甘金明，吳潔明

（1.2.梧州學(xué)院信息與電子工程學(xué)院，廣西梧州 543002）

船閘調(diào)度信息管理及閘室排擋調(diào)度優(yōu)化設(shè)計(jì)

甘金明1，吳潔明2

（1.2.梧州學(xué)院信息與電子工程學(xué)院，廣西梧州 543002）

針對(duì)梧州市長(zhǎng)洲水利樞紐船閘調(diào)度排擋的問題，對(duì)船閘調(diào)度信息進(jìn)行管理以及閘室排擋調(diào)度算法優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過研究船閘通航的情況，在窮舉法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，該優(yōu)化方案考慮了船閘之間的調(diào)配，也考慮了船閘的最大容量，同時(shí)兼顧先來先服務(wù)的原則，也考慮了特殊船只，在實(shí)際應(yīng)用中取得良好的效果。

長(zhǎng)洲水利樞紐；船閘調(diào)度；算法

1 引言

當(dāng)前，隨著經(jīng)濟(jì)全球化和區(qū)域經(jīng)濟(jì)一體化向縱深發(fā)展、國(guó)家西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入實(shí)施、中國(guó)—東盟自由貿(mào)易區(qū)的建成運(yùn)營(yíng)、泛珠三角和泛北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)合作的進(jìn)一步推進(jìn)，以及中央出臺(tái)一系列擴(kuò)內(nèi)需、保增長(zhǎng)的政策措施，廣西沿江經(jīng)濟(jì)迎來了千載難逢的發(fā)展機(jī)遇。為貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀，適應(yīng)新的發(fā)展形勢(shì)，自治區(qū)黨委、自治區(qū)人民政府作出了“打造西江黃金水道促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展”的重大戰(zhàn)略決策。為了加快西江黃金水道開發(fā)，提高通航能力，長(zhǎng)洲水利樞紐船閘調(diào)度是一個(gè)關(guān)鍵的計(jì)劃活動(dòng)，其目的是快速通過船閘、降低成本提高通航能力。具體來說，需要考慮以下幾方面。

（1）允許通航的船舶吃水深度值。因季節(jié)不同，航道水深不同。

（2）閘室尺寸。因不同船閘，閘室長(zhǎng)、寬值不同。

（3）船在閘室內(nèi)的安全距離。船越大，要求距離越大。

（4）船型尺寸。目前的船型不規(guī)范，只能按大、中、小預(yù)設(shè)理想值，還有一類超大型的工程船，是特殊的船型，實(shí)際使用時(shí)需調(diào)整。

（5）每個(gè)船閘上、下行運(yùn)行一個(gè)周期所需的時(shí)間。船閘大小不同，運(yùn)行周期所需時(shí)間不同，在實(shí)際運(yùn)行過程中，還會(huì)出現(xiàn)一些意想不到的情況而改變某個(gè)運(yùn)行周期時(shí)間。

2 問題的分析

2.1 長(zhǎng)洲水利樞紐基本情況[1]

長(zhǎng)洲水利樞紐船閘工程采用一級(jí)雙線船閘，上下游引航道分別長(zhǎng)1500 m和1600 m。雙線船閘可分別通航4×2000 t級(jí)和4×1000 t級(jí)頂推船隊(duì)，雙線單向年過閘總載重噸位為4012萬噸。1號(hào)船閘為2000 t級(jí)，閘室尺度200×34×4.5（m）（長(zhǎng)×寬×門檻水深），閘室有效的尺寸為185×32.5（m）。2號(hào)船閘為1000 t級(jí)，閘室尺度185×23×3.5（m），閘室有效的尺寸為165×22.5（m）。船舶在閘室內(nèi)的安全間隔要求：前后約70-80公分（如果船舶大，要求的距離也加大），左右約20-30公分。

船舶過閘分為上行和下行。為了節(jié)省閘室沖、放水時(shí)間和提高水資源的利用率，每個(gè)船閘一般是按照上行——下行——上行——下行——……的方式循環(huán)往復(fù)，而且二個(gè)船閘進(jìn)閘、放行在時(shí)間上并不同步。一般情況下，在同一個(gè)時(shí)間內(nèi)，兩個(gè)船閘一個(gè)上行、一個(gè)下行。

正常情況下，閘室沖水需要時(shí)間3-18分鐘（豐水期與枯水期有差別，大閘與小閘也有差別）。船舶進(jìn)閘的航行速度按規(guī)定不能超過15公里/小時(shí)。正常情況下船舶進(jìn)出閘時(shí)間：大閘需23至28分鐘（不順利時(shí)需30-40分鐘），約3-3.5小時(shí)完成一次上、下行循環(huán)。小閘約2-2.5小時(shí)完成一次上、下行循環(huán)。大閘和小閘單獨(dú)運(yùn)行，哪個(gè)快哪個(gè)慢、哪個(gè)先哪個(gè)后是不確定的。

2.2 船舶候閘流程

船舶過閘前，按以下流程進(jìn)行管理和調(diào)度：船舶需先到報(bào)到處進(jìn)行過閘報(bào)到（上游在赤水港碼頭，下游在下關(guān)碼頭），然后按照指揮在指定的錨泊區(qū)?？浚繏佸^來固定船只）。上游有錨泊區(qū)6個(gè)，最近的離船閘有1公里；下游有錨泊區(qū)3個(gè)，離船閘有幾百米。當(dāng)船舶進(jìn)入最近一批過閘排序范圍時(shí)，按短信通知到達(dá)指定的靠船墩等候，靠船墩位于船閘的引航道兩邊，離閘首約幾百米，與上、下行方向同向，所有準(zhǔn)備過閘的船只都是以與航向相同的方向在靠船墩旁邊依次排開（如下頁圖1所示）。最靠近靠船墩的船只是固定在靠船墩上的，而其他船只則通過互系纜繩來固定，因此，后進(jìn)閘的船只最靠近靠船墩，先進(jìn)船閘的船只在最外面，離靠船墩最遠(yuǎn)，輪到過閘時(shí)，再短信通知船舶依次離開靠船墩，通過引航道進(jìn)閘。如果離靠船墩最近的船先進(jìn)閘，則當(dāng)該船解纜離開靠船墩時(shí)，其他相鄰的船需移動(dòng)讓出航道，該船才能開出來。因此，預(yù)排序時(shí)，后進(jìn)閘的先?？看铡４鞍凑{(diào)度人員的指揮進(jìn)到閘室內(nèi)，船頭朝向航行方向縱向?？?，系好纜繩。當(dāng)閘內(nèi)水位升/降至出閘水位時(shí)，按順序出閘。

圖1 船墩及船閘示意圖

2.3 船舶過閘批次預(yù)編排規(guī)則

過閘預(yù)排按照吃水深度篩選、先到先服務(wù)、船型優(yōu)化組合、優(yōu)先服務(wù)、單獨(dú)服務(wù)等規(guī)則設(shè)計(jì)船舶排隊(duì)隊(duì)列和閘室船舶組合方式，確定船舶能否過閘、過閘批次、等候時(shí)間等。船舶過閘批次預(yù)編排規(guī)則主要有：方式一：吃水深度篩選。根據(jù)船舶遠(yuǎn)程申報(bào)的信息進(jìn)行吃水深度篩選，吃水深度符合過閘條件的，按“方式二”安排過閘；對(duì)不符合過閘條件的船舶遠(yuǎn)程下達(dá)不能過閘信息，待水位上升滿足船舶吃水深度后，按“方式二”調(diào)度過閘。方式二：先到先服務(wù)。對(duì)吃水深度符合過閘條件的船舶，一般按到停泊區(qū)進(jìn)行遠(yuǎn)程申報(bào)的先后次序安排過閘。方式三：船型優(yōu)化組合。在遵循先到先服務(wù)和確保安全的前提下，按照船閘閘室的具體尺寸，將大、中、小型船舶合理調(diào)配過閘，提高閘室利用率，提高過閘船舶量。方式四：優(yōu)先服務(wù)。對(duì)符合優(yōu)先過閘條件的船舶（如客班船、集裝箱船、緊急軍事運(yùn)輸船、防汛搶險(xiǎn)船、救護(hù)救災(zāi)船、航道航標(biāo)工程船、海事艇、鮮活貨船及重點(diǎn)緊急物資運(yùn)輸船等），優(yōu)先安排過閘。方式五：?jiǎn)为?dú)服務(wù)。對(duì)符合單獨(dú)過閘條件的船舶（如裝載危險(xiǎn)品的船舶等），安排單獨(dú)過閘。

按照上述5種排閘規(guī)則，由計(jì)算機(jī)選擇出優(yōu)化的過閘船舶組合方案，編排過閘批次，安排過閘順序，遠(yuǎn)程通知船舶按照預(yù)先規(guī)定的次序依次進(jìn)閘。從已登記申請(qǐng)上行過閘船舶列表中選擇船舶添加到過閘船舶列表，然后記錄開下閘門關(guān)、閘室充水、上閘門開的時(shí)間，完成本次調(diào)度，如下頁圖2所示。

圖2 上行船舶過閘調(diào)度流程圖

3 閘室排擋的優(yōu)化

3.1 泊候閘排擋設(shè)計(jì)

每隔一個(gè)周期就通過估算發(fā)布一次信息。不確定情況下，每隔常規(guī)過閘周期都發(fā)布一次信息，根據(jù)船閘運(yùn)行常規(guī)情況估算發(fā)布準(zhǔn)備通知；只告訴船只做好準(zhǔn)備出發(fā)，也有可能更改；這個(gè)預(yù)測(cè)信息是保證正式發(fā)布信息時(shí)，船只能及時(shí)按照指揮前行，此時(shí)不是發(fā)布進(jìn)入靠船墩信息，而是做好準(zhǔn)備進(jìn)入。在時(shí)間上能確定哪個(gè)閘室可利用時(shí)，根據(jù)現(xiàn)有船只和閘室設(shè)備條件優(yōu)化分布后發(fā)布正式通知；根據(jù)實(shí)際情況，船舶從泊候閘進(jìn)入閘室按照閘室內(nèi)分布決定。

3.2 閘室內(nèi)船舶平面分布設(shè)計(jì)

根據(jù)閘室平面圖的分布，同時(shí)確定進(jìn)入閘室的船只后，邏輯運(yùn)算可以推知船只進(jìn)入閘室順序，根據(jù)以下調(diào)度原則：先到先服務(wù)；優(yōu)先級(jí)服務(wù)；特殊航務(wù)單獨(dú)服務(wù)；同時(shí)考慮閘室利用率，優(yōu)化組合，提高過閘效率，用最少的時(shí)間通過更多的船只和更多的重量。閘室內(nèi)船舶分布的優(yōu)化思路為：

step（1）應(yīng)用整數(shù)規(guī)劃方法，給出多套閘室優(yōu)化組合方案；

step（2）應(yīng)用分層序列法，從上面多套方案中選出包含所有必須過閘船只的多套較優(yōu)方案；其中設(shè)定等待極限值，候閘時(shí)間超過等待極限值的船只作為必過閘船對(duì)待，注意不同的船特征（客船，軍船等）有不同的等待時(shí)間極限值；

step（3）應(yīng)用多目標(biāo)優(yōu)化方法，從以上方案中選出等待時(shí)間最長(zhǎng)，運(yùn)輸重量最大，通航時(shí)間最小，船只最多的2-3套方案；

step（4）調(diào)度員選擇實(shí)施方案，這一步，如果對(duì)船只有跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)，可以根據(jù)目前各船只位置，選擇調(diào)度時(shí)間最少為目標(biāo)進(jìn)一步優(yōu)化方案。

3.3 船閘調(diào)度算法

步驟1，先判斷哪個(gè)船閘；

步驟2，累計(jì)排序船只占有面積和船閘面積比較，當(dāng)累積面積超過船閘面積時(shí)，減少一只船只即使船閘可能放下最多的船只；

步驟3，根據(jù)整數(shù)規(guī)劃中的窮舉法[2]列出所有布局，一旦能放下所有船只即為最優(yōu)布局給出此方案；如果沒有一個(gè)方案合適，就減少一只船只，重復(fù)上述窮舉法；

步驟4，看剩余空間是否可以放置后序船只，提前過閘；

為了提高運(yùn)算速度，將上述思路改進(jìn)如下：前提，用窮舉法給出各種布局，并記錄各種船型的數(shù)目，將此數(shù)據(jù)作為專家方案待用。

步驟1，先判斷哪個(gè)船閘能使用；

步驟2，累計(jì)排序船只占有面積和船閘面積比較，大致根據(jù)排序能放下幾條船只，并記錄不同船型的數(shù)目（共四種船型，小、中、大和超大）；

步驟3，根據(jù)專家系統(tǒng)（窮舉法保存）選擇最多和最接近滿足不同船型數(shù)目條件的方案；

步驟4，根據(jù)選中方案中逐一匹配，看哪一種方案放置船只最多，而且保證順序；

步驟5，如果選擇方案后，計(jì)算剩余面積，看是否可以由后序船只滿足條件，那么就先安排進(jìn)來。

3.4 算法仿真

4 結(jié)束語

本文介紹的船閘調(diào)度信息管理和閘室排擋的實(shí)際情況，對(duì)閘室排擋調(diào)度進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化，提高了船閘的通航能力，極大地降低生產(chǎn)成本，提高資源利用率，同樣對(duì)現(xiàn)代物流業(yè)有著重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。測(cè)試情況和實(shí)際應(yīng)用表明，該方案優(yōu)化簡(jiǎn)單有效，便于實(shí)施。

[1]莫偉弘.長(zhǎng)洲水利樞紐1×2000t+1×1000t船閘總體設(shè)計(jì)[J].紅河水,2008,27(5):44-49.

[2]張姣姣,等.基于窮舉法的高速公路多路徑識(shí)別研究[J].中國(guó)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-），廣西藤縣人，梧州學(xué)院副教授，研究方向：軟件工程、計(jì)算機(jī)應(yīng)用。吳潔明（1959-），女，廣西玉林市人，梧州學(xué)院教授，主要研究方向：軟件工程。

（責(zé)任編輯：覃華巧）

2014-03-06