开放式对口船闸善后河枢纽联合调度模型分析与研究

王 进，陈志磊，穆兴兴，丁爱军

（1.同济大学，上海 201804；2.江苏连云港市航道管理处，江苏 连云港 222000）

开放式对口船闸善后河枢纽联合调度模型分析与研究

王 进1，2，陈志磊1，2，穆兴兴2，丁爱军2

（1.同济大学，上海 201804；2.江苏连云港市航道管理处，江苏 连云港 222000）

以典型的开放式对口船闸善后河枢纽为例，对联合调度模型进行分析和研究。文章在国内外学者的研究基础上，结合善后河枢纽实际情况，统计了船舶过闸速度、单闸次闸阀门启闭时间、建筑物距离等相关性，形成了闸室组合模型思路，规划闸室编排简化图；同时，建立善后河枢纽联合调度模型，引入调度目标函数和约束条件，分析船舶在不同环节下调度时间和注意要点，提高闸次效率；最后，提出了联合调度预期目标，组织计划了善后河枢纽联合调度流程，为联合调度实际工作提供参考。

船闸；开放式；联合调度；模型；分析

江苏省水运资源发达，内河航道网密布，同时为平衡东西南北水位差，打通水路通道，全省干支线航道设有47座交通船闸，极大地拓展了水路运输，丰富了综合运输体系，为服务地方经济发展做出了贡献。如何充分提高船舶过闸效率，减少船民过闸等待时间，提升服务水平是航道人需要研究的问题。本文以开放式对口船闸连云港善后河枢纽船闸为例，开展调度模型分析与研究。

1 概述

针对船闸调度研究，国内外学者已经有了一定研究成果。丰玮、吴凤平、张玉韬［1］等以泰州船闸为例，基于0-1规划建立闸室船舶组合优化动态模型，进行优化调度；吴凤平、刘军［2］通过理论分析封闭式对口船闸的概念和特点，设计了一个可行性高、适用性强的封闭式二级对口船闸运行调度系统；徐斌、潘闻闻、刘军［3］等以新沂河枢纽船闸为例，确定船闸调度相关参数，构建了封闭式对口船闸调度模型；周剑、陈铁英［4］以经典的best fit算法为基础，设计了带匹配权值的best fit算法，较好地解决了闸室面积利用率和船只优先级别之间的矛盾，适用于三峡船闸的编排调度。

本文在已有相关研究成果的基础上，对连云港境内的开放式对口船闸善后河枢纽船闸地理位置情况进行梳理，并建立调度模型，开展分析和研究，形成调度流程图，为服务船闸实际调度做好参考。

2 工程概况

善后河枢纽位于连云港市板浦镇和小伊乡境内，由云善船闸和善南船闸组成，均为三级航道通航建筑，规模为230 m×23 m×4 m。云善船闸位于三级航道云善河上，善南船闸位于三级航道盐河上，两船闸间为三级航道善后河，地理位置示意图如图1所示。

图1 善后河枢纽位置示意图

根据吴凤平、刘军［2］等对开放式对口船闸的描述：如果干线航道穿越的行洪河道具有通航功能，这样位于对口船闸中间的航道为开放航道，此时船舶在经过一座船闸后，既可能在横穿行洪河道后去往另一座船闸，也可能转向直接驶向行洪河道，不再经过另一座船闸。而封闭式对口船闸为干线航道穿越的行洪河道不具有通航功能，就相当于两座对口船闸中间为封闭航道，没有任何分支，相当于一座二级船闸，即为船舶在通过一座船闸后，必须再经过另一座船闸。我国三峡船闸即为典型意义的封闭式船闸。

目前通过云善船闸的船舶，东则经善后河至徐圩港区，西则经善后河至宿迁地区，南则经盐河和善南船闸至淮安地区；而同理经过善南船闸的船舶，东则经善后河至徐圩港区，西则经善后河至宿迁地区，南则经云善河和云善船闸至连云港港区；同时由于两船闸均有并行水利闸，部分船舶亦会通过水利闸航行。根据船舶历年航行走向趋势以及2015-11船舶流向统计表（如表1所示）分析，善后河枢纽为典型意义的开放式对口船闸。

表1 2015-11善后河枢纽船舶流向统计

由于徐圩港区处于建设之中，货物吞吐量尚较少、宿连运河处于规划整治中，存在部分卡脖子段、水利套闸建筑物等级较低，船舶适用型小等综合因素，根据统计，同时需航行通过善南、云善两座船闸的概率为85%以上，这对于开展两闸联合调度的意义重大，可以增强闸次排挡利用率，促进节能减排社会化，更好地服务于船民。

3 闸室船舶组合

3.1 模型基本思路［1-5］

为保证公平公正合理，善后河枢纽采用船舶先到先走的调度原则，目标是各闸次船舶载货种类、船舶尺寸、船舶标准化、违规记录、过闸方式等综合权重最大f1，各闸次船舶待闸时间最短f2，并满足放进去的船舶不超出闸室尺寸，每条选中的船舶的尺寸合理，在闸室内船舶不相互重叠。本论文在模型创建时略去船舶载货种类、违规记录、过闸方式等，f1的主要权重为船舶尺寸，注重体现为船舶尺寸和闸室面积的优化组合，以及减少船舶待闸时间，达到提高船闸过闸效率的目的。

3.2 模型目标函数

为第j闸次第k艘船的长；w（j，k）为第j闸次第k艘船的宽；ω（j，k）为第j闸次第k艘船的权重；n为在计划时段内在指定航向上的开闸次数；Nj为在指定航向上的第j闸次安排的船舶艘数；tk为第k艘船申报过闸时间；t为第k艘船闸次编制放行时间。目标函数为：

3.3 模型约束条件

定义x（j，k）为第j闸次第k艘船在船闸中以船闸左下角为原点的停泊横坐标，初始值赋0；y（j，k）为第j闸次第k艘船在船闸中以船闸左下角为原点的停泊纵坐标，初始值赋0；L为船闸有效长度，赋值L=230 m；W为船闸有效宽度，赋值W=23 m；A为闸室有效面积，A=L·W=230 m×23 m。n为编排闸次数量，一般根据登记船舶数量多少进行编排闸次，若船舶很少编排1个闸次，n=1；若船舶很多，预计需要编排4个闸次，n=4，以此类推。计算边界条件为：

假设k是准备放入闸室的一艘待排船，现闸室中已放入m艘船，b是m艘船中除k外的任意一艘船，则：

x（k，m）、y（k，m）分别为第k艘船在第m次过闸时，在闸室左下角为原点的停泊横坐标和纵坐标，初始值赋0。

闸室编排如图2所示。

图2 闸室编排简化图

编排好一个闸次后，将进入该闸次的船舶从原来的队列中剔除，再进行下一闸次的编排，充分合理利用闸室效率。

4 联合调度模型建立与研究

由于两闸之间相距较短，善南船闸上闸首与云善河船闸引航道上闸首间的距离仅为3.5 km，必须对中间航道上船舶的数量加以限制。为计算船舶在善后河枢纽航行时间，初步估算船舶在引航道的平均速度为5 km/h，在航道的平均速度为6 km/h，通闸时船舶航行通过船闸的平均速度为3 km/h。单次过闸时，估算船舶自靠船墩进入闸室约需11 min，闸门开关启时间各约需3 min，船闸灌泄水时间7 min，船舶完全驶离船闸闸室约需11 min。大体测算船舶在各关键航道的航行时间，如表2所示。

表2 船舶各航段航行时间列表

4.1 设计联合调度模型

应用工件排序、多目标规划的思想，以闸次为基本单位，将善南船闸、中间航道、云善船闸作为船舶通过开放式对口船闸所必须经过的3个基本环节，船舶从远调站航道至船闸作为辅助环节，在一定的约束条件下，通过模型确定每闸次的船过每一环节的时间点将开放式对口船闸简化为5个环节，Ⅰ环节代表善南远调站，Ⅱ环节代表善南船闸，Ⅲ环节代表中间善后河航道，Ⅳ环节代表云善船闸，Ⅴ环节代表云善船闸远调站。

假设某船舶过闸流程，航行方向为南北向，通过善南船闸后，船舶经过中间善后河航道直接航行至云善船闸引航道进行待闸，船舶停靠自引航道向后按顺序排列。

根据船闸统计实际情况，将相关数据代入善后河枢纽联合调度模型中进行调度，如图3所示，可以进一步计算善后河枢纽联合调度模型目标函数和约束条件。

其中，n上为善南船闸远调站在计划时段内上行闸次数目；n上'为在云善船闸收费调度站登记上行待闸船舶闸次数目；n下为云善船闸远调站在计划时段内下行闸次数目；n下'为在善南船闸收费调度站登记上行待闸船舶闸次数目。

图3 善后河枢纽联合调度图

S、N为方向， SN为方向由南向北，NS为方向由北向南。Xij为善南船闸远调站上行第j闸次在第i个环节的起始时间，j=1，2，…，n上；i=Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ；X'ij为云善船闸收费调度站上行第j闸次在第i个环节的起始时间，j=1，2，…，n上'，i=Ⅳ，Ⅴ；Yij为善南船闸远调站下行第j闸次在第i个环节的起始时间，j=1，2，…，n下，i=Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ；Y'ij为善南船闸收费调度站下行第j闸次在第i个环节的起始时间，j=1，2，…，n下'，i=Ⅰ，Ⅱ。

4.2 目标函数

（1）当船闸正常时，TⅡ=TⅣ=35 min；当船闸通闸时，TⅡ=TⅣ=11 min。在计划时段内所有上行闸次和下行闸次完成所有环节总时间最短，目标函数可表示如下：

善南船闸正常运行、云善河船闸正常运行：

善南船闸正常运行、云善河船闸通闸：

善南船闸通闸、云善河船闸正常运行：

善南船闸通闸、云善河船闸通闸：

（2）根据善后河枢纽具体上行、下行闸次，保证空闸次数最少的目标函数可表示为：

4.3 约束条件

（1）根据善后河枢纽中船舶各航段航行时间具体数据，各闸次船舶在善南船闸引航道 、善南船闸 、中间航道 、云善河船闸 、云善河船闸引航道的航行时间约束条件可表示为：

（2）同一闸次船舶在各环节时间顺序约束可表示为：

各闸次船舶开始、完成各环节时间非负，即

根据式(1)，善南船闸远调站上行闸次船舶从远调站开始航行至引航道的时间必须小于或等于进入善南船闸闸室时间，从进入善南船闸闸室开始到完成过闸程序时间必须等于进入中间航道时间，船舶进入中间航道后可能进行分流，但从进入中间航道航行至云善河船闸引航道的时间必须小于或等于进入云善河船闸闸室时间：

根据式（13），在云善河下游引航道待闸的上行闸次船舶，从进入闸室开始到完成云善河船闸过闸程序的时间等于开始进入上游引航道的时间：

云善河船闸远调站上行闸次船舶从远调站开始航行至云善河船闸引航道的时间必须小于或等于进入云善河船闸闸室时间，从进入云善河船闸闸室开始到完成过闸程序时间必须等于进入中间航道时间，船舶进入中间航道后可能进行分流，但从进入中间航道航行至善南船闸引航道的时间必须小于或等于进入善南船闸闸室时间：

在善南船闸上游引航道待闸的下行闸次船舶，从进入闸室开始到完成善南船闸过闸程序时间等于开始进入下游引航道的时间：

（3）完成空闸程序时间TK=13 min，正常过闸时间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'。善南船闸或云善河船闸前后相邻不同闸次船舶，时间顺序约束可表示为：

（4）同一闸室对交替航向船舶的时间顺序限制可表示为：

（5）在善南船闸上游引航道和云善河下游引航道停靠的船舶限定必须小于等于三闸次，当到达三闸次时，该船闸远调站则停止放行反向船舶：

4.4 善后河枢纽联合调度流程

善后河枢纽联合调度的主要功能在于根据其开放式对口船闸的航道条件，基于闸室组合系统对各闸次的组合，对各闸次船舶的开始过闸时间进行安排，尽可能减少船舶待闸时间，增加过闸通过效率，初步形成调度流程，如图4所示。

图4 善后河枢纽联合调度流程

5 联合调度模型预期目标

善后河枢纽航道等级条件高，通航能力大，通行船舶千吨级，设备控制现代化，船闸服务管理规范，调度可实现以下目标：

（1）安全。联合调度的最基本条件，也是联合调度的硬约束和前提。

（2）公平。联合调度模式具备公平需求，使待闸船舶在整个过闸流程中，根据船舶实际情况，选择适用的服务方式，充分考虑船民心理，合理确定极限等待时间，有效保证船舶通畅、有秩序过闸。

（3）高效。联合调度既可实现船舶的安全、畅行，也可实现闸室的利用率最大化。

（4）可操作性。联合调度时，可以保证每个船闸的两闸次待闸船舶在引航道等待，最好确保一动一静，合理控制远调站待闸船舶的进闸时间，通过航道限速、禁止航道内超越等手段保证一动一静的可操作性。

6 结语

船闸作为航道上应用广泛的一种通航建筑物，为合理调节水位差，保障船舶通航起着重要的支撑作用。善后河枢纽是连云港境内典型的开放式对口船闸，其出入口众多，两闸距离较近，联合调度需求较高。本文基于善后河枢纽的实际情况，分析船舶过闸速度、闸阀门启闭时间、建筑物之间距离相关性，建立枢纽联合调度模型，研究各环节船舶调度时间，尽可能地提高船舶过闸效率，节省船民等待时间；同时也为今后设计联合调度信息系统提供一定的参考。

［1］丰玮，吴凤平，张玉韬.闸室船舶组合优化动态模型［J］.河海大学学报(自然科学版)，2006，34（6）：697-700.

［2］吴凤平，刘军.封闭式二级对口船闸调度模型研究［J］.现代交通技术，2011（12）：58-62.

［3］徐斌，潘闻闻，刘军.新沂河枢纽船闸优化调度模式研究［J］.现代交通技术，2011（12）：63-67.

［4］周剑，陈铁英. Best fit算法在三峡船闸调度中的应用［J］.华中科技大学学报(自然科学版)，2005（7）：38-40.

［5］商剑平，吴澎，唐颖.基于计算机仿真的船闸联合调度方案研究［J］.水运工程，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）

王进（1985-），男，江苏南通人，工程师，主要从事船闸建设管理养护工作。