基于云模型的水力式升船機輸水系統運行風險分析*

劉精凱，胡亞安，薛 淑

(南京水利科學研究院，通航建筑物建設技術交通行業重點實驗室，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，實現了升船機發展史上真正意義的運行自適應“全平衡”[1]。不僅能夠徹底解決因船廂漏水產生的平衡體系破壞而引發“飛車”的事故風險，也可適應因河道水位快速、大幅變化引起的船廂對接困難[2]。水力式升船機顯著的優越性要歸功于其驅動核心輸水系統。然而，水力式升船機長期地在復雜水動力條件下運行，增加了發生事故的風險，特別是其驅動核心輸水系統存在豎井水位差風險現象。因此，有必要對水力式升船機輸水系統運行安全進行風險分析。

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

1 水力式升船機輸水系統運行風險

輸水系統與機械系統是水力式升船機的關鍵系統，見圖1。輸水系統作為水力式升船機的核心系統，其運行的穩定性是水力式升船機運行安全的重要基礎保障。

圖1 水力式升船機主要組成部分

1.1 輸水系統布置

輸水系統是水力式升船機的動力提升系統，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，即保證各豎井內水位的同步升降。采用等慣性輸水系統布置形式，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。這種布置方式實現了輸水系統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在理論上能夠實現將主管道中水流均勻分配到各豎井中，達到各豎井內水位同步升降的目的。

圖2 水力式升船機等慣性輸水系統分流管道布置

1.2 輸水系統水動力風險特征

豎井內水動力條件特性能夠直觀地展現水力式升船機輸水系統的運行狀態。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；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為各廊道對應的流速(ms)；t為時間。

輸水過程中，輸水系統的左右側豎井及同側豎井間存在水位差現象，除了水流流速、紊動產生水動力作用于浮筒平衡重，輸水系統水動力風險主要表現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。等慣性輸水系統從理論上可以實現各豎井水位的同步，但實際工程中因其結構的特殊性及安裝施工誤差的不可避免，導致了輸水過程中，輸水系統水動力條件(μi、li、vi等)的差別引起豎井間水位(Zi)變化，產生了豎井間水位差，豎井水位差帶來輸水系統水動力風險問題，這種水位差在水力式升船機運行中一直交替出現。

1.3 豎井水位差風險

水力式升船機輸水系統與機械系統聯合工作，輸水系統豎井水位差能夠直接引起機械系統同步軸扭矩T增大，見圖3。豎井水位差導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影響升船機運行安全的最主要風險因素進行分析。

圖3 豎井之間水位差導致同步軸產生扭矩

2 水力式升船機輸水系統運行風險評估體系

2.1 云模型方法

基于云模型理論，構建水力式升船機輸水系統豎井水位差風險分析方法。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化的一種不確定性模型[5-6]。

2.1.1方法原理

設U是風險對象的效應量對應的定量論域，C是U上的定性概念(豎井水位差現象)，若定量值x∈U，即x定義為豎井水位差值，且x是豎井水位差現象C的一次隨機實現，x對C的隸屬度μ(x)∈[0，1]是有穩定傾向的隨機分布規律。

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豎井水位差風險的特征。期望反映豎井水位差數據的平均變化程度，采用Ex表示。熵能體現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，表現為穩定的特性。

2.1.2正向云與逆向云

云模型通常采用正向云(FCG)和逆向云發生器(BCG)進行數據處理，具體流程如下：

1)通過逆向云發生器獲得輸水系統豎井水位差風險的3個數字特征值(Ex，En，He)。

2)以Ex為期望值、He為均方差，生成正態分布隨機函數E′n：

(2)

3)以Ex為期望值、E′n為均方差，生成正態隨機數x：

(3)

4)計算x隸屬度：

(4)

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

綜上，分析豎井水位差監測數據，通過云模型中的正、逆向云發生器，實現豎井水位差監測數據的定量→定性→定量的轉化，選定3個數字特征值(Ex，En，He)衡量豎井水位差風險的變化程度。

2.2 豎井水位差現象風險劃分

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象的貢獻率，即任意區間的豎井水位差數值Δx對豎井水位差現象的貢獻ΔC：

(5)

則總貢獻C根據式(6)計算為1：

(6)

圖4 豎井水位差現象風險劃分

1)“安全元素”表示豎井水位差數值落在區間[0,Ex+En]的云滴群中，區間[0,Ex+En]的云滴群占云滴群總面積的比例為84.13%。當豎井水位差的監測值集中落在此區間時，表示升船機輸水系統運行安全。

2)“較安全元素”表示豎井水位差數值落在區間(Ex+En，Ex+2En]內的云滴群中，區間(Ex+En，Ex+2En]云滴群占云滴群總面積的比例為13.59%。當豎井水位差的監測值偏集中落在此區間時，表示升船機輸水系統運行較安全，操作人員應關注并跟蹤豎井水位差監測值的后續變化情況。

3)“弱風險元素”表示豎井水位差數值落在區間(Ex+2En，Ex+3En]內的云滴群中，區間(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測值偏集中在此區間時，表示升船機輸水系統為“弱風險”狀態，操作人員應上報輸水系統“弱風險”，并對升船機可能存在的問題進行風險故障排查。

4)“風險元素”表示豎井水位差數值落在區間(Ex+3En，+∞)的云滴群中，區間(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測值偏集中落在此區間時，認為豎井水位差現象表征出異常信息，操作人員應上報輸水系統“風險”狀態，按照相應的操作流程停止升船機的運行，進行風險故障排查。

2.3 豎井水位差風險指標閾值

根據輸水系統豎井水位差風險狀態，確定豎井水位差風險預警指標閾值：安全元素的閾值區間為[0，Ex+En]；較安全元素的閾值區間為(Ex+En，Ex+2En]；弱風險元素的閾值區間為(Ex+2En，Ex+3En]；風險元素的閾值區間為(Ex+3En，+∞)。

3 景洪升船機輸水系統運行風險評估

3.1 豎井水位差風險評估流程

基于云模型理論，擬定水力式升船機輸水系統豎井水位差風險分析流程，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正常運行下豎井水位差典型監測數據，見圖6，評估分析景洪升船機豎井水位差現象。正常運行下，景洪升船機輸水系統豎井間水位差最大不超過0.2 m，低于其設計預警值(≤0.4 m)。目前，輸水系統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，處理豎井水位差監測數據。按云滴個數N=3 000計算，獲取豎井水位差云圖，見圖7。得到豎井水位差風險的3個數字特征值(Ex=0.119 9，En=0.014 9，He=0.001 5)，衡量豎井水位差風險變化程度。從3個數字特征值(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，輸水系統運行過程中處于安全范圍內，無風險。

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

根據定義豎井水位差值對豎井水位差現象的貢獻率，進行豎井水位差現象風險劃分，確定景洪升船機豎井水位差風險預警指標閾值：安全元素的閾值區間為[0，0.13]；較安全元素的閾值區間為(0.13，0.15]；弱風險元素的閾值區間為(0.15，0.17]；風險元素的閾值區間為(0.17，+∞)。

3.3 超高升程水力式升船機豎井水位差風險預測

面對未來水力式升船機“超高升程、超大提升質量”的發展趨勢，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，數值模擬得到80、100、120米級提升高度下輸水系統豎井水位差數據，見圖8。按云滴個數N=3 000，獲取輸水系統豎井水位差云圖，見圖9。80、100、120米級提升高度下輸水系統豎井水位差均值，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

統計分析80、100、120米級提升高度下輸水系統豎井水位差特征值(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，數值模擬計算預測風險預警指標閾值，見表1。

表1 不同提升高度下水力式升船機輸水系統豎井水位差風險預警指標閾值

4 結語

1)本文分析了水力式升船機輸水系統布置形式、輸水系統水動力風險特征、豎井水位差風險現象，闡明了輸水系統與機械同步軸系統風險的相互作用。

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

3)面對未來水力式升船機“超高升程、超大提升質量”的發展趨勢，以既有工程“景洪水力式升船機”為例，進行輸水系統豎井水位差現象風險分析，預測了100米級水力式升船機輸水系統豎井水位差風險指標閾值。

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險，可應用于水力式升船機領域風險預警，能夠為水力式升船機的運行風險防控提供決策。