基于云模型的水力式升船机输水系统运行风险分析*

刘精凯，胡亚安，薛 淑

(南京水利科学研究院，通航建筑物建设技术交通行业重点实验室，江苏 南京 210029)

水力式升船机采用水能作为提升动力和安全保障措施，实现了升船机发展史上真正意义的运行自适应“全平衡”[1]。不仅能够彻底解决因船厢漏水产生的平衡体系破坏而引发“飞车”的事故风险，也可适应因河道水位快速、大幅变化引起的船厢对接困难[2]。水力式升船机显著的优越性要归功于其驱动核心输水系统。然而，水力式升船机长期地在复杂水动力条件下运行，增加了发生事故的风险，特别是其驱动核心输水系统存在竖井水位差风险现象。因此，有必要对水力式升船机输水系统运行安全进行风险分析。

国内外应用于水利工程领域的风险分析方法主要集中在大坝安全或洪水风险预警方面[3-4]，对水力式升船机的运行风险研究极少，特别是其驱动核心输水系统，仍然缺少可行的风险评估方法。输水系统的水动力学风险主要由竖井水位差现象的不确定性引起。本文针对水力式升船机输水系统竖井水位差现象的水动力学风险问题，基于云模型理论，实现对水力式升船机输水系统运行风险的分析评估。

1 水力式升船机输水系统运行风险

输水系统与机械系统是水力式升船机的关键系统，见图1。输水系统作为水力式升船机的核心系统，其运行的稳定性是水力式升船机运行安全的重要基础保障。

图1 水力式升船机主要组成部分

1.1 输水系统布置

输水系统是水力式升船机的动力提升系统，其布置方案将直接影响升船机的运行安全。水力式升船机通过水力驱动平衡重带动船厢的升降，必须保证所有平衡重同步升降，即保证各竖井内水位的同步升降。采用等惯性输水系统布置形式，见图2，理论上可以保证各竖井水位的同步。水力式升船机输水系统在水平方向布置一级(L1)、二级(L2)水平分流，在竖直方向布置三级(L3)、四级(L4)竖直分流，末级支管段长度为L5。这种布置方式实现了输水系统从平面布置升级到立面空间的高级布置形式。通过4次分流，水力式升船机输水系统在理论上能够实现将主管道中水流均匀分配到各竖井中，达到各竖井内水位同步升降的目的。

图2 水力式升船机等惯性输水系统分流管道布置

1.2 输水系统水动力风险特征

竖井内水动力条件特性能够直观地展现水力式升船机输水系统的运行状态。水力式升船机输水过程中第i个竖井输水流量为：

(1)

式中：μi为第i个竖井输水流量系数；A为参考断面面积(m2)；H为上游水位(m)；Zi为第i个竖井水位(m)；li为廊道长度(m)；vi为各廊道对应的流速(ms)；t为时间。

输水过程中，输水系统的左右侧竖井及同侧竖井间存在水位差现象，除了水流流速、紊动产生水动力作用于浮筒平衡重，输水系统水动力风险主要表现在最大竖井水位差超过允许值。大流量高流速下，随着水头的增高、输水廊道的增长、阀门开启时间的加快，输水系统输水管道中水流紊动强度变大，分流的均匀性和竖井水位的同步性变差。等惯性输水系统从理论上可以实现各竖井水位的同步，但实际工程中因其结构的特殊性及安装施工误差的不可避免，导致了输水过程中，输水系统水动力条件(μi、li、vi等)的差别引起竖井间水位(Zi)变化，产生了竖井间水位差，竖井水位差带来输水系统水动力风险问题，这种水位差在水力式升船机运行中一直交替出现。

1.3 竖井水位差风险

水力式升船机输水系统与机械系统联合工作，输水系统竖井水位差能够直接引起机械系统同步轴扭矩T增大，见图3。竖井水位差导致各竖井中浮筒平衡重的淹没深度不一致，引起与浮筒相连的钢丝绳承受的拉力不同。竖井水位差越大，相邻平衡重侧钢丝绳的拉力Fi和Fi+1差值越大，直接引起卷筒之间同步轴的扭矩增加，同步轴扭矩超标将带来同步轴断裂的风险隐患，威胁升船机的运行安全。因此，将竖井水位差作为输水系统影响升船机运行安全的最主要风险因素进行分析。

图3 竖井之间水位差导致同步轴产生扭矩

2 水力式升船机输水系统运行风险评估体系

2.1 云模型方法

基于云模型理论，构建水力式升船机输水系统竖井水位差风险分析方法。云模型理论是一种不确定人工智能计算方法，它是定性概念与定量表示之间相互转化的一种不确定性模型[5-6]。

2.1.1方法原理

设U是风险对象的效应量对应的定量论域，C是U上的定性概念(竖井水位差现象)，若定量值x∈U，即x定义为竖井水位差值，且x是竖井水位差现象C的一次随机实现，x对C的隶属度μ(x)∈[0，1]是有稳定倾向的随机分布规律。

在云模型中，定量值x被称为云滴，以云滴x的期望、熵及超熵概念反映输水系统竖井水位差风险的特征。期望反映竖井水位差数据的平均变化程度，采用Ex表示。熵能体现出竖井水位差变化不确定程度的大小，用En表示。超熵衡量熵的不确定性，用He表示，反映不确定性的离散程度，竖井水位差变化不确定程度随着超熵的增大而变得越来越离散，反之，表现为稳定的特性。

2.1.2正向云与逆向云

云模型通常采用正向云(FCG)和逆向云发生器(BCG)进行数据处理，具体流程如下：

1)通过逆向云发生器获得输水系统竖井水位差风险的3个数字特征值(Ex，En，He)。

2)以Ex为期望值、He为均方差，生成正态分布随机函数E′n：

(2)

3)以Ex为期望值、E′n为均方差，生成正态随机数x：

(3)

4)计算x隶属度：

(4)

式中：x为反映竖井水位差风险的云滴定量数据；μ(x)为计算竖井水位差监测数据x的隶属度，代表了竖井水位差倾向的风险程度。

综上，分析竖井水位差监测数据，通过云模型中的正、逆向云发生器，实现竖井水位差监测数据的定量→定性→定量的转化，选定3个数字特征值(Ex，En，He)衡量竖井水位差风险的变化程度。

2.2 竖井水位差现象风险划分

借鉴云模型中云滴x对定性概念的贡献率不同，定义竖井水位差值对竖井水位差现象的贡献率，即任意区间的竖井水位差数值Δx对竖井水位差现象的贡献ΔC：

(5)

则总贡献C根据式(6)计算为1：

(6)

图4 竖井水位差现象风险划分

1)“安全元素”表示竖井水位差数值落在区间[0,Ex+En]的云滴群中，区间[0,Ex+En]的云滴群占云滴群总面积的比例为84.13%。当竖井水位差的监测值集中落在此区间时，表示升船机输水系统运行安全。

2)“较安全元素”表示竖井水位差数值落在区间(Ex+En，Ex+2En]内的云滴群中，区间(Ex+En，Ex+2En]云滴群占云滴群总面积的比例为13.59%。当竖井水位差的监测值偏集中落在此区间时，表示升船机输水系统运行较安全，操作人员应关注并跟踪竖井水位差监测值的后续变化情况。

3)“弱风险元素”表示竖井水位差数值落在区间(Ex+2En，Ex+3En]内的云滴群中，区间(Ex+2En，Ex+3En]云滴群占云滴群总面积的比例为2.15%。如果竖井水位差的监测值偏集中在此区间时，表示升船机输水系统为“弱风险”状态，操作人员应上报输水系统“弱风险”，并对升船机可能存在的问题进行风险故障排查。

4)“风险元素”表示竖井水位差数值落在区间(Ex+3En，+∞)的云滴群中，区间(Ex+3En，+∞)云滴群占云滴群总面积的比例为0.13%。如果竖井水位差的监测值偏集中落在此区间时，认为竖井水位差现象表征出异常信息，操作人员应上报输水系统“风险”状态，按照相应的操作流程停止升船机的运行，进行风险故障排查。

2.3 竖井水位差风险指标阈值

根据输水系统竖井水位差风险状态，确定竖井水位差风险预警指标阈值：安全元素的阈值区间为[0，Ex+En]；较安全元素的阈值区间为(Ex+En，Ex+2En]；弱风险元素的阈值区间为(Ex+2En，Ex+3En]；风险元素的阈值区间为(Ex+3En，+∞)。

3 景洪升船机输水系统运行风险评估

3.1 竖井水位差风险评估流程

基于云模型理论，拟定水力式升船机输水系统竖井水位差风险分析流程，见图5。

图5 基于云模型理论的水力式升船机竖井水位差风险分析流程

3.2 景洪升船机竖井水位差

选取景洪水力式升船机输水系统正常运行下竖井水位差典型监测数据，见图6，评估分析景洪升船机竖井水位差现象。正常运行下，景洪升船机输水系统竖井间水位差最大不超过0.2 m，低于其设计预警值(≤0.4 m)。目前，输水系统能够满足升船机运行安全的要求。

图6 景洪水力式升船机竖井水位差

进一步对景洪升船机竖井水位差风险的不确定性进行分析。采用云模型方法，处理竖井水位差监测数据。按云滴个数N=3 000计算，获取竖井水位差云图，见图7。得到竖井水位差风险的3个数字特征值(Ex=0.119 9，En=0.014 9，He=0.001 5)，衡量竖井水位差风险变化程度。从3个数字特征值(Ex，En，He)可以看出，正常运行下，景洪升船机竖井水位差值离散程度较小，输水系统运行过程中处于安全范围内，无风险。

图7 景洪水力式升船机提升60米级高度时竖井水位差云图

根据定义竖井水位差值对竖井水位差现象的贡献率，进行竖井水位差现象风险划分，确定景洪升船机竖井水位差风险预警指标阈值：安全元素的阈值区间为[0，0.13]；较安全元素的阈值区间为(0.13，0.15]；弱风险元素的阈值区间为(0.15，0.17]；风险元素的阈值区间为(0.17，+∞)。

3.3 超高升程水力式升船机竖井水位差风险预测

面对未来水力式升船机“超高升程、超大提升质量”的发展趋势，以景洪水力式升船机浮筒平衡重及机械同步轴尺寸条件下，数值模拟得到80、100、120米级提升高度下输水系统竖井水位差数据，见图8。按云滴个数N=3 000，获取输水系统竖井水位差云图，见图9。80、100、120米级提升高度下输水系统竖井水位差均值，分别为0.20、0.22、0.24 m，随着提升高度的增加，输水系统竖井水流紊动强度增大，分流的均匀性和竖井水位的同步性变差。

图8 不同提升高度下水力式升船机竖井水位差

图9 不同提升高度下水力式升船机竖井水位差云图

统计分析80、100、120米级提升高度下输水系统竖井水位差特征值(Ex，En，He)，以景洪水力式升船机浮筒平衡重及机械同步轴尺寸条件下，数值模拟计算预测风险预警指标阈值，见表1。

表1 不同提升高度下水力式升船机输水系统竖井水位差风险预警指标阈值

4 结语

1)本文分析了水力式升船机输水系统布置形式、输水系统水动力风险特征、竖井水位差风险现象，阐明了输水系统与机械同步轴系统风险的相互作用。

2)巧妙运用正态分布的普适性，借鉴云模型理论，创建了具有实用性的水力式升船机输水系统运行风险评估方法。

3)面对未来水力式升船机“超高升程、超大提升质量”的发展趋势，以既有工程“景洪水力式升船机”为例，进行输水系统竖井水位差现象风险分析，预测了100米级水力式升船机输水系统竖井水位差风险指标阈值。

4)研究成果可有效地控制水力式升船机由于竖井水位差带来的运行风险，可应用于水力式升船机领域风险预警，能够为水力式升船机的运行风险防控提供决策。