甌江梯級航道多船閘智能聯合調度方案研究

朱理偉　余彬

摘要：為使梯級開發后船閘全線通航暢通，需要對所有梯級的過閘運行實行統一調度。本文分析了影響甌江船閘調度的主要因素，提出了聯合調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奠定了基礎。

關鍵詞：船閘；聯合調度；方案

中圖分類號：U692 文獻標識碼：A 文章編號：1006-7973（2016）07-0026-03

甌江是浙江第二大水系，正在實施梯級開發，這給甌江的航運事業帶來了發展機遇。根據甌江流域綜合規劃和甌江航運發展規劃，在甌江中游麗水市區至青田段規劃建設開潭、五里亭、外雄、三溪口、青田等5座樞紐，同步建設500噸級船閘，使甌江中游達到Ⅳ級航道通航標準。如果各船閘各自獨立負責船舶過閘，那么在過閘船舶較少的情況下尚能保證過閘效率，當過閘船舶較多的情況下，會出現部分船閘已經處于滿負荷狀態，而其上游船閘仍將船舶引入，導致該船閘進一步處于擁堵狀態，將嚴重影響船舶過閘的效率；或船閘處于空閑狀態，由于船舶在上游航道航行中出現了安全問題或事故導致航道堵塞，后續船舶無法通過造成較大損失。為使梯級開發后船閘全線通航暢通，有必要及早開展甌江梯級航道多船閘聯合調度方案的探討，以期對甌江航道信息化工程船閘調度信息系統建設奠定基礎。

1 梯級船閘運行管理方式

甌江梯級開發投資體制多元化，5個梯級開發全部由社會投資，業主眾多。為避免因各自利益而各自為政，梯級船閘運行管理應遵循以下二個基本原則。

（1）統一管理原則。統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，其本質作用與航道一樣具有社會公共屬性，直接服務對象是社會公眾船舶，屬于社會公共基礎設施。因此，從船閘屬性、作用、服務對象、管理職責分工和要求等各方面來看，船閘的行業管理主體都應該是交通港航部門，由航道管理部門對所有梯級的過閘運行實行統一管理，統一調度，統一維護，全線作為一個整體進行船閘調度優化。

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

根據上述統一管理和低成本運行原則，甌江船閘將由麗水市港航管理局下設的一個專門船閘管理所統一管理中游的開潭、五里亭、外雄、三溪口、青田5個梯級船閘的運行、維護和管理。同時，需要一個多船閘聯合調度管理系統的支撐，實現相臨船閘的聯動或區域調度以及全線聯合調度。

2 船閘聯合調度目標及影響因素分析

2.1 船閘聯合調度目標

（1）實現區域內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時通行能力和通航狀況數據，借助立體的溝通體系和智能化的船閘調度體系，實現對在航船舶的指令性調度和干預，優化航道區域內在航船舶的動態分布，以便船員可以選擇經濟航速和規劃停泊地點，提高航運效益和航行質量。

（2）船舶交通流量合理化。根據航段航道條件、錨地位置、數量和錨泊總量、在航船舶、待閘船舶、船閘通過能力的情況，進行基于預測模型的流量預警與控制，通過船閘聯合調度，將船舶交通流量合理的分散到不同梯級航段，避免在某梯級或某航段出現通行瓶頸或嚴重堵塞，影響全程通過能力。必要時對梯級船閘進行流量控制，超出限量范圍，無法進行調度流程。

（3）實現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。突發情況下，通過定位、跟蹤，實時監控各類特種船舶或特別物資的運輸，準確預測通過船閘的時間，提前安排，隨到隨過，快速通過。為集裝箱運輸船舶等提供定制服務，使得運輸企業可以準確掌握運輸時間，大大提高轉運、出關各環節銜接的可靠度，進一步拓展集裝箱水路運輸空間和范圍。

2.2 影響船閘聯合調度的因素

船閘聯合調度核心目標是通過信息化手段實現包括單級船閘的智能調度和多級船閘間的聯合調度在內的智能交通誘導與控制，大幅提升航道的航運效率和服務質量。智能交通誘導與控制是在航道各類感知數據大綜合的基礎上，結合船閘智能調度系統，判斷各航段的實時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、時間等信息，由計算機自動調度實現單個船閘閘室面積和同級多船閘之間的總體閘室面積利用率最大化、船舶平均待閘時間最小化、甌江通航狀況流暢化、閘室運行成本最小化（即合理的開閘計劃），最終實現整個航道多級船閘間的聯合調度。甌江船閘聯合調度的影響因素主要有下面幾個方面。

（1）過閘船舶。聯合調度對象是船舶，準確掌握船舶基礎信息和實時位置信息是實現聯合調度的前提。過閘船舶數量、船型以及船型分布、船舶到達的規律和上下游船舶的運輸比例都直接影響著過閘的營運以及船閘聯合調度規則的設置。

（2）船閘尺度。船閘聯合調度在考慮提高每個閘室的利用率的同時，又要考慮為不同尺度的船閘分配相應等級的船舶。

（3）待閘錨泊區。待閘錨泊區的設置既用于平時船舶的停靠和待閘，也可用于區間航道飽和預警時船舶的分流和調度指定停靠點，能夠提高船閘的運行效率。在船閘聯合調度時，要考慮待閘錨泊區的使用和調度問題。

（4）船閘的運行狀態。船閘的運行狀態分為上行運行、下行運行、上行空閑和下行空閑4個狀態，在為錨地船舶分配船閘時要綜合考慮各船閘的運行狀態，以便船舶更快地通過船閘，減少等待時間。

（5）水文環境。甌江梯級航道的水文環境復雜，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 多級船閘聯合調度方案

3.1 聯合調度實現的基礎

根據上述分析，在多個船閘實現船舶過閘聯合調度，應首先需要以下條件：①建立統一的過閘聯合調度中心，在各船閘均配備相應信息化系統；②應實現對船舶、船閘運行狀況、航道交通、水文環境、錨泊區的監控、監測；③船舶配備船載機，中心系統能夠獲得船舶的定位信息，并能夠與船舶通信以實現船舶水上安全監管；④為提高效率，應具備ETC或在線支付手段；⑤為提高效率和社會效益，應提供公眾服務信息給用戶；⑥制定各類規章制度以保證聯合調度指令執行的順利進行；⑦系統應能對發生的環境災害和水上交通事故具備較快的應急處置能力；⑧具有單船閘過閘算法的優化。

3.2 聯合調度模型總體框架

甌江梯級航道船閘聯合調度應以優先保障通航為指導，構建科學、有效的船閘調度規則，通過信息化手段提升船舶過閘效率、規范管理行為，在有效調度時間內充分利用好船閘航運資源，做到優化調度，細化管理，實現通航調度管理的全面升級。

（1）規范甌江船閘調度原則。在充分借鑒蘇北運河船閘調度管理經驗的基礎上，制定船閘調度原則，用以指導船舶過閘全過程。在非應急狀態下，船舶過閘應在總體上達到先到先過，保證公平，兼顧重點。調度指令統一下達，在排檔時充分利用閘室有效面積，使船閘閘室面積利用率最高，開閘次數盡量少，緩解“水電”矛盾。

（2）構建甌江船閘智能調度算法。利用數學建模技術構建甌江船閘調度模型，利用數學智能優化技術構建調度算法求解調度模型，最終生成以調度原則為指導的船舶過閘方案。方案主要包括錨地使用方案、閘室排檔方案、船閘運行計劃。模型應考慮包括船舶流量、船閘上下游水文、氣象、船閘閘室設計尺度（長、寬、底檻水深等）、待閘船舶類別及尺度、錨地資源、在航船舶動態等因素。考慮到過閘安全，非危險品船舶和危險品船舶不能一起過閘。

（3）建設船閘調度管理系統。充分利用甌江航道船閘信息化工程項目，建設船閘調度管理系統。系統應實現船舶過閘報到、船閘調度模型求解、ETC收費、船舶過閘統計、錨地管理、通信調度指令下達與反饋等業務管理功能。為了提高船閘調度的科學性，還應將在航船舶的實時動態納入調度考慮因素，結合船舶自動識別AIS系統，將AIS系統中船舶動態顯示功能接人調度管理系統。

針對甌江梯級航道船閘的特點，設計了兩級聯合調度模型，如圖1所示：第一級為總體調度，即根據各梯級航道（航段）的船舶數量（包括錨地內待閘的船舶）和調度原則選擇船舶過閘。第二級為單閘室的排擋，即根據選擇的船舶類型為每個梯級船閘進行排擋計算。該兩級聯合排擋調度模型不是簡單的上下級的關系，而是相互關聯、相互制約的，第一級調度的結果直接影響著第二級調度的單閘排擋調度算法，第二級調度的排擋結果又會反過來作用于第一級調度方案，經過多次的相互作用后，形成對整個甌江梯級航道多船閘的最終調度方案。

3.3 聯合調度船舶過閘的流程

聯合調度后，船舶過某個船閘的流程如下：①船舶駛近船閘，通過船載機或智能手機客戶端獲取船閘可通航信息，如處于電廠發電、汛期泄洪、水上交通事件導致的船閘關閉，船閘系統通知船舶則進入錨泊區等候；②在船閘擁堵的情況下，調度中心根據錨泊區可用泊位信息，對通過船舶進行信息發布，調度船舶進入泊區等候；通知上游船閘可減慢過閘速度，并對已經經過上游船閘的船舶進行信息發布，告知本船閘狀況，船舶可減速緩行或進入上游船閘附近的泊區等候；③在船閘擁擠情況下，如附近泊位數量較少，調度中心通知上游船閘暫緩過閘，對已經經過上游船閘的船舶進行信息發布，告知本船閘狀況，船舶可減速緩行或進入上游船閘附近的泊區等候；④船閘可用情況下，通過船載機或智能手機客戶端向船閘報備，也可人工上岸報備，輸入船舶各類信息，申請過閘；⑤船閘根據船舶信息，計算過閘費用，船員可以通過人工或手機客戶端在線支付的方式繳費；⑥調度中心根據船閘等候船只的各類信息，編制排擋計劃，并下發船閘；⑦船閘根據調度算法和船舶信息，對過閘排擋進行優化，并上報調度中心；⑧船閘通知船舶過閘；⑨船舶按檔期排擋過閘。

3.4 系統聯動設計

（1）與船閘監控系統的聯動。船閘聯合調度系統應預留與船閘監控系統的聯動接口，一方面獲取閘室水位、上下游水位等信息，以便在調度員指定排擋策略的時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化，在排擋策略發布時自動將相關指令發給船閘監控系統。

（2）與短信系統的聯動。調度中心可主動通過短信向船只發布管理通知或其他信息，同時船主可以通過短信對調度情況進行咨詢和投訴，可有效提高船閘調度的透明度，增強管理部門與船主的互動。

3.5 聯合調度的公平性與效率問題

在船閘聯合調度作業中，涉及到公平性、安全性、效率性等方面的問題。系統的公平性是指對于所有過閘船舶而言，先到達的船舶理應優先服務；系統效率往往用平均等待時間衡量，等待時間越短，系統效率越高。而現實中這三個指標之間存在背反效應：追求公平性則可能需要犧牲系統的效率。因此甌江船閘聯合調度中心系統在保證安全的前提下，應達成系統的公平性與效率性之間的某種均衡。

4 結語

科學、合理、可行、有效的解決好甌江梯級航道多船閘統一調度問題，對于加快浙西南地區航運建設，帶動經濟和旅游發展，將起到積極促進作用。本文分析了甌江船閘調度的主要問題，提出了解決思路，為下一步甌江航道信息化工程建設奠定了基礎。