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(qū)位，是貫通長江物流的重要通道，每年大量物資和產(chǎn)品通過三峽樞紐，在中、東、西部地區(qū)之間流通[1]。三峽船閘自2003年開始運(yùn)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(dá)到設(shè)計水平。2021年，三峽樞紐航運(yùn)通過量首次達(dá)到1.5億t，同比2020年增長9.29%，創(chuàng)歷史新高。近年來，隨著交通強(qiáng)國戰(zhàn)略的穩(wěn)步推進(jìn)和長江經(jīng)濟(jì)帶的不斷發(fā)展，三峽—葛洲壩樞紐過閘需求逐年增長。根據(jù)現(xiàn)有船閘運(yùn)行數(shù)據(jù)可知，船閘年通航天數(shù)、閘室面積利用率、單閘次貨運(yùn)量以及船閘相關(guān)設(shè)備運(yùn)行保障率等指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計水平，部分設(shè)備超設(shè)計參數(shù)運(yùn)行，通過能力指標(biāo)接近極限。在現(xiàn)有通航設(shè)施不發(fā)生根本性變化的條件下，樞紐通航效益已得到較充分的發(fā)掘，進(jìn)一步挖潛擴(kuò)能的空間已十分有限。在國家戰(zhàn)略背景下，推進(jìn)三峽水運(yùn)新通道和葛洲壩航運(yùn)擴(kuò)能工程建設(shè)，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(shè)的當(dāng)務(wù)之急[2]。

三峽水運(yùn)新通道和葛洲壩航運(yùn)擴(kuò)能工程影響范圍廣泛、涉及行業(yè)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(jìn)一步探索相關(guān)措施以減小施工對通過能力的影響，以現(xiàn)有運(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測模型，對施工期葛洲壩船閘貨運(yùn)通過量進(jìn)行模擬計算，探討從實(shí)施集裝箱和商品車翻壩轉(zhuǎn)運(yùn)、優(yōu)化船閘設(shè)施和水庫調(diào)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(wěn)定。

1 通航運(yùn)行現(xiàn)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(jī)及葛洲壩一、二、三號船閘，自投入運(yùn)行以來，三峽庫區(qū)的形成明顯改善了長江上游的通航條件，三峽—葛洲壩航運(yùn)樞紐成為溝通西南云貴川渝地區(qū)和華中、華東地區(qū)的重要節(jié)點(diǎn)。三峽船閘是目前世界上總設(shè)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(xù)運(yùn)行級數(shù)和運(yùn)行方式最多、控制技術(shù)最為復(fù)雜的多級連續(xù)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(shí)施了多項(xiàng)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(jìn)行了改善；2)建設(shè)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(yùn)用虛擬閘室技術(shù)優(yōu)化導(dǎo)航靠泊設(shè)施，縮短船舶進(jìn)閘時間；4)購置和存儲船閘檢修裝備和備用設(shè)施，縮短船閘停航檢修時間；5)建設(shè)并完善三峽通航調(diào)度系統(tǒng)、數(shù)字航道、北斗系統(tǒng)和航標(biāo)航測遙控系統(tǒng)工程，提高通航交通組織效率；6)推進(jìn)應(yīng)急救助基地、船舶交通管制系統(tǒng)和船舶污染防治工程建設(shè)，提升三峽通航安全監(jiān)管和應(yīng)急反應(yīng)能力。

管理措施主要包括：1)積極推進(jìn)船型標(biāo)準(zhǔn)化，引導(dǎo)示范船型應(yīng)用，提高船閘利用效率；2)提高過閘船舶準(zhǔn)入門檻，逐步限制貨運(yùn)能力小的船舶過閘；3)實(shí)行羅靜排檔法和三峽船閘四級下行運(yùn)行時一閘室待閘、同步移泊等舉措，縮短過閘船舶進(jìn)閘時間和移泊時間；4)不斷優(yōu)化船舶排擋技術(shù)，提高閘室面積利用率；5)優(yōu)化船閘運(yùn)行工藝，盡可能縮短閘室輸水時間；6)協(xié)調(diào)水庫調(diào)度部門，優(yōu)化船閘運(yùn)行模式，提高過閘船舶吃水控制標(biāo)準(zhǔn)，為大型船舶過閘創(chuàng)造條件。

通過以上工程和管理措施，三峽樞紐年貨運(yùn)通過量見圖1。2019年三峽樞紐貨運(yùn)通過量達(dá)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(yùn)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(shè)雖然對三峽船閘和升船機(jī)運(yùn)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(yùn)通過能力有較大影響，導(dǎo)致通過能力不平衡，進(jìn)而對過壩船舶交通組織帶來新的挑戰(zhàn)。因此，有必要在現(xiàn)有通航條件下，利用先進(jìn)的人工智能方法預(yù)測施工期三峽—葛洲壩樞紐通航相關(guān)指標(biāo)，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(wěn)定。

圖1 三峽樞紐年貨運(yùn)通過量

2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測模型

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來源于自然界的某種啟發(fā)式算法或者函數(shù)的逼近，也是對一種邏輯策略的解析式表達(dá)，從觀測到的先驗(yàn)數(shù)據(jù)“學(xué)習(xí)”，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成為一種高度非線性的回歸模型，其本質(zhì)是一種多層前饋網(wǎng)絡(luò)。眾多國內(nèi)外學(xué)者基于機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)等智能算法，結(jié)合多元回歸方法，在諸多領(lǐng)域的預(yù)測方面取得了多種多樣的成果[7-10]。

設(shè)函數(shù)因變量為z，各自變量為xi，自變量共有n個。依據(jù)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)框架，假設(shè)有l(wèi)層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，第l層任意神經(jīng)元的輸出為al，f為激活函數(shù)，任意層神經(jīng)元輸出的計算公式為：

(1)

式中：wl和bl為第l層的權(quán)重和偏差；z為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最終輸出值；n′為隱藏層神經(jīng)元個數(shù)；y表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入。

自適應(yīng)協(xié)方差進(jìn)化算法(CMA-ES)是一種不依賴于梯度信息和優(yōu)化目標(biāo)的連續(xù)性優(yōu)化算法，通過使用協(xié)方差矩陣跟蹤分布上得到的樣本之間的關(guān)系，不斷地調(diào)整參數(shù)向最優(yōu)解逼近。算法流程與遺傳算法類似：首先，根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入維度來初始化種群；其次，利用交叉、變異等操作產(chǎn)生新的個體；最后，根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)值和收斂準(zhǔn)則選擇最優(yōu)解。由于算法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)之間沒有耦合關(guān)系，故采用CMA-ES對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)初始化，并利用CMA-ES的變異和選擇優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重和偏差，具體流程如下：

1)根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層和隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)以及權(quán)重矩陣和偏置維數(shù)初始化種群規(guī)模，假設(shè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層和隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為p、q，權(quán)重為w，偏置維數(shù)為b，則CMA-ES初始種群樣本數(shù)N′為：

N′=p·q+w+b

(2)

2)通過CMA-ES進(jìn)行交叉、重組操作，對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出解集尋優(yōu)得到更新信號Si的最優(yōu)解，根據(jù)目標(biāo)函數(shù)計算適應(yīng)度值，將適應(yīng)度值最優(yōu)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(jié)果。

3)采用CMA-ES對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)優(yōu)化。假設(shè)CMA-ES第1次迭代輸出結(jié)果為O1，k1、k2、k3分別表示依據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層和隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)確定的迭代次數(shù)。則神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱藏層初始權(quán)重w1、輸出層初始權(quán)重w2和偏差b1計算公式為：

(4)

為了使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出滿足約束條件，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的反向傳播由CMA-ES執(zhí)行，即在優(yōu)化每一次迭代中采用CMA-ES計算誤差來調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)的損失函數(shù)，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(zhuǎn)運(yùn)分流

翻壩轉(zhuǎn)運(yùn)分水陸轉(zhuǎn)運(yùn)和水陸水轉(zhuǎn)運(yùn)2種方式。水陸轉(zhuǎn)運(yùn)即壩上物資通過滾裝船運(yùn)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(yùn)至華中、華東地區(qū)，上行物資則與之相反；水陸水轉(zhuǎn)運(yùn)即壩上物資通過滾裝船運(yùn)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(yùn)至葛洲壩壩下港口，重新裝船向東運(yùn)輸，反之亦然。由于水運(yùn)具有成本低、體量大的特點(diǎn)，翻壩轉(zhuǎn)運(yùn)無論采用何種轉(zhuǎn)運(yùn)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(shí)施翻壩轉(zhuǎn)運(yùn)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(jìn)三峽翻壩綜合交通運(yùn)輸體系建設(shè)。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(shè)，一期工程已完工，年吞吐能力分別達(dá)20萬TEU、15萬輛商品車和600萬t、40萬TEU。

統(tǒng)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(yùn)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(yùn)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(yùn)吞吐能力，通過水陸轉(zhuǎn)運(yùn)和水陸水轉(zhuǎn)運(yùn)相結(jié)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(xiàng)目的陸續(xù)建成，有望進(jìn)一步降低集裝箱船和商品車船的過壩需求。

3.2 優(yōu)化船閘設(shè)施

由于葛洲壩樞紐設(shè)計代表船型以船隊(duì)為主，一號閘上下游未設(shè)置靠船墩，后期為提升通航效率在上游設(shè)置了2艘躉船，受躉船條件所限，僅能滿足一般船舶?？浚荒軡M足載運(yùn)液貨、化學(xué)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(jìn)閘。

若增設(shè)葛洲壩一號閘上游固定式靠船墩，基于所建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，根據(jù)葛洲壩通航運(yùn)行40年來積累的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行模型訓(xùn)練，得到一號閘貨運(yùn)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(shù)；n2為一號閘年上行換下行次數(shù)；K為一號閘次平均貨運(yùn)量。

統(tǒng)計2019年以來葛洲壩一號閘運(yùn)行情況，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)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(shù)n1=273，上行換下行次數(shù)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(shù)據(jù)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(yùn)量能夠提高220.1萬t，占葛洲壩船閘年總貨運(yùn)量的1.5%。

3.3 優(yōu)化三峽水庫下泄流量調(diào)度

自然年度長江干線航道可分為枯、中、洪水期。根據(jù)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(dǎo)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(dǎo)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(qū)下泄流量

在通航組織工作中，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型進(jìn)行模型訓(xùn)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(guān)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(jìn)行日調(diào)節(jié)，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(xué)調(diào)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(yùn)通過能力。

統(tǒng)計枯水期葛洲壩下游水位值及天數(shù)，計算不同水位提升到目標(biāo)水位后的貨運(yùn)增加量：

(8)

式中：C為過閘船舶目標(biāo)吃水量；n為葛洲壩下游目標(biāo)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(guān)系系數(shù)，按經(jīng)驗(yàn)值N=750 t/m；Ti為分段天數(shù)；G為葛洲壩下游水位低于目標(biāo)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(shù)據(jù)進(jìn)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(tǒng)計

根據(jù)《三峽(正常運(yùn)行期)—葛洲壩水利樞紐梯級調(diào)度規(guī)程》和三峽樞紐水庫的運(yùn)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(yùn)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(yùn)行有助于利用高水頭實(shí)現(xiàn)節(jié)水發(fā)電，創(chuàng)造更高的發(fā)電效益；而航運(yùn)調(diào)度的需求則是在較枯時期(1—2月)加大對下游的補(bǔ)水，提高葛洲壩下游廟嘴水位。但是，在消落初期過多補(bǔ)水并不科學(xué)，容易導(dǎo)致三峽水庫消落過快而出現(xiàn)后期無水可用的局面。因此，航運(yùn)調(diào)度需在最困難的年份協(xié)調(diào)發(fā)電調(diào)度，在可能的范圍內(nèi)適當(dāng)加大對下游補(bǔ)水。通過預(yù)測，在正常年份，通過初期加大補(bǔ)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(biāo)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(hù)水深為4.6 m，通過船舶吃水可達(dá)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(jīng)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(yùn)量88.5萬t，約占年總貨運(yùn)量的0.60%。

3.3.2洪水期減小三峽庫區(qū)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(chǎn)運(yùn)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(diào)控能力進(jìn)一步增強(qiáng)，在汛期可通過梯級防洪調(diào)度，在不出現(xiàn)大洪水的情況下，降低三峽下泄流量至3.5萬m3/s以下，實(shí)現(xiàn)洪水期葛洲壩一號船閘不因大流量停航基本可行。

根據(jù)《三峽(正常運(yùn)行期)—葛洲壩水利樞紐梯級調(diào)度規(guī)程》，興利調(diào)度應(yīng)服從防洪調(diào)度，航運(yùn)調(diào)度組織工作不應(yīng)過多影響防洪調(diào)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(jìn)行微調(diào)。根據(jù)統(tǒng)計分析，航運(yùn)調(diào)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(jìn)行調(diào)整，則不會影響三峽樞紐防洪效益的發(fā)揮。統(tǒng)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(nèi)三峽上游水位均低于155 m，有充足的庫容應(yīng)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(yùn)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(yùn)量43.5萬t，約占年總貨運(yùn)量的0.3%。

4 結(jié)論和展望

1)實(shí)施集裝箱船和商品車船翻壩轉(zhuǎn)運(yùn)，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(yùn)力不足，導(dǎo)致集裝箱船和商品車船不能100%完成翻壩轉(zhuǎn)運(yùn)，隨著茅坪港和白洋港后期工程陸續(xù)完工，能進(jìn)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(shè)葛洲壩一號閘上游靠船設(shè)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(nèi)過閘次數(shù)，提高葛洲壩一號閘貨運(yùn)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(xù)完工，三峽—葛洲壩樞紐入庫、出庫流量調(diào)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(jìn)一步提高葛洲壩船閘貨運(yùn)通過量。