三峡枢纽河段应急通航控制技术研究

摘要

应急通航是指某些不利因素造成非正常或突发状况，通过采取合理的技术手段、组织方式或控制策略减少对水上交通的影响、提高船舶通过能力的活动过程。造成非正常或突发状况的不利因素包括恶劣水文气象条件、异常交通状况、交通管制、航道受限等多方面。文中主要针对三峡枢纽河段几种典型的不利水文气象因素展开非常态条件下的应急通航关键技术及控制策略研究。 随着三峡船闸过闸运量不断增加，船闸通过能力不足使三峡枢纽河段船舶积压呈常态化。在恶劣气象、汛期大流量、船闸停航检修、防洪发电等特殊时段，三峡枢纽河段船舶通航压力进一步加剧。目前，三峡枢纽河段通航管理措施主要为临时性和限制性的局部控制，当能见度、风级和流量达到设定值时，三峡枢纽河段船舶将停止通航。针对三峡枢纽河段典型不利水文气象条件，开展船舶应急航行技术及通航管理控制策略研究，探寻优化通航控制条件的可行性，通过采用船舶航行能力提升技术手段和通航管理策略，以提高三峡枢纽河段船舶通航能力、缓解船舶积压，为三峡枢纽河段应急通航管理提供决策支持。 首先，通过分析不利水文气象条件对三峡枢纽河段通航的影响，提出了通航积压量的概念及其计算公式，并定量分析了3种典型水文气象条件对三峡枢纽河段船舶通航的影响程度。 其次，针对能见度不良条件提出了三峡枢纽河段可视化辅助船舶驾驶技术方案。利用虚拟现实技术分别建立了三维环境视景模型、三维航道模型（包括水上及水下部分）、三维水流数值模型和船舶运动视景模型，基于多传感器的多源信息融合构架了可视化辅助驾驶系统。 再次，利用船舶稳性条件理论推导和航行仿真试验相结合的方法，确定了三峡枢纽河段各代表船型的抗风等级，提出了大风条件下拖船辅助抗风航行技术，优化了原有大风通航控制条件。 第四，针对汛期大流量提出了船舶减载航行和应急绑拖技术。通过理论计算确定了三峡枢纽河段各代表船型不同流量下的拖带需求，并提出了应急拖船配布方案；通过求解不同水流条件下船舶航行阻力与载重量关系，确定了船舶减载航行方案，利用实船实验推理和验证了研究结论。 第五，提出了三峡枢纽河段应急通航控制策略，针对能见度不良、大风和汛期大流量实施分级通航管理，并定量分析了成果应用后的通航积压率。 论文的主要创新性成果包括： 1）典型环境条件下的船舶航行能力提升技术 提出了一套解决典型不利水文气象条件下的船舶航行能力提升技术方案，通过理论模型、数值计算、实验室仿真和实船实验等论证了其可行性。利用三维可视化辅助船舶驾驶技术、拖船辅助抗风航行技术，以及应急绑拖和减载航行技术，构建了非常态条件下提升船舶航行能力的系统性解决方案。 2）船舶通航控制条件优化技术 应用航行能力提升技术，突破现有的单船航行水文气象限制条件，制定了不同船型、不同吨级船舶的航行控制标准，实行三峡枢纽河段分级航行的应急通航管理策略，优化了三峡枢纽河段船舶通航控制条件。 3）大流量下船舶动力补偿理论模型和计算方法 结合山区河流船舶航行受力特征，建立了基于船舶航行阻力、船舶推力及拖船马力的动力补偿模型，提出了拖船协助和减载航行2种动力补偿计算方法。

目录

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第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 选题来源

1.3 国内外研究综述

1.4 研究内容与方法

1.5 研究思路和论文框架

第2章 三峡枢纽河段应急通航需求分析

2.1 三峡枢纽河段通航需求分析

2.2 三峡枢纽河段船舶积压致因分析

2.3 典型不利水文气象条件下通航积压率

2.4 本章小结

第3章 能见度不良条件下应急航行关键技术研究

3.1 航行环境感知技术

3.2 船载信息融合技术

3.3 船舶运动姿态辨识

3.4 三维可视化辅助船舶驾驶系统

3.5 可视化辅助船舶驾驶系统的技术标准

3.6 可视化辅助船舶驾驶系统集成布设方案

3.7 本章小结

第4章 大风条件下船舶航行能力提升技术研究

4.1 三峡枢纽河段大风天气下船舶航行现状

4.2 大风条件下的船舶运动及操纵特性

4.3 船舶抗风等级

4.4 拖船辅助抗风航行技术

4.5 大风应急航行控制标准

4.6 航行仿真试验

4.7 本章小结

第5章 汛期大流量条件下应急航行技术研究

5.1 水流干扰下船舶航行特征

5.2 船舶减载航行技术

5.3 应急拖船绑拖技术

5.4 实船实验验证

5.5 本章小结

第6章 三峡枢纽河段应急通航控制策略研究

6.1 船舶分级航行控制策略

6.2 通航能力提升及量化分析

6.3 本章小节

第7章 研究结论与展望

7.1 研究总结

7.2 创新点

7.3 研究展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间的科研成果及参加的科研项目