開放式對(duì)口船閘善后河樞紐聯(lián)合調(diào)度模型分析與研究

王 進(jìn)，陳志磊，穆興興，丁愛軍

（1.同濟(jì)大學(xué)，上海 201804；2.江蘇連云港市航道管理處，江蘇 連云港 222000）

開放式對(duì)口船閘善后河樞紐聯(lián)合調(diào)度模型分析與研究

王 進(jìn)1，2，陳志磊1，2，穆興興2，丁愛軍2

（1.同濟(jì)大學(xué)，上海 201804；2.江蘇連云港市航道管理處，江蘇 連云港 222000）

以典型的開放式對(duì)口船閘善后河樞紐為例，對(duì)聯(lián)合調(diào)度模型進(jìn)行分析和研究。文章在國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合善后河樞紐實(shí)際情況，統(tǒng)計(jì)了船舶過閘速度、單閘次閘閥門啟閉時(shí)間、建筑物距離等相關(guān)性，形成了閘室組合模型思路，規(guī)劃閘室編排簡(jiǎn)化圖；同時(shí)，建立善后河樞紐聯(lián)合調(diào)度模型，引入調(diào)度目標(biāo)函數(shù)和約束條件，分析船舶在不同環(huán)節(jié)下調(diào)度時(shí)間和注意要點(diǎn)，提高閘次效率；最后，提出了聯(lián)合調(diào)度預(yù)期目標(biāo)，組織計(jì)劃了善后河樞紐聯(lián)合調(diào)度流程，為聯(lián)合調(diào)度實(shí)際工作提供參考。

船閘；開放式；聯(lián)合調(diào)度；模型；分析

江蘇省水運(yùn)資源發(fā)達(dá)，內(nèi)河航道網(wǎng)密布，同時(shí)為平衡東西南北水位差，打通水路通道，全省干支線航道設(shè)有47座交通船閘，極大地拓展了水路運(yùn)輸，豐富了綜合運(yùn)輸體系，為服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。如何充分提高船舶過閘效率，減少船民過閘等待時(shí)間，提升服務(wù)水平是航道人需要研究的問題。本文以開放式對(duì)口船閘連云港善后河樞紐船閘為例，開展調(diào)度模型分析與研究。

1 概述

針對(duì)船閘調(diào)度研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)有了一定研究成果。豐瑋、吳鳳平、張玉韜［1］等以泰州船閘為例，基于0-1規(guī)劃建立閘室船舶組合優(yōu)化動(dòng)態(tài)模型，進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度；吳鳳平、劉軍［2］通過理論分析封閉式對(duì)口船閘的概念和特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)可行性高、適用性強(qiáng)的封閉式二級(jí)對(duì)口船閘運(yùn)行調(diào)度系統(tǒng)；徐斌、潘聞聞、劉軍［3］等以新沂河樞紐船閘為例，確定船閘調(diào)度相關(guān)參數(shù)，構(gòu)建了封閉式對(duì)口船閘調(diào)度模型；周劍、陳鐵英［4］以經(jīng)典的best fit算法為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了帶匹配權(quán)值的best fit算法，較好地解決了閘室面積利用率和船只優(yōu)先級(jí)別之間的矛盾，適用于三峽船閘的編排調(diào)度。

本文在已有相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)連云港境內(nèi)的開放式對(duì)口船閘善后河樞紐船閘地理位置情況進(jìn)行梳理，并建立調(diào)度模型，開展分析和研究，形成調(diào)度流程圖，為服務(wù)船閘實(shí)際調(diào)度做好參考。

2 工程概況

善后河樞紐位于連云港市板浦鎮(zhèn)和小伊鄉(xiāng)境內(nèi)，由云善船閘和善南船閘組成，均為三級(jí)航道通航建筑，規(guī)模為230 m×23 m×4 m。云善船閘位于三級(jí)航道云善河上，善南船閘位于三級(jí)航道鹽河上，兩船閘間為三級(jí)航道善后河，地理位置示意圖如圖1所示。

圖1 善后河樞紐位置示意圖

根據(jù)吳鳳平、劉軍［2］等對(duì)開放式對(duì)口船閘的描述：如果干線航道穿越的行洪河道具有通航功能，這樣位于對(duì)口船閘中間的航道為開放航道，此時(shí)船舶在經(jīng)過一座船閘后，既可能在橫穿行洪河道后去往另一座船閘，也可能轉(zhuǎn)向直接駛向行洪河道，不再經(jīng)過另一座船閘。而封閉式對(duì)口船閘為干線航道穿越的行洪河道不具有通航功能，就相當(dāng)于兩座對(duì)口船閘中間為封閉航道，沒有任何分支，相當(dāng)于一座二級(jí)船閘，即為船舶在通過一座船閘后，必須再經(jīng)過另一座船閘。我國(guó)三峽船閘即為典型意義的封閉式船閘。

目前通過云善船閘的船舶，東則經(jīng)善后河至徐圩港區(qū)，西則經(jīng)善后河至宿遷地區(qū)，南則經(jīng)鹽河和善南船閘至淮安地區(qū)；而同理經(jīng)過善南船閘的船舶，東則經(jīng)善后河至徐圩港區(qū)，西則經(jīng)善后河至宿遷地區(qū)，南則經(jīng)云善河和云善船閘至連云港港區(qū)；同時(shí)由于兩船閘均有并行水利閘，部分船舶亦會(huì)通過水利閘航行。根據(jù)船舶歷年航行走向趨勢(shì)以及2015-11船舶流向統(tǒng)計(jì)表（如表1所示）分析，善后河樞紐為典型意義的開放式對(duì)口船閘。

表1 2015-11善后河樞紐船舶流向統(tǒng)計(jì)

由于徐圩港區(qū)處于建設(shè)之中，貨物吞吐量尚較少、宿連運(yùn)河處于規(guī)劃整治中，存在部分卡脖子段、水利套閘建筑物等級(jí)較低，船舶適用型小等綜合因素，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，同時(shí)需航行通過善南、云善兩座船閘的概率為85%以上，這對(duì)于開展兩閘聯(lián)合調(diào)度的意義重大，可以增強(qiáng)閘次排擋利用率，促進(jìn)節(jié)能減排社會(huì)化，更好地服務(wù)于船民。

3 閘室船舶組合

3.1 模型基本思路［1-5］

為保證公平公正合理，善后河樞紐采用船舶先到先走的調(diào)度原則，目標(biāo)是各閘次船舶載貨種類、船舶尺寸、船舶標(biāo)準(zhǔn)化、違規(guī)記錄、過閘方式等綜合權(quán)重最大f1，各閘次船舶待閘時(shí)間最短f2，并滿足放進(jìn)去的船舶不超出閘室尺寸，每條選中的船舶的尺寸合理，在閘室內(nèi)船舶不相互重疊。本論文在模型創(chuàng)建時(shí)略去船舶載貨種類、違規(guī)記錄、過閘方式等，f1的主要權(quán)重為船舶尺寸，注重體現(xiàn)為船舶尺寸和閘室面積的優(yōu)化組合，以及減少船舶待閘時(shí)間，達(dá)到提高船閘過閘效率的目的。

3.2 模型目標(biāo)函數(shù)

為第j閘次第k艘船的長(zhǎng)；w（j，k）為第j閘次第k艘船的寬；ω（j，k）為第j閘次第k艘船的權(quán)重；n為在計(jì)劃時(shí)段內(nèi)在指定航向上的開閘次數(shù)；Nj為在指定航向上的第j閘次安排的船舶艘數(shù)；tk為第k艘船申報(bào)過閘時(shí)間；t為第k艘船閘次編制放行時(shí)間。目標(biāo)函數(shù)為：

3.3 模型約束條件

定義x（j，k）為第j閘次第k艘船在船閘中以船閘左下角為原點(diǎn)的停泊橫坐標(biāo)，初始值賦0；y（j，k）為第j閘次第k艘船在船閘中以船閘左下角為原點(diǎn)的停泊縱坐標(biāo)，初始值賦0；L為船閘有效長(zhǎng)度，賦值L=230 m；W為船閘有效寬度，賦值W=23 m；A為閘室有效面積，A=L·W=230 m×23 m。n為編排閘次數(shù)量，一般根據(jù)登記船舶數(shù)量多少進(jìn)行編排閘次，若船舶很少編排1個(gè)閘次，n=1；若船舶很多，預(yù)計(jì)需要編排4個(gè)閘次，n=4，以此類推。計(jì)算邊界條件為：

假設(shè)k是準(zhǔn)備放入閘室的一艘待排船，現(xiàn)閘室中已放入m艘船，b是m艘船中除k外的任意一艘船，則：

x（k，m）、y（k，m）分別為第k艘船在第m次過閘時(shí)，在閘室左下角為原點(diǎn)的停泊橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，初始值賦0。

閘室編排如圖2所示。

圖2 閘室編排簡(jiǎn)化圖

編排好一個(gè)閘次后，將進(jìn)入該閘次的船舶從原來的隊(duì)列中剔除，再進(jìn)行下一閘次的編排，充分合理利用閘室效率。

4 聯(lián)合調(diào)度模型建立與研究

由于兩閘之間相距較短，善南船閘上閘首與云善河船閘引航道上閘首間的距離僅為3.5 km，必須對(duì)中間航道上船舶的數(shù)量加以限制。為計(jì)算船舶在善后河樞紐航行時(shí)間，初步估算船舶在引航道的平均速度為5 km/h，在航道的平均速度為6 km/h，通閘時(shí)船舶航行通過船閘的平均速度為3 km/h。單次過閘時(shí)，估算船舶自靠船墩進(jìn)入閘室約需11 min，閘門開關(guān)啟時(shí)間各約需3 min，船閘灌泄水時(shí)間7 min，船舶完全駛離船閘閘室約需11 min。大體測(cè)算船舶在各關(guān)鍵航道的航行時(shí)間，如表2所示。

表2 船舶各航段航行時(shí)間列表

4.1 設(shè)計(jì)聯(lián)合調(diào)度模型

應(yīng)用工件排序、多目標(biāo)規(guī)劃的思想，以閘次為基本單位，將善南船閘、中間航道、云善船閘作為船舶通過開放式對(duì)口船閘所必須經(jīng)過的3個(gè)基本環(huán)節(jié)，船舶從遠(yuǎn)調(diào)站航道至船閘作為輔助環(huán)節(jié)，在一定的約束條件下，通過模型確定每閘次的船過每一環(huán)節(jié)的時(shí)間點(diǎn)將開放式對(duì)口船閘簡(jiǎn)化為5個(gè)環(huán)節(jié)，Ⅰ環(huán)節(jié)代表善南遠(yuǎn)調(diào)站，Ⅱ環(huán)節(jié)代表善南船閘，Ⅲ環(huán)節(jié)代表中間善后河航道，Ⅳ環(huán)節(jié)代表云善船閘，Ⅴ環(huán)節(jié)代表云善船閘遠(yuǎn)調(diào)站。

假設(shè)某船舶過閘流程，航行方向?yàn)槟媳毕?，通過善南船閘后，船舶經(jīng)過中間善后河航道直接航行至云善船閘引航道進(jìn)行待閘，船舶?？孔砸降老蚝蟀错樞蚺帕?。

根據(jù)船閘統(tǒng)計(jì)實(shí)際情況，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入善后河樞紐聯(lián)合調(diào)度模型中進(jìn)行調(diào)度，如圖3所示，可以進(jìn)一步計(jì)算善后河樞紐聯(lián)合調(diào)度模型目標(biāo)函數(shù)和約束條件。

其中，n上為善南船閘遠(yuǎn)調(diào)站在計(jì)劃時(shí)段內(nèi)上行閘次數(shù)目；n上'為在云善船閘收費(fèi)調(diào)度站登記上行待閘船舶閘次數(shù)目；n下為云善船閘遠(yuǎn)調(diào)站在計(jì)劃時(shí)段內(nèi)下行閘次數(shù)目；n下'為在善南船閘收費(fèi)調(diào)度站登記上行待閘船舶閘次數(shù)目。

圖3 善后河樞紐聯(lián)合調(diào)度圖

S、N為方向， SN為方向由南向北，NS為方向由北向南。Xij為善南船閘遠(yuǎn)調(diào)站上行第j閘次在第i個(gè)環(huán)節(jié)的起始時(shí)間，j=1，2，…，n上；i=Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ；X'ij為云善船閘收費(fèi)調(diào)度站上行第j閘次在第i個(gè)環(huán)節(jié)的起始時(shí)間，j=1，2，…，n上'，i=Ⅳ，Ⅴ；Yij為善南船閘遠(yuǎn)調(diào)站下行第j閘次在第i個(gè)環(huán)節(jié)的起始時(shí)間，j=1，2，…，n下，i=Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ；Y'ij為善南船閘收費(fèi)調(diào)度站下行第j閘次在第i個(gè)環(huán)節(jié)的起始時(shí)間，j=1，2，…，n下'，i=Ⅰ，Ⅱ。

4.2 目標(biāo)函數(shù)

（1）當(dāng)船閘正常時(shí)，TⅡ=TⅣ=35 min；當(dāng)船閘通閘時(shí)，TⅡ=TⅣ=11 min。在計(jì)劃時(shí)段內(nèi)所有上行閘次和下行閘次完成所有環(huán)節(jié)總時(shí)間最短，目標(biāo)函數(shù)可表示如下：

善南船閘正常運(yùn)行、云善河船閘正常運(yùn)行：

善南船閘正常運(yùn)行、云善河船閘通閘：

善南船閘通閘、云善河船閘正常運(yùn)行：

善南船閘通閘、云善河船閘通閘：

（2）根據(jù)善后河樞紐具體上行、下行閘次，保證空閘次數(shù)最少的目標(biāo)函數(shù)可表示為：

4.3 約束條件

（1）根據(jù)善后河樞紐中船舶各航段航行時(shí)間具體數(shù)據(jù)，各閘次船舶在善南船閘引航道 、善南船閘 、中間航道 、云善河船閘 、云善河船閘引航道的航行時(shí)間約束條件可表示為：

（2）同一閘次船舶在各環(huán)節(jié)時(shí)間順序約束可表示為：

各閘次船舶開始、完成各環(huán)節(jié)時(shí)間非負(fù)，即

根據(jù)式(1)，善南船閘遠(yuǎn)調(diào)站上行閘次船舶從遠(yuǎn)調(diào)站開始航行至引航道的時(shí)間必須小于或等于進(jìn)入善南船閘閘室時(shí)間，從進(jìn)入善南船閘閘室開始到完成過閘程序時(shí)間必須等于進(jìn)入中間航道時(shí)間，船舶進(jìn)入中間航道后可能進(jìn)行分流，但從進(jìn)入中間航道航行至云善河船閘引航道的時(shí)間必須小于或等于進(jìn)入云善河船閘閘室時(shí)間：

根據(jù)式（13），在云善河下游引航道待閘的上行閘次船舶，從進(jìn)入閘室開始到完成云善河船閘過閘程序的時(shí)間等于開始進(jìn)入上游引航道的時(shí)間：

云善河船閘遠(yuǎn)調(diào)站上行閘次船舶從遠(yuǎn)調(diào)站開始航行至云善河船閘引航道的時(shí)間必須小于或等于進(jìn)入云善河船閘閘室時(shí)間，從進(jìn)入云善河船閘閘室開始到完成過閘程序時(shí)間必須等于進(jìn)入中間航道時(shí)間，船舶進(jìn)入中間航道后可能進(jìn)行分流，但從進(jìn)入中間航道航行至善南船閘引航道的時(shí)間必須小于或等于進(jìn)入善南船閘閘室時(shí)間：

在善南船閘上游引航道待閘的下行閘次船舶，從進(jìn)入閘室開始到完成善南船閘過閘程序時(shí)間等于開始進(jìn)入下游引航道的時(shí)間：

（3）完成空閘程序時(shí)間TK=13 min，正常過閘時(shí)間TZ=35 min，

j=1，2，3…，n上；j'=1，2，3…，n上'；k=1，2，3…，n下；k'=1，2，3…，n下'。善南船閘或云善河船閘前后相鄰不同閘次船舶，時(shí)間順序約束可表示為：

（4）同一閘室對(duì)交替航向船舶的時(shí)間順序限制可表示為：

（5）在善南船閘上游引航道和云善河下游引航道?？康拇跋薅ū仨毿∮诘扔谌l次，當(dāng)?shù)竭_(dá)三閘次時(shí)，該船閘遠(yuǎn)調(diào)站則停止放行反向船舶：

4.4 善后河樞紐聯(lián)合調(diào)度流程

善后河樞紐聯(lián)合調(diào)度的主要功能在于根據(jù)其開放式對(duì)口船閘的航道條件，基于閘室組合系統(tǒng)對(duì)各閘次的組合，對(duì)各閘次船舶的開始過閘時(shí)間進(jìn)行安排，盡可能減少船舶待閘時(shí)間，增加過閘通過效率，初步形成調(diào)度流程，如圖4所示。

圖4 善后河樞紐聯(lián)合調(diào)度流程

5 聯(lián)合調(diào)度模型預(yù)期目標(biāo)

善后河樞紐航道等級(jí)條件高，通航能力大，通行船舶千噸級(jí)，設(shè)備控制現(xiàn)代化，船閘服務(wù)管理規(guī)范，調(diào)度可實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

（1）安全。聯(lián)合調(diào)度的最基本條件，也是聯(lián)合調(diào)度的硬約束和前提。

（2）公平。聯(lián)合調(diào)度模式具備公平需求，使待閘船舶在整個(gè)過閘流程中，根據(jù)船舶實(shí)際情況，選擇適用的服務(wù)方式，充分考慮船民心理，合理確定極限等待時(shí)間，有效保證船舶通暢、有秩序過閘。

（3）高效。聯(lián)合調(diào)度既可實(shí)現(xiàn)船舶的安全、暢行，也可實(shí)現(xiàn)閘室的利用率最大化。

（4）可操作性。聯(lián)合調(diào)度時(shí)，可以保證每個(gè)船閘的兩閘次待閘船舶在引航道等待，最好確保一動(dòng)一靜，合理控制遠(yuǎn)調(diào)站待閘船舶的進(jìn)閘時(shí)間，通過航道限速、禁止航道內(nèi)超越等手段保證一動(dòng)一靜的可操作性。

6 結(jié)語(yǔ)

船閘作為航道上應(yīng)用廣泛的一種通航建筑物，為合理調(diào)節(jié)水位差，保障船舶通航起著重要的支撐作用。善后河樞紐是連云港境內(nèi)典型的開放式對(duì)口船閘，其出入口眾多，兩閘距離較近，聯(lián)合調(diào)度需求較高。本文基于善后河樞紐的實(shí)際情況，分析船舶過閘速度、閘閥門啟閉時(shí)間、建筑物之間距離相關(guān)性，建立樞紐聯(lián)合調(diào)度模型，研究各環(huán)節(jié)船舶調(diào)度時(shí)間，盡可能地提高船舶過閘效率，節(jié)省船民等待時(shí)間；同時(shí)也為今后設(shè)計(jì)聯(lián)合調(diào)度信息系統(tǒng)提供一定的參考。

［1］豐瑋，吳鳳平，張玉韜.閘室船舶組合優(yōu)化動(dòng)態(tài)模型［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，34（6）：697-700.

［2］吳鳳平，劉軍.封閉式二級(jí)對(duì)口船閘調(diào)度模型研究［J］.現(xiàn)代交通技術(shù)，2011（12）：58-62.

［3］徐斌，潘聞聞，劉軍.新沂河樞紐船閘優(yōu)化調(diào)度模式研究［J］.現(xiàn)代交通技術(shù)，2011（12）：63-67.

［4］周劍，陳鐵英. Best fit算法在三峽船閘調(diào)度中的應(yīng)用［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005（7）：38-40.

［5］商劍平，吳澎，唐穎.基于計(jì)算機(jī)仿真的船閘聯(lián)合調(diào)度方案研究［J］.水運(yùn)工程，2011（9）：199-204.

Analysis and Study on Combined Dispatching Model of Open Symmetric Ship Lock in Shanhou River

Wang Jin1,2, Chen Zhilei1,2, Mu Xingxing2, Ding Aijun2
（1. Tongji university, Shanghai 201804, China; 2. Lianyungang City Navigation Adminstration ,Lianyungang 22200, China）

This paper takes the typical open symmetric ship lock in Shanhou River, which has close third-level ship locks with many entrances and exits as example to analyze and study the combined dispatching model. On the basis of the study of experts from home and abroad, according to the practical situation of Shanhou River ship lock, this paper analyzes the correlation among the speed of lockage, the time that ship lock opens and closes, and distance between buildings, and forms the thought on lock chamber combined model and its simplified graph. Then it establishes the combined dispatching model of open symmetric ship lock in Shanhou River, and introduces dispatching objective function and constraint condition to analyze the time and key points of ships in different steps to increase the efficiency of the opening of ship lock. Finally, it raises the expected goal of combined dispatch, and plans the combined dispatching process of Shanhou River ship lock, which can provide reference for practical works.

ship lock; open; combined dispatch; model; analysis

U697

A

1672-9889（2016）06-0090-05

2016-03-03）

王進(jìn)（1985-），男，江蘇南通人，工程師，主要從事船閘建設(shè)管理養(yǎng)護(hù)工作。