一种水域漂浮垃圾物自动清理装置应用与研究

  完成单位：中国长江三峡集团有限公司流域枢纽运行管理中心

  主要完成人：吴凡、郭棉明、曹毅、程航、简铁柱、王盟、路伟、李伟雄、向旭

一、研发背景

三峡升船机作为三峡水利枢纽工程的永久通航设施之一，是目前世界上规模最大，技术难度最高的齿轮齿条爬升式垂直升船机，主要为客货轮和特种船舶的快速过坝通道。

随着长江航运的发展以及社会对长江生态保护的日益重视，作为黄金水道上快速通道的升船机面临着安全通航和绿色发展的双重压力。升船机重点水域包括闸首工作门运行区域、船厢区域和下游引航道靠船墩至下闸首区域，该重点水域长期存在一些漂浮的障碍物，主要包括自然漂/悬浮物、生活垃圾、废弃渔网渔网（或类似渔网带状物）等，障碍物在影响升船机设备设施运行及船舶航行安全、降低升船机的运行效率的同时，长期堆积污染了水质，破坏了生态环境。

（1）污染水质，破坏生态环境。漂、悬浮物、生活垃圾会污染升船机重点水域水质，破坏升船机对外形象，对通航客船上的乘客产生负面影响。废弃渔网影响了枢纽水域的鱼类生存环境。

（2）增加了设备设施的运行风险。升船机闸首卧倒门在运行过程中，位于工作门侧止水座板附近的漂浮物会造成卧倒门的侧止水与止水压板之间密封不牢，引起门体漏水，同时对于比较坚硬的漂浮物可能会引起止水橡皮的破损，对于较大的漂浮物可能会引起卧倒门开到位信号异常；漂浮物容易使船厢门两侧的支臂与船厢侧面、侧导向、侧止水、底止水部位造成卡阻，对船厢门运行产生影响；部分漂浮物经间隙密封框拦污栅进入充泄水系统中堵塞电动阀，造成系统停机，影响船厢间隙充泄水效率。

（3）影响船舶航行安全。由于下游航道比较狭窄，废弃渔网渔网（或类似渔网带状物）占用航道资源，船舶进出厢过程中螺旋桨可能被渔网等障碍物缠绕损坏，影响船舶安全航行。

目前对三峡升船机重点水域漂浮物主要依靠清漂船方式进行人工清理，船厢段的漂浮物主要依靠人工方式进行辅助清理，底部沉积物在主要依靠船厢检修排干期进行集中清理，针对下游引航道靠船墩至闸首区域存在废弃渔网（或类似渔网带状物）暂无有效的清理方式。

本项目研究立足于解决升船机重点水域障碍物对船舶通航及设备运行影响的实际问题，通过对障碍物的特性、分布规律以及对设备设施和船舶航行的影响进行研究，分别设计漂、悬浮物、底部沉积物以及渔网（或类似渔网带状物）清理装置并提出清理方法，并通过研制样机在三峡升船机现场进行功能试验，验证其可行性。通过项目研究降低障碍物对环境、升船机设备和船舶航行的影响，确保通航安全，促进生态环境保护。

  二、发明团队介绍

本项目参与人员主要是枢纽管理部职工，主要负责集团所属三峡船闸和三峡升船机运行管理工作，现有员工24人，其中硕士研究生学历16人，拥有教授级高级工程师职称2人、高级工程师职称11人，是一个老中青结合、专业与知识结构合理、富有朝气、能打硬仗的一线团队。

枢纽管理部以护航“大国重器”为己任，持续保障三峡枢纽通航建筑物安全稳定高效运行。团队荣获湖北省“2021年红旗班组”，三峡集团“2018年度红旗班组”、“2018年度创新班组”称号；被授予湖北省“2021年先进党支部”，集团公司“2019-2020年度基层示范党支部”、流域管理中心“2019-2020年度基层示范党支部”称号；2019年、2020年、2021年绩效考核、党建考核等级均为“A”。《三峡船闸安全检修关键技术研究与应用》2019年获中国安全生产协会“安全科技进步三等奖”；《三峡升船机通航运行与保障系统关键技术研究及实践》2020年获“湖北省科技进步二等奖”。《三峡升船机试通航管理创新与实践》、《党建工作与业务工作融合发展的实践与探索》获集团公司管理创新三等奖。

  三、成果(专利)简介

基于水域漂浮垃圾物自动清理装置应用与研究，本项目产生一系列科技成果，共获得授权实用新型专利2项，授权发明专利2项，中文核心期刊1篇，1项发明专利进入实审阶段。其中第1项实用新型专利《一种水域漂浮垃圾物自动清理装置》为本项目的核心专利，其他专利均是在此专利的基础上进行的延伸，形成相关系列科技成果。具体科技成果如下：

表1  该项目所取得的成果目录

本项目研制的“一种水域漂浮垃圾物自动清理装置”已应用于三峡升船机重点水域漂、悬浮物的清理，其设计基于无人远程操控、智能避障及防撞、航迹规划、无舵机双螺旋桨推进及转向和无线图传技术，能适应升船机重点水域漂、悬浮物清理，清理效率高，自动化程度高，操作简单可靠，节省人力物力成本，具有手动、智能和一键返航三中清理模式。该装置具有以下技术参数：

1）船型尺寸：≤2.5m（L）×2m（W）×1.6m（H）（含天线，不含推斗）；

2）船体总重：≤260kg；

3）推斗尺寸：1.8m（长）×0.5m（W）(水面以下0.3m，水面以上0.2m)；

4）正常航行速度：≥3kn；作业速度：≥0.5kn；

5）连续工作时间：≥2h；

6）抗风浪等级：3级风；

7）可实现较大漂浮物（＞0.5m）推聚，比较小的漂浮物（≤0.5m）能够自带收集；

8）清漂装置具备夜间作业模式；

9）要求具备高清视频监控（带夜视功能），可自动避障。

通过对该装置进行现场试验，验证了其可行性，证明其满足三峡升船机现场使用要求。清理装置应用从2019年12月至今，漂、悬浮物清理完成率95%以上，一次清理作业由原来需要4人工作3小时缩减为只需2人2小时完成，降低作业劳动强度，提高作业安全性。

本项目立足于解决升船机重点水域障碍物对船舶通航及设备运行影响的实际问题，系统研究了障碍物的特性、分布规律以及对设备设施和船舶航行的影响，并针对性的设计了漂、悬浮物、底部沉积物以及渔网（或类似渔网带状物）清理装置并提出了清理方法，该套障碍物清理装置及清理方法具有自主知识产权，在改善通航环境、保障升船机设备设施运行及船舶航行安全的同时，可避免漂浮物长期沉积造成的水质污染，促进了生态环境保护，引领了行业发展，推动了行业科技进步，显著提升了在升船机障碍物清理领域的影响力，为大国重器核心技术攻关作出了重大贡献。

  四、成果（专利）转化情况介绍

本项目成果直接应用于三峡升船机现场，实现对障碍物的高效清理，节省人力物力成本，过机船舶通行效率及船舶行驶安全作为三峡升船机通航管理中重要环节，保障升船机稳定运行和船舶安全过坝，满足船方和社会对三峡升船机的期待，社会效益显著。

部分成果还可以直接推广应用到向家坝、沙沱、思林、构皮滩等升船机的障碍物清理作业，具有广阔的推广应用前景，应属于国家政策明确鼓励、支持的节能提效方向。

  五、经济效益与社会效益介绍

本项目研究解决了升船机重点水域障碍物对船舶通航及设备运行影响的实际问题，并针对性的设计了漂、悬浮物、底部沉积物以及渔网（或类似渔网带状物）清理装置并提出了清理方法，通过试制样机试验验证可行性，该研究可保障升船机的安全稳定运行，取得了较大的生态效益、经济效益和社会效益。

（1）生态效益

通过项目研究，掌握三峡升船机重点水域障碍物的特性及分布规律，通过对障碍物清理，从全年来看，汛期（6月-9月）漂浮物约三天清理一次，非汛期漂浮物的清理大约2周清理一次，一次清理约300KG。一年需清理作业58次，清理垃圾17400KG，大大减少其对水质污染，优化了三峡升船机水域环境，促进了绿色升船机建设，保护了长江黄金水道生态环境，环保效益显著。

（2）经济效益

项目完成对障碍物的清理，改善通航条件，间接提高通航效率，促进长江区域的经济发展，促进旅游经济发展，发挥了客货运输、疏解保畅、应急救援等综合效益，推进了疫情防控经济恢复。

成果应用三峡升船机现场后漂、悬浮物清理完成率95%以上，一次清理作业由原来需要4人工作3小时缩减为只需2人2小时完成，人力成本降低50%，工作效率提高33.3%，航道内废弃（或类似渔网带状物）清理率100%,降低作业劳动强度，提高作业安全性。

1）节省清理费。在障碍物专用清理装置投入以前，每次清理人工费为300/人，4人计1200元，清理船租赁费用3000/次，清理一次约4200元。采用障碍物专用清理装置后，人工费节省一半，清理船租赁费免除，一次清理作业可节省3600元。从全年来看，汛期（6~9）漂浮物约三天清理一次，非汛期漂浮物的清理大约2周清理一次，一次清理约300KG。一年需清理作业58次，清理垃圾17400KG，一年可节省清理费58×3600≈20.9万元。

2）节省备件采购与更换费用。在障碍物专用清理装置投入以前，由于障碍物等垃圾被吸入升船机充泄水系统，会造成充泄水管道内的阀门卡阻甚至损坏。通过使用该装置，可大量减少充泄水系统阀门因垃圾和异物导致的卡阻的损坏，从而节省了相应的备件采购和更换费用。据统计，平均每年有一套充泄水管道的阀门因卡阻和损坏，需采购新的阀门并组织人力进行更换。平均每年采购一套充泄水管道阀门备件的经济投入约为30万元，组织人力在计划性停航检修时进行更换的经济投入约为5万元。

3）增加升船机运行厢次数。每次清理时间可节约1小时，按照目前升船机运行效率，1小时可以完成一次船舶过厢，由于升船机作为快速过坝通道，按照通过船舶为客船计算，可多通过58艘次客船过厢，每艘船平均载客200人，船票180元计算，产生的经济效益为：58艘×200人×180元=20.9万元。

成果应用三峡升船机现场后，总计经济效益约为76.8万元/年。

（3）社会效益

三峡升船机作为在全世界范围内规模最大、技术难度最高、运行工艺最复杂的“大国重器”，具有高度的民生关联度和社会关注度，它的安全平稳高效运行受到全国乃至全世界的广泛关注。本项目成果直接应用于三峡升船机现场，实现对障碍物的高效清理，节省人力物力成本，过厢船舶通行效率及船舶行驶安全作为三峡升船机通航管理中重要环节，保障升船机稳定运行和船舶安全过坝，满足船方和社会对三峡升船机的期待，社会效益显著。并且部分成果还可以直接推广应用到向家坝、沙沱、思林、构皮滩等升船机的障碍物清理作业，具有广阔的推广应用前景，应属于国家政策明确鼓励、支持的节能提效方向。

应用实景照片