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(guī)模最大的雙線五級連續(xù)船閘，浮式檢修門（以下簡稱“浮門”）是其重要的擋水設(shè)備。三峽船閘浮式檢修門由鋼結(jié)構(gòu)、充排水設(shè)備、支承止水裝置、系泊設(shè)備、電氣控制設(shè)備及壓載鑄鐵組成。門體鋼結(jié)構(gòu)為單底、橫骨架、水平桁架式結(jié)構(gòu)，浮門外側(cè)設(shè)有4組水尺。充排水設(shè)備包括中央水倉、邊水倉、調(diào)節(jié)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(jié)構(gòu)。系泊設(shè)備設(shè)有系纜樁、導(dǎo)纜鉗及鉸關(guān)，停泊位置設(shè)有2套浮式系船柱、地錨、4套軟靠把橡皮柱和相應(yīng)的埋件等。電氣控制設(shè)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(cè)綁推方式牽引至門槽下沉就位擋水。

浮門金屬結(jié)構(gòu)腐蝕破損可能導(dǎo)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(shè)備損壞和經(jīng)濟損失，對船舶的航行安全及船閘的運行安全也構(gòu)成威脅。

2 監(jiān)測方式分析

由于浮門是重要的檢修設(shè)備，而且出現(xiàn)過幾次浮門側(cè)傾，所以三峽船閘巡檢管理規(guī)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(tài)的安全監(jiān)測主要依靠視頻監(jiān)控和運行人員現(xiàn)場巡檢。浮門監(jiān)控主要有以下不足：

1）視頻監(jiān)控無自動報警功能且夜間視線較差，往往要到浮門已經(jīng)發(fā)生較嚴重的傾斜下沉之后才會發(fā)現(xiàn)。

2）人員現(xiàn)場巡檢有一定的時間間隔，無法及時發(fā)現(xiàn)浮門狀態(tài)的變化。

3）無論通過攝像頭還是人員現(xiàn)場巡檢的方法，都具有相當大的主觀性。

3 新技術(shù)路線

開展浮式檢修門實時狀態(tài)安全監(jiān)測系統(tǒng)的研究，從而實現(xiàn)對浮門實時狀態(tài)的數(shù)字化、自動化、遠程化監(jiān)測。

即利用傳感器將浮門實時狀態(tài)數(shù)字化，數(shù)據(jù)處理設(shè)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(guān)數(shù)據(jù)并分析是否存在異常，運行人員能使用手機遠程查看。

4 監(jiān)測設(shè)備的原理

4.1 傾角傳感器

傾角傳感器的理論基礎(chǔ)就是牛頓第二定律，根據(jù)基本的物理原理，在一個系統(tǒng)內(nèi)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(cè)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(shù)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)。

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(shè)備。其主要測量原理是從雷達水位傳感天線發(fā)射雷達脈沖以光速延鋼纜或碳棒傳播，當遇到被測介質(zhì)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(shù)，從而得出到水面的距離D。

雷達測距儀的具體用途和結(jié)構(gòu)不盡相同，但基本形式是一致的，包括:發(fā)射機、發(fā)射天線、接收機、接收天線，處理部分以及顯示器。還有電源設(shè)備、數(shù)據(jù)錄取設(shè)備、抗干擾設(shè)備等輔助設(shè)備。

4.3 記錄儀

無紙記錄儀是將工業(yè)現(xiàn)場的各種需要監(jiān)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(shù)據(jù)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(jiān)察信號的數(shù)據(jù)存放在本機內(nèi)藏的大容量存儲芯片內(nèi)，以便在本記錄儀上直接進行數(shù)據(jù)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(jiān)測功能的實現(xiàn)

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(shù)據(jù)。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(cè)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(cè)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(jiān)測浮門是否下沉，當測量的距離縮小時，可以判定浮門發(fā)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(jiān)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(fā)生漂移。

5.3 記錄儀

記錄儀放置于浮門電氣控制柜內(nèi)，負責收集各傾角傳感器、雷達液位計的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行實時安全監(jiān)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(shù)據(jù)進行處理判斷，浮門靠泊期間若發(fā)生傾斜、下沉、漂移，記錄儀能在1 s內(nèi)發(fā)出報警。

記錄儀報警輸出電纜可接至中南六機房2號柜，現(xiàn)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(xiàn)場復(fù)核確認。

記錄儀內(nèi)置的5G移動通訊模塊還可將浮門狀態(tài)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(shè)備供電

浮門狀態(tài)監(jiān)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(shè)至浮門，向陀螺儀、雷達液位計供電（如圖1所示）。

6 結(jié)語

浮門的安全穩(wěn)定關(guān)系三峽船閘航道的安全穩(wěn)定，利用成熟可靠先進的傳感器和通訊傳輸接收設(shè)備對浮門實時狀態(tài)進行安全監(jiān)測十分重要。

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

通過參考上述傳感器采集的浮門狀態(tài)數(shù)據(jù)，指揮浮門作業(yè)人員排充水，保證浮門沉放和上浮的平穩(wěn)，極大提高了浮門沉浮作業(yè)的安全性，減少浮門作業(yè)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(nèi)，有效提高了浮門沉浮效率，縮短檢修時間，具有較大的經(jīng)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(shè)備的實時狀態(tài)安全監(jiān)測，為躉船及航標船等水上助航設(shè)備維保提供有力依據(jù)，提高躉船及航標船使用和維護的安全性。