船閘作為一種通航建筑物，需要實現(xiàn)安全、快速放行船舶，為實現(xiàn)這一目標(biāo)，就需要對船閘的相關(guān)設(shè)施進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，利用新技術(shù)對船閘的運行調(diào)度進(jìn)行 自動化、智能化、規(guī)范化改造。船閘運行是按一定的邏輯步驟進(jìn)行的，即當(dāng)船只從上游經(jīng)閘室往下游運行時，閘室和上游的水位相同，船只進(jìn)入閘室后關(guān)閉上游閘 門，開啟下游船閘的左右輸水閥門，閘室水位隨之下降，待閘室水位與下游水位平齊，打開下游閘門，船舶出閘，然后開始下一流程，此運行流程即結(jié)束。

　　【摘要】船閘是通航建筑物中的重要設(shè)施，它的可靠性和運行效率將會直接影響到航運安全和運輸效率。本文針對船閘的基本特點，采用粒子群優(yōu)化算法原理，結(jié)合Abaqus有限元計算軟件，調(diào)用參數(shù)化模型和自動剖分程序，以混凝土方量最少為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行船閘結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

　　【關(guān)鍵詞】機(jī)電論文發(fā)表,船閘,自動控制程序,設(shè)計

　　1船閘自動控制程序設(shè)計原理

　　船閘是由閘室、閘門、引航道，運行系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、指示系統(tǒng)組成。以一級船閘為例，運行流程分為八個步驟，分別是：開上游閥門、開上游閘門、關(guān)上游閥門、關(guān)上游閘門、開下游閥門、開下游閘門、關(guān)下游閥門、關(guān)下游閘門。

　　船閘控制系統(tǒng)通常有程控/現(xiàn)地電氣控制系統(tǒng)，是一個典型的工業(yè)控制系統(tǒng)，經(jīng)過優(yōu)化電氣控制系統(tǒng)優(yōu)化，宿遷三號船閘采用plc自控系統(tǒng)，由上、下 游五臺PLC控制柜、三個操作臺、五只端子箱、4臺備用動力箱組成。集控室安裝一個操作臺，四閘首機(jī)房各安裝一端子箱和備用動力箱，主要包含以下幾個方 面：

　　1.1電源配置及動力設(shè)備。

　　電控系統(tǒng)的總進(jìn)線電源為雙路400V電源輸入，1路投入為整個系統(tǒng)提供電源，另1路為備用電源，備用電源可在主電源中斷時自行切換投入。二次回 路的電源均采用安全、穩(wěn)定的UPS供電方式，UPS的輸入電源從三相電中抽出一相獲得。UPS的電源輸出主要是為現(xiàn)地系統(tǒng)提供AC220V的控制回路電源 以及為直流整流裝置提供電源。

　　1.2現(xiàn)地控制系統(tǒng)

　　現(xiàn)地控制系統(tǒng)由三部分組成：上位機(jī)系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、LCU系統(tǒng)。

　　1.3上位機(jī)系統(tǒng)

　　上位機(jī)就是使用工業(yè)組態(tài)軟件編寫生產(chǎn)工藝流程，以達(dá)到直觀、清晰的顯示現(xiàn)場工藝流程的效果，工業(yè)控制組態(tài)軟件是可以從可編程控制器、各種數(shù)據(jù)采集卡等設(shè)備中實時采集數(shù)據(jù)，方便地構(gòu)成監(jiān)控畫面和實現(xiàn)控制功能，并可以生成報表、歷史數(shù)據(jù)庫等。

　　2船閘優(yōu)化設(shè)計的具體

　　中國是建造船閘最早的國家。歷史上就有秦始皇三十三年興建的靈渠上陡門就是利用單閘首上的閘門以調(diào)整門前后的水位差，達(dá)到船舶克服水位差實現(xiàn)通 航。宋代雍熙年間在西河建造了設(shè)有輸水設(shè)備的陡門，是現(xiàn)代船閘的雛形。在美國、德國、前蘇聯(lián)和中國等國家都建有大量現(xiàn)代化船閘。中國目前最大的船閘是葛洲 壩船閘，閘室長280米、寬34米、門檻水深5米。從這個情況，可以看出，船閘的程序化發(fā)展是在一步步進(jìn)行的，那么怎樣對船閘自動化控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，措 施如下：

　　程序優(yōu)化設(shè)計時，一般只需考慮用戶程序的設(shè)計。要注意對輸入和輸出信號，特別是輸出信號要作統(tǒng)一操作，掃描周期時間要控制合理，定時器的時間設(shè)定值不能小于周期掃描時間。用戶程序中如果多次對同一參數(shù)進(jìn)行賦值操作，則最后一次操作結(jié)果有效。

　　2.1參數(shù)的優(yōu)化

　　結(jié)合現(xiàn)有的船閘工程施工圖紙，首要任務(wù)是對閘首結(jié)構(gòu)的基本形狀和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析總結(jié)，提取出閘首最基本的實體結(jié)構(gòu)模型，包括：輸水廊道、門庫、空 箱、閥門啟閉機(jī)、閥門井、閘門啟閉室、閘門及閘門門軸。用基本參數(shù)確定閘首的實體結(jié)構(gòu)，通過Vb可視化界面輸入基本參數(shù)完成建模。然后由船閘設(shè)計規(guī)范知， 船閘廊道尺寸是由水力學(xué)特性設(shè)計規(guī)范求得，因此不作為設(shè)計變量。根據(jù)船閘工程地質(zhì)資料和地基開挖狀況，可確定船閘模型的外輪廊尺寸，表達(dá)外輪廓尺寸的基本 參數(shù)可以不作為設(shè)計變量得使用。

　　根據(jù)船閘結(jié)構(gòu)特點，從最大限度地減少混凝土用量的角度出發(fā)，優(yōu)化設(shè)計變量選定為部分矩形空箱的尺寸和部分高程尺寸，從而優(yōu)化設(shè)計變量原始參數(shù)和變化范圍。

　　2.2粒子群優(yōu)化

　　粒子群優(yōu)化是根據(jù)PSO算法的原理，它指得是：群體中的每個個體都有一個速度（反映位置的改變），粒子根據(jù)速度在搜索空間運動，而且每個個體都 有一個記憶單元，記下它曾經(jīng)到達(dá)過的最優(yōu)位置，整個尋優(yōu)過程就是個體根據(jù)自己先前到達(dá)過的最優(yōu)位置和其鄰域中其他個體到達(dá)過的最優(yōu)位置來改變自己的位置和 速度，從而趨向全局最優(yōu)值的聚集一個加速過程。

　　2.3網(wǎng)格自動剖分

　　根據(jù)船閘閘首結(jié)構(gòu)特征，按照網(wǎng)格劃分的原則，確定不同的網(wǎng)格分份參數(shù)，并確定分份比例，各個塊的網(wǎng)格分份參數(shù)和比例必須是獨立的，從而建立有限 元網(wǎng)格數(shù)據(jù)。一組獨立的參數(shù)來表示各個塊體3個方向的剖分份數(shù)，設(shè)置參數(shù)時要考慮塊體之間的銜接，也就是說塊體在公共邊方向的份數(shù)要相同。

　　也可以利用Fortran語言編制網(wǎng)格剖分程序。將每個塊的分份參數(shù)和分份比例導(dǎo)入，從而得到節(jié)點和單元的有限元數(shù)據(jù)。將節(jié)點信息和單元信息導(dǎo) 入有限元計算軟件Abaqus當(dāng)中，得到船閘閘首結(jié)構(gòu)的有限元模型。根據(jù)船閘的結(jié)構(gòu)形式建立幾何約束，滿足船閘設(shè)計規(guī)范所規(guī)定的各種荷載作用下的應(yīng)力約 束，主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力不能超過相應(yīng)的容許值（各不同工況的容許應(yīng)力可以有所不同）；船閘設(shè)計規(guī)范所規(guī)定的各種荷載作用下穩(wěn)定約束，其中包括抗滑穩(wěn)定約 束、抗傾穩(wěn)定約束、抗浮穩(wěn)定約束。

　　本文以船閘經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，即滿足約束條件的前提下，船閘閘首混凝土體積最小F（x）→min。不同尺寸的船閘結(jié)構(gòu)的混凝土方量可在Abaqus計算結(jié)果文件當(dāng)中直接提取。

　　2.4模型材料參數(shù)及計算工況

　　船閘是對稱結(jié)構(gòu)形式，計算中取模型的一半計算，閘首地基的水平范圍可取閘首底部輪廓寬度的2～4倍，地基深度可取閘首底部輪廓寬度的 1.0～1.5倍。地基基礎(chǔ)為巖石，部分空箱回填砂礫石，閘首結(jié)構(gòu)采用C25混凝土。計算工況首先應(yīng)計算工況的荷載水位情況，水位組合。正常蓄水位運行期 工況，上游設(shè)計水位+相應(yīng)下游水位+揚壓力+邊墩、底板等自重+回填土壓力及地面活荷載，完建工況：邊墩、底板等自重+回填土壓力及地面活荷載。檢修工 況：揚壓力+邊墩、底板等自重+回填土壓力及地面活荷載。當(dāng)然，已不能忽視這其中的一些特殊工況，比如上游洪水位+相應(yīng)下游水位+揚壓力+自重+回填土壓 力及地面活荷載。只有做到細(xì)節(jié)處才能保證系統(tǒng)更加將健全完善。

　　2.5優(yōu)化結(jié)果比對

　　優(yōu)化成果對比和應(yīng)力變形分析首先提取優(yōu)化后該船閘有限元模型地基和閘首結(jié)構(gòu)。提取船閘優(yōu)化后設(shè)計變量和目標(biāo)函數(shù)，與初始參數(shù)進(jìn)行比較。經(jīng)過比較之后的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)船閘優(yōu)化后混凝土用量減少6.57%。

　　通過程序優(yōu)化后的船閘模型參數(shù)對比可以發(fā)現(xiàn)廊道上部的實體層厚度廊道頂高程明顯變薄，厚度減小0.9m；1#空箱順?biāo)�流向可加�?.2m，橫河向長度可加大0.3m；6#啟閉器空箱尺寸可以適當(dāng)加大，從而減少混凝土用量。

　　2.6完善工況

　　完建工況，檢修工況時產(chǎn)生的拉應(yīng)力較大，就完建工況進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變成果分析，從閘首結(jié)構(gòu)主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力分布云圖中可以看出，船閘結(jié)構(gòu)總體受 壓，船閘閘首頂部、廊道出入水口、廊道拐角處、門庫與側(cè)壁的結(jié)合處、空箱內(nèi)壁等區(qū)域出現(xiàn)不同程序的主拉應(yīng)力區(qū)，主拉應(yīng)力極值出現(xiàn)在廊道與側(cè)壁的連接處的頂 部，量值不大，為0.938MPa；主壓應(yīng)力的極值為2.304MPa，發(fā)生在廊道與側(cè)壁的拐角處的頂部。

　　3總結(jié)

　　目前船閘控制系統(tǒng)還在繼續(xù)優(yōu)化中。相似的系統(tǒng)已在運河線船閘建設(shè)中投入運行。本系統(tǒng)實施過程中將吸收類似系統(tǒng)的經(jīng)驗教訓(xùn)，逐步改進(jìn)，使其更加完善。

　　參考文獻(xiàn)：

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