提供綜合查詢和歷史回放等功能。其中，數(shù)據(jù)補(bǔ)償子系統(tǒng)主要針對(duì)一些水壓、聲速、船的傾角感應(yīng)、船舶航速這些量對(duì)測(cè)得的基本吃水信息進(jìn)行一定的誤差修正，從而確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。將得到的準(zhǔn)確信息利用通訊網(wǎng)絡(luò)傳送給后臺(tái)進(jìn)行軟件的處理，包括界面的顯示，數(shù)據(jù)的反饋、數(shù)據(jù)異常提醒等。

后期為了方便查詢吃水航速數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)檢索系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線4G網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫耍ㄟ^(guò)公網(wǎng)就可以實(shí)時(shí)查詢通過(guò)船舶吃水相關(guān)信息，為通航安全管理提供了更便利的手段。

3 結(jié)論

向家壩升船機(jī)2018年5月投入試通航，為保證通航安全，向家壩電廠在前期科研取得成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，2019年完成了通過(guò)船舶吃水、航速檢測(cè)系統(tǒng)建設(shè)。經(jīng)過(guò)計(jì)量部門認(rèn)證，吃水精度≤0.1米，測(cè)速精度滿足≤0.05米/秒，滿足使用要求。該系統(tǒng)的成功實(shí)施，為升船機(jī)安全運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的保障，并為下一步適當(dāng)放寬吃水標(biāo)準(zhǔn)，提高通過(guò)能力提供了數(shù)據(jù)支撐。

參考文獻(xiàn)：

[1]李中華、胡亞安、劉克平.向家壩升船機(jī)承船廂設(shè)計(jì)水深標(biāo)準(zhǔn)[J].水運(yùn)工程，2016（12）：153-157.