潮汐性船閘節能調度智能系統研究

劉延濤王進趙筠祝海東(1.連云港航道管理處,江蘇連云港222000;2.南京思創信息技術有限公司,江蘇南京210000)

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潮汐性船閘節能調度智能系統研究

劉延濤王進趙筠祝海東
(1.連云港航道管理處,江蘇連云港222000;2.南京思創信息技術有限公司,江蘇南京210000)

摘要：本文就潮汐性船閘潮汐預測模型的建立，預測數據的修正、閘船間信息的交互以及船閘的節能減排、智能調度等方面，對潮汐性船閘的通閘調度進行了研究，對感潮航道船閘的智能調度應用的關鍵技術和具體實現做一定的探索。

關鍵詞：船閘通閘條件；潮汐預測模型；閘船間信息交互；智能調度

灌河是蘇北獨流入海河流中唯一沒有在入海口建閘控制的最大天然潮汐河道，呈東西走向，是江蘇省北部地區最大的入海潮汐河流。主干流自灌南縣的東三岔經響水至燕尾港入海，全程約80公里均處于潮汐界內，通過義澤河、武障河與主干航道鹽河相交。為了溝通鹽河與灌河實現海河聯運，拓展連云港港口的輻射范圍，使千噸級駁船、萬噸級船隊由鹽河、灌河可直通入海，2007年建設了鹽灌船閘。鹽灌船閘的建立，溝通了蘇、皖、豫三省經淮河、鹽河、灌河入海的東西方向主通道，是江蘇省內河干線航道網規劃“二縱四橫”主通道的關鍵交匯點之一。它上承鹽河，下接灌河，是連云港海河聯運總體規劃的重要組成部分，隨著灌河、鹽河整治等工程的實施以及連申線的全線貫通，其通航船舶流量必將大幅度增長。預計航道的貨運量2020年為3850萬噸，2025年為4700萬噸，2030年為5080萬噸，2035年為5230萬噸。

灌河的直通入海，使其航道具有潮汐性的特征，鹽灌船閘下游航道受漲潮影響時，與上游的水位梯級減小，當船閘的上下游水位持平時，船舶具備直通航行的條件，船閘可以開放通閘，提高船舶的通航效率，減少船閘運行能耗。但由于武障河上游鹽灌節制閘的排洪泄水，每年7、8、9月份是泄水的主要時期。尤其7月上旬，下泄水量最大，而武障河至東三岔以下與義澤河匯合后進入灌河，也成為影響鹽灌船閘開放通閘條件的因素之一。

本文著重研究如何充分利用潮汐性航道的水文特征，發揮鹽灌船閘的調度能力，掌握開放通閘的條件、規律，建立相應的潮汐預測模型，探討閘船間信息交互的方式和通閘調度指揮模式，最終建立一個船閘節能調度的智能系統，在確保安全過閘的情況下，最大程度地發揮船閘的通航能力并達到節能減排的目的。下面對潮汐性船閘節能調度智能系統進行研究:

1通閘條件的預測

根據灌河航道的自然條件分析，影響開放通閘的最主要條件有：當日潮汐的大小、流速、漲落潮持續時長等。此外，武障河上游鹽灌節制閘的排洪泄水、沖淤，以及當日的風力、風向等因素也是不可忽視的因素。

符明等人通過對鎮江諫壁船閘的運行環境及運行管理等情況的研究，提出了套閘運行和通閘運行的準備、運行流程、運行控制及風險防范、應急管理的要求，對潮汐性船閘的節能調度具有一定的借鑒意義。研究認為：通閘運行計劃和調度實施方案應根據船閘所在地的潮汐表和漲落潮規律確定，并參考當日風向、風力對潮汐的影響。通閘開啟時，船閘上下游水位差宜掌握在0.3m內，并且不得超過閘門設計允許承受的動水啟閉能力；等待閘室內水流平穩后，且流速小于1.6m后方可調度船舶過閘。

1.1潮汐預測模型的建立

根據對灌河已知的水文歷史數據資料分析，我們認為調和分析和預報模型比較適合對灌河的潮汐狀況的預測。調和分析的實質是根據某一點實際潮位過程，推求該點各個分潮調和常數3和g的過程，其目的是根據潮汐觀測資料計算各個分潮的調和常數。

潮汐預報可以看作是潮汐調和分析的逆過程，是指根據已知某一地區潮汐調和常數預報未來任意時刻的潮汐。可以采用以下公式推算任意時刻的潮高：

其中天文初相位voi決定于推算的起始時刻，可以根據杜德森數計算：風潮的焦點因子f和焦點訂正角u需要根據有關天文變量計算得到。a0平均海平面在潮高基準面上的高度，可以事先確定。

1.2預測數據校正

由于鹽灌船閘下游的武障河節制閘的排洪泄水，水閘的放水沖淤以及當日的風力、風向等因素會對潮汐產生一定的影響，閘下測點預報結果受上游徑流、水利閘開閘放水以及口外風暴潮的影響。為此，我們從灌河入海口的燕尾港以及武障河與義澤河交匯處的東三岔附近，距離船閘約12公里處的張灣大橋分別設立了兩級水文監測點。從入海口逐級、逐時的依據預測模型及各級站點實時數據，層層預報、層層校正，實現對通閘時間的精度逼近式預報。

燕尾港作為第一級水文監測點，可以實時地監測到當天的起潮、潮長、潮量的關鍵數據，為預測模型提供基于物聯網技術支持的第一手實時數據。在預測模型的支持下，提前為鹽灌船閘提供當天的通閘可能性初級預報。

張灣大橋作為第二級水文監測點，再次對當天的潮水進行實時監測，準確度量潮高、潮長、潮量、風速和風向等關鍵數據，同時，也考慮武障河節制閘的泄洪放水，在預測模型的支持下，再次對前級預報進行校正并重新做出更加精確的二級預報，實時度量和掌控潮水實況，實施開閘、過船、閉閘等通閘操作。

式中，h(t)R為實際應用潮位（m），h(t)p為預報潮位(m)，Δh(t)為修正值(m)。

當Δh(t)為口外風暴潮引起時，可利用口外風暴潮向口內傳遞的時間差，通過河道內或口外測點（如燕尾港）監測風暴潮結果，進行修正。此時，式中ζ(t)為實測風暴潮(m)，k1為系數，可通過實測資料得到。

當Δh(t)為降雨引起時，可以通過河道內其他監測點降雨影響因子進行修正。

Δh(t)=k2Q(t)

式中Q(t)為降雨影響(m)，k2為系數，可通過實測資料分析得到。

當Δh(t)為徑流影響時，可參照降雨影響修正方式。

1.3模型的驗證

為檢測上述模型的正確性，我們分別對已知的歷史和2015年7月~10月的潮汐情況進行了驗證，其結果如下：

表1 2014年4月~5月預測開放通閘時間

表2 2014年4月~5月實際通閘時間

2閘船間信息交互方式

閘船間的信息交互是通過安裝在船民手機端的APP系統，將過閘船舶的信息與船閘調度系統進行信息交互，實現船舶過閘的遠程電子申報、過閘繳費、過閘檔位圖查看等服務，并可通過手機直接查看航道水深、航段天氣、通航公告等信息，實現閘船間的信息互通。

2.1電子申報

當過閘船舶行駛至待閘區后，船主通過手機APP提交過閘申請。申報內容包括船名船號、起訖點、單船/船隊、實際噸位、實際吃水、擬過閘貨種種類、是否危險品等。

2.2報審核

船主提交過閘申請后，船閘調度系統將自動審核申報內容和智能識別結果的相關信息，完成船舶的過閘登記，并將船舶加入到待閘隊列中并自動進行過閘費的計算。

2.3電子繳費

審核通過后，系統自動向手機發出船舶過閘登記號、過閘費金額，船主用手機繳納過閘費。繳費后系統將自動推送船舶過閘檔位圖給船民手機。

2.4調度過閘

船民在接到檔位圖后，將船舶停靠在指定區域，等待過閘調度通知。

2.5信息交互和服務

通過本系統，船民可以得到以下服務：

待閘情況：包括等待過閘的船舶數、船舶順位、隊列號、預計過閘時間等信息，實時掌握過閘進度；

過閘檔位圖：系統會自動推送船舶的過閘檔位圖，顯示過閘的閘室、排擋、上下行和預計過閘時間；

航道水深查看：全面詳細了解航段的水深情況，準確判斷航行條件，確保航行安全；

短消息：查詢航道新聞、航道天氣、礙航通告等信息；

通話：船民可查詢到船閘的電話號碼，并可以直接撥打該號碼；

3通閘調度指揮模式

通閘調度指揮模式主要與船閘調度模式的選擇、通閘船舶預檢及船舶的排檔調度相關。

3.1通閘調度模式的選擇

當潮汐預測模型預測到未來的某一時間段，滿足開放通閘的條件并具有一定的持續時間，系統將通知船閘管理人員做好套閘和通閘的切換準備工作。

3.2通閘船舶的預檢

通閘的開放并非適合所有船舶的通行，需要根據預測的潮位和下游航道的通航能力，確定當日開放通閘的船舶最大吃水，對于超出該吃水尺度的船舶不予放行；同時應考慮在通閘開放的不同時段放行不同吃水的船舶。

3.3根據通航水位進行船舶排檔調度

根據系統給出的各種吃水深度船舶通航的時間點，并根據水位變化的預測對空重載船舶的調度次序進行過閘船舶的排檔。

由于涉及多項判定閾值的設定，當最終確定通閘開啟和關閉的時間后，啟閉閘閥門的最終操作仍須由人工進行，以保障通閘的安全性。

4潮汐性船閘節能調度智能系統

智能調度系統由申報、識別、登記、繳費、調度、監控、過閘確認等功能模塊組成，通過安裝在船民手機端APP與船閘進行信息溝通，實現過閘的調度。

4.1智能申報

船舶到達船閘附近時，可以通過多種方式（如電話、移動APP等）實現遠程過閘電子申報。申報內容主要包括空重載、貨種、載重噸位等。通過遠程電子申報，實現船民免停靠。對于未安裝手機APP的部分船民，系統依然保留上岸人工申報的功能。

4.2智能識別

智能識別是對船舶唯一標識進行的離岸遠程身份自動識別。能夠被系統識別的終端包括：各類智能終端（含安裝了APP的手機）、AIS、VITS、GPS、RFID等。系統也支持通過視頻主動識別和保留傳統的人工方式的識別。系統還可以通過激光傳感器對待閘船舶進行掃描，獲取船舶有關特征數值并將測量數據與系統中的船舶登記數據進行比對匹配，實現對過閘船舶的的精確測量，達到船舶相關數據的統計和復核。

4.3智能登記

船舶到達指定報到區域后，系統根據船舶遠程申報和智能識別結果的相關信息，自動完成船舶的過閘登記，同時，也可以由船閘登記人員人工進行船舶的登記。

4.4智能繳費

系統根據船舶的類型，噸位等信息進行閘費的自動計算，通過電子繳費（手機APP，網銀）等多種形式，實現過閘費的自動扣繳。系統仍支持傳統人工繳費。繳費后系統自動將船舶納入待調度隊列。

4.5智能調度

根據對船舶的預檢情況和預測的潮位以及下游航道的通航能力，確定本次開放通閘船舶的最大吃水深度，對于超出吃水尺度的船舶不予放行。同時，根據水位變化的預測對空重載船舶進行排檔。排檔方案確認后，通過手機APP等多種發布途徑推送給船民。

4.6智能監控

船舶過閘智能監控用于解決船舶過閘時的安全問題。可采用攝像機、紅外或激光傳感等技術對閘室兩端建立警戒區域，同時結合監控視頻的智能分析，實現對閘門碰撞、閘臺吊船等事件的預警，對過閘船舶的進閘、出閘行為進行警戒和預警，并提供視頻取證。

4.7過閘確認

安裝了手機APP或其他智能終端的船舶可以被系統自動確認，未安裝手機APP或智能終端的船舶，則通過人工進行過閘確認。

5結語

我們相信，對潮汐性船閘通閘條件、規律的研究探索，建立相應的預測模型，分析預報船閘下游的潮位過程，可以最大程度地發揮感潮航道船閘的船舶運行效率，提高水運協同管理及綜合服務質量，改善服務環境，提高、保障航行安全、節約能源，降低管理成本，逐步實現水運管理智能化。

參考文獻：

[1]符明，顧忠芹，張衛東等《江蘇省沿江口門船閘運行規程》江蘇省鎮江市航道管理處2014

[2] Horn,W. 1960.some recent approaches to tidal problems[J]. Intern.Hydrogr. Rev. 37(2):65-88

[3] F. Mosetti and B.Manca .Some methods of tidal anslysis[J] . Intern.Hydrogr. Rev. 1972,49(2):107-120

[4]方國洪，潮汐分析和預備的準調和分析方法，Ⅰ.準調和分析[J].海洋科學集刊，1974,9:1-15

[5]方國洪，潮汐分析和預備的準調和分析方法，Ⅱ.短期觀測的分析[J].海洋科學集刊，1976,11:33-56

[6]方國洪，潮汐分析和預備的準調和分析方法，Ⅲ.潮流和潮汐分析的一個實際計算過程[J].海洋科學集刊，1981b,18:19-39

DOI編碼：10.13646/j.cnki.42-1395/u.2016.01.016

中圖分類號：U641.9

文獻標識碼：A

文章編號：1006－7973（2016）01－0054－03