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)重點實驗室，江蘇 南京 210029)

水力式升船機采用水能作為提升動力和安全保障措施，實現(xiàn)了升船機發(fā)展史上真正意義的運行自適應(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”的事故風(fēng)險，也可適應(yīng)因河道水位快速、大幅變化引起的船廂對接困難[2]。水力式升船機顯著的優(yōu)越性要歸功于其驅(qū)動核心輸水系統(tǒng)。然而，水力式升船機長期地在復(fù)雜水動力條件下運行，增加了發(fā)生事故的風(fēng)險，特別是其驅(qū)動核心輸水系統(tǒng)存在豎井水位差風(fēng)險現(xiàn)象。因此，有必要對水力式升船機輸水系統(tǒng)運行安全進行風(fēng)險分析。

國內(nèi)外應(yīng)用于水利工程領(lǐng)域的風(fēng)險分析方法主要集中在大壩安全或洪水風(fēng)險預(yù)警方面[3-4]，對水力式升船機的運行風(fēng)險研究極少，特別是其驅(qū)動核心輸水系統(tǒng)，仍然缺少可行的風(fēng)險評估方法。輸水系統(tǒng)的水動力學(xué)風(fēng)險主要由豎井水位差現(xiàn)象的不確定性引起。本文針對水力式升船機輸水系統(tǒng)豎井水位差現(xiàn)象的水動力學(xué)風(fēng)險問題，基于云模型理論，實現(xiàn)對水力式升船機輸水系統(tǒng)運行風(fēng)險的分析評估。

1 水力式升船機輸水系統(tǒng)運行風(fēng)險

輸水系統(tǒng)與機械系統(tǒng)是水力式升船機的關(guān)鍵系統(tǒng)，見圖1。輸水系統(tǒng)作為水力式升船機的核心系統(tǒng)，其運行的穩(wěn)定性是水力式升船機運行安全的重要基礎(chǔ)保障。

圖1 水力式升船機主要組成部分

1.1 輸水系統(tǒng)布置

輸水系統(tǒng)是水力式升船機的動力提升系統(tǒng)，其布置方案將直接影響升船機的運行安全。水力式升船機通過水力驅(qū)動平衡重帶動船廂的升降，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，見圖2，理論上可以保證各豎井水位的同步。水力式升船機輸水系統(tǒng)在水平方向布置一級(L1)、二級(L2)水平分流，在豎直方向布置三級(L3)、四級(L4)豎直分流，末級支管段長度為L5。這種布置方式實現(xiàn)了輸水系統(tǒng)從平面布置升級到立面空間的高級布置形式。通過4次分流，水力式升船機輸水系統(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，達到各豎井內(nèi)水位同步升降的目的。

圖2 水力式升船機等慣性輸水系統(tǒng)分流管道布置

1.2 輸水系統(tǒng)水動力風(fēng)險特征

豎井內(nèi)水動力條件特性能夠直觀地展現(xiàn)水力式升船機輸水系統(tǒng)的運行狀態(tài)。水力式升船機輸水過程中第i個豎井輸水流量為：

(1)

式中：μi為第i個豎井輸水流量系數(shù)；A為參考斷面面積(m2)；H為上游水位(m)；Zi為第i個豎井水位(m)；li為廊道長度(m)；vi為各廊道對應(yīng)的流速(ms)；t為時間。

輸水過程中，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、紊動產(chǎn)生水動力作用于浮筒平衡重，輸水系統(tǒng)水動力風(fēng)險主要表現(xiàn)在最大豎井水位差超過允許值。大流量高流速下，隨著水頭的增高、輸水廊道的增長、閥門開啟時間的加快，輸水系統(tǒng)輸水管道中水流紊動強度變大，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)從理論上可以實現(xiàn)各豎井水位的同步，但實際工程中因其結(jié)構(gòu)的特殊性及安裝施工誤差的不可避免，導(dǎo)致了輸水過程中，輸水系統(tǒng)水動力條件(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，豎井水位差帶來輸水系統(tǒng)水動力風(fēng)險問題，這種水位差在水力式升船機運行中一直交替出現(xiàn)。

1.3 豎井水位差風(fēng)險

水力式升船機輸水系統(tǒng)與機械系統(tǒng)聯(lián)合工作，輸水系統(tǒng)豎井水位差能夠直接引起機械系統(tǒng)同步軸扭矩T增大，見圖3。豎井水位差導(dǎo)致各豎井中浮筒平衡重的淹沒深度不一致，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，同步軸扭矩超標將帶來同步軸斷裂的風(fēng)險隱患，威脅升船機的運行安全。因此，將豎井水位差作為輸水系統(tǒng)影響升船機運行安全的最主要風(fēng)險因素進行分析。

圖3 豎井之間水位差導(dǎo)致同步軸產(chǎn)生扭矩

2 水力式升船機輸水系統(tǒng)運行風(fēng)險評估體系

2.1 云模型方法

基于云模型理論，構(gòu)建水力式升船機輸水系統(tǒng)豎井水位差風(fēng)險分析方法。云模型理論是一種不確定人工智能計算方法，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)險對象的效應(yīng)量對應(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的一次隨機實現(xiàn)，x對C的隸屬度μ(x)∈[0，1]是有穩(wěn)定傾向的隨機分布規(guī)律。

在云模型中，定量值x被稱為云滴，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)進行數(shù)據(jù)處理，具體流程如下：

1)通過逆向云發(fā)生器獲得輸水系統(tǒng)豎井水位差風(fēng)險的3個數(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)隨機數(shù)x：

(3)

4)計算x隸屬度：

(4)

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

綜上，分析豎井水位差監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過云模型中的正、逆向云發(fā)生器，實現(xiàn)豎井水位差監(jiān)測數(shù)據(jù)的定量→定性→定量的轉(zhuǎn)化，選定3個數(shù)字特征值(Ex，En，He)衡量豎井水位差風(fēng)險的變化程度。

2.2 豎井水位差現(xiàn)象風(fēng)險劃分

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

(5)

則總貢獻C根據(jù)式(6)計算為1：

(6)

圖4 豎井水位差現(xiàn)象風(fēng)險劃分

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%。當豎井水位差的監(jiān)測值集中落在此區(qū)間時，表示升船機輸水系統(tǒng)運行安全。

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%。當豎井水位差的監(jiān)測值偏集中落在此區(qū)間時，表示升船機輸水系統(tǒng)運行較安全，操作人員應(yīng)關(guān)注并跟蹤豎井水位差監(jiān)測值的后續(xù)變化情況。

3)“弱風(fēng)險元素”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)測值偏集中在此區(qū)間時，表示升船機輸水系統(tǒng)為“弱風(fēng)險”狀態(tài)，操作人員應(yīng)上報輸水系統(tǒng)“弱風(fēng)險”，并對升船機可能存在的問題進行風(fēng)險故障排查。

4)“風(fēng)險元素”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)測值偏集中落在此區(qū)間時，認為豎井水位差現(xiàn)象表征出異常信息，操作人員應(yīng)上報輸水系統(tǒng)“風(fēng)險”狀態(tài)，按照相應(yīng)的操作流程停止升船機的運行，進行風(fēng)險故障排查。

2.3 豎井水位差風(fēng)險指標閾值

根據(jù)輸水系統(tǒng)豎井水位差風(fēng)險狀態(tài)，確定豎井水位差風(fēng)險預(yù)警指標閾值：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)險元素的閾值區(qū)間為(Ex+2En，Ex+3En]；風(fēng)險元素的閾值區(qū)間為(Ex+3En，+∞)。

3 景洪升船機輸水系統(tǒng)運行風(fēng)險評估

3.1 豎井水位差風(fēng)險評估流程

基于云模型理論，擬定水力式升船機輸水系統(tǒng)豎井水位差風(fēng)險分析流程，見圖5。

圖5 基于云模型理論的水力式升船機豎井水位差風(fēng)險分析流程

3.2 景洪升船機豎井水位差

選取景洪水力式升船機輸水系統(tǒng)正常運行下豎井水位差典型監(jiān)測數(shù)據(jù)，見圖6，評估分析景洪升船機豎井水位差現(xiàn)象。正常運行下，景洪升船機輸水系統(tǒng)豎井間水位差最大不超過0.2 m，低于其設(shè)計預(yù)警值(≤0.4 m)。目前，輸水系統(tǒng)能夠滿足升船機運行安全的要求。

圖6 景洪水力式升船機豎井水位差

進一步對景洪升船機豎井水位差風(fēng)險的不確定性進行分析。采用云模型方法，處理豎井水位差監(jiān)測數(shù)據(jù)。按云滴個數(shù)N=3 000計算，獲取豎井水位差云圖，見圖7。得到豎井水位差風(fēng)險的3個數(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)險變化程度。從3個數(shù)字特征值(Ex，En，He)可以看出，正常運行下，景洪升船機豎井水位差值離散程度較小，輸水系統(tǒng)運行過程中處于安全范圍內(nèi)，無風(fēng)險。

圖7 景洪水力式升船機提升60米級高度時豎井水位差云圖

根據(jù)定義豎井水位差值對豎井水位差現(xiàn)象的貢獻率，進行豎井水位差現(xiàn)象風(fēng)險劃分，確定景洪升船機豎井水位差風(fēng)險預(yù)警指標閾值：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)險元素的閾值區(qū)間為(0.15，0.17]；風(fēng)險元素的閾值區(qū)間為(0.17，+∞)。

3.3 超高升程水力式升船機豎井水位差風(fēng)險預(yù)測

面對未來水力式升船機“超高升程、超大提升質(zhì)量”的發(fā)展趨勢，以景洪水力式升船機浮筒平衡重及機械同步軸尺寸條件下，數(shù)值模擬得到80、100、120米級提升高度下輸水系統(tǒng)豎井水位差數(shù)據(jù)，見圖8。按云滴個數(shù)N=3 000，獲取輸水系統(tǒng)豎井水位差云圖，見圖9。80、100、120米級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)豎井水流紊動強度增大，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豎井水位差

圖9 不同提升高度下水力式升船機豎井水位差云圖

統(tǒng)計分析80、100、120米級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浮筒平衡重及機械同步軸尺寸條件下，數(shù)值模擬計算預(yù)測風(fēng)險預(yù)警指標閾值，見表1。

表1 不同提升高度下水力式升船機輸水系統(tǒng)豎井水位差風(fēng)險預(yù)警指標閾值

4 結(jié)語

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

2)巧妙運用正態(tài)分布的普適性，借鑒云模型理論，創(chuàng)建了具有實用性的水力式升船機輸水系統(tǒng)運行風(fēng)險評估方法。

3)面對未來水力式升船機“超高升程、超大提升質(zhì)量”的發(fā)展趨勢，以既有工程“景洪水力式升船機”為例，進行輸水系統(tǒng)豎井水位差現(xiàn)象風(fēng)險分析，預(yù)測了100米級水力式升船機輸水系統(tǒng)豎井水位差風(fēng)險指標閾值。

4)研究成果可有效地控制水力式升船機由于豎井水位差帶來的運行風(fēng)險，可應(yīng)用于水力式升船機領(lǐng)域風(fēng)險預(yù)警，能夠為水力式升船機的運行風(fēng)險防控提供決策。