CN111980000A - 连续多梯级船闸运行控制系统及运行换向方法 - Google Patents

Abstract

连续多梯级船闸运行控制系统及运行换向方法，包含闸阀门拖动控制系统、船闸通航信号系统、广播指挥系统、视频监控系统和集中控制监控系统，结合船舶过闸运行工艺、船舶在闸室内移泊情况和船闸输水运行方式建立连续多级船闸换向运行模型，结合数据采集单元对通航调度系统中船闸上下游等待过闸船舶数和船闸集中监控系统船闸设备状态数据的采集、分析，生成可执行的规范化多级船闸标准换向操作流程，提高连续多级船闸换向运行的效率和安全性。所述的连续多级船闸换向运行模型以多级船闸同步输水运行方式为基础。所述的同步输水运行方式，是各间隔闸室同步进行输水操作的运行模式，适用于单向运行最后一闸次船舶进闸、移泊、出闸的全过程。

Description

连续多梯级船闸运行控制系统及运行换向方法

技术领域

本发明涉及船闸通航领域，具体涉及一种连续多梯级船闸运行控制系统及运行换向方法。

背景技术

船闸作为一种克服上下游间集中水位落差的水利枢纽通航建筑物，根据纵向排列闸室数量可划分为单级船闸和多级船闸，其中纵向排列闸室数量在两个以上并且上下级闸室相连的多级船闸为连续多级船闸。船闸运行方向的转换简称船闸换向，有上行换下行和下行换上行两种模式。特别在连续多级船闸日常正常运行过程中，船闸换向运行十分常见，单线船闸由于采用单向运行、定时换向的运行方式，基本能够满足上下行船舶过闸需求、上下游等待过闸船舶流量平衡。对于多线船闸，当通航水域内上下行过闸船舶数量差距过大，通航需求严重不平衡时，尤其是出现某线船闸满负载运行时，交通管理部门通常采用换向运行的方式，调节船闸均衡运作，缓解船舶过闸压力。

单级船闸只有一个闸室，下行船舶过闸时，闸室水位充至与上游水位相平，下行船舶进入闸室，闸室水位泄至与下游水位齐平时，开启闸门使船舶出闸，出闸完毕后上行船舶进入闸室，关闭闸门后上游向闸室灌水直至与上游水位相平，闸门开启、船舶出闸，如此循环往复，上下行交替运行。因此，单级船闸自身的运行过程中包含了船闸的换向，能够使上下游航道间过闸船舶数量基本匹配、平衡，无需额外的换向运行操作，过闸效率较高。连续多级船闸的运行控制过程主要是船闸运行员根据收集到的船舶航行过程信息，通过调度指挥过程对其进行干预，同时通过操纵船闸控制系统转换船闸设施状态和干预船闸输水过程，最终达到船舶快速连续性过闸的目标。

连续多级船闸具有多个闸室，与单级船闸的运行过程相比更加复杂，其运行模式具有以下特点，1)连续多级船闸的运行过程中同时多个闸室有载，在空间上，有载闸室与空闸室间隔分布，必须所有计划闸次船舶出闸完毕，船闸空载时才能完成船闸运行方向的转换；2)各级闸室水位变化范围均不相同，船闸由满载向空载逐级连续转换完成后，船闸需要进行额外输水操作，以满足每个闸室的最小坎上水深大于船舶的最大吃水深度。因此，连续多级船闸换向耗时较长，常造成上下游航道间过闸船舶数量不匹配，船舶流失衡。从行业发展现状来看，目前连续多级船闸的换向运行方法并没有一个科学的标准，换向运行操作不规范，操作过程耗时较多影响船闸运行效率，因此亟需相关研究作为指导。

现有技术中也有对船闸通航进行管理的技术，例如中国专利文献CN107313417A记载了一种船闸自动控制系统及控制方法，提供了一种安全性高，自动化程度高的一种船闸自动控制系统及控制方法，船闸开启、船只通行、船闸关闭的整个过程都由现场控制单元自动控制完成，且全过程都可以实时监控，提高了船闸操作效率和安全性，对于不同吨位、速度的船只可以实现不减速通过船闸，提高船只通过船闸的效率。

中国专利文献CN 110543991 A记载了一种内河船闸联合调度方法，包括建立内河船闸联合调度模型、调度模型优化目标、根据船闸调度模型约束条件，对船舶的空间约束、同闸次船舶对船舶的空间约束、同闸室闸次均衡约束、相邻闸次最小时间间隔约束、极限待闸时间约束、上下游相邻船闸约束，通过将闸室面积利用率和平均待闸时间作为目标函数，根据船闸实际情况提列约束条件，将河流上下游船闸串并联相结合，建立联合调度模型，采用串并联结合形式的联合调度模型，更为符合实际情况，适用性较广。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种连续多梯级船闸运行控制系统及运行换向方法，结合船舶过闸工艺、船舶在闸室中的移泊实际和船闸输水运行方式建立连续多级船闸换向运行模型，规范船闸管理人员换向操作流程和船闸换向控制机制，提高船闸换向运行的效率和安全性，解决续多级船闸上下游水域船舶过坝需求不均，船舶流量失衡，船闸运行供需不平衡使得船闸运行效率降低，船闸换向运行决策和时机缺乏科学指导，换向运行操作不规范，并且操作过程耗时较长等问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

连续多梯级船闸运行控制系统，包括闸阀门拖动控制系统、船闸通航信号系统、广播指挥系统、视频监控系统和集中控制监控系统，集中控制监控系统与系统电源连接，集中控制监控系统的输入端与视频监控系统连接，集中控制监控系统的输出端与闸阀门拖动控制系统、船闸通航信号系统和广播指挥系统连接，船闸通航信号系统用于给通航船舶提供通航信号，广播指挥系统用于进行音频输出指挥船舶，视频监控系统用于收集船舶通航流量、航向等信息，集中控制监控系统用于根据收集的信号对闸门、阀门、通航信号、广播等进行控制和干预。

上述的船闸通航信号系统包括远程信号、进闸信号和出闸信号，采用透镜灯、LED或其他发光装置，并以红色信号表示禁止船舶进闸或移泊，绿色信号表示允许船舶进闸或移泊，其中远程信号指示船舶能否进入船闸引航道停泊段，进闸信号指挥过闸船舶进闸和移泊，出闸信号指挥过闸船舶出闸。所述远程信号装置设置在船闸上游和下游引航道口门区附近，远程信号装置的高程高于最高通航水位4～5m。远程信号的灯光保证在正常气候条件下能清晰地指示距信号装置4倍闸室有效长度范围内的船舶；所述进闸信号和出闸信号装置设置于上闸首和下闸首上，布置在同闸首人字闸门上方，信号装置的高程应高于相应最高通航水位2～5m，进闸信号和出闸信号的控制能在控制室和信号装置处现地操作。进闸信号和出闸信号的控制应能进行程序控制和手动控制，根据换向运行具体要求进行相应切换。

上述的广播指挥系统由号角扬声器、功率放大器、四通道播放终端、交换机、分区控制器、电源时序器、广播呼叫站、音频矩阵切换器和功放主备切换器组成。

上述的闸阀门拖动控制系统结构为：包括工作闸门及阀门，工作闸门及阀门与液压油缸连接，液压油缸与油箱及控制阀组连接，油箱及控制阀组上设有油泵，油箱及控制阀组由阀控主回路驱动，油泵由拖动主回路驱动，阀控主回路与控制回路连接，控制回路和拖动主回路与电源回路连接，通过控制回路对工作闸门及阀门的开启和关闭进行控制，拖动主回路通过对电动机进行变速和调速改变油泵转速，实现工作闸门及阀门的速度变化，各闸首闸阀门联动控制系统共用一套液压泵站单元控制系统，控制阀组的控制工艺互斥，闸门运行的优先级高于阀门，可实现本闸首开阀、开闸、关阀的控制以及防撞警戒装置联动控制，缩短设备运行时间。

上述的闸阀门拖动控制系统的控制器采用PLC，控制系统包含数据采集单元模块，闸阀门拖动控制系统通过系统参数调整及闸阀门联动控制工艺实现连续多级船闸换向运行，通过广播指挥系统实现换向运行过程中闸室内船舶过闸提供运行提示和引导，与船闸正常运行过程相比闸阀门运行控制同步性更高，缩短闸、阀门等设备运行时间，为船闸换向运行提供保障。

使用上述装置的连续多梯级船闸运行换向方法，结合同步输水运行操作方式，包括以下步骤：

步骤一：确定换向模式，利用集中控制监控系统中数据采集单元获取通航调度系统船闸区域上游引航道与下游航道的待闸船舶数目，当船舶上行过闸需求大于下行过闸需求超过设定值时，执行换上行操作方案，当船舶下行过闸需求大于上行过闸需求超过设定值时，执行换下行操作方案；

步骤二：定义船闸运行状态模拟参数,建立连续多级船闸换向运行模型，根据模型分析生成上下行换向运行模式所需运行状态模拟参数值与闸阀门动作之间对应关系；

步骤三：根据船闸控制系统的数据采集以及视频监控系统的辅助，获取连续多级船闸运行状态参数，包括闸阀门等设备状态、闸室水位状态、船舶所在闸室、防撞装置状态，将所采集到的船闸运行状态参数代入多级船闸换向运行模型，生成针对连续多级船闸的具体换向操作流程及方案。

上述的运行状态模拟参数的具体定义为：

对于N级船闸(N≥2)，从上游向下游方向将船闸各级闸门依次编号为1号闸门、2号闸门、…、N+1号闸门，将船闸各级阀门依次编号为1号阀门、2号阀门、…、N+1号阀门，将船闸各级闸室依次编号为1闸室、2闸室、…、N闸室，N级船闸下行为船舶由1号闸门向N+1号闸门方向过闸的运行方式，N级船闸上行为船舶由N闸首向1闸首方向过闸的运行方式；

假设换向最后一闸次船舶处于第n闸室，设置闸门状态模拟参数L_i用来描述此时第i号闸门的开关状态，L_i＝1表示第i号闸门处于开终状态，L_i＝0则表示第i号闸门处于关终状态；设置阀门状态模拟参数V_i用来描述此时第i号阀门的开关状态，V_i＝1表示第i号阀门处于开终状态，V_i＝0则表示第i号阀门处于关终状态；此时第i闸室稳态水位为W_i，其中i≤N。

上述同步输水运行操作与船闸换向时的运行状态模拟参数的对应关系为：

(1)下行换上行的同步输水运行方式：

1)通过视频监控系统确定多级船闸内各闸次船舶处于移泊完毕状态；

2)确定单向运行最后一计划闸次船舶向第n闸室移泊完毕，判定n的奇偶性；

3)若n为奇数，此时船闸状态模拟参数为：

参数状态1

此时同步关闭所有奇数编号闸门的操作，闸门关终后船闸状态模拟参数为：

参数状态2

此时执行同步开启所有偶数编号阀门的操作，该阀门上下游两侧闸室充泄水达到水位相平时，船闸状态模拟参数为：

参数状态3

此时执行关闭阀门、开启所有偶数编号闸门的操作，闸门开终后，船闸内各闸次船舶向下一级闸室移泊，进入步骤5)；

4)若n为偶数，此时船闸状态模拟参数为：

参数状态4

此时同步关闭所有偶数编号闸门的操作，闸门关终后，多级船闸状态模拟参数为：

参数状态5

此时同步开启所有奇数编号阀门的操作，该阀门上下游两侧闸室充泄水达到水位持平，船闸状态模拟参数为：

参数状态6

此时执行关闭阀门、开启所有奇数编号闸门的操作，闸门开终后，船闸内各闸次船舶向下一级闸室移泊，进入步骤5)；

5)最后闸次船舶进入第n+1闸室，返回执行同步输水运行方式步骤1)，循环往复，直至全部船舶出闸完毕(n＝N+1时)后停止运行；

(2)上行换下行的同步输水运行方式：

1)通过视频监控系统确定多级船闸内各闸次船舶处于移泊完毕状态；

2)确定单向运行最后一计划闸次船舶向第n闸室移泊完毕，判定n的奇偶性；

3)若n为奇数，此时船闸状态模拟参数为：

参数状态7

此时同步关闭所有偶数编号闸门，闸门关终后，多级船闸状态模拟参数为：

参数状态8

此时同步开启所有奇数编号阀门，该阀门上下游两侧闸室充泄水达到水位水平时，船闸状态模拟参数为：

参数状态9

此时执行关闭阀门、开启所有奇数编号闸门，闸门开终后，船闸内各闸次船舶向下一级闸室移泊，进入步骤(5)；

4)若n为偶数，此时船闸状态模拟参数为：

参数状态10

此时同步关闭所有奇数编号闸门，闸门关终后，多级船闸状态模拟参数为：

参数状态11

此时同步开启所有偶数编号阀门，该阀门上下游两侧闸室充泄水达到水位水平时，船闸状态模拟参数为：

参数状态12

此时执行关闭阀门、开启所有偶数编号闸门，闸门开终后，船闸内各闸次船舶向下一级闸室移泊，进入步骤5)；

5)最后计划闸次船舶进入第n-1闸室，返回执行同步输水运行方式步骤1)，循环往复，直至全部船舶出闸完毕(n＝0时)后停止运行。

同步输水运行过程中，船闸运行状态模拟参数和相对应运行操作方案如表1所示。

表1换向运行过程中的船闸状态模拟参数与对应操作方案

上述针对连续多级船闸的具体换向操作流程及方案为：

(1)N级船闸下行转换上行换向模式：

1)根据最后闸次船舶所在闸室编号n，确定船闸换向操作开始时刻；连续多级船闸日常运行状态为满载状态(间隔闸室内有过闸船舶)，将换向过程中以首级闸首开始的相邻两级闸室首次出现空载时的状态作为换向开始状态，此时船闸运行操作人员开始进行换向操作，船闸由下行换上行的换向初始状态为：下行最后一计划闸次船舶由二闸室向三闸室移泊完毕，即n＝3，此时一闸室与二闸室均无船舶，三闸室水位与二闸室水位水平，三号闸门处于开终状态，将四号闸门开终的时刻记为换向运行开始时刻，当决定进行换向时第一闸室至第三闸室均无船舶时，初始状态为末级闸室靠近下游侧闸门开终时刻；

2)N级船闸进入船闸换向操作初始状态后，根据闸门运行状态模拟参数L_i、阀门状态模拟参数V_i和闸室水位参数W_i，结合同步输水运行操作与船闸换向时的运行状态模拟参数的对应关系，生成各级闸室输水运行流程，船闸运行直至所有船舶出闸，船闸空载，确认船闸设备设施处于停机状态；

3)在船闸集中控制系统中，设置船闸状态参数，包括：闸门防撞警戒装置投入/切除状态，调整闸门防撞警戒装置位置；

船闸由下行换上行，将所有防撞警戒装置提升到位以满足船舶过闸的净空高度，在集中控制系统中将防撞警戒装置参数设置为切除状态；

4)将上行第一闸次船舶开始进闸的时刻记为换向操作完毕时刻，船闸继续采用同步输水运行方式充泄水，由空载向满载重新状态转换，船闸运行方向转换完毕；

(2)N级船闸上行转换下行换向模式：

1)根据最后闸次船舶所在闸室编号n，确定船闸换向开始时刻；船闸由上行换下行的换向初始状态为：上行最后一闸次船舶由N-1闸室向N-2闸室移泊完毕，N闸室与N-1闸室均无船舶，N-1闸室水位与N-2闸室水位持平，N-1号闸门处于开终状态，将N-2号闸门开终的时刻记为换向运行开始时刻，当决定换向时，第N闸室至第N-2闸室均无船舶的情况下，初始状态为末级闸室靠近下游侧闸门开终时刻；

2)N级船闸进入船闸换向操作初始状态后，根据闸门运行状态模拟参数L_i、阀门状态模拟参数V_i和闸室水位参数W_i，结合模型中对应的操作方案，生成各级闸室输水运行流程，船闸运行直至所有船舶出闸，船闸空载，确认船闸设备设施处于停机状态；

3)在船闸集中控制系统中，设置船闸状态参数，包括：将奇数编号闸门的防撞警戒装置上升到位、偶数编号闸门的防撞警戒装置下降到位，并在集中控制系统中将防撞警戒装置参数设置为投入使用状态；

4)将下行第一闸次船舶开始进闸的时刻记为换向操作完毕时刻，船闸继续采用同步输水运行方式充泄水，由空载向满载状态转换，船闸运行方向转换完毕。

本发明所提供的一种连续多梯级船闸运行控制系统及运行换向方法，具有以下有益效果：

(1)采用本发明所述连续多级梯级船闸运行方向转换方法能够根据船闸上下游过闸船舶流量失衡状态判断是上行换下行还是下行换上行运行模式，使船闸运行模式更灵活，增强了船闸运行的适应性，有效缓解了船舶过闸和船闸运行压力；

(2)根据船闸现行运行状态、船舶过闸工艺、船舶在闸室里的移泊实际和船闸输水运行方式建立连续多级船闸换向运行模型，根据模型生成相应的操作方案，使换向运行决策和时机更具科学性，规范了换向操作流程，缩短了船闸换向操作时间，减轻船闸运行管理人员劳动强度，一定程度上提高了船闸运行效率；

(3)将连续多级船闸换向运行过程模型化，推进了船闸运行控制自动化进程，为后期将模型融入船闸控制系统以实现船闸自动控制奠定基础，具有长远意义。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的N级梯级船闸示意图；

图2为本发明的N级梯级船闸运行方向转换方案主流程图；

图3为本发明的基于换向模型生成的具体换向操作方案流程图；

图4为本发明的N级梯级船闸下行换上行过程中的换向同步输水运行方式流程图；

图5为本发明的N级梯级船闸上行换下行过程中的换向同步输水运行方式流程图；

图6为本发明的连续多级船闸自动控制系统原理图；

图7为本发明的连续多级船闸基于PLC的拖动控制系统结构示意图；

图8为本发明的连续多级船闸闸阀门拖动控制系统原理图；

图9为实施例中的五级船闸闸门控制示意图。

图中：集中控制监控系统1、闸阀门拖动控制系统2、船闸通航信号系统3、广播指挥系统4、视频监控系统5、系统电源连接6、工作闸门及阀门7、液压油缸8、电机油泵组9、油箱及控制阀组10、阀控主回路11、拖动主回路12、控制回路13、电源回路14。

具体实施方式

如图6中所示，连续多梯级船闸运行控制系统，包括闸阀门拖动控制系统2、船闸通航信号系统3、广播指挥系统4、视频监控系统5和集中控制监控系统1，集中控制监控系统1与系统电源连接6，集中控制监控系统1的输入端与视频监控系统5连接，集中控制监控系统1的输出端与闸阀门拖动控制系统2、船闸通航信号系统3和广播指挥系统4相连，船闸通航信号系统3用于给通航船舶提供通航信号，广播指挥系统4用于进行音频输出指挥船舶，视频监控系统5用于收集船舶的通航流量、航向等信息，集中控制监控系统1用于根据收集的信号对闸门、阀门、通航信号、广播等进行控制。

如图6中所示，上述的船闸通航信号系统3包括远程信号、进闸信号和出闸信号，采用透镜灯、LED或其他发光装置，并应以红色信号表示禁止船舶进闸或移泊，绿色信号表示允许船舶进闸或移泊，其中远程信号指示船舶能否进入船闸引航道停泊段，进闸信号指挥过闸船舶进闸和移泊，出闸信号指挥过闸船舶出闸。所述远程信号装置设置在船闸上游和下游引航道口门区附近，远程信号装置的高程高于最高通航水位4～5m。远程信号的灯光保证在正常气候条件下能清晰地指示距信号装置4倍闸室有效长度范围内的船舶；所述进闸信号和出闸信号装置设置于上闸首和下闸首上，布置在同闸首人字闸门上方，信号装置的高程应高于相应最高通航水位2～5m，进闸信号和出闸信号的控制能在控制室和信号装置处现地操作。进闸信号和出闸信号的控制应能进行程序控制和手动控制，根据换向运行具体要求进行相应切换。

如图6中所示，所述的广播指挥系统4由号角扬声器、功率放大器、四通道播放终端、交换机、分区控制器、电源时序器、广播呼叫站、音频矩阵切换器和功放主备切换器组成。

如图8中所示，上述的闸阀门拖动控制系统2结构为：包括工作闸门及阀门7，工作闸门及阀门7与液压油缸8连接，液压油缸8与油箱及控制阀组10连接，油箱及控制阀组10上设有电机油泵组9，油箱及控制阀组10由阀控主回路11驱动，油泵9由拖动主回路12驱动，阀控主回路11与控制回路13连接，控制回路13和拖动主回路12与电源回路14连接，通过控制回路13对工作闸门及阀门7的开启和关闭进行控制，拖动主回路12通过对电动机进行变速和调速改变油泵9转速，实现工作闸门及阀门7的速度变化，各闸首闸阀门联动控制系统共用一套液压泵站单元控制系统，控制阀组的控制工艺互斥，闸门运行的优先级高于阀门，可实现本闸首开阀、开闸、关阀的控制以及防撞警戒装置联动控制，缩短设备运行时间。

上述的闸阀门拖动控制系统2的控制器采用PLC，控制系统包含了数据采集单元模块，闸阀门拖动控制系统2通过系统参数调整及闸阀门联动控制工艺实现连续多级船闸换向运行，通过广播指挥系统实现换向运行过程中闸室内船舶过闸提供运行提示和引导，与船闸正常运行过程相比闸阀门运行控制同步性更高，缩短闸、阀门等设备运行时间，为船闸换向运行提供保障。

如图2中所示，使用上述装置的连续多梯级船闸运行换向方法，结合同步输水运行操作方式，包括以下步骤：

步骤一：确定换向模式，利用通航调度系统获取船闸区域上游引航道与下游航道的待闸船舶数目，当船舶上行过闸需求大于下行过闸需求，并且超过设定值时，执行换上行操作方案，当船舶下行过闸需求大于上行过闸需求，并且超过设定值时，执行换下行操作方案；

步骤二：根据连续多级船闸换向运行模型，依据运行状态模拟参数值分析生成上下行换向运行模式中对应的换向运行操作方案；

步骤三：根据船闸控制系统的数据采集以及视频监控系统的辅助，获取连续多级船闸运行状态参数，包括闸阀门等设备状态、闸室水位状态、船舶所在闸室、防撞装置状态，将所采集到的船闸运行状态参数代入多级船闸换向运行模型，生成针对连续多级船闸的具体换向操作流程及方案。

上述的运行状态模拟参数的具体定义为：

对于N级船闸(N≥2)，从上游向下游方向将船闸各级闸门依次编号为1号闸门、2号闸门、…、N+1号闸门，将船闸各级阀门依次编号为1号阀门、2号阀门、…、N+1号阀门，将船闸各级闸室依次编号为1闸室、2闸室、…、N闸室，N级船闸下行为船舶由1号闸门向N+1号闸门方向过闸的运行方式，N级船闸上行为船舶由N+1闸首向1闸首方向过闸的运行方式；

假设换向前最后一闸次船舶处于第n闸室，设置闸门状态模拟参数L_i用来描述此时第i号闸门的开关状态，L_i＝1表示第i号闸门处于开终状态，L_i＝0则表示第i号闸门处于关终状态；设置阀门状态模拟参数V_i用来描述此时第i号阀门的开关状态，V_i＝1表示第i号阀门处于开终状态，V_i＝0则表示第i号阀门处于关终状态；此时第i闸室稳态水位为W_i，其中i≤N。

上述同步输水运行操作与船闸换向时的运行状态模拟参数的对应关系为：

如图4中所示，(1)下行换上行的同步输水运行方式：

1)通过视频监控系统确定多级船闸内各闸次船舶处于移泊完毕状态；

2)确定单向运行最后一计划闸次船舶向第n闸室移泊完毕，判定n的奇偶性；

3)若n为奇数，此时船闸状态模拟参数为：

参数状态1

此时同步关闭所有奇数编号闸门的操作，闸门关终后船闸状态模拟参数为：

参数状态2

此时执行同步开启所有偶数编号阀门的操作，该阀门上下游两侧闸室充泄水达到水位相平时，船闸状态模拟参数为：

参数状态3

此时执行关闭阀门、开启所有偶数编号闸门的操作，闸门开终后，船闸内各闸次船舶向下一级闸室移泊，进入步骤5)；

4)若n为偶数，此时船闸状态模拟参数为：

参数状态4

此时同步关闭所有偶数编号闸门的操作，闸门关终后，多级船闸状态模拟参数为：

参数状态5

此时同步开启所有奇数编号阀门的操作，该阀门上下游两侧闸室充泄水达到水位持平，船闸状态模拟参数为：

参数状态6

此时执行关闭阀门、开启所有奇数编号闸门的操作，闸门开终后，船闸内各闸次船舶向下一级闸室移泊，进入步骤5)；

5)最后闸次船舶进入第n+1闸室，返回执行同步输水运行方式步骤1)，循环往复，直至全部船舶出闸完毕(n＝N+1时)后停止运行；

如图5中所示，(2)上行换下行的同步输水运行方式：

1)通过视频监控系统确定多级船闸内各闸次船舶处于移泊完毕状态；

2)确定单向运行最后一计划闸次船舶向第n闸室移泊完毕，判定n的奇偶性；

3)若n为奇数，此时船闸状态模拟参数为：

参数状态7

此时同步关闭所有偶数编号闸门，闸门关终后，多级船闸状态模拟参数为：

参数状态8

此时同步开启所有奇数编号阀门，该阀门上下游两侧闸室充泄水达到水位水平时，船闸状态模拟参数为：

参数状态9

此时执行关闭阀门、开启所有奇数编号闸门，闸门开终后，船闸内各闸次船舶向下一级闸室移泊，进入步骤(5)；

4)若n为偶数，此时船闸状态模拟参数为：

参数状态10

此时同步关闭所有奇数编号闸门，闸门关终后，多级船闸状态模拟参数为：

参数状态11

此时同步开启所有偶数编号阀门，该阀门上下游两侧闸室充泄水达到水位水平时，船闸状态模拟参数为：

参数状态12

此时执行关闭阀门、开启所有偶数编号闸门，闸门开终后，船闸内各闸次船舶向下一级闸室移泊，进入步骤5)；

5)最后计划闸次船舶进入第n-1闸室，返回执行同步输水运行方式步骤1)，循环往复，直至全部船舶出闸完毕(n＝0时)后停止运行。

上述针对连续多级船闸的具体换向操作流程及方案为：

(1)N级船闸下行转换上行换向模式：

1)根据最后闸次船舶所在闸室编号n，确定船闸换向操作开始时刻；连续多级船闸日常运行状态为满载状态(间隔闸室内有过闸船舶)，将换向过程中以首级闸首开始的相邻两级闸室首次出现空载时的状态作为换向开始状态，此时船闸运行操作人员开始进行换向操作，船闸由下行换上行的换向初始状态为：下行最后一计划闸次船舶由二闸室向三闸室移泊完毕，即n＝3，此时一闸室与二闸室均无船舶，三闸室水位与二闸室水位水平，三号闸门处于开终状态，将四号闸门开终的时刻记为换向运行开始时刻，当决定进行换向时第一闸室至第三闸室均无船舶时，初始状态为末级闸室靠近下游侧闸门开终时刻；

2)N级船闸进入船闸换向操作初始状态后，根据闸门运行状态模拟参数L_i、阀门状态模拟参数V_i和闸室水位参数W_i，结合同步输水运行操作与船闸换向时的运行状态模拟参数的对应关系，生成各级闸室输水运行流程，船闸运行直至所有船舶出闸，船闸空载，确认船闸设备设施处于停机状态；

3)在船闸集中控制系统中，设置船闸状态参数，包括：闸门防撞警戒装置投入/切除状态，调整闸门防撞警戒装置位置；

船闸由下行换上行，将所有防撞警戒装置提升到位以满足船舶过闸的净空高度，在集中控制系统中将防撞警戒装置参数设置为切除状态；

4)将上行第一闸次船舶开始进闸的时刻记为换向操作完毕时刻，船闸继续采用同步输水运行方式充泄水，由空载向满载状态重新转换，船闸运行方向转换完毕；

(2)N级船闸上行转换下行换向模式：

1)根据最后闸次船舶所在闸室编号n，确定船闸换向开始时刻；船闸由上行换下行的换向初始状态为：上行最后一闸次船舶由N-1闸室向N-2闸室移泊完毕，N闸室与N-1闸室均无船舶，N-1闸室水位与N-2闸室水位持平，N-1号闸门处于开终状态，将N-2号闸门开终的时刻记为换向运行开始时刻，当决定换向时，第N闸室至第N-2闸室均无船舶的情况下，初始状态为末级闸室靠近下游侧闸门开终时刻；

2)N级船闸进入船闸换向操作初始状态后，根据闸门运行状态模拟参数L_i、阀门状态模拟参数V_i和闸室水位参数W_i，结合模型中对应的操作方案，生成各级闸室输水运行流程，船闸运行直至所有船舶出闸，船闸空载，确认船闸设备设施处于停机状态；

3)在船闸集中控制系统中，设置船闸状态参数，包括：将奇数编号闸门的防撞警戒装置上升到位、偶数编号闸门的防撞警戒装置下降到位，并在集中控制系统中将防撞警戒装置参数设置为投入使用状态；

4)将下行第一闸次船舶开始进闸的时刻记为换向操作完毕时刻，船闸继续采用同步输水运行方式充泄水，由空载向满载状态转换，船闸运行方向转换完毕。

如图9中实施例所示，船闸为五级船闸，进行下行换上行操作：

实施例1的初始状态为：三峡五级船闸内有一闸次船舶A向五闸室移泊完毕，下行最后一闸次船舶B向三闸室移泊完毕(n＝3)，通过船闸视频监控系统已确认船舶靠泊完毕，船闸处于换向运行初始状态。五级船闸正常运行时二、三闸首防撞装置为投入状态。此时船闸运行状态模拟参数为：

将运行状态参数代入所建立的连续多级船闸换向运行模型，生成的具体换向操作方案如下：

1)确认各闸次船舶移泊完毕后，利用船闸集中控制系统操作同步关闭5、3、1闸首闸门，开启6、4、2闸首阀门进行输水，使1闸室与2闸室水位水平、3闸室与4闸室水位水平、5闸室与下游水位水平后，采用集中控制系统操作开启6、4、2闸首闸门，相应通航信号灯变绿，第A闸次船舶驶出5闸室进入下游引航道，B闸次船舶向4闸室移泊完毕。

2)利用船闸集中控制系统同步关闭6、4、2闸首闸门，开启5、3、1闸首阀门进行输水，使上游水位与1闸室水位水平、2闸室与3闸室水位水平、4闸室与5闸室水位水平后，采用集中控制系统开启5、3、1闸首闸门，相应通航信号灯变绿，1、2闸室空载，B闸次船舶向5闸室移泊完毕；

3)利用集中控制系统同步关闭5、3、1闸首闸门，开启6、4、2闸首阀门进行输水，使1闸室与2闸室水位水平、3闸室与4闸室水位水平、5闸室与下游水位水平后，采用集中控制系统开启6、4、2闸首闸门，相应通航信号灯变绿，B闸次船舶驶出五闸室进入下游引航道，船闸空载，设备停止运行；

4)利用集中控制系统，将2闸首、3闸首防撞警戒装置设置为切除状态，待首批上行船舶进入5闸室，手动将3闸首防撞装置提升到位，船闸恢复运行，至此五级船闸下行转变为上行运行方式转换完毕。

实施例2(以三峡五级船闸上行换下行运行方式为例)

实施例2的初始状态为：三峡五级船闸内有一闸次船舶A向1闸室移泊完毕，上行最后一闸次船舶B向3闸室移泊完毕(n＝3)，通过船闸视频监控系统已确认船舶靠泊完毕，船闸处于换向运行初始状态。五级船闸2、3闸首设置有防撞警戒装置，防撞警戒装置上升到位且处于切除状态。此时船闸运行状态模拟参数为：

将运行状态模拟参数代入所建立的连续多级船闸换向运行模型，生成的具体换向操作方案如下：

1)确认各闸次船舶移泊完毕后，利用船闸集中控制系统操作同步关闭2、4、6闸首闸门，开启1、3、5闸首阀门进行输水，使1闸室与上游水位水平、2闸室与3闸室水位水平、4闸室与5闸室水位水平后，采用集中控制系统操作开启1、3、5闸首闸门，相应通航信号灯变绿，A闸次船舶驶出1闸室进入上游引航道，B闸次船舶向2闸室移泊完毕；

2)利用集中控制系统同步关闭1、3、5闸首闸门，开启2、4、6闸首阀门进行输水，使1闸室与2闸室水位水平、3闸室与4闸室水位水平、5闸室下游水位水平后，采用集中控制系统开启2、4、6闸首闸门，相应通航信号灯变绿，B闸次船舶向1闸室移泊完毕；

3)利用集中控制系统同步关闭2、4、6闸首闸门，开启1、3、5闸首阀门进行输水，使1闸室与上游水位水平、2闸室与3闸室水位水平、4闸室与5闸室水位水平后，采用集中控制系统开启1、3、5闸首闸门，相应通航信号灯变绿，B闸次船舶驶出1闸室进入上游引航道，船闸空载，设备停止运行；

4)利用集中控制系统，将2闸首、3闸首防撞警戒装置投入，手动调整2闸首防撞警戒装置下降到位、3闸首防撞警戒装置上升到位。待首批下行船舶进入1闸室，船闸恢复运行，至此五级船闸上行转变为下行运行方式转换完毕。

Claims (8)

1.连续多梯级船闸运行控制系统，其特征是：包括闸阀门拖动控制系统(2)、船闸通航信号系统(3)、广播指挥系统(4)、视频监控系统(5)和集中控制监控系统(1)，集中控制监控系统(1)与系统电源连接(6)，集中控制监控系统(1)的输入端与视频监控系统(5)连接，集中控制监控系统(1)的输出端与闸阀门拖动控制系统(2)、船闸通航信号系统(3)和广播指挥系统(4)相连。

2.根据权利要求1所述的连续多梯级船闸运行控制系统，其特征在于，所述的船闸通航信号系统(3)包括远程信号、进闸信号和出闸信号；

所述的广播指挥系统(4)由号角扬声器、功率放大器、四通道播放终端、交换机、分区控制器、电源时序器、广播呼叫站、音频矩阵切换器和功放主备切换器组成。

3.根据权利要求1所述的连续多梯级船闸运行控制系统，其特征在于，所述的闸阀门拖动控制系统(2)结构为：包括工作闸门及阀门(7)，工作闸门及阀门(7)与液压油缸(8)连接，液压油缸(8)与油箱及控制阀组(10)连接，油箱及控制阀组(10)前端设有电机油泵组(9)，油箱及控制阀组(10)由阀控主回路(11)驱动，油泵(9)由拖动主回路(12)驱动，阀控主回路(11)与控制回路(13)连接，控制回路(13)和拖动主回路(12)与电源回路(14)连接。

4.根据权利要求3所述的连续多梯级船闸运行控制系统，其特征是：所述的闸阀门拖动控制系统(2)的控制器采用PLC，控制系统还包括数据采集单元模块。

5.使用上述权利要求1-4任一所述装置的连续多梯级船闸运行换向方法，结合同步输水运行操作方式，其特征在于,包括以下步骤：

步骤一：确定换向模式，数据采集单元获取通航调度系统中船闸区域上游引航道与下游引航道的待闸船舶数，根据船舶上下行过闸需求确定换下行或换上行运行模式；

步骤二：定义船闸运行状态模拟参数,建立连续多级船闸换向运行模型，根据模型分析得到上下行换向运行模式所需运行状态模拟参数值与闸阀门动作之间对应关系；

步骤三：依据数据采集单元所采集的船闸控制系统数据以及视频监控系统的辅助，获取连续多级船闸运行状态参数，包括闸阀门设备状态、闸室水位状态、船舶所在闸室防撞装置状态，将所采集到的船闸运行状态参数代入多级船闸换向运行模型，生成针对连续多级船闸的具体换向操作流程及方案。

6.根据权利要求5所述的连续多梯级船闸运行换向方法，其特征在于，所述的运行状态模拟参数的具体定义为：

对于N级船闸(N≥2)，从上游向下游方向将船闸各级闸门依次编号为1号闸门、2号闸门、…、N+1号闸门，将船闸各级阀门依次编号为1号阀门、2号阀门、…、N+1号阀门，将船闸各级闸室依次编号为1闸室、2闸室、…、N闸室，N级船闸下行为船舶由1号闸门向N+1号闸门方向过闸的运行方式，N级船闸上行为船舶由N闸首向1闸首方向过闸的运行方式；

假设换向最后一闸次船舶处于第n闸室，设置闸门状态模拟参数L_i用来描述此时第i号闸门的开关状态，L_i＝1表示第i号闸门处于开终状态，L_i＝0则表示第i号闸门处于关终状态；设置阀门状态模拟参数V_i用来描述此时第i号阀门的开关状态，V_i＝1表示第i号阀门处于开终状态，V_i＝0则表示第i号阀门处于关终状态；此时第i闸室稳态水位为W_i，其中i≤N。

7.根据权利要求6所述的连续多梯级船闸运行换向方法，其特征在于，同步输水运行操作与船闸换向时的运行状态模拟参数的对应关系为：

(1)下行换上行的同步输水运行方式：

1)通过视频监控系统确定多级船闸内各闸次船舶处于移泊完毕状态；

2)确定单向运行最后一计划闸次船舶向第n闸室移泊完毕，判定n的奇偶性；

3)若n为奇数，此时船闸状态模拟参数为：

参数状态1

此时同步关闭所有奇数编号闸门的操作，闸门关终后船闸状态模拟参数为：参数状态2

此时执行同步开启所有偶数编号阀门的操作，该阀门上下游两侧闸室充泄水达到水位相平时，船闸状态模拟参数为：

参数状态3

此时执行关闭阀门、开启所有偶数编号闸门的操作，闸门开终后，船闸内各闸次船舶向下一级闸室移泊，进入步骤5)；

4)若n为偶数，此时船闸状态模拟参数为：

参数状态4

此时同步关闭所有偶数编号闸门的操作，闸门关终后，多级船闸状态模拟参数为：

参数状态5

此时同步开启所有奇数编号阀门的操作，该阀门上下游两侧闸室充泄水达到水位相平，船闸状态模拟参数为：

参数状态6

此时执行关闭阀门、开启所有奇数编号闸门的操作，闸门开终后，船闸内各闸次船舶向下一级闸室移泊，进入步骤5)；

5)最后闸次船舶进入第n+1闸室，返回执行同步输水运行方式步骤1)，循环往复，直至全部船舶出闸完毕(n＝N+1时)后停止运行；

(2)上行换下行的同步输水运行方式：

1)通过视频监控系统确定多级船闸内各闸次船舶处于移泊完毕状态；

2)确定单向运行最后一计划闸次船舶向第n闸室移泊完毕，判定n的奇偶性；

3)若n为奇数，此时船闸状态模拟参数为：

参数状态7

此时同步关闭所有偶数编号闸门，闸门关终后，多级船闸状态模拟参数为：参数状态8

此时同步开启所有奇数编号阀门，该阀门上下游两侧闸室充泄水达到水位水平时，船闸状态模拟参数为：

参数状态9

此时执行关闭阀门、开启所有奇数编号闸门，闸门开终后，船闸内各闸次船舶向下一级闸室移泊，进入步骤(5)；

4)若n为偶数，此时船闸状态模拟参数为：

参数状态10

此时同步关闭所有奇数编号闸门，闸门关终后，多级船闸状态模拟参数为：

参数状态11

此时同步开启所有偶数编号阀门，该阀门上下游两侧闸室充泄水达到水位水平时，船闸状态模拟参数为：

参数状态12

此时执行关闭阀门、开启所有偶数编号闸门，闸门开终后，船闸内各闸次船舶向下一级闸室移泊，进入步骤5)；

5)最后计划闸次船舶进入第n-1闸室，返回执行同步输水运行方式步骤1)，循环往复，直至全部船舶出闸完毕(n＝0时)后停止运行。

8.根据权利要求5所述的连续多梯级船闸运行换向方法，其特征在于，针对连续多级船闸的具体换向操作流程及方案为：

(1)N级船闸下行转换上行换向模式：

1)根据最后闸次船舶所在闸室编号n，确定船闸换向操作开始时刻、换向开始状态；

2)根据N级船闸闸门运行状态模拟参数L_i、阀门状态模拟参数V_i和闸室水位参数W_i，结合多级船闸换向运行模型计算，生成各级闸室输水运行流程；

3)在船闸集中控制系统中，设置船闸状态参数，包括：闸门防撞警戒装置投入/切除状态，调整闸门防撞警戒装置位置；

4)将上行第一闸次船舶开始进闸的时刻记为换向操作完毕时刻，船闸继续采用同步输水运行方式充泄水，由空载向满载状态重新转换，船闸运行方向转换完毕；

(2)N级船闸上行转换下行换向模式：

1)根据最后闸次船舶所在闸室编号n，确定船闸换向开始时刻及状态；

2)根据N级船闸闸门运行状态模拟参数L_i、阀门状态模拟参数V_i和闸室水位参数W_i，结合模型中对应的操作方案，生成各级闸室输水运行流程；

3)在船闸集中控制系统中，设置船闸状态参数，包括：防撞警戒装置参数、位置状态；

4)将下行第一闸次船舶开始进闸的时刻记为换向操作完毕时刻，船闸继续采用同步输水运行方式充泄水，由空载向满载状态转换，船闸运行方向转换完毕。

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