流域梯级船闸缓行调度模型研究

林宁 盘庆波

文章通过研究梯级船闸的整体调度方案，认为在特定的条件下，使用合理的计算方法，能够进行局部的、合法合规的调整，使流域船闸通航平稳顺畅，运输经济利益与安全同时得到保障。

梯级船闸;缓行调度;模型

0 引言

船闸作为河流交通枢纽的过船设施，其船只的通过量与所在区域的经济发展有着密切联系。近年来，随着航运枢纽的建设，通航航道等级的提升，船运运量迅速增长，对多线船闸和流域梯级船闸的调度研究也越来越成熟，并在实际运用中发挥了重要的作用。尽管相关部门在梯级船闸调度的研究和应用方面已经做了许多工作，但是针对流域梯级船闸在预防和缓解特殊情况下出现拥堵的调度方法研究仍然需要加强。本文以广西长洲船闸为例，在下游水位过低影响正常通航的情况下，通过流域船闸的缓行调度控制长洲船闸上游来船数量，避免在长洲船闸出现滞航，有效降低安全风险，保持各梯级船闸通航顺畅。

1 探索流域梯级船闸缓行调度的背景

西江航运干线通道已建成长洲一～四线、桂平一～二线、贵港一线等6座船闸。其中，位于西江水系浔江干流下游河段广西梧州市上游12 km西江干流上的长洲船闸，是广西境内最后一个梯级船闸。长洲船闸共有四线双向单级船闸，一线船闸为2 000 t级，闸室有效尺寸为200 m×34 m×4.5 m（长度×宽度×门槛水深，下同）;二线船闸为1 000 t级，闸室有效尺寸为185 m×23 m×3.5 m;三四线船闸均为3 000 t级，闸室有效尺寸相同，均为340 m×34 m×5.8 m，是世界上最大的内河单级船闸。长洲船闸上游191 km的桂平船闸位于广西桂平市城区南郊、西江干线郁江河段，黔江和郁江汇合口上游4 km处，共两座船闸，一线船闸为1 000 t级，船闸闸室有效尺度为190 m×23 m×3.5 m;二线船闸为3 000 t级，船闸闸室有效尺度为280 m×34 m×5.6 m。桂平船闸上游110 km的贵港船闸位于西江干线郁江河段贵港市上游6 km处，为单级单线船闸。闸室的有效尺寸为190 m×23 m×3.5 m（长×宽×门槛水深），一次可通过2×1 000 t顶推船队。

长洲一～四线船闸最大单向通过能力为1.36亿t，是目前世界上同一断面通过能力最大的船闸群，同时也是西江流域上最繁忙的船闸。2017年，长洲船闸的船舶过闸艘数为102 619艘，过闸核载量超过1.56亿 t，货物通过量为0.98亿t。2018年长洲船闸的船舶过闸艘数为135 580艘，过闸核载量超过2.254亿t，货物通过量为1.32亿t。长洲船闸2017年、2018年的过闸量年增幅均超过30%，平均每日过船数量超400艘次。如因气候或环境影响造成停航48 h以上，长洲船闸附近水域将停泊超过800艘船只。在这种情况下，只依靠长洲船闸自身的调度，不容易在短时间内缓解。因此，如何预防和缓解停航、滞航，保证船舶安全高效通航，这对船闸尤其是同一流域的多个梯级船闸的调度管理提出了新的要求。

2 梯级船闸缓行调度的基本方法和思路

贵港船闸至桂平船闸110 km，平均航行时间11 h，桂平船闸至长洲船闸191 km，平均航行时间18 h。这三个相邻梯级船闸作为西江干线通航船只最多的船闸，在长洲船闸上游待船只大量增加出现滞航情况时，需进行协同联合调度，有序引导和控制下行驶往长洲船闸的船只，对缓解长洲船闸的压力有着重要的作用。但是，如果采用简单的方式限制上游船闸的下行过闸船只数量，容易人为地造成上游船闸下行拥堵，大幅降低船只过闸满意度。因此，根据各航段航道条件、各梯级在航船只数量、各闸待闸船舶数量、船闸通过能力等情况，建立梯级船闸缓行调度模型，对梯级船闸间的交通流量进行合理调控，可以实现缓解或避免某梯级船闸的拥堵，同时，也不影响正常驶往其他船闸的船只过闸。

3 梯级船闸缓行调度模型的设定

3.1 简单消化模型

如前文所言，假设已出现停航事件，恢复正常待闸船数需要视来船数量和调度能力的差值来进行消化。该消化模型为：

T1表示恢复通航的时间（h）;

T2表示恢复正常待闸船数的时间（h）;

D表示滞航船数;

d表示调度能力（艘次/h）;

u表示平均来船数量（艘次/h）。

若流域内船数总量为一定值并必定可消化，则有：

T2-T1=D/（d-u）（1）

假设上行船数与下行船数相差较大时，待闸船数的缓解还可以视单向调度能力和单向待闸船数而计算。

单向的调度能力，必要时能够通过一定的空闸闸次来提高。这个行为同时会增加待闸船数较少一侧的待闸时间。空闸闸次的使用，要视船闸两侧船数差距、水能利用、待闸时长等进行综合判断。

3.2 緩行调度模型

船闸缓行调度，是指在船闸可预见发生或已发生交通拥堵事件时，流域内的其他梯级船闸配合延长调度时间的一种方法。

缓行调度的目标是：

（1）流域内所有船闸的安全风险总和最小;

（2）流域内待闸船舶的通航满意度总和最大。

3.2.1 基于上述目标作模型假设

（1）安全风险系数由风险几率和风险影响范围构成。风险几率是待闸船数与应急预案启动船数的比值，数值越大表示安全风险越大;风险影响范围是船舶的数量，在同一船闸滞航船舶越多，发生安全风险时影响越大。

（2） 船民的通航满意度系数是平均待闸时间与实际待闸时间的比值，数值越大表示船民满意度越高。

（3）每个船闸平均待闸时间设为固定值。

（4）每艘船的待闸时间与其过闸批次有关。

（5）启动缓行调度期间，初期与期末流域内的总船数不变。

（6）假定每艘船流域各船闸之间的航行队列次序保持不变。

3.2.2 符号规定

Di（i=1，2，3，……）为流域内船闸i待闸船只数量;

Hi（i=1，2，3，……）为流域内船闸i启动最低级别应急预案待闸船只数量;

d i（i=1，2，3，……）为流域内船闸i的调度能力;

Ti（i=1，2，3，……）为流域内各个船闸i的平均待闸时间;

N k，i（k=1，2，3，……;i=1，2，3，……）为启动缓行调度时，船k在船闸i的过闸顺序号;

Mk（k=1，2，3，……）为某艘船k的航线;

tk（k=1，2，3，……）为船k在流域航线中正常待闸时间总和;

tk（k=1，2，3，……）为船k在流域航线中调度缓行时间总和。

4 分步建立调度模型

4.1 缓行调度中时间分配算法

对于船k，整个航线过闸时间总和为tk（i）。

为达成安全调控目标，对船k进行缓行调度，船k整个航线时间总和为tk+tk。

对船k进行缓行调度前，预测其整个航线的满意度总和为Ti （i）。

理论上平均待闸时间越长的船闸，其缓行调度的时间tk对船民满意影响越小，因此在调度统筹中，船闸i对船k的缓行时间分配函数为：

F（tk，Ti） = tkTi（2）

4.2 安全风险权值影响参考算法

对于船闸i的风险系数Fi为：

Fi= Di/ HiDi=D2i/ Hi （i=1，2，3，……）。

取安全风险系数最大的船闸，作为安全目标参考系数F：F=Max Fi（i=1，2，3，……）;

取船k在航线中调度能力最大的船闸，作为调度均衡参考系数：V=Max di;

调度能力di在本文情况中不能变大。

由于安全风险是第一考虑要素，风险小的船闸为风险大的船闸进行调度减缓，调度能力大的船闸减缓比重较小，则有船闸i调度减缓后的调度能力

di=diFi/F di/V= d2iFi/FV。

船k在调度能力变化前后的过闸时间差，即为船k在船闸i的缓行时间，综合3.1得：

F（tk，Ti） = N k，i/ dI- N k，i/ di= tkTi/（k=1，2，3……）（3）

该算法以时间频率方式计算时，待闸船只和安全权值、船民满意度权值同时循环代入计算，因此不再需要简单消化模型代入。

时间频率可以选择流域中最短过闸时间。

该算法可建立计算机模型如图1所示。

5 应用缓行调度对比分析

5.1 采用简单消化模型的案例

2018-12-28至2019-01-01，由于上游来水持续减少等多方原因，船只在通过长洲船闸下游天然航道出现困难，导致长洲附近水域待闸船只大量增加。船闸的上下游关系布置为：贵港（上游）→桂平→长洲（下游）。2018-12-31起，广西航道行政主管部门在启动《广西壮族自治区西江黄金水道通航突发事件应急预案》的Ⅲ级响应时，通过流域缓行调度控制长洲船閘上游来船数量，有效降低安全风险，是消化模型应用的范例。

其中2018-12-28至2018-12-31期间，未启用缓行调度时，长洲、桂平、贵港三地通航船闸数据如表1所示。

5.2 采用缓行模型的对比分析

从上述数据可以看出，12月28日至31日间，由于未进行缓行调度，桂平、贵港下行船只增多，导致长洲船闸调度压力增大;1月1日至4日采用了简单缓行调节，在长洲的通航情况得以缓解。

以本文模型计算，取应急预案III级响应数值代入计算，每日船闸安全系数总和如表3所示。

根据各闸调度能力代入调整，桂平船闸在1月2～4日还可适当安排提高11%、7%、5%的过阐量，可取得较好的安全系数总和（如表4所示）。

根据船民满意度代入计算，由于计算量较大，暂以闸次为代表船只，满意度总和如表5所示。

按应急预案Ⅲ级响应要求，桂平和贵港待闸数值距离启动值尚远，只需考虑长洲启动预案数值即可。通过计算可虚拟1月1～4日的假设过闸情况（如表6所示）。

在该缓行模式下，流域船闸总体消化能力有明显提高，船民满意度总和如表7所示。

本文在消化模型的基础上，综合考虑了流域其他船闸进行缓行调度的影响，但要付诸实施仍需要进一步研究。

6 结语

本文所论述的缓行调度方法是在不违反通航建筑物管理的相关法律法规情况下实施的，在对船民影响最小的情况下实现行业安全管控目标，可为船闸运行管理单位研究借鉴。

由于研究时间较短，本文中部分重要参数在实际分析中仍可优化，关于安全权值的计算仍处于粗放范畴，而平均过闸时间、航线次序、航速等可利用航行的大数据进行分析，还可以更精确地控制缓行时间。

[1]广西西江黄金水道应急预案[Z].

[2]长洲水利枢纽三线四线船闸工程初步设计报告[R].