基于北斗的三峽大壩船只通行調度系統的設計

劉青

摘要：針對三峽大壩已成常態化的擁堵現狀和風險較大的船只航行過程，以及北斗衛星導航定位技術即將在全國廣泛應用的趨勢，提出了一種基于北斗定位技術、地理信息系統、移動互聯網和大數據技術等于一體的三峽大壩船只通行調度系統的設計方案。該系統主要包括監控調度中心、船只監管與服務系統以及船載終端。船載終端負責收集和定時向船只監管與服務系統發送來自北斗衛星提供的船只標示信息、實時位置信息和航行狀態信息，從而實現對船只航行全過程的實時監管；同時，監管與服務系統將船載終端提供的數據信息以及搜集到的航行環境信息進行整理和統計后發送給監控調度中心，以便監控和調度中心對這些信息進行大數據分析后對船只的航行過程作出調整性指令；這些指令最終反饋到船載終端，便于船只及時對航行過程作出規劃和路線的調整，進而有效地解決船只的擁堵問題。

關鍵詞：北斗定位； GIS平臺； 通行調度系統； 三峽大壩； 船載終端

中圖分類號：F293。2

文獻標識碼：A 文章編號：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、發電、航運多個領域帶來了極大的便利。但隨著長江經濟帶的發展，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，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。

隨著我國北斗衛星導航系統的成熟，其在車輛運營和監控方面的導航定位已初見成效，但結合北斗定位與船只的監控調度系統還鮮有報道。目前國內各船運中心采用的調度系統由于缺少實時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行全過程實時監控并做出調整。旨在利用北斗衛星導航系統設計出一種能夠實時、動態、相互通信的船只調度系統，以緩解三峽大壩日益嚴重的船只擁堵現狀。

2 研究背景及意義

2.1 三峽大壩船只擁堵現狀

隨著長江經濟帶的繁榮發展，越來越多的貨運船需要通過三峽大壩，現如今過壩擁堵的現象已成常態化，三峽大壩通航能力即將達到極限。據三峽通航管理部門相關人士表示，三峽大壩船閘現在每天基本是滿負荷運營，即使如此，通行量滯后給企業帶來了不少麻煩。目前長江上的船只，要想過三峽大壩，等1～2 d是正?，F象，若遇到特殊天氣，過壩的船只堆積，一般就會在壩前等候3～5 d。如果不幸遇上船閘檢修，甚至會等上7～10 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狀，提高船閘的通行能力已經勢在必行。

2.2 研究意義

北斗導航系統的通信功能和目標定位功能是區別于GPS以及其他導航系統所特有的功能，即北斗導航系統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航行的船只之間更詳細地掌握自身和周圍環境的信息，及時根據實際情況對航行過程作出調整，在一定程度上可以有效地避免三峽大壩船只擁堵的現狀，提高航行的效率。

3 設計方案技術依據

3.1 北斗衛星運行原理

北斗衛星導航系統是我國自主研發的一個完整的區域性衛星導航定位系統。北斗導航系統由空間導航通信衛星、地面控制中心以及用戶終端3部分組成，分別負責執行無線電信號中繼任務、無線電信號發送和接收以及工作系統的監控管理、接受由地面控制中心轉發的衛星導航定位信號的任務，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”。當船只需要從上游的高水位進入下游低水位時，關閉下游閘門，開啟上游閘門，使船閘內的水位和上游一致，這時上游的船只可順利進入船閘內；之后再關閉上游閘門，開啟下游閘門，使船閘內的水位下降至大壩下游水位，以便船閘內的船只順利從下游閘門開出，反之一樣。三峽大壩還設有升船機，船只進入指定地點之后，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，即通行過程中所謂的“小船坐電梯”。

4 船閘通行調度系統

4.1 總體結構概述

該系統結合衛星導航定位技術、地理信息技術以及無線通訊技術，實現了對三峽大壩船只的實時監控和有效管理，該系統主要包括船載終端系統、船只監管與服務系統以及監控調度中心三個部分。調度系統的結構和工作流程圖2所示。

4.2 船載終端設計

船載終端是整個系統得以實現并運行的關鍵所在。其需要具有以下功能。

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

（2）數據存儲與處理功能。對接收到的信號進行處理，提取衛星定位信息，進行存儲和封裝，向上一級發送；接收船只監管與服務系統發出的指令和指導信息，對船只航行狀況進行調整。

（3）通信功能。利用移動數字網絡與控制中心進行加密數據傳輸，并能與其他船載終端進行相互的通信。

船載終端系統的硬件可由北斗定位模塊、MCU控制模塊、數據采集模塊和通信模塊4個部分組成（圖3）。

（1）北斗定位模塊是接受衛星信號的重要組件，其主要功能是為三峽大壩庫區內的所有船載終端提供全天候、全方位的實時定位服務。

（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、存儲器設計部分和外接口部分，其接口部分包括傳感器信號輸入、MCU控制外部設備信號輸出顯示、MCU與北斗定位模塊以及GSM模塊之間的通信接口。

（3）數據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備。

（4）通信模塊主要以GSM模塊為核心，實現船載終端和船只監管與服務系統平臺之間的信息交互。船載終端可以通過GSM網絡來實現對船只監管與服務系統平臺的訪問，主要通過Socket套接字實現。

4.3 船只監管與服務系統設計

船只監控與服務系統是連接船載終端與監控調度中心的樞紐，采用B/S構架，其框架體系為應用層、數據層和支撐層（圖4）。

（1）應用層負責接收和處理船只的各種數據，響應船只的需求，從數據層調取數據完成船只的需求，并將結果呈現給監控調度中心。

（2）數據層主要為應用層提供數據存儲、檢索和數據維護等服務，其中的數據包括船只位置信息數據、三峽大壩船閘數據等。其中船只位置信息數據用來實現軌跡的生成和通行量的分析；航行狀況、三峽大壩船閘數據等存儲入庫，為調度線路的設計提供依據。

（3）支撐層主要包括衛星、船載終端、數據庫服務器等，為應用層和數據層提供軟硬件支持。

4.4 監控調度中心設計

監控調度中心是由GIS監控調度及信息服務平臺、船只資料數據庫等構成的計算機軟硬件體系，是整個調度系統的核心和“神經中樞”。 監控調度中心的核心是監控調度管理軟件，是一個能夠接受、顯示動態信息并及時做出處理的GIS平臺。其構架設計圖如圖5所示。

監控調度系統具有以下功能。

（1）船只航行整個過程的監控、管理和調度。通過對從船只監管與服務系統傳入的數據進行分析，對船只的航行作出調整性指令或指示。

（2）數據傳輸、處理與存儲功能。能夠接收并進行數據的處理和存儲；能夠將處理后的信息送過指令返回發送給監管與服務系統及船載終端。

（3）顯示動態地圖功能。通過GIS平臺顯示出裝有車載終端的船只的動態航行過程，定時定位查詢船只航行狀況，以便對緊急情況進行實時處理，安排調度過程，達到緩解船只擁堵的目的。

5 結語

基于北斗的三峽大壩船只通行調度系統具有以下優勢。

（1）該系統具有調度靈活、反應迅速以及科學全面的特點，將其應用于三峽大壩處船只過閘的調度中，為船只的科學化、規范化管理奠定了基礎，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間。

（2）隨著北斗衛星導航的不斷普及，將北斗導航應用到船只的通行調度中，使得此調度系統能夠嚴密監控船只在三峽庫區內的實時活動，對船只的位置及狀態信息作出快速、準確和有效的反應，并對船只的航行過程作出指導，使船只的航行效率更高且更加安全。

（3）北斗導航系統區別于其他導航系統最重要的優勢之一是其特有的通信功能。將其應用到船只的通行調度中，使得船載終端之間能夠相互通信，及時了解自身及周圍環境狀況，有利于對航行過程作出調整。

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