船闸调度信息管理及闸室排挡调度优化设计

甘金明，吴洁明

（1.2.梧州学院信息与电子工程学院，广西梧州 543002）

船闸调度信息管理及闸室排挡调度优化设计

甘金明1，吴洁明2

（1.2.梧州学院信息与电子工程学院，广西梧州 543002）

针对梧州市长洲水利枢纽船闸调度排挡的问题，对船闸调度信息进行管理以及闸室排挡调度算法优化设计。通过研究船闸通航的情况，在穷举法的基础上进行改进，该优化方案考虑了船闸之间的调配，也考虑了船闸的最大容量，同时兼顾先来先服务的原则，也考虑了特殊船只，在实际应用中取得良好的效果。

长洲水利枢纽；船闸调度；算法

1 引言

当前，随着经济全球化和区域经济一体化向纵深发展、国家西部大开发战略的深入实施、中国—东盟自由贸易区的建成运营、泛珠三角和泛北部湾经济区合作的进一步推进，以及中央出台一系列扩内需、保增长的政策措施，广西沿江经济迎来了千载难逢的发展机遇。为贯彻落实科学发展观，适应新的发展形势，自治区党委、自治区人民政府作出了“打造西江黄金水道促进区域经济协调发展”的重大战略决策。为了加快西江黄金水道开发，提高通航能力，长洲水利枢纽船闸调度是一个关键的计划活动，其目的是快速通过船闸、降低成本提高通航能力。具体来说，需要考虑以下几方面。

（1）允许通航的船舶吃水深度值。因季节不同，航道水深不同。

（2）闸室尺寸。因不同船闸，闸室长、宽值不同。

（3）船在闸室内的安全距离。船越大，要求距离越大。

（4）船型尺寸。目前的船型不规范，只能按大、中、小预设理想值，还有一类超大型的工程船，是特殊的船型，实际使用时需调整。

（5）每个船闸上、下行运行一个周期所需的时间。船闸大小不同，运行周期所需时间不同，在实际运行过程中，还会出现一些意想不到的情况而改变某个运行周期时间。

2 问题的分析

2.1 长洲水利枢纽基本情况[1]

长洲水利枢纽船闸工程采用一级双线船闸，上下游引航道分别长1500 m和1600 m。双线船闸可分别通航4×2000 t级和4×1000 t级顶推船队，双线单向年过闸总载重吨位为4012万吨。1号船闸为2000 t级，闸室尺度200×34×4.5（m）（长×宽×门槛水深），闸室有效的尺寸为185×32.5（m）。2号船闸为1000 t级，闸室尺度185×23×3.5（m），闸室有效的尺寸为165×22.5（m）。船舶在闸室内的安全间隔要求：前后约70-80公分（如果船舶大，要求的距离也加大），左右约20-30公分。

船舶过闸分为上行和下行。为了节省闸室冲、放水时间和提高水资源的利用率，每个船闸一般是按照上行——下行——上行——下行——……的方式循环往复，而且二个船闸进闸、放行在时间上并不同步。一般情况下，在同一个时间内，两个船闸一个上行、一个下行。

正常情况下，闸室冲水需要时间3-18分钟（丰水期与枯水期有差别，大闸与小闸也有差别）。船舶进闸的航行速度按规定不能超过15公里/小时。正常情况下船舶进出闸时间：大闸需23至28分钟（不顺利时需30-40分钟），约3-3.5小时完成一次上、下行循环。小闸约2-2.5小时完成一次上、下行循环。大闸和小闸单独运行，哪个快哪个慢、哪个先哪个后是不确定的。

2.2 船舶候闸流程

船舶过闸前，按以下流程进行管理和调度：船舶需先到报到处进行过闸报到（上游在赤水港码头，下游在下关码头），然后按照指挥在指定的锚泊区停靠（靠抛锚来固定船只）。上游有锚泊区6个，最近的离船闸有1公里；下游有锚泊区3个，离船闸有几百米。当船舶进入最近一批过闸排序范围时，按短信通知到达指定的靠船墩等候，靠船墩位于船闸的引航道两边，离闸首约几百米，与上、下行方向同向，所有准备过闸的船只都是以与航向相同的方向在靠船墩旁边依次排开（如下页图1所示）。最靠近靠船墩的船只是固定在靠船墩上的，而其他船只则通过互系缆绳来固定，因此，后进闸的船只最靠近靠船墩，先进船闸的船只在最外面，离靠船墩最远，轮到过闸时，再短信通知船舶依次离开靠船墩，通过引航道进闸。如果离靠船墩最近的船先进闸，则当该船解缆离开靠船墩时，其他相邻的船需移动让出航道，该船才能开出来。因此，预排序时，后进闸的先停靠船墩。船舶按调度人员的指挥进到闸室内，船头朝向航行方向纵向停靠，系好缆绳。当闸内水位升/降至出闸水位时，按顺序出闸。

图1 船墩及船闸示意图

2.3 船舶过闸批次预编排规则

过闸预排按照吃水深度筛选、先到先服务、船型优化组合、优先服务、单独服务等规则设计船舶排队队列和闸室船舶组合方式，确定船舶能否过闸、过闸批次、等候时间等。船舶过闸批次预编排规则主要有：方式一：吃水深度筛选。根据船舶远程申报的信息进行吃水深度筛选，吃水深度符合过闸条件的，按“方式二”安排过闸；对不符合过闸条件的船舶远程下达不能过闸信息，待水位上升满足船舶吃水深度后，按“方式二”调度过闸。方式二：先到先服务。对吃水深度符合过闸条件的船舶，一般按到停泊区进行远程申报的先后次序安排过闸。方式三：船型优化组合。在遵循先到先服务和确保安全的前提下，按照船闸闸室的具体尺寸，将大、中、小型船舶合理调配过闸，提高闸室利用率，提高过闸船舶量。方式四：优先服务。对符合优先过闸条件的船舶（如客班船、集装箱船、紧急军事运输船、防汛抢险船、救护救灾船、航道航标工程船、海事艇、鲜活货船及重点紧急物资运输船等），优先安排过闸。方式五：单独服务。对符合单独过闸条件的船舶（如装载危险品的船舶等），安排单独过闸。

按照上述5种排闸规则，由计算机选择出优化的过闸船舶组合方案，编排过闸批次，安排过闸顺序，远程通知船舶按照预先规定的次序依次进闸。从已登记申请上行过闸船舶列表中选择船舶添加到过闸船舶列表，然后记录开下闸门关、闸室充水、上闸门开的时间，完成本次调度，如下页图2所示。

图2 上行船舶过闸调度流程图

3 闸室排挡的优化

3.1 泊候闸排挡设计

每隔一个周期就通过估算发布一次信息。不确定情况下，每隔常规过闸周期都发布一次信息，根据船闸运行常规情况估算发布准备通知；只告诉船只做好准备出发，也有可能更改；这个预测信息是保证正式发布信息时，船只能及时按照指挥前行，此时不是发布进入靠船墩信息，而是做好准备进入。在时间上能确定哪个闸室可利用时，根据现有船只和闸室设备条件优化分布后发布正式通知；根据实际情况，船舶从泊候闸进入闸室按照闸室内分布决定。

3.2 闸室内船舶平面分布设计

根据闸室平面图的分布，同时确定进入闸室的船只后，逻辑运算可以推知船只进入闸室顺序，根据以下调度原则：先到先服务；优先级服务；特殊航务单独服务；同时考虑闸室利用率，优化组合，提高过闸效率，用最少的时间通过更多的船只和更多的重量。闸室内船舶分布的优化思路为：

step（1）应用整数规划方法，给出多套闸室优化组合方案；

step（2）应用分层序列法，从上面多套方案中选出包含所有必须过闸船只的多套较优方案；其中设定等待极限值，候闸时间超过等待极限值的船只作为必过闸船对待，注意不同的船特征（客船，军船等）有不同的等待时间极限值；

step（3）应用多目标优化方法，从以上方案中选出等待时间最长，运输重量最大，通航时间最小，船只最多的2-3套方案；

step（4）调度员选择实施方案，这一步，如果对船只有跟踪监控系统，可以根据目前各船只位置，选择调度时间最少为目标进一步优化方案。

3.3 船闸调度算法

步骤1，先判断哪个船闸；

步骤2，累计排序船只占有面积和船闸面积比较，当累积面积超过船闸面积时，减少一只船只即使船闸可能放下最多的船只；

步骤3，根据整数规划中的穷举法[2]列出所有布局，一旦能放下所有船只即为最优布局给出此方案；如果没有一个方案合适，就减少一只船只，重复上述穷举法；

步骤4，看剩余空间是否可以放置后序船只，提前过闸；

为了提高运算速度，将上述思路改进如下：前提，用穷举法给出各种布局，并记录各种船型的数目，将此数据作为专家方案待用。

步骤1，先判断哪个船闸能使用；

步骤2，累计排序船只占有面积和船闸面积比较，大致根据排序能放下几条船只，并记录不同船型的数目（共四种船型，小、中、大和超大）；

步骤3，根据专家系统（穷举法保存）选择最多和最接近满足不同船型数目条件的方案；

步骤4，根据选中方案中逐一匹配，看哪一种方案放置船只最多，而且保证顺序；

步骤5，如果选择方案后，计算剩余面积，看是否可以由后序船只满足条件，那么就先安排进来。

3.4 算法仿真

4 结束语

本文介绍的船闸调度信息管理和闸室排挡的实际情况，对闸室排挡调度进行了设计和优化，提高了船闸的通航能力，极大地降低生产成本，提高资源利用率，同样对现代物流业有着重要的理论意义和现实意义。测试情况和实际应用表明，该方案优化简单有效，便于实施。

[1]莫伟弘.长洲水利枢纽1×2000t+1×1000t船闸总体设计[J].红河水,2008,27(5):44-49.

[2]张姣姣,等.基于穷举法的高速公路多路径识别研究[J].中国交通信息化,2013,(2):72-74.

Management of the Controlling Information of Navigation Lock and Optimized Algorithm of the Gears Control of the Lock Chamber

Gan Jinming1，Wu Jieming2
(1.2.School of Information and Electronic Engineering,Wuzhou University,Wuzhou 543002,China)

In order to solve the problem of gears control of the navigation lock chamber of the Changzhou Dam of Wuzhou,this paper makes an analysis of the management of the controlling information of the navigation lock and proposes an optimized algorithm of the gears control of the lock chamber.Based on the navigating conditions and the improvement of the method of exhaustion,this optimized algorithm takes in account not only the coordination among navigation locks but also the maximum navigating capacity of the locks,the principle of serving to the coming sequence and requirements of special-purposed ships,which will achieve very good effect in actual application.

Changzhou Dam;Control of navigation lock;Algorithm

TP393

A

1673-8535（2014）03-0001-06

甘金明（1976-），广西藤县人，梧州学院副教授，研究方向：软件工程、计算机应用。吴洁明（1959-），女，广西玉林市人，梧州学院教授，主要研究方向：软件工程。

（责任编辑：覃华巧）

2014-03-06