瓯江梯级航道多船闸智能联合调度方案研究
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摘要：为使梯级开发后船闸全线通航畅通，需要对所有梯级的过闸运行实行统一调度。本文分析了影响瓯江船闸调度的主要因素，提出了联合调度模型总体框架和解决思路，为下一步瓯江航道信息化工程建设奠定了基础。
关键词：船闸；联合调度；方案
中图分类号：U692 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2016）07-0026-03
瓯江是浙江第二大水系，正在实施梯级开发，这给瓯江的航运事业带来了发展机遇。根据瓯江流域综合规划和瓯江航运发展规划，在瓯江中游丽水市区至青田段规划建设开潭、五里亭、外雄、三溪口、青田等5座枢纽，同步建设500吨级船闸，使瓯江中游达到Ⅳ级航道通航标准。如果各船闸各自独立负责船舶过闸，那么在过闸船舶较少的情况下尚能保证过闸效率，当过闸船舶较多的情况下，会出现部分船闸已经处于满负荷状态，而其上游船闸仍将船舶引入，导致该船闸进一步处于拥堵状态，将严重影响船舶过闸的效率；或船闸处于空闲状态，由于船舶在上游航道航行中出现了安全问题或事故导致航道堵塞，后续船舶无法通过造成较大损失。为使梯级开发后船闸全线通航畅通，有必要及早开展瓯江梯级航道多船闸联合调度方案的探讨，以期对瓯江航道信息化工程船闸调度信息系统建设奠定基础。
1 梯级船闸运行管理方式
瓯江梯级开发投资体制多元化，5个梯级开发全部由社会投资，业主众多。为避免因各自利益而各自为政，梯级船闸运行管理应遵循以下二个基本原则。
（1）统一管理原则。统一管理的主体是交通港航部门。船闸等通航建筑物是航道的重要组成部分，其本质作用与航道一样具有社会公共属性，直接服务对象是社会公众船舶，属于社会公共基础设施。因此，从船闸属性、作用、服务对象、管理职责分工和要求等各方面来看，船闸的行业管理主体都应该是交通港航部门，由航道管理部门对所有梯级的过闸运行实行统一管理，统一调度，统一维护，全线作为一个整体进行船闸调度优化。
（2）低成本运行原则。低成本运行是船闸运行管理的发展方向，要求管理人员要少而精，高素质。在初期过闸量较少的情况下，以取得管理权为主要目的；随着过闸量的增加，将越来越依托梯级船闸集中控制系统，依托多船闸联合调度管理。
根据上述统一管理和低成本运行原则，瓯江船闸将由丽水市港航管理局下设的一个专门船闸管理所统一管理中游的开潭、五里亭、外雄、三溪口、青田5个梯级船闸的运行、维护和管理。同时，需要一个多船闸联合调度管理系统的支撑，实现相临船闸的联动或区域调度以及全线联合调度。
2 船闸联合调度目标及影响因素分析
2.1 船闸联合调度目标
（1）实现区域内船舶通过能力总量最大化。通过全航道的智能感知体系获得全航道实时通行能力和通航状况数据，借助立体的沟通体系和智能化的船闸调度体系，实现对在航船舶的指令性调度和干预，优化航道区域内在航船舶的动态分布，以便船员可以选择经济航速和规划停泊地点，提高航运效益和航行质量。
（2）船舶交通流量合理化。根据航段航道条件、锚地位置、数量和锚泊总量、在航船舶、待闸船舶、船闸通过能力的情况，进行基于预测模型的流量预警与控制，通过船闸联合调度，将船舶交通流量合理的分散到不同梯级航段，避免在某梯级或某航段出现通行瓶颈或严重堵塞，影响全程通过能力。必要时对梯级船闸进行流量控制，超出限量范围，无法进行调度流程。
（3）实现特种船舶的全线不停船通行和为特殊船舶提供定制航线服务。突况下，通过定位、跟踪，实时监控各类特种船舶或特别物资的运输，准确预测通过船闸的时间，提前安排，随到随过，快速通过。为集装箱运输船舶等提供定制服务，使得运输企业可以准确掌握运输时间，大大提高转运、出关各环节衔接的可靠度，进一步拓展集装箱水路运输空间和范围。
2.2 影响船闸联合调度的因素
船闸联合调度核心目标是通过信息化手段实现包括单级船闸的智能调度和多级船闸间的联合调度在内的智能交通诱导与控制，大幅提升航道的航运效率和服务质量。智能交通诱导与控制是在航道各类感知数据大综合的基础上，结合船闸智能调度系统，判断各航段的实时通航能力和通航状况，通过船载MS终端（或GPS或北斗等终端）获得船舶的位置、时间等信息，由计算机自动调度实现单个船闸闸室面积和同级多船闸之间的总体闸室面积利用率最大化、船舶平均待闸时间最小化、瓯江通航状况流畅化、闸室运行成本最小化（即合理的开闸计划），最终实现整个航道多级船闸间的联合调度。瓯江船闸联合调度的影响因素主要有下面几个方面。
（1）过闸船舶。联合调度对象是船舶，准确掌握船舶基础信息和实时位置信息是实现联合调度的前提。过闸船舶数量、船型以及船型分布、船舶到达的规律和上下游船舶的运输比例都直接影响着过闸的营运以及船闸联合调度规则的设置。
（2）船闸尺度。船闸联合调度在考虑提高每个闸室的利用率的同时，又要考虑为不同尺度的船闸分配相应等级的船舶。
（3）待闸锚泊区。待闸锚泊区的设置既用于平时船舶的停靠和待闸，也可用于区间航道饱和预警时船舶的分流和调度指定停靠点，能够提高船闸的运行效率。在船闸联合调度时，要考虑待闸锚泊区的使用和调度问题。
（4）船闸的运行状态。船闸的运行状态分为上行运行、下行运行、上行空闲和下行空闲4个状态，在为锚地船舶分配船闸时要综合考虑各船闸的运行状态，以便船舶更快地通过船闸，减少等待时间。
（5）水文环境。瓯江梯级航道的水文环境复杂，水位变化大，直接影响船舶的航行速度，甚至不满足通航条件。
3 多级船闸联合调度方案
3.1 联合调度实现的基础
根据上述分析，在多个船闸实现船舶过闸联合调度，应首先需要以下条件：①建立统一的过闸联合调度中心，在各船闸均配备相应信息化系统；②应实现对船舶、船闸运行状况、航道交通、水文环境、锚泊区的监控、监测；③船舶配备船载机，中心系统能够获得船舶的定位信息，并能够与船舶通信以实现船舶水上安全监管；④为提高效率，应具备ETC或在线支付手段；⑤为提高效率和社会效益，应提供公众服务信息给用户；⑥制定各类规章制度以保证联合调度指令执行的顺利进行；⑦系统应能对发生的环境灾害和水上交通事故具备较快的应急处置能力；⑧具有单船闸过闸算法的优化。
3.2 联合调度模型总体框架
瓯江梯级航道船闸联合调度应以优先保障通航为指导，构建科学、有效的船闸调度规则，通过信息化手段提升船舶过闸效率、规范管理行为，在有效调度时间内充分利用好船闸航运资源，做到优化调度，细化管理，实现通航调度管理的全面升级。
（1）规范瓯江船闸调度原则。在充分借鉴苏北运河船闸调度管理经验的基础上，制定船闸调度原则，用以指导船舶过闸全过程。在非应急状态下，船舶过闸应在总体上达到先到先过，保证公平，兼顾重点。调度指令统一下达，在排档时充分利用闸室有效面积，使船闸闸室面积利用率最高，开闸次数尽量少，缓解“水电”矛盾。
（2）构建瓯江船闸智能调度算法。利用数学建模技术构建瓯江船闸调度模型，利用数学智能优化技术构建调度算法求解调度模型，最终生成以调度原则为指导的船舶过闸方案。方案主要包括锚地使用方案、闸室排档方案、船闸运行计划。模型应考虑包括船舶流量、船闸上下游水文、气象、船闸闸室设计尺度（长、宽、底槛水深等）、待闸船舶类别及尺度、锚地资源、在航船舶动态等因素。考虑到过闸安全，非危险品船舶和危险品船舶不能一起过闸。
（3）建设船闸调度管理系统。充分利用瓯江航道船闸信息化工程项目，建设船闸调度管理系统。系统应实现船舶过闸报到、船闸调度模型求解、ETC收费、船舶过闸统计、锚地管理、通信调度指令下达与反馈等业务管理功能。为了提高船闸调度的科学性，还应将在航船舶的实时动态纳入调度考虑因素，结合船舶自动识别AIS系统，将AIS系统中船舶动态显示功能接人调度管理系统。
针对瓯江梯级航道船闸的特点，设计了两级联合调度模型，如图1所示：第一级为总体调度，即根据各梯级航道（航段）的船舶数量（包括锚地内待闸的船舶）和调度原则选择船舶过闸。第二级为单闸室的排挡，即根据选择的船舶类型为每个梯级船闸进行排挡计算。该两级联合排挡调度模型不是简单的上下级的关系，而是相互关联、相互制约的，第一级调度的结果直接影响着第二级调度的单闸排挡调度算法，第二级调度的排挡结果又会反过来作用于第一级调度方案，经过多次的相互作用后，形成对整个瓯江梯级航道多船闸的最终调度方案。
3.3 联合调度船舶过闸的流程
联合调度后，船舶过某个船闸的流程如下：①船舶驶近船闸，通过船载机或智能手机客户端获取船闸可通航信息，如处于电厂发电、汛期泄洪、水上交通事件导致的船闸关闭，船闸系统通知船舶则进入锚泊区等候；②在船闸拥堵的情况下，调度中心根据锚泊区可用泊位信息，对通过船舶进行信息，调度船舶进入泊区等候；通知上游船闸可减慢过闸速度，并对已经经过上游船闸的船舶进行信息，告知本船闸状况，船舶可减速缓行或进入上游船闸附近的泊区等候；③在船闸拥挤情况下，如附近泊位数量较少，调度中心通知上游船闸暂缓过闸，对已经经过上游船闸的船舶进行信息，告知本船闸状况，船舶可减速缓行或进入上游船闸附近的泊区等候；④船闸可用情况下，通过船载机或智能手机客户端向船闸报备，也可人工上岸报备，输入船舶各类信息，申请过闸；⑤船闸根据船舶信息，计算过闸费用，船员可以通过人工或手机客户端在线支付的方式缴费；⑥调度中心根据船闸等候船只的各类信息，编制排挡计划，并下发船闸；⑦船闸根据调度算法和船舶信息，对过闸排挡进行优化，并上报调度中心；⑧船闸通知船舶过闸；⑨船舶按档期排挡过闸。
3.4 系统联动设计
（1）与船闸监控系统的联动。船闸联合调度系统应预留与船闸监控系统的联动接口，一方面获取闸室水位、上下游水位等信息，以便在调度员指定排挡策略的时候直观地在图形界面上显示。另一方面，考虑到后期排挡过程有可能逐渐自动化，在排挡策略时自动将相关指令发给船闸监控系统。
（2）与短信系统的联动。调度中心可主动通过短信向船只管理通知或其他信息，同时船主可以通过短信对调度情况进行咨询和投诉，可有效提高船闸调度的透明度，增强管理部门与船主的互动。
3.5 联合调度的公平性与效率问题
在船闸联合调度作业中，涉及到公平性、安全性、效率性等方面的问题。系统的公平性是指对于所有过闸船舶而言，先到达的船舶理应优先服务；系统效率往往用平均等待时间衡量，等待时间越短，系统效率越高。而现实中这三个指标之间存在背反效应：追求公平性则可能需要牺牲系统的效率。因此瓯江船闸联合调度中心系统在保证安全的前提下，应达成系统的公平性与效率性之间的某种均衡。
4 结语
科学、合理、可行、有效的解决好瓯江梯级航道多船闸统一调度问题，对于加快浙西南地区航运建设，带动经济和旅游发展，将起到积极促进作用。本文分析了瓯江船闸调度的主要问题，提出了解决思路，为下一步瓯江航道信息化工程建设奠定了基础。