一種浮式檢修門實時狀態安全監測方案的研究

李相宜，王心沁，耿圓平

（長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443000）

1 背景介紹

三峽船閘是世界上規模最大的雙線五級連續船閘，浮式檢修門（以下簡稱“浮門”）是其重要的擋水設備。三峽船閘浮式檢修門由鋼結構、充排水設備、支承止水裝置、系泊設備、電氣控制設備及壓載鑄鐵組成。門體鋼結構為單底、橫骨架、水平桁架式結構，浮門外側設有4組水尺。充排水設備包括中央水倉、邊水倉、調節水倉和管系、排水泵、閘閥等。支承止水裝置中止水橡皮為Ω型，支承采用木結構。系泊設備設有系纜樁、導纜鉗及鉸關，停泊位置設有2套浮式系船柱、地錨、4套軟靠把橡皮柱和相應的埋件等。電氣控制設備主要包括控制柜及動力柜，布置在上甲板上。

浮門未啟用時停放在三峽船閘六閘首中隔墩停泊位置，南北兩線共用，通常在三峽南線或北線船閘計劃性檢修、搶修需排干五閘室時啟用，用于阻擋下游水進入閘室。閘室檢修時用拖輪采用舷側綁推方式牽引至門槽下沉就位擋水。

浮門金屬結構腐蝕破損可能導致浮門傾斜或下沉，江面波浪可能使纜繩繃斷而漂移。不僅會造成設備損壞和經濟損失，對船舶的航行安全及船閘的運行安全也構成威脅。

2 監測方式分析

由于浮門是重要的檢修設備，而且出現過幾次浮門側傾，所以三峽船閘巡檢管理規定了對其的巡視要求，需滿足每天一次的頻率。但目前對于浮門實時狀態的安全監測主要依靠視頻監控和運行人員現場巡檢。浮門監控主要有以下不足：

1）視頻監控無自動報警功能且夜間視線較差，往往要到浮門已經發生較嚴重的傾斜下沉之后才會發現。

2）人員現場巡檢有一定的時間間隔，無法及時發現浮門狀態的變化。

3）無論通過攝像頭還是人員現場巡檢的方法，都具有相當大的主觀性。

3 新技術路線

開展浮式檢修門實時狀態安全監測系統的研究，從而實現對浮門實時狀態的數字化、自動化、遠程化監測。

即利用傳感器將浮門實時狀態數字化，數據處理設備能自動判斷浮門下沉量、傾斜角度、浮門離船閘距離等相關數據并分析是否存在異常，運行人員能使用手機遠程查看。

4 監測設備的原理

4.1 傾角傳感器

傾角傳感器的理論基礎就是牛頓第二定律，根據基本的物理原理，在一個系統內部，速度是無法測量的，但卻可以測量其加速度。如果初速度已知，就可以通過積分計算出線速度，進而可以計算出直線位移。所以它其實是運用慣性原理的一種加速度傳感器。

當傾角傳感器靜止時也就是側面和垂直方向沒有加速度作用，那么作用在它上面的只有重力加速度。重力垂直軸與加速度傳感器靈敏軸之間夾角就是傾斜角了。傾角傳感器把MCU、MEMS加速度計，模數轉換電路，通訊單元全都集成在一塊非常小的電路板上，可以直接輸出角度等傾斜數據。

4.2 雷達液位計

雷達液位計，是利用電磁波探測目標的電子設備。其主要測量原理是從雷達水位傳感天線發射雷達脈沖以光速延鋼纜或碳棒傳播，當遇到被測介質表面時，部分脈沖被反射形成回波，天線接收從水面反射回來的脈沖，并記錄時間T，由于電磁波的傳播速度C（光速）是個常數，從而得出到水面的距離D。

雷達測距儀的具體用途和結構不盡相同，但基本形式是一致的，包括:發射機、發射天線、接收機、接收天線，處理部分以及顯示器。還有電源設備、數據錄取設備、抗干擾設備等輔助設備。

4.3 記錄儀

無紙記錄儀是將工業現場的各種需要監視記錄的輸入信號，比如流量計的流量信號、壓力變送器的壓力信號、熱電阻和熱電偶的溫度信號等，通過高性能32位ARM微處理器進行數據處理，一方面在大屏幕液晶顯示屏幕上以多種形式的畫面顯示出來，另一方面把這些監察信號的數據存放在本機內藏的大容量存儲芯片內，以便在本記錄儀上直接進行數據和圖形查詢、翻閱。通過上位機管理軟件，即可了解儀器記錄信息，并可以打印曲線、圖形、列表。

5 監測功能的實現

5.1 傾角傳感器

傾角傳感器安裝在浮門中央的支架上，檢測浮門各方向傾斜的角度，在記錄儀上顯示實時數據。測量范圍X、Z±180°，Y±90°，測量精度0.1°，浮門全長35 m，可以計算出當浮門一側下沉約3 cm時就可以被檢測到，精度能較好滿足需要。

5.2 雷達液位計

在浮門兩側各安裝固定一個雷達液位計探頭，探頭豎直向下測量離水面距離，監測浮門是否下沉，當測量的距離縮小時，可以判定浮門發生下沉。在浮門正面安裝固定兩個雷達測距儀探頭，探頭水平面向上游，測量離墻面距離，監測浮門是否漂移，當測量的距離變大時，可以判定浮門纜繩繃斷發生漂移。

5.3 記錄儀

記錄儀放置于浮門電氣控制柜內，負責收集各傾角傳感器、雷達液位計的數據，對數據進行實時安全監測，具有查看實時曲線、歷史記錄、報警信息等功能。記錄儀還可對數據進行處理判斷，浮門靠泊期間若發生傾斜、下沉、漂移，記錄儀能在1 s內發出報警。

記錄儀報警輸出電纜可接至中南六機房2號柜，現地PLC通過IO模塊接受報警信號，從而將報警信號傳至集控顯示屏，運行人員可現場復核確認。

記錄儀內置的5G移動通訊模塊還可將浮門狀態信號和報警信號傳送到運行人員的手機APP上，使運行人員第一時間知道浮門的安全情況。

5.4 設備供電

浮門狀態監測配電柜安裝在原有的浮門岸電配電柜旁，安裝位置避雨，柜面做防潮處理。電源取自原有配電柜備用接觸器，新配電柜出線沿原有電纜線路敷設至浮門，向陀螺儀、雷達液位計供電（如圖1所示）。

6 結語

浮門的安全穩定關系三峽船閘航道的安全穩定，利用成熟可靠先進的傳感器和通訊傳輸接收設備對浮門實時狀態進行安全監測十分重要。

浮門檢修門實時狀態安全監測方案實施后，能有效提高三峽船閘的數字化自動化監測水平，保障浮門設備安全。避免因浮門傾覆、漂移碰撞船舶造成設備損壞，經濟損失，船閘停航。

通過參考上述傳感器采集的浮門狀態數據，指揮浮門作業人員排充水，保證浮門沉放和上浮的平穩，極大提高了浮門沉浮作業的安全性，減少浮門作業所需操作人員，將浮門沉浮時間由原來的4 h縮短至2 h以內，有效提高了浮門沉浮效率，縮短檢修時間，具有較大的經濟價值和較強的可推廣性。

成果還可推廣至躉船和航標船等水上設備的實時狀態安全監測，為躉船及航標船等水上助航設備維保提供有力依據，提高躉船及航標船使用和維護的安全性。