基于云模型的水力式升船機(jī)輸水系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)分析*

劉精凱，胡亞安，薛 淑

(南京水利科學(xué)研究院，通航建筑物建設(shè)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029)

水力式升船機(jī)采用水能作為提升動(dòng)力和安全保障措施，實(shí)現(xiàn)了升船機(jī)發(fā)展史上真正意義的運(yùn)行自適應(yīng)“全平衡”[1]。不僅能夠徹底解決因船廂漏水產(chǎn)生的平衡體系破壞而引發(fā)“飛車(chē)”的事故風(fēng)險(xiǎn)，也可適應(yīng)因河道水位快速、大幅變化引起的船廂對(duì)接困難[2]。水力式升船機(jī)顯著的優(yōu)越性要?dú)w功于其驅(qū)動(dòng)核心輸水系統(tǒng)。然而，水力式升船機(jī)長(zhǎng)期地在復(fù)雜水動(dòng)力條件下運(yùn)行，增加了發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)，特別是其驅(qū)動(dòng)核心輸水系統(tǒng)存在豎井水位差風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)象。因此，有必要對(duì)水力式升船機(jī)輸水系統(tǒng)運(yùn)行安全進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析。

國(guó)內(nèi)外應(yīng)用于水利工程領(lǐng)域的風(fēng)險(xiǎn)分析方法主要集中在大壩安全或洪水風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方面[3-4]，對(duì)水力式升船機(jī)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)研究極少，特別是其驅(qū)動(dòng)核心輸水系統(tǒng)，仍然缺少可行的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。輸水系統(tǒng)的水動(dòng)力學(xué)風(fēng)險(xiǎn)主要由豎井水位差現(xiàn)象的不確定性引起。本文針對(duì)水力式升船機(jī)輸水系統(tǒng)豎井水位差現(xiàn)象的水動(dòng)力學(xué)風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，基于云模型理論，實(shí)現(xiàn)對(duì)水力式升船機(jī)輸水系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的分析評(píng)估。

1 水力式升船機(jī)輸水系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)

輸水系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)是水力式升船機(jī)的關(guān)鍵系統(tǒng)，見(jiàn)圖1。輸水系統(tǒng)作為水力式升船機(jī)的核心系統(tǒng)，其運(yùn)行的穩(wěn)定性是水力式升船機(jī)運(yùn)行安全的重要基礎(chǔ)保障。

圖1 水力式升船機(jī)主要組成部分

1.1 輸水系統(tǒng)布置

輸水系統(tǒng)是水力式升船機(jī)的動(dòng)力提升系統(tǒng)，其布置方案將直接影響升船機(jī)的運(yùn)行安全。水力式升船機(jī)通過(guò)水力驅(qū)動(dòng)平衡重帶動(dòng)船廂的升降，必須保證所有平衡重同步升降，即保證各豎井內(nèi)水位的同步升降。采用等慣性輸水系統(tǒng)布置形式，見(jiàn)圖2，理論上可以保證各豎井水位的同步。水力式升船機(jī)輸水系統(tǒng)在水平方向布置一級(jí)(L1)、二級(jí)(L2)水平分流，在豎直方向布置三級(jí)(L3)、四級(jí)(L4)豎直分流，末級(jí)支管段長(zhǎng)度為L(zhǎng)5。這種布置方式實(shí)現(xiàn)了輸水系統(tǒng)從平面布置升級(jí)到立面空間的高級(jí)布置形式。通過(guò)4次分流，水力式升船機(jī)輸水系統(tǒng)在理論上能夠?qū)崿F(xiàn)將主管道中水流均勻分配到各豎井中，達(dá)到各豎井內(nèi)水位同步升降的目的。

圖2 水力式升船機(jī)等慣性輸水系統(tǒng)分流管道布置

1.2 輸水系統(tǒng)水動(dòng)力風(fēng)險(xiǎn)特征

豎井內(nèi)水動(dòng)力條件特性能夠直觀地展現(xiàn)水力式升船機(jī)輸水系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。水力式升船機(jī)輸水過(guò)程中第i個(gè)豎井輸水流量為：

(1)

式中：μi為第i個(gè)豎井輸水流量系數(shù)；A為參考斷面面積(m2)；H為上游水位(m)；Zi為第i個(gè)豎井水位(m)；li為廊道長(zhǎng)度(m)；vi為各廊道對(duì)應(yīng)的流速(ms)；t為時(shí)間。

輸水過(guò)程中，輸水系統(tǒng)的左右側(cè)豎井及同側(cè)豎井間存在水位差現(xiàn)象，除了水流流速、紊動(dòng)產(chǎn)生水動(dòng)力作用于浮筒平衡重，輸水系統(tǒng)水動(dòng)力風(fēng)險(xiǎn)主要表現(xiàn)在最大豎井水位差超過(guò)允許值。大流量高流速下，隨著水頭的增高、輸水廊道的增長(zhǎng)、閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間的加快，輸水系統(tǒng)輸水管道中水流紊動(dòng)強(qiáng)度變大，分流的均勻性和豎井水位的同步性變差。等慣性輸水系統(tǒng)從理論上可以實(shí)現(xiàn)各豎井水位的同步，但實(shí)際工程中因其結(jié)構(gòu)的特殊性及安裝施工誤差的不可避免，導(dǎo)致了輸水過(guò)程中，輸水系統(tǒng)水動(dòng)力條件(μi、li、vi等)的差別引起豎井間水位(Zi)變化，產(chǎn)生了豎井間水位差，豎井水位差帶來(lái)輸水系統(tǒng)水動(dòng)力風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，這種水位差在水力式升船機(jī)運(yùn)行中一直交替出現(xiàn)。

1.3 豎井水位差風(fēng)險(xiǎn)

水力式升船機(jī)輸水系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)聯(lián)合工作，輸水系統(tǒng)豎井水位差能夠直接引起機(jī)械系統(tǒng)同步軸扭矩T增大，見(jiàn)圖3。豎井水位差導(dǎo)致各豎井中浮筒平衡重的淹沒(méi)深度不一致，引起與浮筒相連的鋼絲繩承受的拉力不同。豎井水位差越大，相鄰平衡重側(cè)鋼絲繩的拉力Fi和Fi+1差值越大，直接引起卷筒之間同步軸的扭矩增加，同步軸扭矩超標(biāo)將帶來(lái)同步軸斷裂的風(fēng)險(xiǎn)隱患，威脅升船機(jī)的運(yùn)行安全。因此，將豎井水位差作為輸水系統(tǒng)影響升船機(jī)運(yùn)行安全的最主要風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行分析。

圖3 豎井之間水位差導(dǎo)致同步軸產(chǎn)生扭矩

2 水力式升船機(jī)輸水系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系

2.1 云模型方法

基于云模型理論，構(gòu)建水力式升船機(jī)輸水系統(tǒng)豎井水位差風(fēng)險(xiǎn)分析方法。云模型理論是一種不確定人工智能計(jì)算方法，它是定性概念與定量表示之間相互轉(zhuǎn)化的一種不確定性模型[5-6]。

2.1.1方法原理

設(shè)U是風(fēng)險(xiǎn)對(duì)象的效應(yīng)量對(duì)應(yīng)的定量論域，C是U上的定性概念(豎井水位差現(xiàn)象)，若定量值x∈U，即x定義為豎井水位差值，且x是豎井水位差現(xiàn)象C的一次隨機(jī)實(shí)現(xiàn)，x對(duì)C的隸屬度μ(x)∈[0，1]是有穩(wěn)定傾向的隨機(jī)分布規(guī)律。

在云模型中，定量值x被稱(chēng)為云滴，以云滴x的期望、熵及超熵概念反映輸水系統(tǒng)豎井水位差風(fēng)險(xiǎn)的特征。期望反映豎井水位差數(shù)據(jù)的平均變化程度，采用Ex表示。熵能體現(xiàn)出豎井水位差變化不確定程度的大小，用En表示。超熵衡量熵的不確定性，用He表示，反映不確定性的離散程度，豎井水位差變化不確定程度隨著超熵的增大而變得越來(lái)越離散，反之，表現(xiàn)為穩(wěn)定的特性。

2.1.2正向云與逆向云

云模型通常采用正向云(FCG)和逆向云發(fā)生器(BCG)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，具體流程如下：

1)通過(guò)逆向云發(fā)生器獲得輸水系統(tǒng)豎井水位差風(fēng)險(xiǎn)的3個(gè)數(shù)字特征值(Ex，En，He)。

2)以Ex為期望值、He為均方差，生成正態(tài)分布隨機(jī)函數(shù)E′n：

(2)

3)以Ex為期望值、E′n為均方差，生成正態(tài)隨機(jī)數(shù)x：

(3)

4)計(jì)算x隸屬度：

(4)

式中：x為反映豎井水位差風(fēng)險(xiǎn)的云滴定量數(shù)據(jù)；μ(x)為計(jì)算豎井水位差監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)x的隸屬度，代表了豎井水位差傾向的風(fēng)險(xiǎn)程度。

綜上，分析豎井水位差監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)云模型中的正、逆向云發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)豎井水位差監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的定量→定性→定量的轉(zhuǎn)化，選定3個(gè)數(shù)字特征值(Ex，En，He)衡量豎井水位差風(fēng)險(xiǎn)的變化程度。

2.2 豎井水位差現(xiàn)象風(fēng)險(xiǎn)劃分

借鑒云模型中云滴x對(duì)定性概念的貢獻(xiàn)率不同，定義豎井水位差值對(duì)豎井水位差現(xiàn)象的貢獻(xiàn)率，即任意區(qū)間的豎井水位差數(shù)值Δx對(duì)豎井水位差現(xiàn)象的貢獻(xiàn)ΔC：

(5)

則總貢獻(xiàn)C根據(jù)式(6)計(jì)算為1：

(6)

圖4 豎井水位差現(xiàn)象風(fēng)險(xiǎn)劃分

1)“安全元素”表示豎井水位差數(shù)值落在區(qū)間[0,Ex+En]的云滴群中，區(qū)間[0,Ex+En]的云滴群占云滴群總面積的比例為84.13%。當(dāng)豎井水位差的監(jiān)測(cè)值集中落在此區(qū)間時(shí)，表示升船機(jī)輸水系統(tǒng)運(yùn)行安全。

2)“較安全元素”表示豎井水位差數(shù)值落在區(qū)間(Ex+En，Ex+2En]內(nèi)的云滴群中，區(qū)間(Ex+En，Ex+2En]云滴群占云滴群總面積的比例為13.59%。當(dāng)豎井水位差的監(jiān)測(cè)值偏集中落在此區(qū)間時(shí)，表示升船機(jī)輸水系統(tǒng)運(yùn)行較安全，操作人員應(yīng)關(guān)注并跟蹤豎井水位差監(jiān)測(cè)值的后續(xù)變化情況。

3)“弱風(fēng)險(xiǎn)元素”表示豎井水位差數(shù)值落在區(qū)間(Ex+2En，Ex+3En]內(nèi)的云滴群中，區(qū)間(Ex+2En，Ex+3En]云滴群占云滴群總面積的比例為2.15%。如果豎井水位差的監(jiān)測(cè)值偏集中在此區(qū)間時(shí)，表示升船機(jī)輸水系統(tǒng)為“弱風(fēng)險(xiǎn)”狀態(tài)，操作人員應(yīng)上報(bào)輸水系統(tǒng)“弱風(fēng)險(xiǎn)”，并對(duì)升船機(jī)可能存在的問(wèn)題進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)故障排查。

4)“風(fēng)險(xiǎn)元素”表示豎井水位差數(shù)值落在區(qū)間(Ex+3En，+∞)的云滴群中，區(qū)間(Ex+3En，+∞)云滴群占云滴群總面積的比例為0.13%。如果豎井水位差的監(jiān)測(cè)值偏集中落在此區(qū)間時(shí)，認(rèn)為豎井水位差現(xiàn)象表征出異常信息，操作人員應(yīng)上報(bào)輸水系統(tǒng)“風(fēng)險(xiǎn)”狀態(tài)，按照相應(yīng)的操作流程停止升船機(jī)的運(yùn)行，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)故障排查。

2.3 豎井水位差風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)閾值

根據(jù)輸水系統(tǒng)豎井水位差風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，確定豎井水位差風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)閾值：安全元素的閾值區(qū)間為[0，Ex+En]；較安全元素的閾值區(qū)間為(Ex+En，Ex+2En]；弱風(fēng)險(xiǎn)元素的閾值區(qū)間為(Ex+2En，Ex+3En]；風(fēng)險(xiǎn)元素的閾值區(qū)間為(Ex+3En，+∞)。

3 景洪升船機(jī)輸水系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

3.1 豎井水位差風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程

基于云模型理論，擬定水力式升船機(jī)輸水系統(tǒng)豎井水位差風(fēng)險(xiǎn)分析流程，見(jiàn)圖5。

圖5 基于云模型理論的水力式升船機(jī)豎井水位差風(fēng)險(xiǎn)分析流程

3.2 景洪升船機(jī)豎井水位差

選取景洪水力式升船機(jī)輸水系統(tǒng)正常運(yùn)行下豎井水位差典型監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖6，評(píng)估分析景洪升船機(jī)豎井水位差現(xiàn)象。正常運(yùn)行下，景洪升船機(jī)輸水系統(tǒng)豎井間水位差最大不超過(guò)0.2 m，低于其設(shè)計(jì)預(yù)警值(≤0.4 m)。目前，輸水系統(tǒng)能夠滿足升船機(jī)運(yùn)行安全的要求。

圖6 景洪水力式升船機(jī)豎井水位差

進(jìn)一步對(duì)景洪升船機(jī)豎井水位差風(fēng)險(xiǎn)的不確定性進(jìn)行分析。采用云模型方法，處理豎井水位差監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。按云滴個(gè)數(shù)N=3 000計(jì)算，獲取豎井水位差云圖，見(jiàn)圖7。得到豎井水位差風(fēng)險(xiǎn)的3個(gè)數(shù)字特征值(Ex=0.119 9，En=0.014 9，He=0.001 5)，衡量豎井水位差風(fēng)險(xiǎn)變化程度。從3個(gè)數(shù)字特征值(Ex，En，He)可以看出，正常運(yùn)行下，景洪升船機(jī)豎井水位差值離散程度較小，輸水系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中處于安全范圍內(nèi)，無(wú)風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 景洪水力式升船機(jī)提升60米級(jí)高度時(shí)豎井水位差云圖

根據(jù)定義豎井水位差值對(duì)豎井水位差現(xiàn)象的貢獻(xiàn)率，進(jìn)行豎井水位差現(xiàn)象風(fēng)險(xiǎn)劃分，確定景洪升船機(jī)豎井水位差風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)閾值：安全元素的閾值區(qū)間為[0，0.13]；較安全元素的閾值區(qū)間為(0.13，0.15]；弱風(fēng)險(xiǎn)元素的閾值區(qū)間為(0.15，0.17]；風(fēng)險(xiǎn)元素的閾值區(qū)間為(0.17，+∞)。

3.3 超高升程水力式升船機(jī)豎井水位差風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)

面對(duì)未來(lái)水力式升船機(jī)“超高升程、超大提升質(zhì)量”的發(fā)展趨勢(shì)，以景洪水力式升船機(jī)浮筒平衡重及機(jī)械同步軸尺寸條件下，數(shù)值模擬得到80、100、120米級(jí)提升高度下輸水系統(tǒng)豎井水位差數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖8。按云滴個(gè)數(shù)N=3 000，獲取輸水系統(tǒng)豎井水位差云圖，見(jiàn)圖9。80、100、120米級(jí)提升高度下輸水系統(tǒng)豎井水位差均值，分別為0.20、0.22、0.24 m，隨著提升高度的增加，輸水系統(tǒng)豎井水流紊動(dòng)強(qiáng)度增大，分流的均勻性和豎井水位的同步性變差。

圖8 不同提升高度下水力式升船機(jī)豎井水位差

圖9 不同提升高度下水力式升船機(jī)豎井水位差云圖

統(tǒng)計(jì)分析80、100、120米級(jí)提升高度下輸水系統(tǒng)豎井水位差特征值(Ex，En，He)，以景洪水力式升船機(jī)浮筒平衡重及機(jī)械同步軸尺寸條件下，數(shù)值模擬計(jì)算預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)閾值，見(jiàn)表1。

表1 不同提升高度下水力式升船機(jī)輸水系統(tǒng)豎井水位差風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)閾值

4 結(jié)語(yǔ)

1)本文分析了水力式升船機(jī)輸水系統(tǒng)布置形式、輸水系統(tǒng)水動(dòng)力風(fēng)險(xiǎn)特征、豎井水位差風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)象，闡明了輸水系統(tǒng)與機(jī)械同步軸系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的相互作用。

2)巧妙運(yùn)用正態(tài)分布的普適性，借鑒云模型理論，創(chuàng)建了具有實(shí)用性的水力式升船機(jī)輸水系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。

3)面對(duì)未來(lái)水力式升船機(jī)“超高升程、超大提升質(zhì)量”的發(fā)展趨勢(shì)，以既有工程“景洪水力式升船機(jī)”為例，進(jìn)行輸水系統(tǒng)豎井水位差現(xiàn)象風(fēng)險(xiǎn)分析，預(yù)測(cè)了100米級(jí)水力式升船機(jī)輸水系統(tǒng)豎井水位差風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)閾值。

4)研究成果可有效地控制水力式升船機(jī)由于豎井水位差帶來(lái)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，可應(yīng)用于水力式升船機(jī)領(lǐng)域風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，能夠?yàn)樗κ缴瑱C(jī)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)防控提供決策。