一种浮式检修门实时状态安全监测方案的研究

李相宜，王心沁，耿圆平

（长江三峡通航管理局，湖北 宜昌 443000）

1 背景介绍

三峡船闸是世界上规模最大的双线五级连续船闸，浮式检修门（以下简称“浮门”）是其重要的挡水设备。三峡船闸浮式检修门由钢结构、充排水设备、支承止水装置、系泊设备、电气控制设备及压载铸铁组成。门体钢结构为单底、横骨架、水平桁架式结构，浮门外侧设有4组水尺。充排水设备包括中央水仓、边水仓、调节水仓和管系、排水泵、闸阀等。支承止水装置中止水橡皮为Ω型，支承采用木结构。系泊设备设有系缆桩、导缆钳及铰关，停泊位置设有2套浮式系船柱、地锚、4套软靠把橡皮柱和相应的埋件等。电气控制设备主要包括控制柜及动力柜，布置在上甲板上。

浮门未启用时停放在三峡船闸六闸首中隔墩停泊位置，南北两线共用，通常在三峡南线或北线船闸计划性检修、抢修需排干五闸室时启用，用于阻挡下游水进入闸室。闸室检修时用拖轮采用舷侧绑推方式牵引至门槽下沉就位挡水。

浮门金属结构腐蚀破损可能导致浮门倾斜或下沉，江面波浪可能使缆绳绷断而漂移。不仅会造成设备损坏和经济损失，对船舶的航行安全及船闸的运行安全也构成威胁。

2 监测方式分析

由于浮门是重要的检修设备，而且出现过几次浮门侧倾，所以三峡船闸巡检管理规定了对其的巡视要求，需满足每天一次的频率。但目前对于浮门实时状态的安全监测主要依靠视频监控和运行人员现场巡检。浮门监控主要有以下不足：

1）视频监控无自动报警功能且夜间视线较差，往往要到浮门已经发生较严重的倾斜下沉之后才会发现。

2）人员现场巡检有一定的时间间隔，无法及时发现浮门状态的变化。

3）无论通过摄像头还是人员现场巡检的方法，都具有相当大的主观性。

3 新技术路线

开展浮式检修门实时状态安全监测系统的研究，从而实现对浮门实时状态的数字化、自动化、远程化监测。

即利用传感器将浮门实时状态数字化，数据处理设备能自动判断浮门下沉量、倾斜角度、浮门离船闸距离等相关数据并分析是否存在异常，运行人员能使用手机远程查看。

4 监测设备的原理

4.1 倾角传感器

倾角传感器的理论基础就是牛顿第二定律，根据基本的物理原理，在一个系统内部，速度是无法测量的，但却可以测量其加速度。如果初速度已知，就可以通过积分计算出线速度，进而可以计算出直线位移。所以它其实是运用惯性原理的一种加速度传感器。

当倾角传感器静止时也就是侧面和垂直方向没有加速度作用，那么作用在它上面的只有重力加速度。重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间夹角就是倾斜角了。倾角传感器把MCU、MEMS加速度计，模数转换电路，通讯单元全都集成在一块非常小的电路板上，可以直接输出角度等倾斜数据。

4.2 雷达液位计

雷达液位计，是利用电磁波探测目标的电子设备。其主要测量原理是从雷达水位传感天线发射雷达脉冲以光速延钢缆或碳棒传播，当遇到被测介质表面时，部分脉冲被反射形成回波，天线接收从水面反射回来的脉冲，并记录时间T，由于电磁波的传播速度C（光速）是个常数，从而得出到水面的距离D。

雷达测距仪的具体用途和结构不尽相同，但基本形式是一致的，包括:发射机、发射天线、接收机、接收天线，处理部分以及显示器。还有电源设备、数据录取设备、抗干扰设备等辅助设备。

4.3 记录仪

无纸记录仪是将工业现场的各种需要监视记录的输入信号，比如流量计的流量信号、压力变送器的压力信号、热电阻和热电偶的温度信号等，通过高性能32位ARM微处理器进行数据处理，一方面在大屏幕液晶显示屏幕上以多种形式的画面显示出来，另一方面把这些监察信号的数据存放在本机内藏的大容量存储芯片内，以便在本记录仪上直接进行数据和图形查询、翻阅。通过上位机管理软件，即可了解仪器记录信息，并可以打印曲线、图形、列表。

5 监测功能的实现

5.1 倾角传感器

倾角传感器安装在浮门中央的支架上，检测浮门各方向倾斜的角度，在记录仪上显示实时数据。测量范围X、Z±180°，Y±90°，测量精度0.1°，浮门全长35 m，可以计算出当浮门一侧下沉约3 cm时就可以被检测到，精度能较好满足需要。

5.2 雷达液位计

在浮门两侧各安装固定一个雷达液位计探头，探头竖直向下测量离水面距离，监测浮门是否下沉，当测量的距离缩小时，可以判定浮门发生下沉。在浮门正面安装固定两个雷达测距仪探头，探头水平面向上游，测量离墙面距离，监测浮门是否漂移，当测量的距离变大时，可以判定浮门缆绳绷断发生漂移。

5.3 记录仪

记录仪放置于浮门电气控制柜内，负责收集各倾角传感器、雷达液位计的数据，对数据进行实时安全监测，具有查看实时曲线、历史记录、报警信息等功能。记录仪还可对数据进行处理判断，浮门靠泊期间若发生倾斜、下沉、漂移，记录仪能在1 s内发出报警。

记录仪报警输出电缆可接至中南六机房2号柜，现地PLC通过IO模块接受报警信号，从而将报警信号传至集控显示屏，运行人员可现场复核确认。

记录仪内置的5G移动通讯模块还可将浮门状态信号和报警信号传送到运行人员的手机APP上，使运行人员第一时间知道浮门的安全情况。

5.4 设备供电

浮门状态监测配电柜安装在原有的浮门岸电配电柜旁，安装位置避雨，柜面做防潮处理。电源取自原有配电柜备用接触器，新配电柜出线沿原有电缆线路敷设至浮门，向陀螺仪、雷达液位计供电（如图1所示）。

6 结语

浮门的安全稳定关系三峡船闸航道的安全稳定，利用成熟可靠先进的传感器和通讯传输接收设备对浮门实时状态进行安全监测十分重要。

浮门检修门实时状态安全监测方案实施后，能有效提高三峡船闸的数字化自动化监测水平，保障浮门设备安全。避免因浮门倾覆、漂移碰撞船舶造成设备损坏，经济损失，船闸停航。

通过参考上述传感器采集的浮门状态数据，指挥浮门作业人员排充水，保证浮门沉放和上浮的平稳，极大提高了浮门沉浮作业的安全性，减少浮门作业所需操作人员，将浮门沉浮时间由原来的4 h缩短至2 h以内，有效提高了浮门沉浮效率，缩短检修时间，具有较大的经济价值和较强的可推广性。

成果还可推广至趸船和航标船等水上设备的实时状态安全监测，为趸船及航标船等水上助航设备维保提供有力依据，提高趸船及航标船使用和维护的安全性。