向家壩升船機船舶吃水和航速檢測系統建設

王向輝

摘 要：向家壩升船機的承船廂斷面系數較小，船舶進出承船廂時的阻塞效應十分明顯。相對于船閘，船舶進出升船機承船廂過程船廂內的水面波動更大，吃水、航速一旦超標極易發生船舶觸底事故。因此，升船機運行過程中對船舶的吃水、航行速度控制比船閘更為嚴格。為了盡量降低船舶觸底的風險，對通過船舶進行實時吃水和航速檢測十分必要。在不影響船舶的正常通航的前提下，對超吃水、超速的船舶及時的預警和制止，有利于減少危險事故的發生，安裝船舶吃水及航速檢測系統是具有十分重大的現實意義。

關鍵詞：升船機;吃水控制;航速控制

中圖分類號：U642? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：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梯級，以發電為主，同時具備改善航運條件等作用。通航建筑物型式采用齒輪齒條爬升、螺母柱保安式一級垂直升船機，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。升船機按Ⅳ級航道標準設計，設計代表船型為2×500噸級一頂二駁船隊，同時兼顧1000噸級單船，承船廂設計水深3.0米，船舶設計最大吃水2.0米，進出承船廂航速控制在0.5米/秒以內。

向家壩升船機的承船廂長而窄，斷面系數較小，船舶進出承船廂時存在比較明顯的阻塞效應。與船閘相比，船舶進出升船機承船廂過程中船廂內的水位波動更大，吃水、航速一旦超標極易發生船舶觸底事故，危及航行安全。因此，升船機運行過程中對船舶的吃水、航行速度限制更為嚴格。為了盡量降低船舶觸底的風險，對通過船舶進行實時的吃水和航速檢測十分必要。在不影響船舶正常通航的前提下，對超吃水、超速的船舶及時的預警和制止，有利于減少海損事故的發生，安裝船舶吃水及航速檢測系統是具有十分重大的現實意義。

1 工程簡介

為2018年向家壩電廠開展了船舶吃水及航速自動檢測系統研究并取得了預期的測量精度及目標。本項目擬在該研究基礎成果之上，建設2套船舶吃水檢測裝置、1套船廂富裕水深檢測裝置、2套航速檢測裝置以及數據存儲系統。

1.1 上游仰掃吃水檢測裝置

向家壩升船機上游引航道布置有躉船和浮式導航堤，仰掃吃水檢測系統計劃安裝在上游引航道91.3米浮堤上，能夠適應上游水位變化，大大減少工程量。仰掃系統利用超聲波檢測原理，通過水下布置的檢測架掃描船底，可以生成船底三維圖，精確測定船舶吃水。

1.2 下游側掃吃水檢測裝置

升船機下游引航道沒有適應水位變化的浮式裝置，只能考慮安裝側掃吃水檢測裝置。側掃裝置計劃安裝在輔助閘首處，主要由滑軌及浮體、檢測設備、數據采集處理、顯示軟件系統組成，實時檢測出通過船舶的吃水量信息，以二維坐標圖顯示測量結果。同時通過通信模塊傳輸給數據存儲及檢索系統。

1.3 承船廂富裕水深檢測裝置

通過船舶吃水控制標準決定于航道水深和富裕水深，承船廂內富裕水深受航道水位波動、船舶下沉量等多重因素影響，在升船機承船廂廂頭安裝富裕水深檢測裝置，可以實時檢測船舶進出廂富裕水深值，收集各種船型、各種工況下富裕水深變化情況，為確定吃水標準提高數據支撐。

1.4 船舶進出廂航速檢測裝置

通過升船機模型試驗顯示，船舶進出廂速度與富裕水深關系密切，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，發生船舶觸底的概率很高。在承船廂上安裝合適的船速檢測裝置，通過現場實時顯示和提醒，能夠實時控制船舶進出廂速度，減少下沉量。

1.5? 數據存儲及檢索系統

數據存儲及檢索子系統包括AIS系統、數據處理系統。AIS系統和數據處理系統安裝在升船機塔柱頂部機房，數據處理系統主要通過網絡傳輸獲取船舶吃水檢測裝置采集的船舶吃水信息、船舶速度檢測裝置采集到的船舶航速信息以及承船廂富裕水深檢測裝置采集到的船舶的動吃水信息，并對以上信息進行一定數據處理，保存到船舶信息數據庫中，便于工作人員了解過往船舶的具體信息并對違章船舶采取一定的措施，保證升船機的安全運行。

2 項目建設情況

2.1 上游仰掃檢測裝置建設

根據向家壩升船機承船廂設計水深3米，長江水系通過船舶標準船型最大吃水，并適當兼顧已建非標船型，檢測架安裝水深4米，吃水深度檢測范圍確定為0-3米。檢測支架采用L型支架（4米×10米），豎直段通過拆除浮堤一組軟靠把，利用原來預留螺栓孔固定，這樣也可以避免船舶經過時碰撞損壞。

檢測裝置主要由吃水感知，聲速標定，數據補償，水壓傳感器動態測量，同步控制以及信息融合與處理等子系統組成。裝置實時檢測出通過船舶的吃水量信息，以二維坐標圖和三維圖形方式顯示測量結果。

吃水感知子系統由不少于16個高精度高速測距傳感器構成單波束傳感器陣列，實現通過船舶到檢測架之間的距離值的測量。船舶經過檢測支架時連續測量得到三維吃水數據;聲速標定子系統對聲速進行實時測量，從而對保證水下超聲波陣列測量的準確性;同步控制子系統主要完成測量裝置的時間控制;水壓傳感器動態測量子系統完成對檢測支架水下姿態的實時測量;數據補償子系統是對各子系統進行數據采集和實時修正，從而提升吃水檢測精度。

2.2 下游側掃檢測裝置建設

考慮向家壩升船機通過船舶最大吃水小于2.5米，并考慮現場實際，下游輔助閘首宜采用側掃吃水檢測法，安裝地點在輔助閘首防撞鋼絲繩門槽內。通過在門槽內設置滑軌、浮式檢測架隨動采取數據，吃水深度檢測范圍確定為1.5米～3.0米。

側掃吃水檢測系統主要包含陣列調制發射、陣列調制接收、水壓傳感器動態測量、同步控制信息融合與處理、遠程傳輸等子系統、系統信息處理與顯示系統和水下浮式安裝架1對等組成，實時檢測出經過船舶的吃水量信息，以二維坐標圖顯示測量結果。

超聲波發射子系統和接收子系統利用浮箱分別安裝在升船機下游輔助閘首的兩側，使得發射與接收陣列能對應協調，同步控制模塊給超聲波發射傳感器，具有防止信號相互干擾功能?？紤]現場的波浪大的情況，系統采用水壓傳感器動態測量子系統對兩側傳感器陣列實時深度進行測量，為消除風浪的影響，接收陣列數量大于發射陣列數量的2倍。

最終的測量數據將通過網絡傳輸到固定數據點，得到船舶的吃水信息，并繪制船舶吃水二維坐標圖和用文本顯示船舶吃水數據。

2.3 承船廂富裕水深檢測裝置建設

向家壩升船機貨物運輸以下行為主，船舶出廂時，阻塞效應最大，為確保船舶不觸碰升船機承船廂底板，在承船廂下廂頭安裝側掃式水深檢測裝置，實時檢測船舶出廂過程富裕水深值。富裕水深測量范圍確定為0.2米～1米。

富裕水深檢測系統組成與下游側掃吃水檢測系統基本相同，只是省略了滑軌和浮箱，檢測架直接固定在承船廂兩側。同時檢測范圍較窄，發射和接收傳感器數量適當減少。

2.4 船舶航速檢測裝置建設

船舶速度檢測子系統硬件主要包括以下部分：上下游測速雷達裝置、數據采集和處理模塊、預警顯示模塊和與系統監測控制中心通信模塊。雷達裝在承船廂中部，分別面對上下游。LED雙面顯示屏分別位于左右側廂頭，船舶進出廂都能看到速度實時顯示和報警信息，提醒船舶駕駛員控制船速。

測速雷達裝置主要由測速一體化雷達和云臺組成，一體化雷達安裝在云臺上，測量船舶航速、距離數據，并將其傳送至預處理模塊，預處理模塊對數據進行初步處理并傳送至上位機。

船舶航速檢測裝置與承船廂富裕水深檢測裝置具備集成顯示功能，可實現同一船舶航速與吃水（富裕水深）關系圖表，便于對比分析。

2.5 數據存儲及檢索系統建設

數據存儲及檢索系統設置服務器和磁盤陣列，主要用于存儲和查詢歷史數據。該系統綜合采集船舶吃水檢測裝置、船廂富裕水深檢測裝置、船舶速度檢測裝置、船舶AIS信息采集子系統、數據補償子系統數據，提供綜合查詢和歷史回放等功能。其中，數據補償子系統主要針對一些水壓、聲速、船的傾角感應、船舶航速這些量對測得的基本吃水信息進行一定的誤差修正，從而確保數據的準確性。將得到的準確信息利用通訊網絡傳送給后臺進行軟件的處理，包括界面的顯示，數據的反饋、數據異常提醒等。

后期為了方便查詢吃水航速數據，數據存儲檢索系統通過無線4G網絡把數據傳輸到云端，通過公網就可以實時查詢通過船舶吃水相關信息，為通航安全管理提供了更便利的手段。

3 結論

向家壩升船機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驗的基礎上，2019年完成了通過船舶吃水、航速檢測系統建設。經過計量部門認證，吃水精度≤0.1米，測速精度滿足≤0.05米/秒，滿足使用要求。該系統的成功實施，為升船機安全運行提供了強有力的保障，并為下一步適當放寬吃水標準，提高通過能力提供了數據支撐。

參考文獻：

[1]李中華、胡亞安、劉克平.向家壩升船機承船廂設計水深標準[J].水運工程，2016（12）：153-157.