基于北斗的三峽大壩船只通行調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉青

摘要：針對三峽大壩已成常態(tài)化的擁堵現(xiàn)狀和風(fēng)險(xiǎn)較大的船只航行過程，以及北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)即將在全國廣泛應(yīng)用的趨勢，提出了一種基于北斗定位技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)等于一體的三峽大壩船只通行調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)主要包括監(jiān)控調(diào)度中心、船只監(jiān)管與服務(wù)系統(tǒng)以及船載終端。船載終端負(fù)責(zé)收集和定時(shí)向船只監(jiān)管與服務(wù)系統(tǒng)發(fā)送來自北斗衛(wèi)星提供的船只標(biāo)示信息、實(shí)時(shí)位置信息和航行狀態(tài)信息，從而實(shí)現(xiàn)對船只航行全過程的實(shí)時(shí)監(jiān)管；同時(shí)，監(jiān)管與服務(wù)系統(tǒng)將船載終端提供的數(shù)據(jù)信息以及搜集到的航行環(huán)境信息進(jìn)行整理和統(tǒng)計(jì)后發(fā)送給監(jiān)控調(diào)度中心，以便監(jiān)控和調(diào)度中心對這些信息進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析后對船只的航行過程作出調(diào)整性指令；這些指令最終反饋到船載終端，便于船只及時(shí)對航行過程作出規(guī)劃和路線的調(diào)整，進(jìn)而有效地解決船只的擁堵問題。

關(guān)鍵詞：北斗定位； GIS平臺(tái)； 通行調(diào)度系統(tǒng)； 三峽大壩； 船載終端

中圖分類號(hào)：F293。2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2017）14-0261-03

1 引言

三峽大壩是我國引以為傲的著名水利樞紐工程之一，它的投入使用給防洪、發(fā)電、航運(yùn)多個(gè)領(lǐng)域帶來了極大的便利。但隨著長江經(jīng)濟(jì)帶的發(fā)展，三峽大壩的船只通行量逐年遞增，船只在大壩處的擁堵已成常態(tài)，由此帶來的損失不可小覷。因此，解決大壩的船只擁堵問題已迫在眉睫。

隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的成熟，其在車輛運(yùn)營和監(jiān)控方面的導(dǎo)航定位已初見成效，但結(jié)合北斗定位與船只的監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)還鮮有報(bào)道。目前國內(nèi)各船運(yùn)中心采用的調(diào)度系統(tǒng)由于缺少實(shí)時(shí)定位與交互通信的功能而存在局限性，不能對水域的交通狀況進(jìn)行全過程實(shí)時(shí)監(jiān)控并做出調(diào)整。旨在利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)出一種能夠?qū)崟r(shí)、動(dòng)態(tài)、相互通信的船只調(diào)度系統(tǒng)，以緩解三峽大壩日益嚴(yán)重的船只擁堵現(xiàn)狀。

2 研究背景及意義

2.1 三峽大壩船只擁堵現(xiàn)狀

隨著長江經(jīng)濟(jì)帶的繁榮發(fā)展，越來越多的貨運(yùn)船需要通過三峽大壩，現(xiàn)如今過壩擁堵的現(xiàn)象已成常態(tài)化，三峽大壩通航能力即將達(dá)到極限。據(jù)三峽通航管理部門相關(guān)人士表示，三峽大壩船閘現(xiàn)在每天基本是滿負(fù)荷運(yùn)營，即使如此，通行量滯后給企業(yè)帶來了不少麻煩。目前長江上的船只，要想過三峽大壩，等1～2 d是正?，F(xiàn)象，若遇到特殊天氣，過壩的船只堆積，一般就會(huì)在壩前等候3～5 d。如果不幸遇上船閘檢修，甚至?xí)壬?～10 d才能翻過三峽大壩。由此可見，尋找合適的方法來解決三峽大壩船只擁堵現(xiàn)狀，提高船閘的通行能力已經(jīng)勢在必行。

2.2 研究意義

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的通信功能和目標(biāo)定位功能是區(qū)別于GPS以及其他導(dǎo)航系統(tǒng)所特有的功能，即北斗導(dǎo)航系統(tǒng)不僅可以告訴使用者自身在何地，還可以告訴使用者其周邊或一定范圍內(nèi)其他使用者所處的位置，這種兼容與互操作可以使三峽庫區(qū)航行的船只之間更詳細(xì)地掌握自身和周圍環(huán)境的信息，及時(shí)根據(jù)實(shí)際情況對航行過程作出調(diào)整，在一定程度上可以有效地避免三峽大壩船只擁堵的現(xiàn)狀，提高航行的效率。

3 設(shè)計(jì)方案技術(shù)依據(jù)

3.1 北斗衛(wèi)星運(yùn)行原理

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的一個(gè)完整的區(qū)域性衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)由空間導(dǎo)航通信衛(wèi)星、地面控制中心以及用戶終端3部分組成，分別負(fù)責(zé)執(zhí)行無線電信號(hào)中繼任務(wù)、無線電信號(hào)發(fā)送和接收以及工作系統(tǒng)的監(jiān)控管理、接受由地面控制中心轉(zhuǎn)發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位信號(hào)的任務(wù)，其工作原理如圖1所示。

3.2 船只在三峽大壩處的通行過程

船只在三峽大壩處的通行過程可以概括為“大船爬樓梯，小船坐電梯”。當(dāng)船只需要從上游的高水位進(jìn)入下游低水位時(shí)，關(guān)閉下游閘門，開啟上游閘門，使船閘內(nèi)的水位和上游一致，這時(shí)上游的船只可順利進(jìn)入船閘內(nèi)；之后再關(guān)閉上游閘門，開啟下游閘門，使船閘內(nèi)的水位下降至大壩下游水位，以便船閘內(nèi)的船只順利從下游閘門開出，反之一樣。三峽大壩還設(shè)有升船機(jī)，船只進(jìn)入指定地點(diǎn)之后，可以一次性地把船從一端吊往另一端。但由于船吊的輸出功率有限制，只有一定噸位以下的船只才能利用升船機(jī)，即通行過程中所謂的“小船坐電梯”。

4 船閘通行調(diào)度系統(tǒng)

4.1 總體結(jié)構(gòu)概述

該系統(tǒng)結(jié)合衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)、地理信息技術(shù)以及無線通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對三峽大壩船只的實(shí)時(shí)監(jiān)控和有效管理，該系統(tǒng)主要包括船載終端系統(tǒng)、船只監(jiān)管與服務(wù)系統(tǒng)以及監(jiān)控調(diào)度中心三個(gè)部分。調(diào)度系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作流程圖2所示。

4.2 船載終端設(shè)計(jì)

船載終端是整個(gè)系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)并運(yùn)行的關(guān)鍵所在。其需要具有以下功能。

（1）北斗定位功能。通過衛(wèi)星定位模塊，接受衛(wèi)星信號(hào)，獲取船只的位置、時(shí)間、速度等信息。

（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理功能。對接收到的信號(hào)進(jìn)行處理，提取衛(wèi)星定位信息，進(jìn)行存儲(chǔ)和封裝，向上一級(jí)發(fā)送；接收船只監(jiān)管與服務(wù)系統(tǒng)發(fā)出的指令和指導(dǎo)信息，對船只航行狀況進(jìn)行調(diào)整。

（3）通信功能。利用移動(dòng)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)與控制中心進(jìn)行加密數(shù)據(jù)傳輸，并能與其他船載終端進(jìn)行相互的通信。

船載終端系統(tǒng)的硬件可由北斗定位模塊、MCU控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和通信模塊4個(gè)部分組成（圖3）。

（1）北斗定位模塊是接受衛(wèi)星信號(hào)的重要組件，其主要功能是為三峽大壩庫區(qū)內(nèi)的所有船載終端提供全天候、全方位的實(shí)時(shí)定位服務(wù)。

（2）MCU控制模塊用來對信息的接受、分析和處理，包括電源部分、存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)部分和外接口部分，其接口部分包括傳感器信號(hào)輸入、MCU控制外部設(shè)備信號(hào)輸出顯示、MCU與北斗定位模塊以及GSM模塊之間的通信接口。

（3）數(shù)據(jù)采集模塊包含脈沖傳感器、壓力傳感器和斷線式傳感器等多種類型的傳感器以及電子攝像頭等外部設(shè)備。

（4）通信模塊主要以GSM模塊為核心，實(shí)現(xiàn)船載終端和船只監(jiān)管與服務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)之間的信息交互。船載終端可以通過GSM網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)對船只監(jiān)管與服務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)的訪問，主要通過Socket套接字實(shí)現(xiàn)。

4.3 船只監(jiān)管與服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

船只監(jiān)控與服務(wù)系統(tǒng)是連接船載終端與監(jiān)控調(diào)度中心的樞紐，采用B/S構(gòu)架，其框架體系為應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層和支撐層（圖4）。

（1）應(yīng)用層負(fù)責(zé)接收和處理船只的各種數(shù)據(jù)，響應(yīng)船只的需求，從數(shù)據(jù)層調(diào)取數(shù)據(jù)完成船只的需求，并將結(jié)果呈現(xiàn)給監(jiān)控調(diào)度中心。

（2）數(shù)據(jù)層主要為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、檢索和數(shù)據(jù)維護(hù)等服務(wù)，其中的數(shù)據(jù)包括船只位置信息數(shù)據(jù)、三峽大壩船閘數(shù)據(jù)等。其中船只位置信息數(shù)據(jù)用來實(shí)現(xiàn)軌跡的生成和通行量的分析；航行狀況、三峽大壩船閘數(shù)據(jù)等存儲(chǔ)入庫，為調(diào)度線路的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

（3）支撐層主要包括衛(wèi)星、船載終端、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等，為應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層提供軟硬件支持。

4.4 監(jiān)控調(diào)度中心設(shè)計(jì)

監(jiān)控調(diào)度中心是由GIS監(jiān)控調(diào)度及信息服務(wù)平臺(tái)、船只資料數(shù)據(jù)庫等構(gòu)成的計(jì)算機(jī)軟硬件體系，是整個(gè)調(diào)度系統(tǒng)的核心和“神經(jīng)中樞”。 監(jiān)控調(diào)度中心的核心是監(jiān)控調(diào)度管理軟件，是一個(gè)能夠接受、顯示動(dòng)態(tài)信息并及時(shí)做出處理的GIS平臺(tái)。其構(gòu)架設(shè)計(jì)圖如圖5所示。

監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)具有以下功能。

（1）船只航行整個(gè)過程的監(jiān)控、管理和調(diào)度。通過對從船只監(jiān)管與服務(wù)系統(tǒng)傳入的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對船只的航行作出調(diào)整性指令或指示。

（2）數(shù)據(jù)傳輸、處理與存儲(chǔ)功能。能夠接收并進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)；能夠?qū)⑻幚砗蟮男畔⑺瓦^指令返回發(fā)送給監(jiān)管與服務(wù)系統(tǒng)及船載終端。

（3）顯示動(dòng)態(tài)地圖功能。通過GIS平臺(tái)顯示出裝有車載終端的船只的動(dòng)態(tài)航行過程，定時(shí)定位查詢船只航行狀況，以便對緊急情況進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，安排調(diào)度過程，達(dá)到緩解船只擁堵的目的。

5 結(jié)語

基于北斗的三峽大壩船只通行調(diào)度系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢。

（1）該系統(tǒng)具有調(diào)度靈活、反應(yīng)迅速以及科學(xué)全面的特點(diǎn)，將其應(yīng)用于三峽大壩處船只過閘的調(diào)度中，為船只的科學(xué)化、規(guī)范化管理奠定了基礎(chǔ)，提高了管理水平和工作效率，縮短了船只在大壩處過閘的等待時(shí)間。

（2）隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的不斷普及，將北斗導(dǎo)航應(yīng)用到船只的通行調(diào)度中，使得此調(diào)度系統(tǒng)能夠嚴(yán)密監(jiān)控船只在三峽庫區(qū)內(nèi)的實(shí)時(shí)活動(dòng)，對船只的位置及狀態(tài)信息作出快速、準(zhǔn)確和有效的反應(yīng)，并對船只的航行過程作出指導(dǎo)，使船只的航行效率更高且更加安全。

（3）北斗導(dǎo)航系統(tǒng)區(qū)別于其他導(dǎo)航系統(tǒng)最重要的優(yōu)勢之一是其特有的通信功能。將其應(yīng)用到船只的通行調(diào)度中，使得船載終端之間能夠相互通信，及時(shí)了解自身及周圍環(huán)境狀況，有利于對航行過程作出調(diào)整。

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