船閘管控一體化信息系統

錢學志

摘要：邵伯船閘管控一體化系統工程是由江蘇省交通廳航道局和蘇北航務管理處共同列項的科技含量較高的技改專項工程。以京杭運河邵伯船閘為實例，概述船閘管控一體化系統，在計算機調度系統中實現計算機調度船舶方案、布局，論述閘室內通過船舶布局分析算法并在安全系數最高達到閘室容量利用率最大。利用數學理論、先進的數據庫技術，實現調度模板化，圖形化設計。

關鍵詞：船閘管控一體化系統;調度原則;閘室容量;利用率;安全系數

邵伯船閘管控一體化系統：根據國內的船閘目前都是控制系統與調度管理、辦公、監控系統單獨操作管理的，信息互相不溝通，作出了可行性分析，建立京杭運河蘇北航道處船閘管理中心（數據倉庫），邵伯船閘等其它九個船閘為支點，實現了大型集中分布式數據庫管理結構。各支點實現船閘管控一體化;中心實現集中全線航運管理。使廣域網絡二次提交事務處理技術，同步技術等高新尖端技術在船閘領域得到進一步應用。開發管控一體化系統的開放性平臺，完成運行現場每周（7天*24小時）計算機管理，將船閘控制系統、調度管理系統，辦公系統、監控系統、Web系統以服務的方式嵌入在平臺中，并開發各系統間數據交互的公共接口，既獨立又融為一體，用戶可根據實際需要選擇性應用。達到功能：

1）管理船流、物流、河流、銀流（收費）。

2）信息采集、調度、處理、發布、儲存、統計、分析、決策。

3）為過往船舶服務，為物流服務，為繁榮經濟服務。

4）掌握全局實時信息，全線統一調度管理，統一規劃發展。

一、管控一體化系統

（一）調度管理信息系統

調度管理信息系統采用GS結構，集中數據管理方式。系統根據各工作站的功能劃分相應的模塊。各模塊運行時利用ActiveXData Object2.1數據訪問接口技術均與應用數據庫建立數據連接。對應用數據的關系處理均在數據服務器，服務器雙硬盤鏡像，雙機備份，確保系統安全、可靠運行。

實現船閘每周7*24小時計算機調度管理。遠調站登記船舶信息，自動計算過閘費，打印登記單。總調/首調（包括稽查補征模塊：系統根據稽查內容系統自動計算各稽查項稽查補征費用）。根據調度原則系統自動生成每號閘最大進船艘數、進閘物理順序示意圖，生成閘次系統通過消息中間件將當前的閘次信息發送給遠調，遠調開始確認該閘次，同時還提供與LED顯示屏的接口，向顯示屏發送閘次信息。售票根據被確認的閘次調船登記單售票。系統可產生當日售票員營收匯總統計并打印報表。驗票員根據閘次計劃進閘時間及售票情況可進行一個或多閘次同時驗票，并將驗票情況反饋給總調/首調，總調/首調可根據反饋現場實際情況進行并閘或延遲，驗票員必須作閘次驗票結束操作，系統同時自動通過消息中間件將當前的閘次信息發送給控制系統及閘首調度模塊。閘首調度員根據當前接收閘次信息進行放行，產生每日每班組放行閘次數、艘數、噸位、各項閘費的匯總統計并打印報表。運調可對系統調度模式切換及各模塊人員、權限、角色的管理，違章信息管理等。統計可匯總當日產生各類數據的查詢、統計、匯總、報表及打印等。

關鍵技術：消息中間件，條碼打印、登記號自動產生、閘實最大利用率計算、定額票交易。

（二）WEB信息發布系統和OA系統

辦公管理系統及遠程瀏覽系統采用B/S結構。界面以網頁形式體現，應用程序安裝在Web服務器上。應用數據放置在數據服務器中。客戶端提交當前輸入參數，客戶端與Web服務器之間建立連接，Web服務器執行當前網頁，運行過程中若處理應用數據則Web服務器利用ActiveX Data Object2.0數據訪問接口技術與應用數據庫建立數據連接并執行相應的指令。完成后輸出數據結果返回到Web服務器上，最終再將當前提交的網頁運行的結果傳輸到客戶端。系統根據各工作站的功能劃分分別建立辦公管理Web應用程序，遠程瀏覽Web應用程序。

關鍵技術：工作流定制、與調度管理實時交互，與監控系統實時交互。

（三）控制、監控系統

在邵伯船閘監控系統設計中，結合控制領域的先進技術和目前國內同行業的控制狀況和邵伯船閘運行的特點，實現在總控室可集中控制操作

一、二號船閘的過閘聯動及單步運行，也可由現地分散控制各閘首設備，控制方式靈活，關系合理，監控并舉、控制圖形化、設備現場分散、集中控制組態。

二、閘室船舶布局算法設計

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

開發船閘調度管理信息系統。方便、高效完成運行現場每周（7天*24小時）計算機管理。在調度管理信息系統中解決閘室船舶計算機自動排擋、參照布局示意圖的形成及布局存儲。存在閘室容量利用與進入船舶數量反比關系。如何科學的計算閘室的剩余容量，使的每次閘室通過船舶量最大。閘室容量利用、布局及在安全系數最高達到閘室容量利用率最大。

輸入參數隨機：

1）必須遵循調度原則即放行原則，航運管理規定：先登記先放行;按船舶分類放行。

2）閘室容量不可分割區域，每次閘室通過船舶數量不固定。

由上導致當前閘室選擇過往船舶以登記時間為條件，導致不可對當前通過船舶長寬屬性進行分類，產生了同一閘室過往船舶長、寬參差不齊。導致閘室容量利用復雜化，增加放閘難度。

建立數學模型，選取閘室某一角為坐標的原點，考慮閘室（邵伯閘室：220×25）為規則的矩形（簡單化處理）及船舶在閘室內的存在面積占據（不考慮空間上占據），以二維坐標系考察。閘室長度方向上為Y軸，寬度方向上為X軸，對過往船舶以矩形處理對象。由于對稱，可整體選擇以閘室室內邊距為參照一律先左后右或先右后左思想方法放置。構出船舶在閘室內的坐標位置。在放置船舶時在長度和寬度方向上均保留一定的間隙系數（安全系數）。

布局算法：設定閘室總長L總，閘室總寬W總;來船長度為L，寬度W;放置來船后記下該船的左上角坐標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坐標方向連續;

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

定義剩余面積S（x，y）：其中x，y表示該區域面積的左上角坐標，計算放置該船后容器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且最多兩個新容器組成。

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

2）以船橫坐標x加上長度為橫坐標，縱坐標以組成的S余容器的最右邊子容器縱坐標：記下長度L2，記下寬度W2。坐標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）優先考慮剩余面積長度最大的S余i=S（x，y）;能放下時記浪費面積為0，按照自左至右方向，以S余i左上角橫坐標作為來船的橫坐標，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，計算在放置后取產生浪費面積（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與實際空間順序一致。考慮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，計算浪費面積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，計算浪費面積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，在保持閘室長度方向上船舶放置整體推進的原則，采取顯示浪費面積處理。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的長度記L余，優先考慮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）應放置在S（x，y）余3（假設P（x，y）4來船和P（x，y）3一樣）;但根據4）應為S（x，y）余1和S（x，y）余2的組合。（見圖5）

計算P（x，y）;S（x，y）1;S（x，y）2

1.優先考慮剩余面積長度最大險S余，當找到存在的S余q且Lq>=L時：取出S余q的坐標;

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

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

W2=W總（當前容器）-W;否則不存在S（x，y）2。

2.至少是兩個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（當前指S余q）-L;W1=W若Wq>W時，Sx2=Sxi+W;Sy2=yj;L2=L總（當前指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.修正計算比較放入來船后在寬度方向上的新S余i的長度記L余，優先考慮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，存儲船舶在閘室二維坐標系內的坐標位置，通過開發編輯器可模擬閘室船舶編組示意圖，隨時調閱、打印。（見表1）

參考文獻：

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