西部交通建设科技项目.doc

西部交通建设科技项目 合同号 2003 328 952 45 陕西省交通厅航运管理局 交通部天津水运工程科学研究所 大连海事大学 交通部水运科学研究所 西安理工大学 2006 年 4 月 汉江 陕西段 航运关键技术研究汉江 陕西段 航运关键技术研究 研究报告 简本 研究报告 简本 中 文 题 名 汉江 陕西段 航运关键技术研究 英 文 题 名 Key Technical Research in Han Jiang Shanxi Section Shipping 完 成 单 位 陕西省交通厅航运管理局 交通部天津水运工程科学研究所 大连海事大学 交通部水运科学研究所 西安理工大学 项目起止年限 2003 年 5 月至 2005 年 10 月 项目负责人 余茂华 陕西省交通厅航运管理局 高级工程 师 邵争胜 陕西省交通厅航运管理局 高级工程师 张 鹭 交通部水运科学研究所 教授级高工 项目主要参加人 任宏安 陕西省交通厅航运管理局 高级工程 师 张淑芳 大连海事大学 教授 博导 黄 强 西安理工大学 教授 博导 李一兵 交通部天津水运工程科学研究所 研究员 陈洲峰 交通部水运科学研究所 副研究员 胡 青 大连海事大学 博士 赵连白 交通部天津水运工程科学研究所 研究员 叶 林 西安理工大学 教授 3 王一峰 交通部水运科学研究所 研究实习员 冯 雷 陕西省交通厅航运管理局 高级经济师 苗隆德 西安理工大学 教授 李旺生 交通部天津水运工程科学研究所 研究员 I 目目 录录 1 1 项目背景与研究目的项目背景与研究目的 1 1 2 2 主要研究成果及实施方案主要研究成果及实施方案 3 3 2 12 1 主要研究成果主要研究成果 3 3 2 1 12 1 1 安康枢纽变动回水区航道治理技术研究安康枢纽变动回水区航道治理技术研究 3 3 2 1 22 1 2 汉江通航建筑物选型及平面布置研究汉江通航建筑物选型及平面布置研究 4 4 2 1 32 1 3 汉江航行安全保障综合信息系统技术研究汉江航行安全保障综合信息系统技术研究 5 5 2 22 2 项目方案实施项目方案实施 7 7 3 3 关键技术关键技术 8 8 4 4 项目创新点项目创新点 9 9 5 5 项目社会经济效益及应用前景项目社会经济效益及应用前景 1010 1 1 1 项目背景与研究目的项目背景与研究目的 汉江发源于陕西省宁强县 流经汉中 安康两市 于白河县进入湖北 后 在武汉市汇入长江 全长 1567 公里 其中陕西段 709 公里 汉江是 长江最 大的一 级支流 是陕西 省最重 要的通 航河流 也是陕西省通江达海 沟通东部地区的唯一水上通道 汉江安康 至汉口是长江水运主通道构成之一 在交通部内河航运建设规划中被列入 第一开发层次 将作为国家交通运输总体布局 北煤南运 西煤东调 的一条重要的运输通道 经济 战略地位极为重要 目前汉江正在建设黄 金峡 石泉 喜河 安康 旬阳 蜀河 夹河七级梯级水电站 同时建设 过船建筑物 保证汉江通航 2003 年 为了更好地贯彻 西部大开发 的发展战略 推动西部地 区的经济建设 经交通部批准开展了西部交通建设科技项目 汉江 陕西 段 航运关键技术研究 的研究工作 本项目针对汉江流域的特点 以汉 江梯级开发 水运主通道建设和汉江漩涡至安康航运建设工程为依托 主 要开展了安康枢纽变动回水区航道治理技术 汉江通航建筑物选型及平面 布置和汉江航行安全保障综合信息系统技术等三个方面的研究工作 本项目的总体目标是 通过项目的研究 解决汉江水运主通道建设中 的关键技术 研究汉江坝间变动回水区航道治理技术 研究通航建筑物 选型及平面布置 研究开发适用于汉江的航行安全保障综合信息系统 并 将科研成果应用于正在进行的航运建设工程 汉江梯级开发建设工程和将 来的生产管理中去 一方面解决依托工程中技术复杂的疑难问题 为生产 建设服务 另一方面促进汉江梯级开发和汉江水运主通道的早日形成发挥 2 作用 为陕西省乃至整个西部地区的经济建设服务 目前 由于汉江梯级开发建设和西康铁路投入运营的带动影响 近年 来的水运客货运量呈逐年大幅度增长的态势 汉江流域的全面开发势在必 行 并具有现实意义 通过项目的研究和实施 将进一步解决安康枢纽变 动回水区航道治理 汉江通航建筑物选型及其平面布置以及汉江安全保障 通信等建设工程中的关键技术问题 对于提升工程建设技术水平 满足汉 江流域通畅 安全的航运要求 以科技创新促进工程建设具有重要意义 从而使汉江水运主通道的建设得以在一个较高的水平上起步 并形成可持 续发展良好局面 本项目研究由陕西省交通厅航运管理 局 交通部天津水运工程科学研究所 大 连理工大学 交通部水运科学研究所 西 安理工大学等五个单位承担 项目的研究 从 2003 年 5 月开始至 2005 年 10 月 经过 了两年多的工作 完成了合同规定的研究 内容 达到了考核目标 3 2 2 主要研究成果及实施方案主要研究成果及实施方案 2 12 1 主要研究成果主要研究成果 2 1 1 安康枢纽变动回水区航道治理技术研究 1 安康水库变动回水区航道整治原则研究 两坝间变动回水区航道的设计流量和设计水位 通过分析和计算 确定两坝间变动回水区航道的设计流量为 74m3 s 设计水位为对应该流量级时的水位 两坝间变动回水区航道的整治参数 整治流量和整治水位 安康变动回水区航道整治流量和整治水位可以根据造床流量法和平滩 水位法确定 通过分析和计算 确定两坝间变动回水区航道的整治流量为 150m3 s 整治水位为设计水位以上 0 6 1 0m 整治线宽度 在确定整治线宽度时 应该考虑河床冲刷粗化的影响 通过分析研究 提出了考虑河床粗化的整治线宽度确定方法 经过计算 求等安康变动回水区航道整治线宽度为 70 100m 变动回水区航道的整治原则 变动回水段的宽浅河段或者沙卵石河段的浅滩主要采取整治建筑 物来缩窄河床过水面积 通过沿程 调整整治线宽度和整治建筑物高程 来增加消落期或退水期的航槽流速 延长冲刷历时 以达到设计航道尺 度 必要时采取疏炸手段达到航道 尺度要求 对于相对较窄的卵石浅滩 和基岩河床浅滩或者急流险滩 主二维数模计算区域网格布置图 4 要通过基建性的挖槽或者爆破手段 来增加航深或者调整比降流速等通航 水流条件参数 来达到通航要求的目的 本河段距离在建的喜河枢纽仅十几公里 距离较近 喜河枢纽运 用后势必会造成下游沙卵石河床的冲刷 因此 整治建筑物的高度不宜过 高 整治建筑物的位置高度等确定要考虑未来可能产生的影响 以达到航 电共存和水能综合利用的目的 2 满足通航保证率下石泉和安康电站的运用方式研究 通过一维非恒定流数学模型计算 研究了石泉电站两种典型日调节泄 水波在安康水库不同运用状态下的传播过程 为满足漩涡至汉王城河段的 通航保证率 提出了石泉枢纽电站日调节 72 小时运行模式 并对在建的 喜河枢纽今后的调度方式提出了要求 使之既能满足下游航道通航保证率 的要求 又能充分考虑到电站发电的效益 3 漩涡至汉王城河段航道整治方案研究 通过二维数值模拟计算和实体模型试验 对漩涡至汉王城河段变动回 水区 5 个主要滩险的整治方案进行了研究 并提出了整治工程布置推荐方 案 供设计和施工采用 2 1 2 汉江通航建筑物选型及平面布置研究 1 对汉江水运的发展 过坝运量进行分析和预测 采用统计方法预测旬阳 蜀河 白河电站枢纽货运过坝运量分别为 2010 年 192 万 t 375 万 t 395 万 t 2020 年 246 万 t 589 万 t 619 万 t 2 根据汉江陕西段下游三个梯 级的特点 合理 经济的提出了两 套平面布置方案 3 对关键的船闸输水系统进行 具体布置 并进行了科学详细的水 力计算 计算判别系数 确定船闸 汉江通航建筑物选型及平面布置 物理试验模型研究 5 输水系统采用分散型闸底长廊道侧支孔型式 计算输水阀门开启时间为 78 96 s 1 316min 计算船闸输水系统输水时间为 463 65 s 即约为 7 8min 计算船队在闸室的停泊条件判断 确定灌水时船队在闸室的停泊 条件满足要求 计算年过闸船舶总载重吨位为 386 4 万 t 计算通航的年过闸耗水量约为 20820 万 m3 4 以最大削峰为准则 进行优化调度 通过对优化模型求解 使得蜀河枢纽泄洪参数在发生百年一遇洪水时 比原设计削减洪峰流量 3949 m3 s 在发生千年一遇洪水时 比原设计 消减洪峰流量 7145 m3 s 从而取消两孔泄洪闸 5 就航运部门提出的方案对发电 泄洪 施工的影响进行综合分析研 究 2 1 3 汉江航行安全保障综合信息系统技术研究 1 系统工作原理的研究 系统在物理分布上主要由分布在不同地理位置的船载终端设备 GPRS 通信网络和监控中心组成 系统的软件设计采用了模块化设计思想和软件工程管理方法 使整个 系统具有后向平滑扩展性和易维护性 系统从功能上可以分为 船舶跟踪 与调度子系统 交 通管理子系统 安 全控制与遇险报警 子系统 网络信息 共享子系统 以及 各个子系统中所涉 及的 CTI 语音呼叫 子系统 网络通信 子系统 GIS 地图 GPS 定位卫星 系统运营中心 各种船舶终端 GPRS CDMA 网络 监 控 中 心 内 部 L A N DDN 路由器 防火墙 交换机 操 作 员 终 端 PSTN SD EN DIGITAL MODEMS MICA BANK 0 MICA BANK 1 MICA BANK 2 MICA BANK 3 MICA BANK 4 SD 4 v 网络打印机 Back UPS Pro 6 5 0 UPS 供电系统 WEBGIS CTI服务器 GPRS SQL服务器 汉江航行安全保障综合信息系统物理拓扑图 6 显示子系统 船载终端和加密解密子系统 2 GPRS 无线通信网络的数据平台系统研究 通过 GPRS 网络的专用 APN 接入方式建立系统加密实时数据传输平台 采用基于 IP 业务面向连接的 TCP IP 数据传输技术 以保障数据传输的可 靠性和实时性 系统在各种数据传输 交流和存储过程中应用了自适应 8 位和 16 位 DES 加密算法 保证了系统数据的安全性 3 汉江航行安全保障综合信息系统研究 系统的业务功能体现在系统的各种执行子系统 操作员终端调度软 件和系统管理软件中 主要包括船舶跟踪与调度子系统 安全控制与遇险 报警子系统 GIS 显示子系统 CTI 呼叫中心子系统和系统管理子系统等 4 系统网络信息共享机制研究 网络信息共享机制基于地理信息系统 GIS 设计 采用了 B S 结构 使用户直接使用浏览器便可进 行登录操作 功能设计上 系 统充分考虑了远程用户的现实 需求 除可以显示电子江图和 现场监控功能外 还具备实时 查询地理信息 船舶基本信息 地物查询 个别船舶跟踪 历 史轨迹回放等功能 使用户在 浏览 监控的同时可以了解更 多的现场信息 5 适应汉江安全航行控制和交通管理的船载终端原理与功能研究 船载终端硬件模块主要包括 GPS 定位数据采集 模块 GPRS 数据通信模块 液晶显示模块 键盘控 制模块 还包括可选的报警模块 语音提示模块 视频数据采集模块 I2C 的 IC 卡数据采集模块以及 总体功能设计 MapXtreme SQL 2000 Server 点 击 查 询 漫 游 功 能 放 大 功 能 缩 小 功 能 鹰 眼 功 能 地 理 信 息 查 询 船 舶 跟 踪 功 能 历 史 轨 迹 查 询 船 舶 信 息 查 询 网络信息共享子系统功能设计框图 7 现场调查现场调查现场调查 专家咨询专家咨询专家咨询 数学模型计算数学模型计算数学模型计算 软硬件研发软硬件研发软硬件研发 物理模型试验物理模型试验物理模型试验 软件测试软件测试软件测试 现场调查现场调查现场调查 专家咨询专家咨询专家咨询 数学模型计算数学模型计算数学模型计算 软硬件研发软硬件研发软硬件研发 物理模型试验物理模型试验物理模型试验 软件测试软件测试软件测试 现场调查 专家咨询 数学模型计算 软硬件研发 物理模型试验 软件测试 MCU 处理模块 船载终端在软件组成上主要包括与监控中心的系统通信模块 flash 读写和管理模块 IC 卡读写模块 中断处理模块 按键处理模块 LCD 显 示模块 时钟管理模块和外部报警响应模块等 2 22 2 项目方案实施项目方案实施 项目立项后 陕西省交通厅航运管理局和各子题承担单位采用联合攻 关的研究途径 对汉江流域相关地区进行了大量的实地考察 了解航道的 自身特性 地质地貌 水文条件 现有通信手段 网络条件等相关情况 充分发挥各参研单位的优势 确保项目目标的实现 本着 实践 理论 实践 的哲学思想 确定了总的技术开发原则 在实际的研究工作中 项目组采取了现场调查 资料分析 专家咨询 数学模型计算 物理模型 试验 软件研发 多方测试等多种方式相结合的研究手段 借鉴经验 自 主开发 立足当前 适度超前 最终保证项目顺利地圆满完成了预期的目 标 8 3 3 关键技术关键技术 3 1 1 安康枢纽变动回水区航道治理技术研究 两坝间变动回水区航道整治原则及整治参数的确定 满足设计水位要求的通航保证率的确定 满足两坝间通航保证率条件下石泉和安康电站运用方式的确定 变动回水区航道建设工程设计方案的优化 3 1 2 汉江通航建筑物选型及平面布置研究 分析汉江水运发展 对过坝运量进行预测 汉江 陕西段 下游三个梯级位于低山峡谷段 枢纽平面布置限 制较大 通航设施布置较为困难 需要提出合理而又经济的平面 布置方案 针对水电部门提出的泄流方式对航运的影响 进行分析研究 提 出相应对策 3 1 3 汉江航行安全保障综合信息系统技术研究 基于 GPRS 无线通信网络的实时数据传输平台技术 大批量船舶终端实时在线时的检测 数据处理功能和实时多终端 并发连接处理技术 适应汉江航行安全保障综合信息系统的船载终端设备 TCP IP 协 议栈技术 基于三层结构模式的分布式网络 GIS WebGIS 技术 标准的组件式和模块化的系统应用软件开发技术 9 4 4 项目创新点项目创新点 汉江 陕西段 航运关键技术研究 是针对汉江特殊地理环境条件 下进行的航运关键技术研究 其中的三个子题覆盖面广 跨度大 分别涉 及了航道整治 通航建筑物及通信和网络技术 研究成果解决了汉江流域 航运中的现实难题 并取得了如下的创新点 提出了满足通航要求的两坝间变动回水区航道的整治原则 设计 参数和工程方案 提出了石泉电站合理的日调节运行方式 并对即将建成的喜河枢 纽电站运行方式提出了要求 首次对蜀河水电站枢纽泄水建筑物泄流参数进行优化计算 在保证防洪安全的基础上 取消了两孔泄洪闸 并进行了船闸方 案的优化布置 首次将 CTI 技术应用于船舶的遇险搜救指挥之中 采用自动化控制系统中的 PID Proportional Integral Differential 控制思想 以达到平衡各个操作人员业务量的目的 基于系统平台可以实现船舶自动识别的功能 自主研发了嵌入式 TCP IP 协议栈技术实现的船载终端设备 该课题研究成果总体达到国际先进水平 10 5 5 项目社会经济效益及应用前景项目社会