流域梯級(jí)船閘緩行調(diào)度模型研究

林寧 盤慶波

文章通過研究梯級(jí)船閘的整體調(diào)度方案，認(rèn)為在特定的條件下，使用合理的計(jì)算方法，能夠進(jìn)行局部的、合法合規(guī)的調(diào)整，使流域船閘通航平穩(wěn)順暢，運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)利益與安全同時(shí)得到保障。

梯級(jí)船閘;緩行調(diào)度;模型

0?引言

船閘作為河流交通樞紐的過船設(shè)施，其船只的通過量與所在區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著密切聯(lián)系。近年來，隨著航運(yùn)樞紐的建設(shè)，通航航道等級(jí)的提升，船運(yùn)運(yùn)量迅速增長(zhǎng)，對(duì)多線船閘和流域梯級(jí)船閘的調(diào)度研究也越來越成熟，并在實(shí)際運(yùn)用中發(fā)揮了重要的作用。盡管相關(guān)部門在梯級(jí)船閘調(diào)度的研究和應(yīng)用方面已經(jīng)做了許多工作，但是針對(duì)流域梯級(jí)船閘在預(yù)防和緩解特殊情況下出現(xiàn)擁堵的調(diào)度方法研究仍然需要加強(qiáng)。本文以廣西長(zhǎng)洲船閘為例，在下游水位過低影響正常通航的情況下，通過流域船閘的緩行調(diào)度控制長(zhǎng)洲船閘上游來船數(shù)量，避免在長(zhǎng)洲船閘出現(xiàn)滯航，有效降低安全風(fēng)險(xiǎn)，保持各梯級(jí)船閘通航順暢。

1?探索流域梯級(jí)船閘緩行調(diào)度的背景

西江航運(yùn)干線通道已建成長(zhǎng)洲一～四線、桂平一～二線、貴港一線等6座船閘。其中，位于西江水系潯江干流下游河段廣西梧州市上游12 km西江干流上的長(zhǎng)洲船閘，是廣西境內(nèi)最后一個(gè)梯級(jí)船閘。長(zhǎng)洲船閘共有四線雙向單級(jí)船閘，一線船閘為2 000 t級(jí)，閘室有效尺寸為200 m×34 m×4.5 m（長(zhǎng)度×寬度×門檻水深，下同）;二線船閘為1 000 t級(jí)，閘室有效尺寸為185 m×23 m×3.5 m;三四線船閘均為3 000 t級(jí)，閘室有效尺寸相同，均為340 m×34 m×5.8 m，是世界上最大的內(nèi)河單級(jí)船閘。長(zhǎng)洲船閘上游191 km的桂平船閘位于廣西桂平市城區(qū)南郊、西江干線郁江河段，黔江和郁江匯合口上游4 km處，共兩座船閘，一線船閘為1 000 t級(jí)，船閘閘室有效尺度為190 m×23 m×3.5 m;二線船閘為3 000 t級(jí)，船閘閘室有效尺度為280 m×34 m×5.6 m。桂平船閘上游110 km的貴港船閘位于西江干線郁江河段貴港市上游6 km處，為單級(jí)單線船閘。閘室的有效尺寸為190 m×23 m×3.5 m（長(zhǎng)×寬×門檻水深），一次可通過2×1 000 t頂推船隊(duì)。

長(zhǎng)洲一～四線船閘最大單向通過能力為1.36億t，是目前世界上同一斷面通過能力最大的船閘群，同時(shí)也是西江流域上最繁忙的船閘。2017年，長(zhǎng)洲船閘的船舶過閘艘數(shù)為102 619艘，過閘核載量超過1.56億 t，貨物通過量為0.98億t。2018年長(zhǎng)洲船閘的船舶過閘艘數(shù)為135 580艘，過閘核載量超過2.254億t，貨物通過量為1.32億t。長(zhǎng)洲船閘2017年、2018年的過閘量年增幅均超過30%，平均每日過船數(shù)量超400艘次。如因氣候或環(huán)境影響造成停航48 h以上，長(zhǎng)洲船閘附近水域?qū)⑼２闯^800艘船只。在這種情況下，只依靠長(zhǎng)洲船閘自身的調(diào)度，不容易在短時(shí)間內(nèi)緩解。因此，如何預(yù)防和緩解停航、滯航，保證船舶安全高效通航，這對(duì)船閘尤其是同一流域的多個(gè)梯級(jí)船閘的調(diào)度管理提出了新的要求。

2?梯級(jí)船閘緩行調(diào)度的基本方法和思路

貴港船閘至桂平船閘110 km，平均航行時(shí)間11 h，桂平船閘至長(zhǎng)洲船閘191 km，平均航行時(shí)間18 h。這三個(gè)相鄰梯級(jí)船閘作為西江干線通航船只最多的船閘，在長(zhǎng)洲船閘上游待船只大量增加出現(xiàn)滯航情況時(shí)，需進(jìn)行協(xié)同聯(lián)合調(diào)度，有序引導(dǎo)和控制下行駛往長(zhǎng)洲船閘的船只，對(duì)緩解長(zhǎng)洲船閘的壓力有著重要的作用。但是，如果采用簡(jiǎn)單的方式限制上游船閘的下行過閘船只數(shù)量，容易人為地造成上游船閘下行擁堵，大幅降低船只過閘滿意度。因此，根據(jù)各航段航道條件、各梯級(jí)在航船只數(shù)量、各閘待閘船舶數(shù)量、船閘通過能力等情況，建立梯級(jí)船閘緩行調(diào)度模型，對(duì)梯級(jí)船閘間的交通流量進(jìn)行合理調(diào)控，可以實(shí)現(xiàn)緩解或避免某梯級(jí)船閘的擁堵，同時(shí)，也不影響正常駛往其他船閘的船只過閘。

3?梯級(jí)船閘緩行調(diào)度模型的設(shè)定

3.1?簡(jiǎn)單消化模型

如前文所言，假設(shè)已出現(xiàn)停航事件，恢復(fù)正常待閘船數(shù)需要視來船數(shù)量和調(diào)度能力的差值來進(jìn)行消化。該消化模型為：

T1表示恢復(fù)通航的時(shí)間（h）;

T2表示恢復(fù)正常待閘船數(shù)的時(shí)間（h）;

D表示滯航船數(shù);

d表示調(diào)度能力（艘次/h）;

u表示平均來船數(shù)量（艘次/h）。

若流域內(nèi)船數(shù)總量為一定值并必定可消化，則有：

T2-T1=D/（d-u）（1）

假設(shè)上行船數(shù)與下行船數(shù)相差較大時(shí)，待閘船數(shù)的緩解還可以視單向調(diào)度能力和單向待閘船數(shù)而計(jì)算。

單向的調(diào)度能力，必要時(shí)能夠通過一定的空閘閘次來提高。這個(gè)行為同時(shí)會(huì)增加待閘船數(shù)較少一側(cè)的待閘時(shí)間。空閘閘次的使用，要視船閘兩側(cè)船數(shù)差距、水能利用、待閘時(shí)長(zhǎng)等進(jìn)行綜合判斷。

3.2?緩行調(diào)度模型

船閘緩行調(diào)度，是指在船閘可預(yù)見發(fā)生或已發(fā)生交通擁堵事件時(shí)，流域內(nèi)的其他梯級(jí)船閘配合延長(zhǎng)調(diào)度時(shí)間的一種方法。

緩行調(diào)度的目標(biāo)是：

（1）流域內(nèi)所有船閘的安全風(fēng)險(xiǎn)總和最小;

（2）流域內(nèi)待閘船舶的通航滿意度總和最大。

3.2.1?基于上述目標(biāo)作模型假設(shè)

（1）安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)由風(fēng)險(xiǎn)幾率和風(fēng)險(xiǎn)影響范圍構(gòu)成。風(fēng)險(xiǎn)幾率是待閘船數(shù)與應(yīng)急預(yù)案啟動(dòng)船數(shù)的比值，數(shù)值越大表示安全風(fēng)險(xiǎn)越大;風(fēng)險(xiǎn)影響范圍是船舶的數(shù)量，在同一船閘滯航船舶越多，發(fā)生安全風(fēng)險(xiǎn)時(shí)影響越大。

（2） 船民的通航滿意度系數(shù)是平均待閘時(shí)間與實(shí)際待閘時(shí)間的比值，數(shù)值越大表示船民滿意度越高。

（3）每個(gè)船閘平均待閘時(shí)間設(shè)為固定值。

（4）每艘船的待閘時(shí)間與其過閘批次有關(guān)。

（5）啟動(dòng)緩行調(diào)度期間，初期與期末流域內(nèi)的總船數(shù)不變。

（6）假定每艘船流域各船閘之間的航行隊(duì)列次序保持不變。

3.2.2?符號(hào)規(guī)定

Di（i=1，2，3，……）為流域內(nèi)船閘i待閘船只數(shù)量;

Hi（i=1，2，3，……）為流域內(nèi)船閘i啟動(dòng)最低級(jí)別應(yīng)急預(yù)案待閘船只數(shù)量;

d i（i=1，2，3，……）為流域內(nèi)船閘i的調(diào)度能力;

Ti（i=1，2，3，……）為流域內(nèi)各個(gè)船閘i的平均待閘時(shí)間;

N k，i（k=1，2，3，……;i=1，2，3，……）為啟動(dòng)緩行調(diào)度時(shí)，船k在船閘i的過閘順序號(hào);

Mk（k=1，2，3，……）為某艘船k的航線;

tk（k=1，2，3，……）為船k在流域航線中正常待閘時(shí)間總和;

tk（k=1，2，3，……）為船k在流域航線中調(diào)度緩行時(shí)間總和。

4?分步建立調(diào)度模型

4.1?緩行調(diào)度中時(shí)間分配算法

對(duì)于船k，整個(gè)航線過閘時(shí)間總和為tk（i）。

為達(dá)成安全調(diào)控目標(biāo)，對(duì)船k進(jìn)行緩行調(diào)度，船k整個(gè)航線時(shí)間總和為tk+tk。

對(duì)船k進(jìn)行緩行調(diào)度前，預(yù)測(cè)其整個(gè)航線的滿意度總和為Ti （i）。

理論上平均待閘時(shí)間越長(zhǎng)的船閘，其緩行調(diào)度的時(shí)間tk對(duì)船民滿意影響越小，因此在調(diào)度統(tǒng)籌中，船閘i對(duì)船k的緩行時(shí)間分配函數(shù)為：

F（tk，Ti） = tkTi（2）

4.2?安全風(fēng)險(xiǎn)權(quán)值影響參考算法

對(duì)于船閘i的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)Fi為：

Fi= Di/ HiDi=D2i/ Hi （i=1，2，3，……）。

取安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)最大的船閘，作為安全目標(biāo)參考系數(shù)F：F=Max Fi（i=1，2，3，……）;

取船k在航線中調(diào)度能力最大的船閘，作為調(diào)度均衡參考系數(shù)：V=Max di;

調(diào)度能力di在本文情況中不能變大。

由于安全風(fēng)險(xiǎn)是第一考慮要素，風(fēng)險(xiǎn)小的船閘為風(fēng)險(xiǎn)大的船閘進(jìn)行調(diào)度減緩，調(diào)度能力大的船閘減緩比重較小，則有船閘i調(diào)度減緩后的調(diào)度能力

di=diFi/F di/V= d2iFi/FV。

船k在調(diào)度能力變化前后的過閘時(shí)間差，即為船k在船閘i的緩行時(shí)間，綜合3.1得：

F（tk，Ti） = N k，i/ dI- N k，i/ di= tkTi/（k=1，2，3……）（3）

該算法以時(shí)間頻率方式計(jì)算時(shí)，待閘船只和安全權(quán)值、船民滿意度權(quán)值同時(shí)循環(huán)代入計(jì)算，因此不再需要簡(jiǎn)單消化模型代入。

時(shí)間頻率可以選擇流域中最短過閘時(shí)間。

該算法可建立計(jì)算機(jī)模型如圖1所示。

5?應(yīng)用緩行調(diào)度對(duì)比分析

5.1?采用簡(jiǎn)單消化模型的案例

2018-12-28至2019-01-01，由于上游來水持續(xù)減少等多方原因，船只在通過長(zhǎng)洲船閘下游天然航道出現(xiàn)困難，導(dǎo)致長(zhǎng)洲附近水域待閘船只大量增加。船閘的上下游關(guān)系布置為：貴港（上游）→桂平→長(zhǎng)洲（下游）。2018-12-31起，廣西航道行政主管部門在啟動(dòng)《廣西壯族自治區(qū)西江黃金水道通航突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)案》的Ⅲ級(jí)響應(yīng)時(shí)，通過流域緩行調(diào)度控制長(zhǎng)洲船閘上游來船數(shù)量，有效降低安全風(fēng)險(xiǎn)，是消化模型應(yīng)用的范例。

其中2018-12-28至2018-12-31期間，未啟用緩行調(diào)度時(shí)，長(zhǎng)洲、桂平、貴港三地通航船閘數(shù)據(jù)如表1所示。

5.2?采用緩行模型的對(duì)比分析

從上述數(shù)據(jù)可以看出，12月28日至31日間，由于未進(jìn)行緩行調(diào)度，桂平、貴港下行船只增多，導(dǎo)致長(zhǎng)洲船閘調(diào)度壓力增大;1月1日至4日采用了簡(jiǎn)單緩行調(diào)節(jié)，在長(zhǎng)洲的通航情況得以緩解。

以本文模型計(jì)算，取應(yīng)急預(yù)案III級(jí)響應(yīng)數(shù)值代入計(jì)算，每日船閘安全系數(shù)總和如表3所示。

根據(jù)各閘調(diào)度能力代入調(diào)整，桂平船閘在1月2～4日還可適當(dāng)安排提高11%、7%、5%的過闡量，可取得較好的安全系數(shù)總和（如表4所示）。

根據(jù)船民滿意度代入計(jì)算，由于計(jì)算量較大，暫以閘次為代表船只，滿意度總和如表5所示。

按應(yīng)急預(yù)案Ⅲ級(jí)響應(yīng)要求，桂平和貴港待閘數(shù)值距離啟動(dòng)值尚遠(yuǎn)，只需考慮長(zhǎng)洲啟動(dòng)預(yù)案數(shù)值即可。通過計(jì)算可虛擬1月1～4日的假設(shè)過閘情況（如表6所示）。

在該緩行模式下，流域船閘總體消化能力有明顯提高，船民滿意度總和如表7所示。

本文在消化模型的基礎(chǔ)上，綜合考慮了流域其他船閘進(jìn)行緩行調(diào)度的影響，但要付諸實(shí)施仍需要進(jìn)一步研究。

6?結(jié)語

本文所論述的緩行調(diào)度方法是在不違反通航建筑物管理的相關(guān)法律法規(guī)情況下實(shí)施的，在對(duì)船民影響最小的情況下實(shí)現(xiàn)行業(yè)安全管控目標(biāo)，可為船閘運(yùn)行管理單位研究借鑒。

由于研究時(shí)間較短，本文中部分重要參數(shù)在實(shí)際分析中仍可優(yōu)化，關(guān)于安全權(quán)值的計(jì)算仍處于粗放范疇，而平均過閘時(shí)間、航線次序、航速等可利用航行的大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，還可以更精確地控制緩行時(shí)間。

[1]廣西西江黃金水道應(yīng)急預(yù)案[Z].

[2]長(zhǎng)洲水利樞紐三線四線船閘工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].