三峽船閘運行調(diào)度人機集成設(shè)計方案研究

楊 全 林，李 涵 釗，陳 鵬

(長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002)

三峽船閘是舉世矚目的三峽水利樞紐的重要組成部分，其安全穩(wěn)定運行是發(fā)揮三峽水利樞紐航運效益的重要保障。近年，隨著長江經(jīng)濟帶建設(shè)等國家戰(zhàn)略穩(wěn)步推進，三峽船閘年通過量持續(xù)保持高位穩(wěn)定增長，2018年更是達到了1.42億t，超過2030年單向5 000萬t的設(shè)計通過能力指標40%以上。隨著長江航運的持續(xù)增長，其通航需求與三峽船閘通過能力之間的矛盾日益突出，船舶大量積壓已成常態(tài)。未來，三峽船閘貨物通過量需求仍將持續(xù)高速增長，三峽船閘通過能力無法滿足航運發(fā)展需求，亟需進行“擴能”。有學者運用量化評價模糊決策方法從船閘、過閘船舶、環(huán)境和運行管理4個方面對影響三峽船閘通過能力的關(guān)鍵因素進行了量化研究，結(jié)果表明：船閘運行組織、調(diào)度管理優(yōu)化、調(diào)度績效評估等都成為其通過能力進一步提升的關(guān)鍵[1-4]。為解決航運需求與通過能力不足之間的突出矛盾，有關(guān)部門已啟動三峽航運新通道建設(shè)的研究工作[5-7]。然而，在新通道正式建成投用以前，三峽船閘通過能力的繼續(xù)挖潛，已成為近期及未來很長一段時間社會各界普遍關(guān)注的焦點問題。

三峽船閘的通過能力受貨物通過的空間效能和過閘運行的運行績效約束。運行部門多年來通過對工程、技術(shù)、管理等方式持續(xù)改進優(yōu)化，船閘運行績效得以保持高效，三峽船閘日均運行閘次已由通航初期的23次提高至31次。但是，關(guān)心三峽航運的各方均對其仍有一定的預期：一方面，從三峽船閘節(jié)點自身的過閘交通組織來說，其運行績效的量化評價主要是基于結(jié)果，運行目標是持續(xù)保持三峽船閘高效運行，減小運行過程因人工決策導致的波動性和安全風險；另一方面，從整個三峽通航的角度，三峽船閘的通航組織效率影響整個三峽通航的交通組織效率，現(xiàn)行的船閘運行業(yè)務系統(tǒng)并未與通航調(diào)度系統(tǒng)等信息饋通、聯(lián)動，形成信息資源集中統(tǒng)一應用的綜合效益。

國內(nèi)的船閘運行部門在船閘智能化運行調(diào)度方面進行了大量積極探索與運用，但現(xiàn)行的智能調(diào)度研究更多地側(cè)重于船閘調(diào)度作業(yè)工具的信息化與智能化，對于船閘調(diào)度過程的智能化開發(fā)以及智能決策還未見成熟的應用范例[8-11]。因此，在分析現(xiàn)有船閘運行調(diào)度效率瓶頸的基礎(chǔ)上，基于人機集成設(shè)計理論，構(gòu)建船閘智能運行調(diào)度平臺，降低人為主觀因素的影響，同時實現(xiàn)多系統(tǒng)綜合效能的發(fā)揮，是進一步提升船閘運行績效的必經(jīng)之路。同時，開展面向多級船閘的運行調(diào)度智能化研究，對提升船閘運行效率與管理水平具有非常顯著的指導作用和現(xiàn)實意義。

1 三峽船閘運行調(diào)度現(xiàn)狀分析

1.1 當前運行調(diào)度模式

三峽船閘的運行調(diào)度是由船閘運行部門根據(jù)船閘運行工藝流程，在現(xiàn)有的過閘排擋計劃下執(zhí)行對過閘船舶的調(diào)度、指揮與控制過程。如圖1所示，目前，根據(jù)三峽船閘運行規(guī)程，一般情況下三峽船閘南線過下行，北線過上行；特殊情況下每線船閘均可以換向運行。不同運行級數(shù)或不同運行方向方式下，除船舶待閘方式有差異外，船舶過閘流程和船閘設(shè)備運行工藝基本一致。船舶通過三峽船閘的調(diào)度指揮包含靠船墩指揮、導航墻待閘指揮、船舶進閘指揮、運行移泊指揮和船舶出閘指揮。

圖1 三峽船閘運行組織流程Fig.1 Operation organization process of Three Gorges ship lock

1.2 通航調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

將三峽船閘的運行過程視作一個多級排隊的通過系統(tǒng)，它與通航調(diào)度系統(tǒng)之間表現(xiàn)為供需關(guān)系。根據(jù)通航調(diào)度系統(tǒng)運算規(guī)則對三峽船閘通過系統(tǒng)理想供給能力進行測算，其輸出的單位周期內(nèi)“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)通常按照需求大于或等于供給的原則進行輸出，而三峽船閘通過系統(tǒng)運行目標就是最大限度地滿足這一需求。從體系結(jié)構(gòu)上來說，系統(tǒng)基于J2EE架構(gòu)多層體系，分為數(shù)據(jù)層、應用層、表示層3個主要層次，層與層之間通過不同的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議連接，層與層之間既相對獨立，又緊密聯(lián)系(見圖2)。

在三峽船閘實際運行過程中，調(diào)度系統(tǒng)輸出的單位周期內(nèi)過閘計劃與三峽船閘通過系統(tǒng)的執(zhí)行情況不匹配，兩者難以同步運行，結(jié)合多年來船閘運行控制流程的具體分析結(jié)果可知，從調(diào)度計劃下發(fā)到船舶進閘執(zhí)行過閘工藝流程存在時間差，船舶移泊的整個過程中進閘環(huán)節(jié)的平均時間占比20%以上，是影響船舶過閘歷時的重要環(huán)節(jié)，給三峽船閘運行調(diào)度帶來了極大挑戰(zhàn)。

圖2 通航調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of navigation scheduling system

1.3 三峽船閘運行調(diào)度概述

單級船閘運行作業(yè)流程主要包括船舶待閘、船舶進閘、設(shè)備操作、設(shè)備運行、船舶出閘。三峽船閘設(shè)計為雙線五級梯級船閘，是世界上規(guī)模最大、技術(shù)難度最高、運行過程最為復雜的船閘，其運行作業(yè)流程較單級船閘更為復雜，增加了船舶移泊、設(shè)備操作、設(shè)備運行的次數(shù)。三峽船閘船舶過閘排隊過程分解圖如圖3所示，把三峽船閘的運行作業(yè)過程視為一個智能化“通道”，船舶通過三峽船閘的交通運輸過程，是由船舶過閘航行過程、調(diào)度指揮過程、船閘設(shè)施狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程(含控制系統(tǒng)自動運行過程)、船閘輸水過程共同組成一個復合型的排隊過程。船閘運行員根據(jù)收集到的船舶航行過程信息，通過調(diào)度指揮過程對其進行干預，同時通過操縱船閘控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)換船閘設(shè)施狀態(tài)和干預船閘輸水過程，最終達到船舶過閘航行過程符合交通組織的預期目標。此過程的信息收集任務和過程干預行為(決策和指令輸出)均依靠人工完成，其效率受運行員的技能水平、精力、情緒等因素影響，存在一定的波動性和提升瓶頸。分析發(fā)現(xiàn)：此交通運輸過程的4個子過程所產(chǎn)生的信息絕大多數(shù)是時空數(shù)據(jù)，具有強力的時間屬性和空間屬性，既可以表述為時間序列數(shù)據(jù)，亦可以表述為地理空間數(shù)據(jù)。

圖3 三峽船閘船舶過程排隊過程分解(下行過程)Fig.3 Decomposition diagram of the queuing process of the ship crossing the Three Gorges ship lock

由此可知，船閘運行是過閘船舶、船閘設(shè)備設(shè)施、閘室及引航道水位和運行員多個對象，將排檔指揮、船舶航行等基本過程按照待閘、進閘、逐級過閘和出閘時空順序復合而形成的總過程，各個環(huán)節(jié)均由運行員結(jié)合環(huán)境、設(shè)備、船舶條件進行判斷。三峽船閘半人工半自動化的運行模式下運行過程轉(zhuǎn)步和狀態(tài)轉(zhuǎn)換主要依賴于人工銜接。來自于現(xiàn)有業(yè)務系統(tǒng)的船閘運行過程數(shù)據(jù)量龐大，具備了大數(shù)據(jù)所擁有的體量大、類型多、變化快和價值密度低的種種特征，并且數(shù)據(jù)資源的集中化程度不高、應用面單一。僅僅依靠人工采集和感知這些大數(shù)據(jù)，存在不全面和不可控的問題，目前情況下只能進行周期性的結(jié)果評價和交通組織的被動調(diào)整。因此這些現(xiàn)實問題都已成為當前制約三峽船閘繼續(xù)深度挖潛擴能和保持高效運行的瓶頸，只有廣泛吸收和借鑒先進信息技術(shù)和智能化手段才能實現(xiàn)運行過程量化，以系統(tǒng)自主決策替代人工決策來實現(xiàn)通過時間最小的目標，制定船閘運行調(diào)度智能化方案，提高三峽船閘的運行效能。

現(xiàn)有船閘運行調(diào)度方式為：① 發(fā)航，通過人工查看調(diào)度系統(tǒng)獲取過閘計劃和排擋圖，通過高頻詢問船方判斷具體船位，人工判斷環(huán)境等其他因素后按待閘規(guī)定做出決策，下發(fā)靠船墩待閘調(diào)度指令；② 待閘，通過人工查看調(diào)度系統(tǒng)獲取過閘計劃和排擋圖，通過高頻詢問船方判斷具體船位，人工確認設(shè)備、環(huán)境、工況等其他因素后按待閘規(guī)定做出決策，下發(fā)導航墻待閘調(diào)度指揮指令；③ 進閘、移泊、出閘，控制系統(tǒng)發(fā)出進閘/移泊/出閘信號，人工判斷設(shè)備、環(huán)境、工況、船舶執(zhí)行情況等因素后做出船舶進閘/移泊/出閘的干預決策，如提醒移泊或發(fā)出禁止移泊指令等。

2 三峽船閘運行調(diào)度智能化模式

船閘運行調(diào)度指揮智能輔助主要服務于船閘運行調(diào)度員，是對船閘的調(diào)度指揮流程進行智能化條件判斷，并輔助船閘運行員及時準確執(zhí)行相應的調(diào)度與指揮，引導船舶過閘。船閘調(diào)度指揮智能輔助涵蓋了從發(fā)航到出閘5個流程節(jié)點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)在發(fā)航期間、待閘期間、進閘期間、移泊期間、出閘期間。

2.1 模型設(shè)計

三峽船閘在不同運行模式下，待閘規(guī)則、過閘流程、注意事項等存在差異。因此，調(diào)度指揮智能輔助針對不同的船舶閘次和不同船閘運行方式，可設(shè)計多種模型，初始選擇條件不同，具體如下：

(1) 上行。T1，上行-四級運行-一級危險品閘次；T2，上行-四級運行-二級危險品閘次；T3，上行-四級運行-普貨閘次；T4，上行-五級補水/五級運行-一級危險品閘次；T5，上行-五級補水/五級運行-二級危險品閘次；T6，上行-五級補水/五級運行-普貨閘次。

(2) 下行。T1，下行-四級運行-一級危險品閘次；T2，下行-四級運行-二級危險品閘次；T3，下行-四級運行-普貨閘次；T4，下行-五級補水/五級運行-一級危險品閘次；T5，下行-五級補水/五級運行-二級危險品閘次；T6，下行-五級補水/五級運行-普貨閘次。

2.2 專家輔助設(shè)計

調(diào)度指揮智能輔助功能塊的專家輔助設(shè)計以時間節(jié)點為主干，功能為分支。

如圖4所示，專家輔助設(shè)計主要表現(xiàn)為從發(fā)航、待閘、進閘、移泊到出閘5個調(diào)度環(huán)節(jié)的相關(guān)信息收集、信息處理以及指令下達，為調(diào)度指揮過程提供相關(guān)條件判斷、動態(tài)監(jiān)控和過程監(jiān)視輔助，保障調(diào)度各環(huán)節(jié)船舶過閘安全性和高效性。

由圖4可知，船閘過閘調(diào)度指揮過程本質(zhì)上是一個樞紐通航的交通組織過程不斷循環(huán)重復的場景，這種場景具有空間范圍固定(船閘基礎(chǔ)設(shè)施及位置空間相對固定)和過程相似度高的特征，其智能化的場景相對單一，其數(shù)據(jù)源多少和數(shù)據(jù)量大小決定了對算力的要求，通過先進的建模技術(shù)實現(xiàn)多級船閘運行調(diào)度指揮過程控制及數(shù)字化，能一定程度上提升決策的科學性。

智能決策主要體現(xiàn)在各個調(diào)度環(huán)節(jié)中的相關(guān)信息收集、數(shù)據(jù)處理和指令的下達。以進閘環(huán)節(jié)為例，當收到進閘指令，即通航信號燈變?yōu)榫G色，提前10 min提示調(diào)度員通知待閘船舶準備動車進閘，判斷進閘條件，監(jiān)控進閘過程和?？坎次?，從而縮短進閘時間，增加決策指令安全性。

2.3 測量反饋設(shè)計

此環(huán)節(jié)主要是對運行員在每個調(diào)度指揮環(huán)節(jié)的調(diào)度指揮條件、調(diào)度指令、調(diào)度指揮效率、調(diào)度指揮安全性進行測量，并對比此次調(diào)度指揮數(shù)據(jù)、同類型閘次在該環(huán)節(jié)的標準數(shù)據(jù)，形成實時報表并及時反饋。

2.4 偏差校正設(shè)計

此環(huán)節(jié)主要是對調(diào)度指揮條件、調(diào)度指揮效率、調(diào)度指揮安全性進行測量。比對標準數(shù)據(jù)、規(guī)定流程，當發(fā)現(xiàn)調(diào)度指令、調(diào)度指揮時間數(shù)據(jù)異?；蛞?guī)定流程執(zhí)行情況異常時，自動觸發(fā)干預程序。其中調(diào)度指揮條件符合率和調(diào)度指揮效率小于95%，與標準化調(diào)度過程時間數(shù)據(jù)偏差超過5%，若流程執(zhí)行偏差率超過10%，則通過系統(tǒng)給出調(diào)整提醒，提醒運行員進行人工干預，如調(diào)整調(diào)度指令、復核流程等。

圖4 船閘運行調(diào)度指揮智能輔助功能分支圖Fig.4 Functional branch diagram of intelligent ship lock operation and dispatching

2.5 系統(tǒng)改進設(shè)計

通過大量的調(diào)度指揮數(shù)據(jù)、指揮流程執(zhí)行數(shù)據(jù)的綜合統(tǒng)計與分析，進一步優(yōu)化“標準”調(diào)度指揮時間、“標準”調(diào)度指揮流程和該功能塊的輔助功能。

通過相關(guān)數(shù)據(jù)信息的感知、采集，進行時序數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)分析，超實時計算最優(yōu)調(diào)度策略對應的時間，為運行調(diào)度指揮人員最佳發(fā)航時間提供科學依據(jù)，以數(shù)字化的技術(shù)手段實現(xiàn)船閘運行調(diào)度智能輔助。

3 基于人機集成設(shè)計的智能化方案

3.1 面向船閘運行調(diào)度的信息集成模型

面向船閘運行調(diào)度的信息集成模型不僅包括原始通航調(diào)度系統(tǒng)從發(fā)航狀態(tài)到船舶位置信息、待閘條件信息、過閘流程信息等，而且定義了船閘運行工藝流程約束信息，并能融合監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)、船閘控制系統(tǒng)和GPS/北斗信息數(shù)據(jù)，該模型在船閘運行調(diào)度過程中不斷動態(tài)演進。如圖5所示，以數(shù)據(jù)流向為基礎(chǔ)的集成模型，采用機器學習方法，從船閘運行調(diào)度規(guī)則或歷史數(shù)據(jù)等經(jīng)驗領(lǐng)域文檔中自動抽取本體概念與關(guān)系，基于本體映射、邏輯規(guī)約等算法，結(jié)合調(diào)度指揮過程語義，實現(xiàn)領(lǐng)域本體以及數(shù)據(jù)的一致性檢測和沖突消解，基于領(lǐng)域上下文情景，采用本體建模工具構(gòu)建知識本體模型。

圖5 信息集成模型Fig.5 Information integration model

3.2 人機集成設(shè)計架構(gòu)

人機集成設(shè)計架構(gòu)理論上包括：集成設(shè)計原型、基于本體的知識管理系統(tǒng)、基于認知的推理機制以及基于增強現(xiàn)實的人機交互平臺[12-13]。本文通過將Pahl和Beitz的通用設(shè)計架構(gòu)與Gero的FBS模型結(jié)合[12]，提出一個既適用于計算機的邏輯推理方式，又符合人類知識表達特征的船閘運行調(diào)度人機集成設(shè)計原型，如圖6所示。

圖6 人機集成設(shè)計流程Fig.6 Process of human-machine integrated design

從本體和認知的角度來看，集成設(shè)計原型可分為領(lǐng)域知識的建模與表達，以及設(shè)計推理與信息流2個核心內(nèi)容。人機集成設(shè)計包括6個設(shè)計狀態(tài)，分別代表船閘運行調(diào)度流程設(shè)計所涉及的6個知識領(lǐng)域，即需求(R)、功能(F)、組織(C)、結(jié)構(gòu)(S)、細節(jié)(D)和行為(B)。其中，行為可以分為期望行為(EB)和實際行為(AB)。

本體集成過程包括本體映射和本體融合2個連續(xù)步驟，如圖7所示。其中本體映射將由領(lǐng)域?qū)＜医⒒蛱岢龅木植勘倔w與其他領(lǐng)域中相似的知識概念進行識別，本體融合則是將具有相似關(guān)系的概念進行合并的過程。

(1) 計算概念名稱相似度、概念屬性相似度、概念關(guān)系相似度與概念實例相似度。2個概念的相似度可以通過Jaccard因子來計算。概念名稱相似度的計算公式為

(1)

(2) 在第一步計算得到名稱、屬性、關(guān)系和實例4個相似度的基礎(chǔ)上，通過計算總體相似度來判斷2個概念之間的關(guān)系。

(3) 將總體相似度存儲在一個向量中，再計算全局本體中其他概念與當前計算的局部本體中概念的相似度，計算的方式與第一步和第二步完全相同。最終，從存儲相似度的向量中選取最大值所對應的全局本體候選概念，作為本體映射的最終結(jié)果。

本體融合過程主要包括2個步驟：概念名稱、屬性和實例的合并，以及語義關(guān)系的重建。概念合并是指若一個概念與全局本體存在相似的概念，則將它的概念名稱、屬性以及實例進行并集運算；否則，在全局本體中創(chuàng)建一個全新的獨立概念，同時將其在局部本體中所包含的全部內(nèi)容進行復制，并將其所涉及的語義關(guān)系添加進來。語義關(guān)系重建中，概念的語義關(guān)系將在新的本體庫中進行添加，其中包括層次關(guān)系以及過程關(guān)系等。

由此，以船閘運行調(diào)度過程領(lǐng)域知識為基礎(chǔ)進行領(lǐng)域本體融合和概念關(guān)系重構(gòu)，建立起船閘運行調(diào)度人機集成設(shè)計模型。結(jié)合船閘運行調(diào)度流程語義和知識經(jīng)驗文本，完整準確地表達多元信息本體模型和實際運行調(diào)度行為之間的關(guān)系，使船閘運行調(diào)度過程與人機集成設(shè)計流程不謀而合。

基于集成設(shè)計架構(gòu)建立的船閘運行調(diào)度智能化方案如圖8所示。以三峽南線船閘下行2019年2月4日12∶00閘次計劃A為例，閘次編號900546756，閘次A開始時間12∶27∶10，依據(jù)三峽五級船閘累計運行多年的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計，當日閘次A、B船舶平均移泊時間為23 min和24 min，相應閘首設(shè)備運行時間平均值為18 min和17 min，后一閘次B開始時刻由上述方案進行超實時計算為：T4=T1+ΔT=14∶08∶00，與當日實際運行數(shù)據(jù)14∶08∶50相比，相差0.35%，小于0.5%的誤差范圍，說明了該方案的可行性。

船舶所在閘次編號等信息與船閘運行過程控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)按照時間和空間位置順序建立聯(lián)系，船舶所在閘次編號與船閘控制系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)按時間標簽進行關(guān)聯(lián)融合，建立了船舶調(diào)度系統(tǒng)中的計劃信息和船閘控制系統(tǒng)之間的自動匹配和融合關(guān)系，打通通航調(diào)度系統(tǒng)與船閘控制系統(tǒng)之間的信息壁壘。通過超實時仿真，模擬船閘運行調(diào)度過程，再現(xiàn)了船閘運行長時間內(nèi)運行調(diào)度過程數(shù)據(jù)。通過預判最佳指揮時機，提示循環(huán)待閘閘次儲備，以及提前預警提示導航墻待閘船舶備車進閘(給出最佳準備進閘時間建議)和導航墻及靠船墩循環(huán)待閘形成閘次儲備，為船閘智能運行調(diào)度提供專家輔助。

圖7 人機集成設(shè)計的本體集成過程Fig.7 Ontology integration process of human-machine integrated design

圖8 船閘運行調(diào)度智能化方案Fig.8 Intelligent scheme of ship lock operation and dispatching

4 結(jié) 論

(1) 以船閘運行調(diào)度過程信息集成融合為主線，基于人機集成設(shè)計架構(gòu)，通過機器學習和知識建模等智能方法對船閘運行調(diào)度過程中人工決策和輸出各環(huán)節(jié)進行設(shè)計，建立了面向機器推理和人類決策的人機集成智能決策模型，形成三峽船閘運行調(diào)度智能決策方案。

(2) 將船閘運行調(diào)度過程人機交互和決策規(guī)則、工藝知識、語義等信息集成內(nèi)化為智能輔助系統(tǒng)，通過三峽船閘運行實踐證明了方案的可行性，為解決船閘運行調(diào)度過程量化評價問題提供了新的方向。

(3) 與原始人工調(diào)度模式相比，新的調(diào)度模式提升了調(diào)度操作的安全性、可靠性，通過模擬和超實時計算預測最佳調(diào)度時機，能夠一定程度上縮短過閘歷時，提高船閘運行調(diào)度效率，使船閘運行時序過程更具智能性和可控性。