基于神經網絡的新通道施工期三峽—葛洲壩樞紐通航保障方案研究

胡志芳，江 舟，王銳鋒，張 勃，王 前

(長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002)

三峽樞紐地處長江黃金水道承東啟西的重要區位，是貫通長江物流的重要通道，每年大量物資和產品通過三峽樞紐，在中、東、西部地區之間流通[1]。三峽船閘自2003年開始運行以來，年通過量不斷攀升。2011年，三峽船閘和葛洲壩船閘通過量均首次突破億噸，三峽船閘更是提前19年達到設計水平。2021年，三峽樞紐航運通過量首次達到1.5億t，同比2020年增長9.29%，創歷史新高。近年來，隨著交通強國戰略的穩步推進和長江經濟帶的不斷發展，三峽—葛洲壩樞紐過閘需求逐年增長。根據現有船閘運行數據可知，船閘年通航天數、閘室面積利用率、單閘次貨運量以及船閘相關設備運行保障率等指標均達到設計水平，部分設備超設計參數運行，通過能力指標接近極限。在現有通航設施不發生根本性變化的條件下，樞紐通航效益已得到較充分的發掘，進一步挖潛擴能的空間已十分有限。在國家戰略背景下，推進三峽水運新通道和葛洲壩航運擴能工程建設，從根本上解決三峽—葛洲壩樞紐過閘船舶擁堵問題，成為長江黃金水道建設的當務之急[2]。

三峽水運新通道和葛洲壩航運擴能工程影響范圍廣泛、涉及行業眾多，施工期間將會給既有過閘船舶交通組織帶來重大影響。本文擬在三峽—葛洲壩樞紐已采取的挖潛措施外，進一步探索相關措施以減小施工對通過能力的影響，以現有運行數據為基礎，建立基于神經網絡的預測模型，對施工期葛洲壩船閘貨運通過量進行模擬計算，探討從實施集裝箱和商品車翻壩轉運、優化船閘設施和水庫調度等方面緩解施工期船舶過閘壓力的可行性通航保障方案，確保施工期三峽—葛洲壩樞紐通航的安全與穩定。

1 通航運行現狀

三峽—葛洲壩樞紐通航建筑物包含三峽南北線船閘、三峽升船機及葛洲壩一、二、三號船閘，自投入運行以來，三峽庫區的形成明顯改善了長江上游的通航條件，三峽—葛洲壩航運樞紐成為溝通西南云貴川渝地區和華中、華東地區的重要節點。三峽船閘是目前世界上總設計水頭和級間工作水頭最高、上下游水位變幅最大，變率最高、連續運行級數和運行方式最多、控制技術最為復雜的多級連續式船閘。近年來，由于過閘需求的不斷增長，三峽通航管理部門實施了多項工程和管理措施來挖潛三峽—葛洲壩樞紐通過能力[3-6]。

工程措施主要包括：1)開展兩壩間航道整治工程，對航道條件較差的水域進行了改善；2)建設葛洲壩大江下游江心隔流堤，降低二江電站尾水對葛洲壩一號船閘下游航道的影響，改善了水流條件；3)運用虛擬閘室技術優化導航靠泊設施，縮短船舶進閘時間；4)購置和存儲船閘檢修裝備和備用設施，縮短船閘停航檢修時間；5)建設并完善三峽通航調度系統、數字航道、北斗系統和航標航測遙控系統工程，提高通航交通組織效率；6)推進應急救助基地、船舶交通管制系統和船舶污染防治工程建設，提升三峽通航安全監管和應急反應能力。

管理措施主要包括：1)積極推進船型標準化，引導示范船型應用，提高船閘利用效率；2)提高過閘船舶準入門檻，逐步限制貨運能力小的船舶過閘；3)實行羅靜排檔法和三峽船閘四級下行運行時一閘室待閘、同步移泊等舉措，縮短過閘船舶進閘時間和移泊時間；4)不斷優化船舶排擋技術，提高閘室面積利用率；5)優化船閘運行工藝，盡可能縮短閘室輸水時間；6)協調水庫調度部門，優化船閘運行模式，提高過閘船舶吃水控制標準，為大型船舶過閘創造條件。

通過以上工程和管理措施，三峽樞紐年貨運通過量見圖1。2019年三峽樞紐貨運通過量達到1.48億t，葛洲壩船閘自1981年通航以來累計通過量更是突破18億t，一定程度緩解了三峽—葛洲壩樞紐的貨運通航壓力，但無法根除通過能力不足與船舶過閘需求增長之間的矛盾。工程建設雖然對三峽船閘和升船機運行總體影響不大，但工程涉及葛洲壩三號船閘改建及三江下游航道疏挖，施工期間對葛洲壩樞紐航運通過能力有較大影響，導致通過能力不平衡，進而對過壩船舶交通組織帶來新的挑戰。因此，有必要在現有通航條件下，利用先進的人工智能方法預測施工期三峽—葛洲壩樞紐通航相關指標，減小施工期對既有通航的影響，確保施工期三峽—葛洲壩樞紐通航的安全與穩定。

圖1 三峽樞紐年貨運通過量

2 基于神經網絡的預測模型

神經網絡來源于自然界的某種啟發式算法或者函數的逼近，也是對一種邏輯策略的解析式表達，從觀測到的先驗數據“學習”，使神經網絡成為一種高度非線性的回歸模型，其本質是一種多層前饋網絡。眾多國內外學者基于機器學習和深度學習等智能算法，結合多元回歸方法，在諸多領域的預測方面取得了多種多樣的成果[7-10]。

設函數因變量為z，各自變量為xi，自變量共有n個。依據多元非線性回歸理論，建立因變量與各自變量的回歸模型，即z=f(xi)。

對于本文采用的神經網絡框架，假設有l層神經網絡，第l層任意神經元的輸出為al，f為激活函數，任意層神經元輸出的計算公式為：

(1)

式中：wl和bl為第l層的權重和偏差；z為神經網絡的最終輸出值；n′為隱藏層神經元個數；y表示神經網絡的輸入。

自適應協方差進化算法(CMA-ES)是一種不依賴于梯度信息和優化目標的連續性優化算法，通過使用協方差矩陣跟蹤分布上得到的樣本之間的關系，不斷地調整參數向最優解逼近。算法流程與遺傳算法類似：首先，根據神經網絡輸入維度來初始化種群；其次，利用交叉、變異等操作產生新的個體；最后，根據適應度函數值和收斂準則選擇最優解。由于算法與神經網絡參數之間沒有耦合關系，故采用CMA-ES對神經網絡的參數初始化，并利用CMA-ES的變異和選擇優化神經網絡的權重和偏差，具體流程如下：

1)根據神經網絡輸入層和隱藏層節點數以及權重矩陣和偏置維數初始化種群規模，假設神經網絡輸入層和隱藏層節點數分別為p、q，權重為w，偏置維數為b，則CMA-ES初始種群樣本數N′為：

N′=p·q+w+b

(2)

2)通過CMA-ES進行交叉、重組操作，對神經網絡的輸出解集尋優得到更新信號Si的最優解，根據目標函數計算適應度值，將適應度值最優的解集作為下一次迭代的父本：

Gi=Oi-1

(3)

式中：Gi為第i次迭代CMA-ES的父本；Oi-1為第i-1次迭代CMA-ES輸出結果。

3)采用CMA-ES對神經網絡參數優化。假設CMA-ES第1次迭代輸出結果為O1，k1、k2、k3分別表示依據神經網絡輸入層和隱藏層節點數確定的迭代次數。則神經網絡隱藏層初始權重w1、輸出層初始權重w2和偏差b1計算公式為：

(4)

為了使神經網絡的輸出滿足約束條件，神經網絡的反向傳播由CMA-ES執行，即在優化每一次迭代中采用CMA-ES計算誤差來調整神經網絡的權重和偏差，直到誤差小于指定閾值。如式(5)所示，CMA-ES的作用近似于神經網絡的損失函數，CMA-ES的選擇與重組替代反向傳播。

(5)

3 新通道施工期三峽—葛洲壩樞紐通航保障方案

3.1 貨物翻壩轉運分流

翻壩轉運分水陸轉運和水陸水轉運2種方式。水陸轉運即壩上物資通過滾裝船運至三峽壩前，在壩前港口下船上岸，通過公路或鐵路繞過三峽大壩和各州壩運至華中、華東地區，上行物資則與之相反；水陸水轉運即壩上物資通過滾裝船運至三峽壩前，在壩前港口下船上岸，通過公路或鐵路繞過三峽和葛洲壩運至葛洲壩壩下港口，重新裝船向東運輸，反之亦然。由于水運具有成本低、體量大的特點，翻壩轉運無論采用何種轉運模式均會較大程度增加物流成本。因此，對于集裝箱、商品車等附加值較高的貨物，實施翻壩轉運的可行性更高。

為解決施工期船舶過閘難的問題，湖北省大力推進三峽翻壩綜合交通運輸體系建設。目前，江南、江北2條翻壩高速已建成通車，壩上茅坪港疏港鐵路和壩下白洋港疏港鐵路也已開工建設，一期工程已完工，年吞吐能力分別達20萬TEU、15萬輛商品車和600萬t、40萬TEU。

統計某年集裝箱船和商品車船過閘情況為：三峽—葛洲壩樞紐總過閘船舶為4.13萬艘，其中：通過集裝箱船4 059艘，運送集裝箱約90萬TEU，約占總過閘船舶艘次的9.83%；通過商品車船1 031艘，運送商品車約70萬臺，約占總過閘艘次的2.50%。

考慮茅坪港和白洋港的貨運吞吐能力，通過水陸轉運和水陸水轉運相結合的方式，最大能夠分流66.7%的集裝箱船和21.4%的商品車船，按分流50%的集裝箱船和20%的商品車船計算，共計能有效降低約5.4% 的過壩需求。后期隨著茅坪港和白洋港二期工程等項目的陸續建成，有望進一步降低集裝箱船和商品車船的過壩需求。

3.2 優化船閘設施

由于葛洲壩樞紐設計代表船型以船隊為主，一號閘上下游未設置靠船墩，后期為提升通航效率在上游設置了2艘躉船，受躉船條件所限，僅能滿足一般船舶停靠，不能滿足載運液貨、化學品以及其他特殊商品閘次的待閘需求，涉及特殊閘次上行換下行時，下行船舶只能等上行船舶出引航道后，方從引航道進閘。

若增設葛洲壩一號閘上游固定式靠船墩，基于所建立的神經網絡預測模型，根據葛洲壩通航運行40年來積累的運行數據進行模型訓練，得到一號閘貨運提升量計算公式：

(6)

式中：t0為一號閘下行通過特殊閘次的閘次間隔時間；t1為一號閘特殊閘次間隔時間(部分特殊閘次間隔時間高于一般閘次)；t2為一號閘原上行換下行閘次間隔時間；t3為新增靠船墩后一號閘上行換下行閘次間隔時間；t為葛洲壩一號閘平衡閘次間隔時間；n1為一號閘年特殊閘次數；n2為一號閘年上行換下行次數；K為一號閘次平均貨運量。

統計2019年以來葛洲壩一號閘運行情況，基于神經網絡預測模型的計算分析，一號閘平衡閘次間隔時間t=87.1 min，下行通過特殊閘次平均間隔時間為t1=153.7 min，上行換下行平均閘次間隔t2=117.4 min，年通過特殊閘次數n1=273，上行換下行次數n2=137；K=1.48萬t。增加上游靠船墩后的效果以條件類似的三峽船閘作為參考，下行通過特殊閘次的閘次間隔時間為120 min，上行換下行閘次間隔時間為90 min，因此取t0=120 min，t1=90 min。

將上述數據代入公式(6)，可得通過新建上游固定靠船墩，葛洲壩一號閘年貨運量能夠提高220.1萬t，占葛洲壩船閘年總貨運量的1.5%。

3.3 優化三峽水庫下泄流量調度

自然年度長江干線航道可分為枯、中、洪水期。根據歷年通航情況可知，在枯水期，葛洲壩三江下引航道水深較小，導致葛洲壩一號閘無法通行吃水深度較大的船舶；而在洪水期，由于葛洲壩下泄流量較大，導致葛洲壩一號閘因大流量無法通航。

3.3.1枯水期增加三峽庫區下泄流量

在通航組織工作中，基于神經網絡預測模型進行模型訓練，分析枯水期不同時刻葛洲壩下游水位y、三峽出庫流量x1和葛洲壩出庫流量x2的最終回歸方程關系式：

(7)

葛洲壩入庫流量視作三峽下泄流量與支流黃柏河入庫流量之和，由于枯水期黃柏河流量較小，葛洲壩入庫流量可基本等同于三峽下泄流量，葛洲壩庫容較小，僅能進行日調節，從長期的角度來看，葛洲壩總體入庫流量和出庫流量基本一致。因此，在枯水期，通過科學調度可增加三峽出庫流量，提高葛洲壩下游水位，從而提高葛洲壩二號閘的貨運通過能力。

統計枯水期葛洲壩下游水位值及天數，計算不同水位提升到目標水位后的貨運增加量：

(8)

式中：C為過閘船舶目標吃水量；n為葛洲壩下游目標水位；Ci為過閘船舶分段吃水量；N為船舶吃水變化與其裝載量變化的關系系數，按經驗值N=750 t/m；Ti為分段天數；G為葛洲壩下游水位低于目標水位時日平均過閘艘次。

選取某年枯水期8:00時葛洲壩下游水位數據進行分析，見表1。

表1 某年枯水期8:00葛洲壩下游水位分段統計

根據《三峽(正常運行期)—葛洲壩水利樞紐梯級調度規程》和三峽樞紐水庫的運行方式可知，每年水庫消落初期三峽水庫一般保持高水位運行，1—2月在水庫日均下泄流量不小于6 000 m3/s的前提下，水位一般維持在170 m左右；4—5月加大下泄流量，降低至枯水期消落水位155 m。維持長時間高水位的運行有助于利用高水頭實現節水發電，創造更高的發電效益；而航運調度的需求則是在較枯時期(1—2月)加大對下游的補水，提高葛洲壩下游廟嘴水位。但是，在消落初期過多補水并不科學，容易導致三峽水庫消落過快而出現后期無水可用的局面。因此，航運調度需在最困難的年份協調發電調度，在可能的范圍內適當加大對下游補水。通過預測，在正常年份，通過初期加大補水的方式保障廟嘴水位不低于39.6 m是可行的。取枯水期葛洲壩下游目標水位為39.6 m，即n=39.6，此時葛洲壩二號船閘門檻水深為5.6 m，三江航道維護水深為4.6 m，通過船舶吃水可達3.8 m；2018—2019年枯水期葛洲壩二號閘日平均過閘58.4艘次，即G=58.4艘次/d。經計算可知，采取增加三峽出庫流量措施，可提升葛洲壩船閘貨運量88.5萬t，約占年總貨運量的0.60%。

3.3.2洪水期減小三峽庫區下泄流量

三峽水庫防洪庫容為221.5億m3，隨著上游烏東德、白鶴灘、溪洛渡及向家壩等梯級水電站投產運行，長江上游梯級水庫防洪總庫容增加了約155.9億m3，上游梯級樞紐水庫群防洪調控能力進一步增強，在汛期可通過梯級防洪調度，在不出現大洪水的情況下，降低三峽下泄流量至3.5萬m3/s以下，實現洪水期葛洲壩一號船閘不因大流量停航基本可行。

根據《三峽(正常運行期)—葛洲壩水利樞紐梯級調度規程》，興利調度應服從防洪調度，航運調度組織工作不應過多影響防洪調度工作。因此，僅能在三峽防洪庫容充裕且出庫流量略高的時段進行微調。根據統計分析，航運調度工作需求在三峽上游水位不高于155 m，且三峽出庫流量在3.50萬～3.75萬m3/s的時期進行調整，則不會影響三峽樞紐防洪效益的發揮。統計2018—2019年葛洲壩一號船閘因三峽下泄流量超過此流量范圍的停航平均時間為2.16 d，該時段內三峽上游水位均低于155 m，有充足的庫容應對可能的洪水。按全年葛洲壩一號船閘日均過閘13.6閘次、閘次平均貨運量1.48萬t計算，通過降低三峽下泄流量最大可提升葛洲壩船閘貨運量43.5萬t，約占年總貨運量的0.3%。

4 結論和展望

1)實施集裝箱船和商品車船翻壩轉運，能有效縮減三峽—葛洲壩樞紐過閘需求5.2%，但由于配套港口運力不足，導致集裝箱船和商品車船不能100%完成翻壩轉運，隨著茅坪港和白洋港后期工程陸續完工，能進一步緩解施工期三峽—葛洲壩樞紐的船舶過閘壓力。

2)通過增設葛洲壩一號閘上游靠船設施，改善上游靠泊條件，可縮短一號閘特殊閘次和下行換上行后第一個閘次的間隔時間，從而提高單位時間內過閘次數，提高葛洲壩一號閘貨運通過能力。

3)枯水期和洪水期對三峽船閘通航影響較小，但對葛洲壩船閘通航影響較大。隨著三峽上游烏東德、白鶴灘梯級水電站的陸續完工，三峽—葛洲壩樞紐入庫、出庫流量調控能力得到較大提高，使得枯水期和洪水期葛洲壩船閘通航條件的改善成為可能，可進一步提高葛洲壩船閘貨運通過量。