船閘管控一體化信息系統(tǒng)

錢學(xué)志

摘要：邵伯船閘管控一體化系統(tǒng)工程是由江蘇省交通廳航道局和蘇北航務(wù)管理處共同列項(xiàng)的科技含量較高的技改專項(xiàng)工程。以京杭運(yùn)河邵伯船閘為實(shí)例，概述船閘管控一體化系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)調(diào)度系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)調(diào)度船舶方案、布局，論述閘室內(nèi)通過船舶布局分析算法并在安全系數(shù)最高達(dá)到閘室容量利用率最大。利用數(shù)學(xué)理論、先進(jìn)的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)調(diào)度模板化，圖形化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：船閘管控一體化系統(tǒng);調(diào)度原則;閘室容量;利用率;安全系數(shù)

邵伯船閘管控一體化系統(tǒng)：根據(jù)國(guó)內(nèi)的船閘目前都是控制系統(tǒng)與調(diào)度管理、辦公、監(jiān)控系統(tǒng)單獨(dú)操作管理的，信息互相不溝通，作出了可行性分析，建立京杭運(yùn)河蘇北航道處船閘管理中心（數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)），邵伯船閘等其它九個(gè)船閘為支點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了大型集中分布式數(shù)據(jù)庫(kù)管理結(jié)構(gòu)。各支點(diǎn)實(shí)現(xiàn)船閘管控一體化;中心實(shí)現(xiàn)集中全線航運(yùn)管理。使廣域網(wǎng)絡(luò)二次提交事務(wù)處理技術(shù)，同步技術(shù)等高新尖端技術(shù)在船閘領(lǐng)域得到進(jìn)一步應(yīng)用。開發(fā)管控一體化系統(tǒng)的開放性平臺(tái)，完成運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)每周（7天*24小時(shí)）計(jì)算機(jī)管理，將船閘控制系統(tǒng)、調(diào)度管理系統(tǒng)，辦公系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、Web系統(tǒng)以服務(wù)的方式嵌入在平臺(tái)中，并開發(fā)各系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交互的公共接口，既獨(dú)立又融為一體，用戶可根據(jù)實(shí)際需要選擇性應(yīng)用。達(dá)到功能：

1）管理船流、物流、河流、銀流（收費(fèi)）。

2）信息采集、調(diào)度、處理、發(fā)布、儲(chǔ)存、統(tǒng)計(jì)、分析、決策。

3）為過往船舶服務(wù)，為物流服務(wù)，為繁榮經(jīng)濟(jì)服務(wù)。

4）掌握全局實(shí)時(shí)信息，全線統(tǒng)一調(diào)度管理，統(tǒng)一規(guī)劃發(fā)展。

一、管控一體化系統(tǒng)

（一）調(diào)度管理信息系統(tǒng)

調(diào)度管理信息系統(tǒng)采用GS結(jié)構(gòu)，集中數(shù)據(jù)管理方式。系統(tǒng)根據(jù)各工作站的功能劃分相應(yīng)的模塊。各模塊運(yùn)行時(shí)利用ActiveXData Object2.1數(shù)據(jù)訪問接口技術(shù)均與應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)建立數(shù)據(jù)連接。對(duì)應(yīng)用數(shù)據(jù)的關(guān)系處理均在數(shù)據(jù)服務(wù)器，服務(wù)器雙硬盤鏡像，雙機(jī)備份，確保系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行。

實(shí)現(xiàn)船閘每周7*24小時(shí)計(jì)算機(jī)調(diào)度管理。遠(yuǎn)調(diào)站登記船舶信息，自動(dòng)計(jì)算過閘費(fèi)，打印登記單?？傉{(diào)/首調(diào)（包括稽查補(bǔ)征模塊：系統(tǒng)根據(jù)稽查內(nèi)容系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算各稽查項(xiàng)稽查補(bǔ)征費(fèi)用）。根據(jù)調(diào)度原則系統(tǒng)自動(dòng)生成每號(hào)閘最大進(jìn)船艘數(shù)、進(jìn)閘物理順序示意圖，生成閘次系統(tǒng)通過消息中間件將當(dāng)前的閘次信息發(fā)送給遠(yuǎn)調(diào)，遠(yuǎn)調(diào)開始確認(rèn)該閘次，同時(shí)還提供與LED顯示屏的接口，向顯示屏發(fā)送閘次信息。售票根據(jù)被確認(rèn)的閘次調(diào)船登記單售票。系統(tǒng)可產(chǎn)生當(dāng)日售票員營(yíng)收匯總統(tǒng)計(jì)并打印報(bào)表。驗(yàn)票員根據(jù)閘次計(jì)劃進(jìn)閘時(shí)間及售票情況可進(jìn)行一個(gè)或多閘次同時(shí)驗(yàn)票，并將驗(yàn)票情況反饋給總調(diào)/首調(diào)，總調(diào)/首調(diào)可根據(jù)反饋現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行并閘或延遲，驗(yàn)票員必須作閘次驗(yàn)票結(jié)束操作，系統(tǒng)同時(shí)自動(dòng)通過消息中間件將當(dāng)前的閘次信息發(fā)送給控制系統(tǒng)及閘首調(diào)度模塊。閘首調(diào)度員根據(jù)當(dāng)前接收閘次信息進(jìn)行放行，產(chǎn)生每日每班組放行閘次數(shù)、艘數(shù)、噸位、各項(xiàng)閘費(fèi)的匯總統(tǒng)計(jì)并打印報(bào)表。運(yùn)調(diào)可對(duì)系統(tǒng)調(diào)度模式切換及各模塊人員、權(quán)限、角色的管理，違章信息管理等。統(tǒng)計(jì)可匯總當(dāng)日產(chǎn)生各類數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計(jì)、匯總、報(bào)表及打印等。

關(guān)鍵技術(shù)：消息中間件，條碼打印、登記號(hào)自動(dòng)產(chǎn)生、閘實(shí)最大利用率計(jì)算、定額票交易。

（二）WEB信息發(fā)布系統(tǒng)和OA系統(tǒng)

辦公管理系統(tǒng)及遠(yuǎn)程瀏覽系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)。界面以網(wǎng)頁(yè)形式體現(xiàn)，應(yīng)用程序安裝在Web服務(wù)器上。應(yīng)用數(shù)據(jù)放置在數(shù)據(jù)服務(wù)器中?？蛻舳颂峤划?dāng)前輸入?yún)?shù)，客戶端與Web服務(wù)器之間建立連接，Web服務(wù)器執(zhí)行當(dāng)前網(wǎng)頁(yè)，運(yùn)行過程中若處理應(yīng)用數(shù)據(jù)則Web服務(wù)器利用ActiveX Data Object2.0數(shù)據(jù)訪問接口技術(shù)與應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)建立數(shù)據(jù)連接并執(zhí)行相應(yīng)的指令。完成后輸出數(shù)據(jù)結(jié)果返回到Web服務(wù)器上，最終再將當(dāng)前提交的網(wǎng)頁(yè)運(yùn)行的結(jié)果傳輸?shù)娇蛻舳?。系統(tǒng)根據(jù)各工作站的功能劃分分別建立辦公管理Web應(yīng)用程序，遠(yuǎn)程瀏覽Web應(yīng)用程序。

關(guān)鍵技術(shù)：工作流定制、與調(diào)度管理實(shí)時(shí)交互，與監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)交互。

（三）控制、監(jiān)控系統(tǒng)

在邵伯船閘監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，結(jié)合控制領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)和目前國(guó)內(nèi)同行業(yè)的控制狀況和邵伯船閘運(yùn)行的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)在總控室可集中控制操作

一、二號(hào)船閘的過閘聯(lián)動(dòng)及單步運(yùn)行，也可由現(xiàn)地分散控制各閘首設(shè)備，控制方式靈活，關(guān)系合理，監(jiān)控并舉、控制圖形化、設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)分散、集中控制組態(tài)。

二、閘室船舶布局算法設(shè)計(jì)

當(dāng)前京杭運(yùn)河船閘管理過往船舶進(jìn)入閘室基本運(yùn)用人工進(jìn)行調(diào)度排擋，管理人員不能及時(shí)分析船舶通過信息（待調(diào)、已調(diào)、放行）。人工調(diào)度過程中完全決定操作員自身因素，加上船舶運(yùn)行不確定條件的影響，使的船舶過閘時(shí)間過長(zhǎng)，操作員工作流程煩瑣，閘室容量不能充分合理利用，降低了運(yùn)行生產(chǎn)船舶通過量，增加了控制系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)載，阻礙了內(nèi)河運(yùn)輸效率。

開發(fā)船閘調(diào)度管理信息系統(tǒng)。方便、高效完成運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)每周（7天*24小時(shí)）計(jì)算機(jī)管理。在調(diào)度管理信息系統(tǒng)中解決閘室船舶計(jì)算機(jī)自動(dòng)排擋、參照布局示意圖的形成及布局存儲(chǔ)。存在閘室容量利用與進(jìn)入船舶數(shù)量反比關(guān)系。如何科學(xué)的計(jì)算閘室的剩余容量，使的每次閘室通過船舶量最大。閘室容量利用、布局及在安全系數(shù)最高達(dá)到閘室容量利用率最大。

輸入?yún)?shù)隨機(jī)：

1）必須遵循調(diào)度原則即放行原則，航運(yùn)管理規(guī)定：先登記先放行;按船舶分類放行。

2）閘室容量不可分割區(qū)域，每次閘室通過船舶數(shù)量不固定。

由上導(dǎo)致當(dāng)前閘室選擇過往船舶以登記時(shí)間為條件，導(dǎo)致不可對(duì)當(dāng)前通過船舶長(zhǎng)寬屬性進(jìn)行分類，產(chǎn)生了同一閘室過往船舶長(zhǎng)、寬參差不齊。導(dǎo)致閘室容量利用復(fù)雜化，增加放閘難度。

建立數(shù)學(xué)模型，選取閘室某一角為坐標(biāo)的原點(diǎn)，考慮閘室（邵伯閘室：220×25）為規(guī)則的矩形（簡(jiǎn)單化處理）及船舶在閘室內(nèi)的存在面積占據(jù)（不考慮空間上占據(jù)），以二維坐標(biāo)系考察。閘室長(zhǎng)度方向上為Y軸，寬度方向上為X軸，對(duì)過往船舶以矩形處理對(duì)象。由于對(duì)稱，可整體選擇以閘室室內(nèi)邊距為參照一律先左后右或先右后左思想方法放置。構(gòu)出船舶在閘室內(nèi)的坐標(biāo)位置。在放置船舶時(shí)在長(zhǎng)度和寬度方向上均保留一定的間隙系數(shù)（安全系數(shù)）。

布局算法：設(shè)定閘室總長(zhǎng)L總，閘室總寬W總;來船長(zhǎng)度為L(zhǎng)，寬度W;放置來船后記下該船的左上角坐標(biāo)P（x，y）。

定義S余i：剩余且可利用的面積之一或組合（可能不規(guī)則）即：

S余i=S（x，y）+S（x，+W，Y）+…S（q，y）;且（0<=q=0）;保持S（x，y）始終在x坐標(biāo)方向連續(xù);

初始化S余i=L總×W總;（i=0），S（x，y）=S（0，0）即坐標(biāo)即為原點(diǎn)坐標(biāo)。（見圖1）

定義剩余面積S（x，y）：其中x，y表示該區(qū)域面積的左上角坐標(biāo)，計(jì)算放置該船后容器S余剩余可利用的面積即為新的容器R余，剩余面積一般由兩個(gè)且最多兩個(gè)新容器組成。

1）以船寬度為界限在剩余長(zhǎng)度方向上產(chǎn)生的面積記S（x，y）余1，記下長(zhǎng)度L1，記下寬度W1。坐標(biāo)x1，y1。

2）以船橫坐標(biāo)x加上長(zhǎng)度為橫坐標(biāo)，縱坐標(biāo)以組成的S余容器的最右邊子容器縱坐標(biāo)：記下長(zhǎng)度L2，記下寬度W2。坐標(biāo)x2，y2。（見圖2、圖3）

定義放置來船原則：

1）尋找可放置該船的最佳容器記為S余i;

2）優(yōu)先考慮剩余面積長(zhǎng)度最大的S余i=S（x，y）;能放下時(shí)記浪費(fèi)面積為0，按照自左至右方向，以S余i左上角橫坐標(biāo)作為來船的橫坐標(biāo)，考慮S余=S（x，y）可能組合，依次考察S（x，y）或其組合的容器，計(jì)算在放置后取產(chǎn)生浪費(fèi)面積（不可利用）最小的放置。（見圖4）

3）每次放置來船后刷新S余=S余1…..S余n，建立x，y方向上的位置，且保證S余1….到S余n與實(shí)際空間順序一致?？紤]S余=S（x，y）可能組合：以S余1開始，S余1與s余z的組合，s余1與s余2與s余3的組合等直到在寬度滿足放入來船，計(jì)算浪費(fèi)面積S廢1;以S余2開始，s余2與S余3的組合，S余2與S余3與S余4的組合等直到在寬度方向上滿足放入來船，計(jì)算浪費(fèi)面積S廢2;直到以S余n開始，不能在寬度方向上滿足放入來船。比較S廢1….S廢n取最小放置。

4）修正2）、3）可能產(chǎn)生S余n或可能組合一直都不能滿足放入來船，在保持閘室長(zhǎng)度方向上船舶放置整體推進(jìn)的原則，采取顯示浪費(fèi)面積處理。在不滿足的S余i情況下，比較放入來船后在寬度方向上的新S余i的長(zhǎng)度記L余，優(yōu)先考慮MAX的L余，其次考慮MIN的S廢。

例如：下圖來船P（x，y）4可放的位置若按1）應(yīng)放置在S（x，y）余3（假設(shè)P（x，y）4來船和P（x，y）3一樣）;但根據(jù)4）應(yīng)為S（x，y）余1和S（x，y）余2的組合。（見圖5）

計(jì)算P（x，y）;S（x，y）1;S（x，y）2

1.優(yōu)先考慮剩余面積長(zhǎng)度最大險(xiǎn)S余，當(dāng)找到存在的S余q且Lq>=L時(shí)：取出S余q的坐標(biāo);

Px=Sxq;Py=Syq;Sx1=Sxq;Sy1=Syq+L：L1=L總（當(dāng)前容器）-L;W1=W。

若Wq>W時(shí)，Sx2=SXq+W;Sy2=Syq;L2=L總（當(dāng)前容器）-L;

W2=W總（當(dāng)前容器）-W;否則不存在S（x，y）2。

2.至少是兩個(gè)s余或以上組合才能滿足放入來船。

滿足條件直到W總i….+W總j>=W;

找出S余i….到S余j中L總q最小S總q;其中（i<=q<=j）。

Px=Sxi;Py=Syq;Sx1=Sxi;Sy1=Syq+L;L1=L總（當(dāng)前指S余q）-L;W1=W若Wq>W時(shí)，Sx2=Sxi+W;Sy2=yj;L2=L總（當(dāng)前指S余j）;

W2=（W總i….+W總j）-W。否則不存在S（x，y）2。

S浪i=（S余i….+S余j）-S（x，y）1-S（x，y）2-（L×W）

3.修正計(jì)算比較放入來船后在寬度方向上的新S余i的長(zhǎng)度記L余，優(yōu)先考慮MAX的L余，其次考慮MIN的S廢。使用遞歸得出P（x，y）;S（x，y）1;S（x，y）2。

建立每閘室通過的船舶信息庫(kù)，存儲(chǔ)船舶在閘室二維坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)位置，通過開發(fā)編輯器可模擬閘室船舶編組示意圖，隨時(shí)調(diào)閱、打印。（見表1）

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