劉延濤王進(jìn)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(chuàng)信息技術(shù)有限公司,江蘇南京210000)

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潮汐性船閘節(jié)能調(diào)度智能系統(tǒng)研究

劉延濤王進(jìn)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(chuàng)信息技術(shù)有限公司,江蘇南京210000)

摘要：本文就潮汐性船閘潮汐預(yù)測(cè)模型的建立，預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的修正、閘船間信息的交互以及船閘的節(jié)能減排、智能調(diào)度等方面，對(duì)潮汐性船閘的通閘調(diào)度進(jìn)行了研究，對(duì)感潮航道船閘的智能調(diào)度應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)和具體實(shí)現(xiàn)做一定的探索。

關(guān)鍵詞：船閘通閘條件；潮汐預(yù)測(cè)模型；閘船間信息交互；智能調(diào)度

灌河是蘇北獨(dú)流入海河流中唯一沒(méi)有在入?？诮ㄩl控制的最大天然潮汐河道，呈東西走向，是江蘇省北部地區(qū)最大的入海潮汐河流。主干流自灌南縣的東三岔經(jīng)響水至燕尾港入海，全程約80公里均處于潮汐界內(nèi)，通過(guò)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(shí)現(xiàn)海河聯(lián)運(yùn)，拓展連云港港口的輻射范圍，使千噸級(jí)駁船、萬(wàn)噸級(jí)船隊(duì)由鹽河、灌河可直通入海，2007年建設(shè)了鹽灌船閘。鹽灌船閘的建立，溝通了蘇、皖、豫三省經(jīng)淮河、鹽河、灌河入海的東西方向主通道，是江蘇省內(nèi)河干線航道網(wǎng)規(guī)劃“二縱四橫”主通道的關(guān)鍵交匯點(diǎn)之一。它上承鹽河，下接灌河，是連云港海河聯(lián)運(yùn)總體規(guī)劃的重要組成部分，隨著灌河、鹽河整治等工程的實(shí)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(zhǎng)。預(yù)計(jì)航道的貨運(yùn)量2020年為3850萬(wàn)噸，2025年為4700萬(wàn)噸，2030年為5080萬(wàn)噸，2035年為5230萬(wàn)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(shí)，與上游的水位梯級(jí)減小，當(dāng)船閘的上下游水位持平時(shí)，船舶具備直通航行的條件，船閘可以開(kāi)放通閘，提高船舶的通航效率，減少船閘運(yùn)行能耗。但由于武障河上游鹽灌節(jié)制閘的排洪泄水，每年7、8、9月份是泄水的主要時(shí)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(jìn)入灌河，也成為影響鹽灌船閘開(kāi)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(fā)揮鹽灌船閘的調(diào)度能力，掌握開(kāi)放通閘的條件、規(guī)律，建立相應(yīng)的潮汐預(yù)測(cè)模型，探討閘船間信息交互的方式和通閘調(diào)度指揮模式，最終建立一個(gè)船閘節(jié)能調(diào)度的智能系統(tǒng)，在確保安全過(guò)閘的情況下，最大程度地發(fā)揮船閘的通航能力并達(dá)到節(jié)能減排的目的。下面對(duì)潮汐性船閘節(jié)能調(diào)度智能系統(tǒng)進(jìn)行研究:

1通閘條件的預(yù)測(cè)

根據(jù)灌河航道的自然條件分析，影響開(kāi)放通閘的最主要條件有：當(dāng)日潮汐的大小、流速、漲落潮持續(xù)時(shí)長(zhǎng)等。此外，武障河上游鹽灌節(jié)制閘的排洪泄水、沖淤，以及當(dāng)日的風(fēng)力、風(fēng)向等因素也是不可忽視的因素。

符明等人通過(guò)對(duì)鎮(zhèn)江諫壁船閘的運(yùn)行環(huán)境及運(yùn)行管理等情況的研究，提出了套閘運(yùn)行和通閘運(yùn)行的準(zhǔn)備、運(yùn)行流程、運(yùn)行控制及風(fēng)險(xiǎn)防范、應(yīng)急管理的要求，對(duì)潮汐性船閘的節(jié)能調(diào)度具有一定的借鑒意義。研究認(rèn)為：通閘運(yùn)行計(jì)劃和調(diào)度實(shí)施方案應(yīng)根據(jù)船閘所在地的潮汐表和漲落潮規(guī)律確定，并參考當(dāng)日風(fēng)向、風(fēng)力對(duì)潮汐的影響。通閘開(kāi)啟時(shí)，船閘上下游水位差宜掌握在0.3m內(nèi)，并且不得超過(guò)閘門設(shè)計(jì)允許承受的動(dòng)水啟閉能力；等待閘室內(nèi)水流平穩(wěn)后，且流速小于1.6m后方可調(diào)度船舶過(guò)閘。

1.1潮汐預(yù)測(cè)模型的建立

根據(jù)對(duì)灌河已知的水文歷史數(shù)據(jù)資料分析，我們認(rèn)為調(diào)和分析和預(yù)報(bào)模型比較適合對(duì)灌河的潮汐狀況的預(yù)測(cè)。調(diào)和分析的實(shí)質(zhì)是根據(jù)某一點(diǎn)實(shí)際潮位過(guò)程，推求該點(diǎn)各個(gè)分潮調(diào)和常數(shù)3和g的過(guò)程，其目的是根據(jù)潮汐觀測(cè)資料計(jì)算各個(gè)分潮的調(diào)和常數(shù)。

潮汐預(yù)報(bào)可以看作是潮汐調(diào)和分析的逆過(guò)程，是指根據(jù)已知某一地區(qū)潮汐調(diào)和常數(shù)預(yù)報(bào)未來(lái)任意時(shí)刻的潮汐?？梢圆捎靡韵鹿酵扑闳我鈺r(shí)刻的潮高：

其中天文初相位voi決定于推算的起始時(shí)刻，可以根據(jù)杜德森數(shù)計(jì)算：風(fēng)潮的焦點(diǎn)因子f和焦點(diǎn)訂正角u需要根據(jù)有關(guān)天文變量計(jì)算得到。a0平均海平面在潮高基準(zhǔn)面上的高度，可以事先確定。

1.2預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)校正

由于鹽灌船閘下游的武障河節(jié)制閘的排洪泄水，水閘的放水沖淤以及當(dāng)日的風(fēng)力、風(fēng)向等因素會(huì)對(duì)潮汐產(chǎn)生一定的影響，閘下測(cè)點(diǎn)預(yù)報(bào)結(jié)果受上游徑流、水利閘開(kāi)閘放水以及口外風(fēng)暴潮的影響。為此，我們從灌河入?？诘难辔哺垡约拔湔虾优c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(shè)立了兩級(jí)水文監(jiān)測(cè)點(diǎn)。從入?？谥鸺?jí)、逐時(shí)的依據(jù)預(yù)測(cè)模型及各級(jí)站點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，層層預(yù)報(bào)、層層校正，實(shí)現(xiàn)對(duì)通閘時(shí)間的精度逼近式預(yù)報(bào)。

燕尾港作為第一級(jí)水文監(jiān)測(cè)點(diǎn)，可以實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)到當(dāng)天的起潮、潮長(zhǎng)、潮量的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，為預(yù)測(cè)模型提供基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支持的第一手實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。在預(yù)測(cè)模型的支持下，提前為鹽灌船閘提供當(dāng)天的通閘可能性初級(jí)預(yù)報(bào)。

張灣大橋作為第二級(jí)水文監(jiān)測(cè)點(diǎn)，再次對(duì)當(dāng)天的潮水進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確度量潮高、潮長(zhǎng)、潮量、風(fēng)速和風(fēng)向等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，同時(shí)，也考慮武障河節(jié)制閘的泄洪放水，在預(yù)測(cè)模型的支持下，再次對(duì)前級(jí)預(yù)報(bào)進(jìn)行校正并重新做出更加精確的二級(jí)預(yù)報(bào)，實(shí)時(shí)度量和掌控潮水實(shí)況，實(shí)施開(kāi)閘、過(guò)船、閉閘等通閘操作。

式中，h(t)R為實(shí)際應(yīng)用潮位（m），h(t)p為預(yù)報(bào)潮位(m)，Δh(t)為修正值(m)。

當(dāng)Δh(t)為口外風(fēng)暴潮引起時(shí)，可利用口外風(fēng)暴潮向口內(nèi)傳遞的時(shí)間差，通過(guò)河道內(nèi)或口外測(cè)點(diǎn)（如燕尾港）監(jiān)測(cè)風(fēng)暴潮結(jié)果，進(jìn)行修正。此時(shí)，式中ζ(t)為實(shí)測(cè)風(fēng)暴潮(m)，k1為系數(shù)，可通過(guò)實(shí)測(cè)資料得到。

當(dāng)Δh(t)為降雨引起時(shí)，可以通過(guò)河道內(nèi)其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)降雨影響因子進(jìn)行修正。

Δh(t)=k2Q(t)

式中Q(t)為降雨影響(m)，k2為系數(shù)，可通過(guò)實(shí)測(cè)資料分析得到。

當(dāng)Δh(t)為徑流影響時(shí)，可參照降雨影響修正方式。

1.3模型的驗(yàn)證

為檢測(cè)上述模型的正確性，我們分別對(duì)已知的歷史和2015年7月~10月的潮汐情況進(jìn)行了驗(yàn)證，其結(jié)果如下：

表1 2014年4月~5月預(yù)測(cè)開(kāi)放通閘時(shí)間

表2 2014年4月~5月實(shí)際通閘時(shí)間

2閘船間信息交互方式

閘船間的信息交互是通過(guò)安裝在船民手機(jī)端的APP系統(tǒng)，將過(guò)閘船舶的信息與船閘調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)船舶過(guò)閘的遠(yuǎn)程電子申報(bào)、過(guò)閘繳費(fèi)、過(guò)閘檔位圖查看等服務(wù)，并可通過(guò)手機(jī)直接查看航道水深、航段天氣、通航公告等信息，實(shí)現(xiàn)閘船間的信息互通。

2.1電子申報(bào)

當(dāng)過(guò)閘船舶行駛至待閘區(qū)后，船主通過(guò)手機(jī)APP提交過(guò)閘申請(qǐng)。申報(bào)內(nèi)容包括船名船號(hào)、起訖點(diǎn)、單船/船隊(duì)、實(shí)際噸位、實(shí)際吃水、擬過(guò)閘貨種種類、是否危險(xiǎn)品等。

2.2報(bào)審核

船主提交過(guò)閘申請(qǐng)后，船閘調(diào)度系統(tǒng)將自動(dòng)審核申報(bào)內(nèi)容和智能識(shí)別結(jié)果的相關(guān)信息，完成船舶的過(guò)閘登記，并將船舶加入到待閘隊(duì)列中并自動(dòng)進(jìn)行過(guò)閘費(fèi)的計(jì)算。

2.3電子繳費(fèi)

審核通過(guò)后，系統(tǒng)自動(dòng)向手機(jī)發(fā)出船舶過(guò)閘登記號(hào)、過(guò)閘費(fèi)金額，船主用手機(jī)繳納過(guò)閘費(fèi)。繳費(fèi)后系統(tǒng)將自動(dòng)推送船舶過(guò)閘檔位圖給船民手機(jī)。

2.4調(diào)度過(guò)閘

船民在接到檔位圖后，將船舶?？吭谥付▍^(qū)域，等待過(guò)閘調(diào)度通知。

2.5信息交互和服務(wù)

通過(guò)本系統(tǒng)，船民可以得到以下服務(wù)：

待閘情況：包括等待過(guò)閘的船舶數(shù)、船舶順位、隊(duì)列號(hào)、預(yù)計(jì)過(guò)閘時(shí)間等信息，實(shí)時(shí)掌握過(guò)閘進(jìn)度；

過(guò)閘檔位圖：系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)推送船舶的過(guò)閘檔位圖，顯示過(guò)閘的閘室、排擋、上下行和預(yù)計(jì)過(guò)閘時(shí)間；

航道水深查看：全面詳細(xì)了解航段的水深情況，準(zhǔn)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(hào)碼，并可以直接撥打該號(hào)碼；

3通閘調(diào)度指揮模式

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

3.1通閘調(diào)度模式的選擇

當(dāng)潮汐預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)到未來(lái)的某一時(shí)間段，滿足開(kāi)放通閘的條件并具有一定的持續(xù)時(shí)間，系統(tǒng)將通知船閘管理人員做好套閘和通閘的切換準(zhǔn)備工作。

3.2通閘船舶的預(yù)檢

通閘的開(kāi)放并非適合所有船舶的通行，需要根據(jù)預(yù)測(cè)的潮位和下游航道的通航能力，確定當(dāng)日開(kāi)放通閘的船舶最大吃水，對(duì)于超出該吃水尺度的船舶不予放行；同時(shí)應(yīng)考慮在通閘開(kāi)放的不同時(shí)段放行不同吃水的船舶。

3.3根據(jù)通航水位進(jìn)行船舶排檔調(diào)度

根據(jù)系統(tǒng)給出的各種吃水深度船舶通航的時(shí)間點(diǎn)，并根據(jù)水位變化的預(yù)測(cè)對(duì)空重載船舶的調(diào)度次序進(jìn)行過(guò)閘船舶的排檔。

由于涉及多項(xiàng)判定閾值的設(shè)定，當(dāng)最終確定通閘開(kāi)啟和關(guān)閉的時(shí)間后，啟閉閘閥門的最終操作仍須由人工進(jìn)行，以保障通閘的安全性。

4潮汐性船閘節(jié)能調(diào)度智能系統(tǒng)

智能調(diào)度系統(tǒng)由申報(bào)、識(shí)別、登記、繳費(fèi)、調(diào)度、監(jiān)控、過(guò)閘確認(rèn)等功能模塊組成，通過(guò)安裝在船民手機(jī)端APP與船閘進(jìn)行信息溝通，實(shí)現(xiàn)過(guò)閘的調(diào)度。

4.1智能申報(bào)

船舶到達(dá)船閘附近時(shí)，可以通過(guò)多種方式（如電話、移動(dòng)APP等）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程過(guò)閘電子申報(bào)。申報(bào)內(nèi)容主要包括空重載、貨種、載重噸位等。通過(guò)遠(yuǎn)程電子申報(bào)，實(shí)現(xiàn)船民免?？?。對(duì)于未安裝手機(jī)APP的部分船民，系統(tǒng)依然保留上岸人工申報(bào)的功能。

4.2智能識(shí)別

智能識(shí)別是對(duì)船舶唯一標(biāo)識(shí)進(jìn)行的離岸遠(yuǎn)程身份自動(dòng)識(shí)別。能夠被系統(tǒng)識(shí)別的終端包括：各類智能終端（含安裝了APP的手機(jī)）、AIS、VITS、GPS、RFID等。系統(tǒng)也支持通過(guò)視頻主動(dòng)識(shí)別和保留傳統(tǒng)的人工方式的識(shí)別。系統(tǒng)還可以通過(guò)激光傳感器對(duì)待閘船舶進(jìn)行掃描，獲取船舶有關(guān)特征數(shù)值并將測(cè)量數(shù)據(jù)與系統(tǒng)中的船舶登記數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)匹配，實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)閘船舶的的精確測(cè)量，達(dá)到船舶相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和復(fù)核。

4.3智能登記

船舶到達(dá)指定報(bào)到區(qū)域后，系統(tǒng)根據(jù)船舶遠(yuǎn)程申報(bào)和智能識(shí)別結(jié)果的相關(guān)信息，自動(dòng)完成船舶的過(guò)閘登記，同時(shí)，也可以由船閘登記人員人工進(jìn)行船舶的登記。

4.4智能繳費(fèi)

系統(tǒng)根據(jù)船舶的類型，噸位等信息進(jìn)行閘費(fèi)的自動(dòng)計(jì)算，通過(guò)電子繳費(fèi)（手機(jī)APP，網(wǎng)銀）等多種形式，實(shí)現(xiàn)過(guò)閘費(fèi)的自動(dòng)扣繳。系統(tǒng)仍支持傳統(tǒng)人工繳費(fèi)。繳費(fèi)后系統(tǒng)自動(dòng)將船舶納入待調(diào)度隊(duì)列。

4.5智能調(diào)度

根據(jù)對(duì)船舶的預(yù)檢情況和預(yù)測(cè)的潮位以及下游航道的通航能力，確定本次開(kāi)放通閘船舶的最大吃水深度，對(duì)于超出吃水尺度的船舶不予放行。同時(shí)，根據(jù)水位變化的預(yù)測(cè)對(duì)空重載船舶進(jìn)行排檔。排檔方案確認(rèn)后，通過(guò)手機(jī)APP等多種發(fā)布途徑推送給船民。

4.6智能監(jiān)控

船舶過(guò)閘智能監(jiān)控用于解決船舶過(guò)閘時(shí)的安全問(wèn)題?？刹捎脭z像機(jī)、紅外或激光傳感等技術(shù)對(duì)閘室兩端建立警戒區(qū)域，同時(shí)結(jié)合監(jiān)控視頻的智能分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門碰撞、閘臺(tái)吊船等事件的預(yù)警，對(duì)過(guò)閘船舶的進(jìn)閘、出閘行為進(jìn)行警戒和預(yù)警，并提供視頻取證。

4.7過(guò)閘確認(rèn)

安裝了手機(jī)APP或其他智能終端的船舶可以被系統(tǒng)自動(dòng)確認(rèn)，未安裝手機(jī)APP或智能終端的船舶，則通過(guò)人工進(jìn)行過(guò)閘確認(rèn)。

5結(jié)語(yǔ)

我們相信，對(duì)潮汐性船閘通閘條件、規(guī)律的研究探索，建立相應(yīng)的預(yù)測(cè)模型，分析預(yù)報(bào)船閘下游的潮位過(guò)程，可以最大程度地發(fā)揮感潮航道船閘的船舶運(yùn)行效率，提高水運(yùn)協(xié)同管理及綜合服務(wù)質(zhì)量，改善服務(wù)環(huán)境，提高、保障航行安全、節(jié)約能源，降低管理成本，逐步實(shí)現(xiàn)水運(yùn)管理智能化。

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

中圖分類號(hào)：U641.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006－7973（2016）01－0054－03