“数字船闸”建设中的调度算法
1数字船闸概述
水运与公路运输、铁路运输等陆运形式相比有成本低、运量大等优点，目前国家正大力发展水运交通，重点打造几条高等级航道黄金水道已被列入我国十二五规划。与此同时，党的十七大提出大力推进信息化与工业化融合，使得航道信息化成为航道建设的重点内容。
数字船闸在两化融合的背景下应运而生，旨在通过规范过闸流程、减少过闸环节、减轻船闸工作人员的工作量乃至最终实现无人值守管理，真正实现现代化船闸管理模式。
2船闸联合调度系统
2.1联合调度系统在数字船闸管理模式中的地位
数字船闸模式下，船闸数据由联合调度系统自动采集、处理、发布，它与自动控制系统、水文数据采集系统、地下管网管理系统、ETC系统、北斗系统等多个辅助系统共同构建了完整的管理体系。
打个形象的比方，联合调度系统就像数字船闸的大脑，而工业电视、高清摄像头是数字船闸的眼睛，ETC、北斗、自动控制系统、水文数据采集系统是它的肢体，大家团结一致共同构成了数字船闸这一睿智的个体。
2.2船舶过闸流程
多线船闸联合调度流程由船舶上传运单、报到、缴费、联合调度、闸室排档、以及船舶过闸等众多环节构成，各环节受到地质、水文、气象、运行设备和航道内通行船舶的影响。
算法的目标是将船舶按照既定输入参数结合当前的工况、水文、优先规则等条件，将待闸船舶分配到各个闸室，并在船舶航行过程中通过计算由系统发出明确的调度指令，最终实现船舶有序快速过闸。
2.3船闸调度运行机制
因算法与船闸本身的地理位置、水文等约束条件密切相关，本节以长洲船闸调度为例对调度算法进行较为详实的描述。
1)长洲四线船闸基本采用逐级调度的方式，船舶的锚泊与航行调度根据其调度目标空间的不同，可分为三级调度，即:锚地停泊段的远程调度，停泊段靠船墩的近闸段调度，靠船墩船闸的过闸调度。基本调度目标空间为:锚地、停泊段、靠船墩、船闸。
2)由于船闸、靠船墩、停泊段的容量有限，为保障调度的有序，进入调度序列的船舶应根据其对应的船闸容量进行编队，每次调度过程应以一个船队为单元。
3)在船队的逐级航行调过程中，外航道由于水面宽阔，分道通航，船舶可以提前采取措施避免近距离会遇及交叉，而在引航道、口门区及连接段，由于枢纽船闸的限制，出闸船舶流与进闸船舶流的交汇往往带来较大的安全隐患。因此，长洲四线船闸调度，在引航道内，应禁止船舶流交汇。在口门区及连接段应尽量减少和避免船舶流的交汇。
2.4调度算法研究
联合调度方案针对不同的外部影响因素情况分别制定，从而形成一整套体系，以提高船闸整体管理水平。
以长洲船闸为例，经过对船闸运行现状的分析、调度算法设计、建模和仿真，最终形成的调度算法依据上下游水位差和下游水位将工况划分为5种。每种工况下，闸室的通航状态和闸室选择规则均有不同，例如:在下游水位介于2.65m至3.65m之间时，上下游水位差大于8m时，三四线船闸按标准设计通航，一线船闸仅能通过500吨级及以下船舶，二线船闸停止通航。
2.5调度算法实现
依据调度算法研究结论，调度算法实现如下:
1)对调度队列中的船舶进行闸室匹配:当船舶完成缴费并进入调度队列后，本着先到先服务原则对船舶进行调度计算。
算法首先根据船舶的长宽高及吃水深度对其闸室匹配，将其放入对应船闸的适闸队列。
依据闸室及各近端待闸段(靠船墩、停泊段)当前状态，当近端待闸段有空闲时，可将船分配到空闲闸室或空闲近端待闸段对应的闸室;如没有空闲，则分配到远端待闸段(锚地)。
依据上下游水位差匹配优先规则。长洲船闸三四线为扩建工程，出于节约能源考虑，船闸运行方式增加了互灌泄水模式，该模式在上下游水位差大于8米时启用，要求调度算法在该模式下对三四线船闸进行交叉选择，即:如前次调度是向三号闸室调船，则此次向四号闸室调船。
2)确定闸室后，为船舶指定待闸目的地。
如果船舶即将进入近端待闸段，则要调用单闸室排档算法将其编入船队。
如果船舶即将进入远端待闸段，则依据当前工况选择当前可用的锚地。工况分为洪水期、枯水期和正常工况，各工况下可用锚地设置有所不同。
3)单闸室排档算法:为闸室待闸队列的船舶形成船队。
以二维装箱算法为基础，根据闸室特性对其进行了变形。
算法的目的是尽量最大化利用闸室面积。主要根据船舶的外形参数与闸室面积进行匹配，当累计船舶面积充满整个闸室时算法完成。
考虑到大船机动性较差，在尽量保证先到先服务的前提下优先对超大船舶进行排档。
4)冲突解决机制。
当闸室开闸放船时，将航道状态置为占用，此时系统限制各阶段调船，直到出闸船队驶离枢纽;
当相邻闸室同时放船时，其中一个闸室需要等待，直到相邻闸室船队出闸完毕;
当冲突水域有船队时，不允许向经过该水域的待闸段调船。
3结束语
数字船闸以船闸联合调度系统为核心，与船闸PLC自动控制、网络高清视频图像自动跟踪、自动分区域网络广播等硬件技术相结合，实现船闸监控全流程自动化和管控一体化，同时辅以北斗终端及水上ETC技术，不但能大大提高过闸效率，缓解大型船闸运输繁忙期船舶积压的问题，而且能通过系统规范和技术手段促使船闸管理向现代化、信息化方向良性发展，同时也是促进船闸减员增效和廉政建设的有效手段。