三峽船閘通過系統(tǒng)與智能運(yùn)行模式探討

王忠民，楊全林，金 俊

(長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002)

三峽船閘是三峽水利樞紐的重要組成部分，其安全穩(wěn)定運(yùn)行是發(fā)揮三峽水利樞紐航運(yùn)效益的重要保障。近年來，隨著長江航運(yùn)事業(yè)的不斷壯大和國家長江經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)等國家戰(zhàn)略的穩(wěn)步推進(jìn)，三峽船閘年通過量持續(xù)保持在1億t以上并逐年穩(wěn)定增長，2017年達(dá)到1.378億t，超過三峽船閘設(shè)計通過能力37.8%以上。

把計劃過閘船舶(通航指揮調(diào)度系統(tǒng)輸出)通過三峽船閘時的指揮和運(yùn)行作業(yè)作為一個完整過程來分析，可將其視為“船舶到達(dá)”與“船閘伺服”兩個隨機(jī)過程相互作用的排隊系統(tǒng)[1]，稱為三峽船閘通過系統(tǒng)。該系統(tǒng)的輸出能力，采用時間度量亦可以稱為船閘通過效率，主要受單位閘次船舶通過船閘時的閘室空間利用率(簡稱空間效能)和單位閘次船舶過閘運(yùn)行的時間效率(簡稱運(yùn)行績效)共同約束。對于現(xiàn)行的三峽船閘運(yùn)行管理模式，船閘空間效能通過“通航指揮調(diào)度系統(tǒng)”的輸出來獲得，并已實(shí)現(xiàn)了智能化。而作為復(fù)雜的連續(xù)五級船閘通過系統(tǒng)，其運(yùn)行績效的輸出結(jié)果受到上述2個隨機(jī)過程中多種隨機(jī)因素的干擾和約束，運(yùn)行管理部門多年來通過工程、技術(shù)、管理等手段，分別在通航設(shè)施層優(yōu)化、設(shè)備技術(shù)層優(yōu)化、過閘運(yùn)行技術(shù)層優(yōu)化等層面不斷取得成效，大幅減少了隨機(jī)因素對運(yùn)行績效輸出的干擾，總的運(yùn)行績效輸出能力相較通航初期提高了近30%。未來數(shù)年，三峽船閘貨物通過量需求仍將繼續(xù)呈高速增長態(tài)勢[2]。但是，要繼續(xù)深度挖掘通過潛力，傳統(tǒng)的技術(shù)、管理手段已經(jīng)力不從心[3]。

1 船閘智能運(yùn)行現(xiàn)狀分析

船閘行業(yè)關(guān)于船閘智能運(yùn)行的研究與應(yīng)用近來有一定的探索和實(shí)踐。例如：淮安船閘在2016年就進(jìn)行了船閘安全運(yùn)行智能化輔助平臺試驗(yàn)性改造，將視頻系統(tǒng)、船舶超閘室安全警戒線報警、船舶超高檢測報警等功能集中整合成船閘安全運(yùn)行智能化輔助平臺。蘇北運(yùn)河航閘智能運(yùn)行系統(tǒng)完成了全新升級并投入使用，該系統(tǒng)與原有的江蘇全省聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)、GPS輔助調(diào)度系統(tǒng)無縫對接，實(shí)現(xiàn)了“數(shù)據(jù)一次錄入，多閘、多系統(tǒng)重復(fù)使用”[4]。隨著信息化、現(xiàn)代化管理手段在船閘行業(yè)的探索和逐步推廣應(yīng)用，初步形成了集船閘、船舶、航道三位一體的綜合管理、調(diào)度、指揮和服務(wù)支持的智能運(yùn)行理論體系，并出現(xiàn)了包括船閘智能運(yùn)行、智能管理和智能服務(wù)等內(nèi)容的工程應(yīng)用案例[5]。三峽通航水域?qū)嵤┑逆準(zhǔn)秸{(diào)度，系統(tǒng)地提出船舶通過三峽船閘的調(diào)度方案[6]，但缺乏完整的技術(shù)平臺支撐。

總體來說，對于船閘智能運(yùn)行的概念，目前尚無明確的定義，特別是關(guān)于多級船閘智能運(yùn)行，還未見研究成果和工程案例。三峽雙線連續(xù)五級船閘是世界上規(guī)模最大、技術(shù)難度最高、運(yùn)行過程最為復(fù)雜的船閘，以傳統(tǒng)手段提升通過能力已經(jīng)遇到瓶頸，運(yùn)行智能化需求十分迫切，因此以三峽船閘為對象理清船閘智能運(yùn)行概念、探討智能運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)，對進(jìn)一步豐富船閘行業(yè)理論體系、提升三峽船閘通航運(yùn)行效率、提高三峽船閘通過能力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 三峽船閘通過系統(tǒng)

前文所定義的三峽船閘通過系統(tǒng)的基本元素包括船閘及控制系統(tǒng)、引航道及待閘設(shè)施、船舶及駕引系統(tǒng)，它和三峽河段其他通航系統(tǒng)之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 三峽船閘通過系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的關(guān)系

受三峽庫區(qū)通航水位條件等因素規(guī)律性變化的影響，三峽船閘通過系統(tǒng)呈現(xiàn)為多模型的排隊系統(tǒng)，其中最為典型的模型可以完整地展現(xiàn)“船舶到達(dá)”與“船閘伺服”兩個過程相互作用的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 典型的三峽船閘通過系統(tǒng)模型

2.1 三峽船閘通過系統(tǒng)與三峽通航指揮調(diào)度系統(tǒng)的關(guān)系

三峽船閘通過系統(tǒng)與三峽通航指揮調(diào)度系統(tǒng)之間表現(xiàn)為供需關(guān)系，三峽通航指揮調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)其運(yùn)算規(guī)則和對三峽船閘通過系統(tǒng)理想供給能力進(jìn)行測算，其輸出的單位周期內(nèi)的“三峽船閘船舶過閘計劃”是對三峽船閘通過系統(tǒng)通過能力需求的具體表現(xiàn)，且在船舶過閘需求飽和的情況下這種供需關(guān)系呈不對稱性，調(diào)度系統(tǒng)通常按照需求≥供給的原則進(jìn)行輸出，而三峽船閘通過系統(tǒng)運(yùn)行目標(biāo)就是最大限度地滿足該需求。

如圖3所示，在實(shí)際的運(yùn)行生產(chǎn)過程中，三峽船閘通過系統(tǒng)與三峽通航指揮調(diào)度系統(tǒng)難以同步運(yùn)行，會形成互相干涉現(xiàn)象：若發(fā)航指令完全按照調(diào)度系統(tǒng)輸出結(jié)果(需求)來實(shí)施，會發(fā)生引航道內(nèi)待閘點(diǎn)船舶數(shù)超出允許待閘數(shù)量的情況，帶來“規(guī)則性”安全風(fēng)險；若發(fā)航指令完全按照船閘通過系統(tǒng)輸出結(jié)果來實(shí)施，則調(diào)度系統(tǒng)的需求必然無法滿足，單位周期內(nèi)的過閘計劃只能放棄并影響到下一個過閘計劃的輸出，船舶對過閘服務(wù)的體驗(yàn)也必然減分。因此，兩個系統(tǒng)的相互協(xié)調(diào)運(yùn)行，既有經(jīng)濟(jì)效益屬性，又有社會效益屬性。

圖3 三峽船閘通過系統(tǒng)與三峽通航指揮調(diào)度系統(tǒng)工藝銜接關(guān)系

2.2 三峽船閘通過系統(tǒng)運(yùn)行智能化

在傳統(tǒng)的運(yùn)行作業(yè)指揮模式下，三峽船閘通過系統(tǒng)的效率輸出難以進(jìn)一步提升，主要受制于人工作業(yè)難以高效應(yīng)對這種隨機(jī)性特征。相較于簡單的船閘通過系統(tǒng)(如單級船閘通過系統(tǒng))，連續(xù)五級船閘通過系統(tǒng)的運(yùn)行過程相對復(fù)雜，排隊效率更難于把控：前一個閘次通過效率低時，對后續(xù)閘次排隊通過過程的影響強(qiáng)烈；而前一個閘次通過效率高時，后續(xù)閘次排隊通過過程又不一定能夠與其同步。

如前文所述，現(xiàn)有通過系統(tǒng)中有人參與的運(yùn)行單元包括船閘設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)操作、船舶到達(dá)航行及過閘指揮等，這些過程單元均依賴人工作業(yè)來完成運(yùn)行過程的信息收集、運(yùn)行作業(yè)決策、作業(yè)指令傳遞、過閘作業(yè)、作業(yè)反饋和動態(tài)優(yōu)化，人工效率輸出成為通過系統(tǒng)效率輸出的決定性因素，就像只有狀態(tài)好的高水平技術(shù)工人，才能在傳統(tǒng)型機(jī)床上生產(chǎn)出高質(zhì)量產(chǎn)品一樣。也正如智控機(jī)床可以根據(jù)指令等到高品質(zhì)產(chǎn)品一樣，智能運(yùn)行技術(shù)是解決三峽船閘通過系統(tǒng)高效運(yùn)行的必由之路。

一個智能化的通過系統(tǒng)，須能自動感知過閘作業(yè)過程的所有通航環(huán)境信息、船閘運(yùn)行信息和船舶航行信息，能夠自動作出作業(yè)決策，能夠和相關(guān)系統(tǒng)完成作業(yè)指令交互，能夠自動監(jiān)測運(yùn)行過程并進(jìn)行多個連續(xù)排隊過程的動態(tài)優(yōu)化等。一個智能化的通過系統(tǒng)，還能夠通過大數(shù)據(jù)技術(shù)，進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的劣化趨勢分析、船舶航行效率分析、作業(yè)指揮效率分析等，為通過系統(tǒng)的不斷優(yōu)化提供更加精確的技術(shù)參考和決策依據(jù)。

3 三峽船閘智能運(yùn)行平臺及主要功能設(shè)計

3.1 智能運(yùn)行平臺基本框架

當(dāng)前，參與三峽船閘過閘作業(yè)運(yùn)行的單元基本上自成系統(tǒng)且相互獨(dú)立，要進(jìn)行過閘作業(yè)系統(tǒng)性運(yùn)行，需要設(shè)計一個智能化的運(yùn)行平臺將這些分散的系統(tǒng)聯(lián)系起來，在技術(shù)上尚不能完全取代人工的條件下，實(shí)現(xiàn)自動感知、智能決策、人工作業(yè)、自動監(jiān)測、動態(tài)優(yōu)化的智能運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)智能化技術(shù)應(yīng)用對三峽船閘通過系統(tǒng)人工作業(yè)環(huán)節(jié)的不同程度的替代，并對剩余人工作業(yè)環(huán)節(jié)進(jìn)行專家輔助?；谶@樣一個目標(biāo)，設(shè)計的智能運(yùn)行平臺的基本框架如圖4所示。

圖4 三峽船閘智能運(yùn)行平臺的基本框架

該平臺包含船舶過閘航行智能輔助子系統(tǒng)、船閘運(yùn)行操作智能輔助子系統(tǒng)、運(yùn)行調(diào)度指揮智能輔助子系統(tǒng)和運(yùn)行管理智能輔助子系統(tǒng)等幾個主要部分。所謂三峽船閘智能運(yùn)行,就是借助這個平臺自動感知與智能決策，從而實(shí)現(xiàn)輔助船舶過閘安全高效航行、輔助運(yùn)行員精細(xì)化調(diào)度、輔助運(yùn)行員精準(zhǔn)操作和安全監(jiān)護(hù)、輔助運(yùn)行管理運(yùn)行績效監(jiān)測和優(yōu)化等多種功能的船閘智能運(yùn)行模式。

3.2 船舶過閘航行智能輔助

船舶過閘航行智能輔助系統(tǒng)的服務(wù)對象為錨泊地等待過閘的船舶，其主要功能是通過與船方進(jìn)行全方位、全時段、全流程的數(shù)據(jù)交互及人機(jī)溝通，為船方提供形象、直觀、便捷的助航服務(wù)，實(shí)現(xiàn)輔助航行、輔助靠泊、安全監(jiān)護(hù)3大功能。船舶航行智能輔助主要涉及以下6個階段：發(fā)航期間(未至靠船墩)、待閘期間(靠船墩、導(dǎo)航墻)、進(jìn)閘期間、設(shè)備運(yùn)行期間、移泊期間、出閘期間。航行智能輔助功能如圖5所示(以節(jié)點(diǎn)為主干，功能為分支)。

在船舶過閘過程中，船舶航行智能輔助系統(tǒng)通過實(shí)時收集船舶航行信息、船閘設(shè)備信息、水文及氣象信息等，并通過數(shù)據(jù)處理得出船舶航行優(yōu)化結(jié)果，從而向船方下達(dá)包括船舶靠泊位、最優(yōu)航速、起航備車等指令，輔助船方安全、高效地經(jīng)過三峽船閘。

圖5 航行智能輔助功能分支

3.3 運(yùn)行調(diào)度指揮智能輔助

船閘運(yùn)行調(diào)度指揮智能輔助是指對船閘的調(diào)度指揮流程進(jìn)行智能化條件判斷并輔助船閘運(yùn)行人員及時準(zhǔn)確執(zhí)行調(diào)度與指揮，引導(dǎo)船舶過閘。船閘調(diào)度指揮輔助的主要服務(wù)對象是船閘運(yùn)行調(diào)度人員。船閘調(diào)度指揮智能輔助涵蓋了從發(fā)航到出閘共5個流程節(jié)點(diǎn)期間的條件判斷輔助、信息反饋輔助與動靜態(tài)監(jiān)視輔助，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：發(fā)航期間、待閘期間、進(jìn)閘期間、移泊期間、出閘期間。船閘調(diào)度指揮智能輔助功能如圖6所示。

圖6 調(diào)度指揮智能輔助功能分支

通過實(shí)時收集船舶航行信息、船位信息、設(shè)備信息、水文氣象信息等，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出最優(yōu)調(diào)度策略，最終向運(yùn)行調(diào)度指揮人員給出最優(yōu)調(diào)度指令建議，輔助調(diào)度指揮人員完成船舶調(diào)度指揮工作。

3.4 運(yùn)行操作智能輔助

三峽船閘目前采用半自動運(yùn)行方式，需要人工操作的部分為船舶進(jìn)閘完畢后的關(guān)門操作。關(guān)門操作目前通過人工查看監(jiān)視畫面、高頻詢問船方來判斷船舶?？坑诮＞€內(nèi)且靠泊完畢，以判斷船舶狀態(tài)滿足操作條件；通過查看人機(jī)交互界面核查設(shè)備參數(shù)、閉鎖條件和有無現(xiàn)場施工等不允許設(shè)備運(yùn)行的情況來判斷船閘設(shè)備狀態(tài)滿足操作條件。當(dāng)操作條件均滿足后，運(yùn)行員執(zhí)行關(guān)閘門操作。

船閘運(yùn)行操作智能輔助是指通過實(shí)現(xiàn)設(shè)備操作的智能化，通過監(jiān)控系統(tǒng)、船舶定位系統(tǒng)等數(shù)據(jù)的收集，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而判斷設(shè)備是否具備運(yùn)行條件，最終向運(yùn)行員下達(dá)指令，輔助船閘運(yùn)行人員及時準(zhǔn)確執(zhí)行正常關(guān)門操作、應(yīng)急操作。設(shè)備操作智能輔助功能如圖7所示。

3.5 運(yùn)行管理智能輔助

三峽船閘的運(yùn)行管理主要體現(xiàn)在運(yùn)行績效監(jiān)測和運(yùn)行策略優(yōu)化2個方面。運(yùn)行績效監(jiān)測功能包括設(shè)備運(yùn)行效能、船閘運(yùn)行操作績效及船舶航行績效3個層面：船舶航行績效監(jiān)測船舶引航道航行及待閘指令執(zhí)行效率，閘室移泊及泊靠效率；設(shè)備運(yùn)行效能監(jiān)測閘閥門運(yùn)轉(zhuǎn)過程耗時；操作績效監(jiān)測運(yùn)行操作指令效率和應(yīng)急處置響應(yīng)效率。運(yùn)行策略優(yōu)化功能實(shí)現(xiàn)船舶過閘航行能力評估、操作員作業(yè)能力評估、設(shè)備性能劣化評估、通航環(huán)境對通過效率的影響評估等，為通過系統(tǒng)能力保持與挖掘提供大數(shù)據(jù)技術(shù)支持。

4 結(jié)論

1)計劃過閘的船舶與執(zhí)行過閘服務(wù)的三峽船閘通航設(shè)施及其控制系統(tǒng)共同構(gòu)成一個內(nèi)河樞紐交通運(yùn)輸?shù)碾S機(jī)服務(wù)系統(tǒng)，即三峽船閘通過系統(tǒng)。該系統(tǒng)的最優(yōu)控制目標(biāo)是計劃過閘船舶通過三峽船閘時間最短。

2)三峽船閘通過系統(tǒng)運(yùn)行智能化是實(shí)現(xiàn)其運(yùn)行績效最優(yōu)的重要途徑，而運(yùn)行過程信息數(shù)字化是智能運(yùn)行的起點(diǎn)。與其他智能交通系統(tǒng)一樣，本系統(tǒng)智能運(yùn)行平臺的基本框架應(yīng)包括基礎(chǔ)支撐層、應(yīng)用支撐層等5部分構(gòu)成，其主要功能至少應(yīng)當(dāng)包括船舶過閘航行、運(yùn)行調(diào)度指揮、船閘運(yùn)行操作及運(yùn)行管理等智能輔助功能。