甌江梯級(jí)航道多船閘智能聯(lián)合調(diào)度方案研究

朱理偉　余彬

摘要：為使梯級(jí)開發(fā)后船閘全線通航暢通，需要對(duì)所有梯級(jí)的過閘運(yùn)行實(shí)行統(tǒng)一調(diào)度。本文分析了影響甌江船閘調(diào)度的主要因素，提出了聯(lián)合調(diào)度模型總體框架和解決思路，為下一步甌江航道信息化工程建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：船閘；聯(lián)合調(diào)度；方案

中圖分類號(hào)：U692 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-7973（2016）07-0026-03

甌江是浙江第二大水系，正在實(shí)施梯級(jí)開發(fā)，這給甌江的航運(yùn)事業(yè)帶來(lái)了發(fā)展機(jī)遇。根據(jù)甌江流域綜合規(guī)劃和甌江航運(yùn)發(fā)展規(guī)劃，在甌江中游麗水市區(qū)至青田段規(guī)劃建設(shè)開潭、五里亭、外雄、三溪口、青田等5座樞紐，同步建設(shè)500噸級(jí)船閘，使甌江中游達(dá)到Ⅳ級(jí)航道通航標(biāo)準(zhǔn)。如果各船閘各自獨(dú)立負(fù)責(zé)船舶過閘，那么在過閘船舶較少的情況下尚能保證過閘效率，當(dāng)過閘船舶較多的情況下，會(huì)出現(xiàn)部分船閘已經(jīng)處于滿負(fù)荷狀態(tài)，而其上游船閘仍將船舶引入，導(dǎo)致該船閘進(jìn)一步處于擁堵狀態(tài)，將嚴(yán)重影響船舶過閘的效率；或船閘處于空閑狀態(tài)，由于船舶在上游航道航行中出現(xiàn)了安全問題或事故導(dǎo)致航道堵塞，后續(xù)船舶無(wú)法通過造成較大損失。為使梯級(jí)開發(fā)后船閘全線通航暢通，有必要及早開展甌江梯級(jí)航道多船閘聯(lián)合調(diào)度方案的探討，以期對(duì)甌江航道信息化工程船閘調(diào)度信息系統(tǒng)建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

1 梯級(jí)船閘運(yùn)行管理方式

甌江梯級(jí)開發(fā)投資體制多元化，5個(gè)梯級(jí)開發(fā)全部由社會(huì)投資，業(yè)主眾多。為避免因各自利益而各自為政，梯級(jí)船閘運(yùn)行管理應(yīng)遵循以下二個(gè)基本原則。

（1）統(tǒng)一管理原則。統(tǒng)一管理的主體是交通港航部門。船閘等通航建筑物是航道的重要組成部分，其本質(zhì)作用與航道一樣具有社會(huì)公共屬性，直接服務(wù)對(duì)象是社會(huì)公眾船舶，屬于社會(huì)公共基礎(chǔ)設(shè)施。因此，從船閘屬性、作用、服務(wù)對(duì)象、管理職責(zé)分工和要求等各方面來(lái)看，船閘的行業(yè)管理主體都應(yīng)該是交通港航部門，由航道管理部門對(duì)所有梯級(jí)的過閘運(yùn)行實(shí)行統(tǒng)一管理，統(tǒng)一調(diào)度，統(tǒng)一維護(hù)，全線作為一個(gè)整體進(jìn)行船閘調(diào)度優(yōu)化。

（2）低成本運(yùn)行原則。低成本運(yùn)行是船閘運(yùn)行管理的發(fā)展方向，要求管理人員要少而精，高素質(zhì)。在初期過閘量較少的情況下，以取得管理權(quán)為主要目的；隨著過閘量的增加，將越來(lái)越依托梯級(jí)船閘集中控制系統(tǒng)，依托多船閘聯(lián)合調(diào)度管理。

根據(jù)上述統(tǒng)一管理和低成本運(yùn)行原則，甌江船閘將由麗水市港航管理局下設(shè)的一個(gè)專門船閘管理所統(tǒng)一管理中游的開潭、五里亭、外雄、三溪口、青田5個(gè)梯級(jí)船閘的運(yùn)行、維護(hù)和管理。同時(shí)，需要一個(gè)多船閘聯(lián)合調(diào)度管理系統(tǒng)的支撐，實(shí)現(xiàn)相臨船閘的聯(lián)動(dòng)或區(qū)域調(diào)度以及全線聯(lián)合調(diào)度。

2 船閘聯(lián)合調(diào)度目標(biāo)及影響因素分析

2.1 船閘聯(lián)合調(diào)度目標(biāo)

（1）實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)船舶通過能力總量最大化。通過全航道的智能感知體系獲得全航道實(shí)時(shí)通行能力和通航狀況數(shù)據(jù)，借助立體的溝通體系和智能化的船閘調(diào)度體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)在航船舶的指令性調(diào)度和干預(yù)，優(yōu)化航道區(qū)域內(nèi)在航船舶的動(dòng)態(tài)分布，以便船員可以選擇經(jīng)濟(jì)航速和規(guī)劃停泊地點(diǎn)，提高航運(yùn)效益和航行質(zhì)量。

（2）船舶交通流量合理化。根據(jù)航段航道條件、錨地位置、數(shù)量和錨泊總量、在航船舶、待閘船舶、船閘通過能力的情況，進(jìn)行基于預(yù)測(cè)模型的流量預(yù)警與控制，通過船閘聯(lián)合調(diào)度，將船舶交通流量合理的分散到不同梯級(jí)航段，避免在某梯級(jí)或某航段出現(xiàn)通行瓶頸或嚴(yán)重堵塞，影響全程通過能力。必要時(shí)對(duì)梯級(jí)船閘進(jìn)行流量控制，超出限量范圍，無(wú)法進(jìn)行調(diào)度流程。

（3）實(shí)現(xiàn)特種船舶的全線不停船通行和為特殊船舶提供定制航線服務(wù)。突發(fā)情況下，通過定位、跟蹤，實(shí)時(shí)監(jiān)控各類特種船舶或特別物資的運(yùn)輸，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)通過船閘的時(shí)間，提前安排，隨到隨過，快速通過。為集裝箱運(yùn)輸船舶等提供定制服務(wù)，使得運(yùn)輸企業(yè)可以準(zhǔn)確掌握運(yùn)輸時(shí)間，大大提高轉(zhuǎn)運(yùn)、出關(guān)各環(huán)節(jié)銜接的可靠度，進(jìn)一步拓展集裝箱水路運(yùn)輸空間和范圍。

2.2 影響船閘聯(lián)合調(diào)度的因素

船閘聯(lián)合調(diào)度核心目標(biāo)是通過信息化手段實(shí)現(xiàn)包括單級(jí)船閘的智能調(diào)度和多級(jí)船閘間的聯(lián)合調(diào)度在內(nèi)的智能交通誘導(dǎo)與控制，大幅提升航道的航運(yùn)效率和服務(wù)質(zhì)量。智能交通誘導(dǎo)與控制是在航道各類感知數(shù)據(jù)大綜合的基礎(chǔ)上，結(jié)合船閘智能調(diào)度系統(tǒng)，判斷各航段的實(shí)時(shí)通航能力和通航狀況，通過船載MS終端（或GPS或北斗等終端）獲得船舶的位置、時(shí)間等信息，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)調(diào)度實(shí)現(xiàn)單個(gè)船閘閘室面積和同級(jí)多船閘之間的總體閘室面積利用率最大化、船舶平均待閘時(shí)間最小化、甌江通航狀況流暢化、閘室運(yùn)行成本最小化（即合理的開閘計(jì)劃），最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)航道多級(jí)船閘間的聯(lián)合調(diào)度。甌江船閘聯(lián)合調(diào)度的影響因素主要有下面幾個(gè)方面。

（1）過閘船舶。聯(lián)合調(diào)度對(duì)象是船舶，準(zhǔn)確掌握船舶基礎(chǔ)信息和實(shí)時(shí)位置信息是實(shí)現(xiàn)聯(lián)合調(diào)度的前提。過閘船舶數(shù)量、船型以及船型分布、船舶到達(dá)的規(guī)律和上下游船舶的運(yùn)輸比例都直接影響著過閘的營(yíng)運(yùn)以及船閘聯(lián)合調(diào)度規(guī)則的設(shè)置。

（2）船閘尺度。船閘聯(lián)合調(diào)度在考慮提高每個(gè)閘室的利用率的同時(shí)，又要考慮為不同尺度的船閘分配相應(yīng)等級(jí)的船舶。

（3）待閘錨泊區(qū)。待閘錨泊區(qū)的設(shè)置既用于平時(shí)船舶的?？亢痛l，也可用于區(qū)間航道飽和預(yù)警時(shí)船舶的分流和調(diào)度指定?？奎c(diǎn)，能夠提高船閘的運(yùn)行效率。在船閘聯(lián)合調(diào)度時(shí)，要考慮待閘錨泊區(qū)的使用和調(diào)度問題。

（4）船閘的運(yùn)行狀態(tài)。船閘的運(yùn)行狀態(tài)分為上行運(yùn)行、下行運(yùn)行、上行空閑和下行空閑4個(gè)狀態(tài)，在為錨地船舶分配船閘時(shí)要綜合考慮各船閘的運(yùn)行狀態(tài)，以便船舶更快地通過船閘，減少等待時(shí)間。

（5）水文環(huán)境。甌江梯級(jí)航道的水文環(huán)境復(fù)雜，水位變化大，直接影響船舶的航行速度，甚至不滿足通航條件。

3 多級(jí)船閘聯(lián)合調(diào)度方案

3.1 聯(lián)合調(diào)度實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)

根據(jù)上述分析，在多個(gè)船閘實(shí)現(xiàn)船舶過閘聯(lián)合調(diào)度，應(yīng)首先需要以下條件：①建立統(tǒng)一的過閘聯(lián)合調(diào)度中心，在各船閘均配備相應(yīng)信息化系統(tǒng)；②應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶、船閘運(yùn)行狀況、航道交通、水文環(huán)境、錨泊區(qū)的監(jiān)控、監(jiān)測(cè)；③船舶配備船載機(jī)，中心系統(tǒng)能夠獲得船舶的定位信息，并能夠與船舶通信以實(shí)現(xiàn)船舶水上安全監(jiān)管；④為提高效率，應(yīng)具備ETC或在線支付手段；⑤為提高效率和社會(huì)效益，應(yīng)提供公眾服務(wù)信息給用戶；⑥制定各類規(guī)章制度以保證聯(lián)合調(diào)度指令執(zhí)行的順利進(jìn)行；⑦系統(tǒng)應(yīng)能對(duì)發(fā)生的環(huán)境災(zāi)害和水上交通事故具備較快的應(yīng)急處置能力；⑧具有單船閘過閘算法的優(yōu)化。

3.2 聯(lián)合調(diào)度模型總體框架

甌江梯級(jí)航道船閘聯(lián)合調(diào)度應(yīng)以優(yōu)先保障通航為指導(dǎo)，構(gòu)建科學(xué)、有效的船閘調(diào)度規(guī)則，通過信息化手段提升船舶過閘效率、規(guī)范管理行為，在有效調(diào)度時(shí)間內(nèi)充分利用好船閘航運(yùn)資源，做到優(yōu)化調(diào)度，細(xì)化管理，實(shí)現(xiàn)通航調(diào)度管理的全面升級(jí)。

（1）規(guī)范甌江船閘調(diào)度原則。在充分借鑒蘇北運(yùn)河船閘調(diào)度管理經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，制定船閘調(diào)度原則，用以指導(dǎo)船舶過閘全過程。在非應(yīng)急狀態(tài)下，船舶過閘應(yīng)在總體上達(dá)到先到先過，保證公平，兼顧重點(diǎn)。調(diào)度指令統(tǒng)一下達(dá)，在排檔時(shí)充分利用閘室有效面積，使船閘閘室面積利用率最高，開閘次數(shù)盡量少，緩解“水電”矛盾。

（2）構(gòu)建甌江船閘智能調(diào)度算法。利用數(shù)學(xué)建模技術(shù)構(gòu)建甌江船閘調(diào)度模型，利用數(shù)學(xué)智能優(yōu)化技術(shù)構(gòu)建調(diào)度算法求解調(diào)度模型，最終生成以調(diào)度原則為指導(dǎo)的船舶過閘方案。方案主要包括錨地使用方案、閘室排檔方案、船閘運(yùn)行計(jì)劃。模型應(yīng)考慮包括船舶流量、船閘上下游水文、氣象、船閘閘室設(shè)計(jì)尺度（長(zhǎng)、寬、底檻水深等）、待閘船舶類別及尺度、錨地資源、在航船舶動(dòng)態(tài)等因素。考慮到過閘安全，非危險(xiǎn)品船舶和危險(xiǎn)品船舶不能一起過閘。

（3）建設(shè)船閘調(diào)度管理系統(tǒng)。充分利用甌江航道船閘信息化工程項(xiàng)目，建設(shè)船閘調(diào)度管理系統(tǒng)。系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)船舶過閘報(bào)到、船閘調(diào)度模型求解、ETC收費(fèi)、船舶過閘統(tǒng)計(jì)、錨地管理、通信調(diào)度指令下達(dá)與反饋等業(yè)務(wù)管理功能。為了提高船閘調(diào)度的科學(xué)性，還應(yīng)將在航船舶的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)納入調(diào)度考慮因素，結(jié)合船舶自動(dòng)識(shí)別AIS系統(tǒng)，將AIS系統(tǒng)中船舶動(dòng)態(tài)顯示功能接人調(diào)度管理系統(tǒng)。

針對(duì)甌江梯級(jí)航道船閘的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了兩級(jí)聯(lián)合調(diào)度模型，如圖1所示：第一級(jí)為總體調(diào)度，即根據(jù)各梯級(jí)航道（航段）的船舶數(shù)量（包括錨地內(nèi)待閘的船舶）和調(diào)度原則選擇船舶過閘。第二級(jí)為單閘室的排擋，即根據(jù)選擇的船舶類型為每個(gè)梯級(jí)船閘進(jìn)行排擋計(jì)算。該兩級(jí)聯(lián)合排擋調(diào)度模型不是簡(jiǎn)單的上下級(jí)的關(guān)系，而是相互關(guān)聯(lián)、相互制約的，第一級(jí)調(diào)度的結(jié)果直接影響著第二級(jí)調(diào)度的單閘排擋調(diào)度算法，第二級(jí)調(diào)度的排擋結(jié)果又會(huì)反過來(lái)作用于第一級(jí)調(diào)度方案，經(jīng)過多次的相互作用后，形成對(duì)整個(gè)甌江梯級(jí)航道多船閘的最終調(diào)度方案。

3.3 聯(lián)合調(diào)度船舶過閘的流程

聯(lián)合調(diào)度后，船舶過某個(gè)船閘的流程如下：①船舶駛近船閘，通過船載機(jī)或智能手機(jī)客戶端獲取船閘可通航信息，如處于電廠發(fā)電、汛期泄洪、水上交通事件導(dǎo)致的船閘關(guān)閉，船閘系統(tǒng)通知船舶則進(jìn)入錨泊區(qū)等候；②在船閘擁堵的情況下，調(diào)度中心根據(jù)錨泊區(qū)可用泊位信息，對(duì)通過船舶進(jìn)行信息發(fā)布，調(diào)度船舶進(jìn)入泊區(qū)等候；通知上游船閘可減慢過閘速度，并對(duì)已經(jīng)經(jīng)過上游船閘的船舶進(jìn)行信息發(fā)布，告知本船閘狀況，船舶可減速緩行或進(jìn)入上游船閘附近的泊區(qū)等候；③在船閘擁擠情況下，如附近泊位數(shù)量較少，調(diào)度中心通知上游船閘暫緩過閘，對(duì)已經(jīng)經(jīng)過上游船閘的船舶進(jìn)行信息發(fā)布，告知本船閘狀況，船舶可減速緩行或進(jìn)入上游船閘附近的泊區(qū)等候；④船閘可用情況下，通過船載機(jī)或智能手機(jī)客戶端向船閘報(bào)備，也可人工上岸報(bào)備，輸入船舶各類信息，申請(qǐng)過閘；⑤船閘根據(jù)船舶信息，計(jì)算過閘費(fèi)用，船員可以通過人工或手機(jī)客戶端在線支付的方式繳費(fèi)；⑥調(diào)度中心根據(jù)船閘等候船只的各類信息，編制排擋計(jì)劃，并下發(fā)船閘；⑦船閘根據(jù)調(diào)度算法和船舶信息，對(duì)過閘排擋進(jìn)行優(yōu)化，并上報(bào)調(diào)度中心；⑧船閘通知船舶過閘；⑨船舶按檔期排擋過閘。

3.4 系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)

（1）與船閘監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)。船閘聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)預(yù)留與船閘監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)接口，一方面獲取閘室水位、上下游水位等信息，以便在調(diào)度員指定排擋策略的時(shí)候直觀地在圖形界面上顯示。另一方面，考慮到后期排擋過程有可能逐漸自動(dòng)化，在排擋策略發(fā)布時(shí)自動(dòng)將相關(guān)指令發(fā)給船閘監(jiān)控系統(tǒng)。

（2）與短信系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)。調(diào)度中心可主動(dòng)通過短信向船只發(fā)布管理通知或其他信息，同時(shí)船主可以通過短信對(duì)調(diào)度情況進(jìn)行咨詢和投訴，可有效提高船閘調(diào)度的透明度，增強(qiáng)管理部門與船主的互動(dòng)。

3.5 聯(lián)合調(diào)度的公平性與效率問題

在船閘聯(lián)合調(diào)度作業(yè)中，涉及到公平性、安全性、效率性等方面的問題。系統(tǒng)的公平性是指對(duì)于所有過閘船舶而言，先到達(dá)的船舶理應(yīng)優(yōu)先服務(wù)；系統(tǒng)效率往往用平均等待時(shí)間衡量，等待時(shí)間越短，系統(tǒng)效率越高。而現(xiàn)實(shí)中這三個(gè)指標(biāo)之間存在背反效應(yīng)：追求公平性則可能需要犧牲系統(tǒng)的效率。因此甌江船閘聯(lián)合調(diào)度中心系統(tǒng)在保證安全的前提下，應(yīng)達(dá)成系統(tǒng)的公平性與效率性之間的某種均衡。

4 結(jié)語(yǔ)

科學(xué)、合理、可行、有效的解決好甌江梯級(jí)航道多船閘統(tǒng)一調(diào)度問題，對(duì)于加快浙西南地區(qū)航運(yùn)建設(shè)，帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)和旅游發(fā)展，將起到積極促進(jìn)作用。本文分析了甌江船閘調(diào)度的主要問題，提出了解決思路，為下一步甌江航道信息化工程建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。