一种降低多线单级船闸泄水波影响的通航调度方法

摘要

一种降低多线单级船闸泄水波影响的通航调度方法，基于船闸泄水波运行规律、船闸泄水波数据库、船舶调度规则、船舶发航行驶过程及船闸运行工艺约束条件，建立船闸运行船舶调度复合运算模型；采集船闸上下游实时水位，在当日闸次计划中选取目标闸次，计算目标闸次首级闸门开终时间，代入建立的船闸运行船舶调度复合运算模型，计算目标闸次开始泄水的时间；采集过闸船舶信息，基于船闸上、下游实时水位及计算的目标闸次开始泄水的时间，计算航道最小水深和水深变化过程，推算船舶过闸最佳发航时间、或者船舶下行出闸最佳时间。本发明在保证船闸高效运行和船舶航行安全的前提下，降低船闸泄水波对船舶过闸不利影响，有效提升航道及船闸通过能力。

说明书

技术领域

本发明涉及通航调度技术领域，具体涉及一种降低多线单级船闸泄水波影响的通航调度方法。

背景技术

对于高水头船闸，船闸下引航道狭而窄，如船闸泄水设施出口布设于航道中，船闸运行过程中闸室水量全部泄于航道，泄水开始后航道内水位过程线形如波浪，有明显高于或低于正常水位的峰谷形态。由于引航道的盲肠边界特性，泄水产生的波在引航道两端往返运动，形成往复流。

水运在大宗散货长距离运输上比较优势明显，船舶吨位快速增大，船舶吃水越来越大，这些对航道维护水深的提高提出了更加迫切的要求。船闸泄水波周期性的波动，对引航道通航造成影响，如不考虑泄水波发生后，航道通航水深陡然降低，过闸船舶航行安全无法保障。如过于考虑船闸泄水波对通航的不利影响，降低维护水深，航道及船闸通过能力降低，将使枢纽通航需求矛盾更加突出，船舶待闸形势更加严峻。

发明内容

本发明提供一种降低多线单级船闸泄水波影响的通航调度方法，该方法通过建立船闸运行船舶调度复合运算模型，在保证船闸高效运行和船舶航行安全的前提下，降低船闸泄水波对船舶过闸不利影响，科学利用船闸引航道水深，有效提升航道及船闸通过能力。

本发明采取的技术方案为：

一种降低多线单级船闸泄水波影响的通航调度方法，包括以下步骤：

步骤1：基于船闸泄水波运行规律、船闸泄水波数据库、船舶调度规则、船舶发航行驶过程及船闸运行工艺约束条件，建立船闸运行船舶调度复合运算模型；

步骤2：采集船闸上下游实时水位，在当日闸次计划中选取目标闸次，计算目标闸次首级闸门开终时间，代入步骤1建立的船闸运行船舶调度复合运算模型，计算目标闸次开始泄水的时间；

步骤3：采集过闸船舶船位、船舶航速、装载吃水信息，基于船闸上、下游实时水位及步骤2计算的目标闸次开始泄水的时间，计算航道最小水深和水深变化过程，推算船舶过闸最佳发航时间、或者船舶下行出闸最佳时间。

还包括步骤4：闸次计划编制完成后，根据船闸上下游水位预测，通过船闸运行船舶调度复合运算模型推算闸次计划中各闸次泄水后船闸下引航道实时水深变化过程，基于船闸运行安全、高效及运行时间可控原则，提前对闸次计划进行适配调整。

通过船闸下引航道沿程水位感应器监测航道瞬时水位数据，当监测航道实时水深低于船闸运行船舶调度复合运算模型计算航道实时最小水深时，修正船舶过闸调度方案，延缓船舶上行进入引航道或下行出闸时间。

所述步骤1中，船闸泄水波运行规律包括：

1)船闸泄水时，泄水波波幅λ与船闸泄水流量Q及引航道实时水深h

2)当船闸联合泄水时，按照波浪叠加抵消原理，当后闸泄水时间与前闸相隔1/4个周期及以上时间时，船闸泄水波减弱；

3)船闸泄水波波幅λ沿程减小，其中下引航道直线段降幅较小，基于船舶航行安全考虑，视其为不变，进入口门区后迅速减小，至航道交汇处波幅变为0；

4)船闸泄水波波幅λ随时间衰减，由于其属于重力波，波峰幅值λ

所述步骤1中，船闸泄水波数据库的建立方法如下：

S1.1:按照调度运用需求，在船闸上游静水位置布设水位感应器，自动采集船闸上游静水水位Z

S1.2:根据《船闸输水系统设计规范》(JTJ306-2001)，计算对应情况下船闸最大泄水流量Q

一个完整的多线船闸泄水波数据库A，设其船闸线数为i，包含各线船闸子泄水波数据库A

A

其中：Z

Z

Z

Z

所述步骤1中，船舶调度规则主要指船舶过闸先后排序规则、船舶吃水控制要求和船闸每闸次通过船舶数量更多的原则。基于此规则编制船舶过闸闸次计划。

所述步骤1中，船舶发航行驶过程是指上行船舶过闸发航后由待闸锚地行驶至船闸下引航道口门及进入航道口门区至靠船墩停靠的全过程。通过过程控制，确保船舶适时抵达下引航道口门并有序进入下引航道。

船闸运行工艺为单个闸次计划执行时船闸运行的整个流程，包括打开船闸首级闸门、指挥、发布船舶进闸指令、船舶进闸系缆、关闭首级闸门、船闸冲泄水、打开船闸次级闸门、船舶解缆出闸等环节。

所述步骤2中，选择目标闸次、计算目标闸次开始泄水最优时间方法如下：

设各线船闸闸次运行平均周期为T

m

设当前各线执行闸次首级闸门开终时间t

依据各目标闸次船舶艘数及船闸运行工艺，设第i线船闸第q个目标闸次泄水开始时间与首级闸门开终时间时间间隔为△t

按照泄水先后顺序对各目标闸次进行排序，其闸次顺序号为j，则

△t'

根据实测资料，船闸泄水波周期T

其中：L取船闸下引航道直线段L

①：当

②：当

所述步骤3中，船闸泄水后下引航道最小水深和水深变化过程计算方法，包括以下步骤：

S3.1:设船闸泄水后其下闸首位置航道实时水深为h

其中：k为自然数，其取值为k＝1、2、3……；ω为角速度，取ω＝2兀/T；t

S3.2:采集船闸上下游静水水位Z

船闸泄水后泄水波第一个周期下引航道最小水深为h

h

下引航道直线段水深变化过程与船闸下闸首一致，下引航道保持最小水深为h

设船闸下闸首泄水波波动传递至下引航道直线段末端的时间间隔△T

对于船闸泄水波波速为V

其中：V

其中：Q为船闸泄水流量，可近似的取为Q

所述船闸泄水波运行数据适配原则,为根据两相邻泄水闸次泄水间隔及闸次尺度选择适配的船闸子泄水波数据库：

1)两相邻泄水闸次闸室尺度相同或相近时，选择当前泄水闸次对应船闸子泄水波数据库适配；

2)两相邻泄水闸次闸室尺度差距较大时且当前泄水闸次闸室尺度小于前一泄水闸次闸室尺度，当泄水间隔时间小于等于2个船闸泄水波周期时，选择前一泄水闸次对应船闸子泄水波数据库适配；当泄水间隔时间大于2个船闸泄水波周期时，选择当前泄水闸次对应船闸子泄水波数据库适配。

所述步骤3中，船舶过闸最佳发航时间和下行出闸最佳时间，具体计算方式如下：

根据目标闸次最优泄水时间，重新计算出各闸次首级闸门开终时间T

T

则初步确定第i线船闸即将发航第P

1)第i线船闸m

当该闸次运行泄水结束、船舶解缆后，对比h'与下引航道实时水深h

①：通过下引航道布设的沿程水位感应器采集下引航道最小水深h

②：如

2)第i线船闸m

S＝L

发航船舶平均航速V，则该闸船舶抵达船闸下引航道口门区下边界的时间T

适配闸次泄水在最接近T

a：如推算出的h

b：如根据推算，

所述步骤4中，提前对闸次计划适配调整后，避免船舶装载吃水加富裕水深h'大于泄水波第二个周期最小水深

闸次计划适配调整具体是：采集闸次计划执行日船闸上下游水位预测信息，将其与初步完成的闸次计划代入船闸运行船舶调度复合运算模型，可计算出闸次计划中各闸次单泄条件下船闸下引航道实时水深变化过程，当各闸次泄水后船闸下引航道实时水深变化过程因时间出现交叠时，取最不利情况为该时段的实时水深变化过程；基于推算所得闸次计划执行日船闸下引航道实时水深变化过程和闸次船舶发航行驶过程，结合计划船舶的装载吃水、船舶类型、船型尺度等信息，按照闸次计划编制规则，对闸次计划进行优化调整，使船舶驶抵船闸下引航道时，其装载吃水与引航道实时水深更适配。

本发明一种降低多线单级船闸泄水波影响的通航调度方法，技术效果如下：

1)本发明步骤1建立船闸运行船舶调度复合运算模型，在保证船闸高效运行和船舶航行安全的前提下，充分利用船闸引航道水深，降低船闸泄水波对船舶过闸不利影响，有效提升航道及船闸通过能力。

2)本发明步骤2基于船闸泄水波运行规律，科学确定船闸各运行闸次泄水最优时间，避免多线船闸泄水波之间的叠加增强，减小船闸泄水对航道水深及航道水流条件的不利影响。

3)本发明步骤3基于船闸泄水波运行规律及船闸运行情况，并融合船舶实时船位、航速、装载吃水及等信息，实时优化调整船舶过闸调度方案，使船舶过闸调度更加安全、精准、有序。

4)本发明步骤4通过采集闸次计划执行日船闸上下游水位信息，并融合船闸泄水波运行其它要素数据，科学预测船闸引航道水深变化过程，基于此对闸次计划进行优化调整，进一步提升了闸次计划的精准度和可执行性，同时也确保了船舶在引航道中的航行安全。

附图说明

图1为降低多线单级船闸泄水波影响流程图。

图2为引航道水位感应器沿程布置图。

具体实施方式

实施例：

选择长江某枢纽一侧航道两线单级船闸作为实施对象，两线单级船闸，船闸1和船闸2，其运行条件为：

船闸1闸室尺度：长280m，宽34m；

船闸2闸室尺度：长120m，宽18m；

两船闸共用引航道，引航道长6.5km，其中上引航道长2.5km，下引航道4.0km；下引航道又分为直线段、口门区及连接段，直线段长2.8km、最小航宽120m，口门区0.5km，航宽230m，连接段0.7km；

两船闸设计水头27m，实际运行过程中上游水位按不低于63m-66.5m控制，下游水位最低通航水位按口门区航段不低于39.0m控制，最高通航水位为54.5m。

如图1所示，一种降低多线单级船闸泄水波影响的通航调度方法，包括以下步骤：

步骤1：基于船闸泄水波运行规律、船闸泄水波数据库、船舶调度规则、船舶发航流程及船闸运行工艺等约束条件，建立船闸运行船舶调度复合运算模型；船闸运行船舶调度复合运算模型是通过JAVA语言编写的，基于X86架构的服务器运行。

步骤2：采集船闸上下游实时水位，在当日闸次计划中选取目标闸次，推算目标闸次首级闸门开终时间，代入船闸运行船舶调度复合运算模型计算目标闸次开始泄水的最优时间；

步骤3：采集过闸船舶船位、船舶航速、装载吃水等信息，基于船闸上、下游实时水位及步骤2的船闸开始泄水时间，计算航道最小水深和水深变化过程，推算船舶过闸最佳发航时间、或船舶下行出闸最佳时间，优化船舶过闸调度方案。

步骤4：步骤2中的闸次计划编制完成后，当日闸次计划一般于上一计划周期内编制完成。根据船闸上下游水位预测，通过模型推算计划中各闸次泄水后船闸下引航道实时水深变化过程，基于船闸运行安全、高效及运行时间可控原则，提前对闸次计划进行适配调整。

所述闸次计划为船闸1和船闸2下一日作业计划，船闸调度部门按照“安全第一、兼顾效率；重点优先、分类控制；先到先过、合理分流”的调度原则进行计划编制和过闸调度组织。

通过船闸下引航道沿程水位感应器监测航道瞬时水位数据，当监测航道实时水深低于模型计算航道实时最小水深时，优化船舶过闸调度方案，延缓船舶上行进入引航道或下行出闸时间。

如图2所示，船闸下引航道水位感应器共18个，按下引航道左右岸各9个布置，感应器每10s采集一次水位，感应器采集水位后将数据传至数据平台供分析使用。

其中：

步骤1中所述船闸泄水波运行规律为：

船闸泄水时，泄水波波幅λ与船闸泄水流量Q及引航道实时水深h

当船闸联合泄水时，按照波浪叠加抵消原理，当后闸泄水时间与前闸相隔1/4个周期及以上时间时，船闸泄水波可减弱；

船闸泄水波波幅λ沿程减小，其中下引航道直线段降幅较小，基于船舶航行安全考虑，可视其为不变，进入口门区后迅速减小，至航道交汇处波幅变为0；

船闸泄水波波幅λ随时间衰减，由于其属于重力波，波峰幅值λ

步骤1中所述船闸泄水波数据库建立方法：

按照调度运用需求，在船闸上游静水位置布设水位感应器，自动采集船闸上游静水水位Z

根据《船闸输水系统设计规范》(JTJ306-2001)计算对应情况下船闸最大泄水流量Q

多线船闸泄水波数据库A是船闸运行船舶调度复合运算模型的重要组成部分及有效运行的基础，对于运行稳定的船闸，当其上、下游水位相同或相似时，船闸输水系统的运行模式基本不变，即船闸上、下游水位相同或相似时，其运行产生的船闸泄水波特征参数大致相同。以此为前提，通过多线船闸泄水波数据库A中大量的船闸泄水波运行数据样本，可科学推算出船闸运行时其下引航道水深及变化过程，结合船闸泄水波运行周期，即可实时优化船舶过闸调度方案。

一个完整的两线船闸泄水波数据库，设其船闸线数为2，应包含各线船闸子泄水波数据库A

步骤2中所述选择目标闸次、计算目标闸次开始泄水最优时间方法如下：

设各线船闸闸次运行平均周期为T

实施例中，船闸1和船闸2的闸次运行平均周期分别为90分钟、60分钟，船舶发航驶抵平均周期约180分钟，按照发航规则，船闸1和船闸2在满负荷运行时，其运行过程中发航行驶过程中的船舶闸次数分别为3个和4个；

每线船闸滚动依次选择m

m

实施例中，船闸1和船闸2滚动依次选择4个和5个尚未执行的闸次作为目标闸次；设当前各线执行闸次首级闸门开终时间t

依据各目标闸次船舶艘数及船闸运行工艺，设第i线船闸第q个目标闸次泄水开始时间与首级闸门开终时间时间间隔为△t

按照泄水先后顺序对各目标闸次进行排序，其闸次顺序号为j，则j＝1、2、3……9，设目标闸次泄水开始时间按顺序为t′

△t'

根据实测资料，船闸泄水波周期T

其中：L取船闸下引航道直线段L

根据运行数据计算，船闸下引航道L＝L

1)当

2)当

步骤3中所述船闸泄水后下引航道最小水深和水深变化过程计算方法为：

设船闸泄水后下引航道实时水深h

其中：k为自然数，其取值为k＝1、2、3……；ω为角速度，取ω＝2兀/T；t

采集船闸上下游静水水位Z

船闸泄水后泄水波第一个周期下引航道最小水深为h

h

依据步骤1中船闸泄水波运行规律所述，下引航道直线段水深变化过程与船闸下闸首一致，下引航道保持最小水深为h

设船闸下闸首泄水波波动传递至下引航道直线段末端的时间间隔△T

对于船闸泄水波波速为V

其中：V

其中：Q为船闸泄水流量，可近似的取为Q

所述船闸泄水波运行数据适配原则，为根据两相邻泄水闸次泄水间隔及闸次尺度选择适配的船闸子泄水波数据库：

1)两相邻泄水闸次闸室尺度相同或相近时，选择当前泄水闸次对应船闸子泄水波数据库适配；

2)两相邻泄水闸次闸室尺度差距较大时且当前泄水闸次闸室尺度小于前一泄水闸次闸室尺度，当泄水间隔时间小于等于2个船闸泄水波周期时，选择前一泄水闸次对应船闸子泄水波数据库适配；当泄水间隔时间大于2个船闸泄水波周期时，选择当前泄水闸次对应船闸子泄水波数据库适配。

根据两船闸运行设施条件，船闸1的闸室尺度明显大于船闸2，在两闸泄水计算泄水波过程线时，一般适配船闸1子数据库。

步骤3中所述船舶过闸最佳发航时机和下行出闸最佳时机：

根据目标闸次最优泄水时间重新计算出各闸次首级闸门开终时间T

T

则初步确定第i线船闸即将发航第P

1)第i线船闸m

当该闸次运行泄水结束、船舶解缆后，对比h'与下引航道实时水深h

①：通过下引航道布设的沿程水位感应器采集下引航道最小水深h

②：如

2)第i线船闸m

S＝L

发航船舶平均航速V，则该闸船舶抵达船闸下引航道口门区下边界的时间T

通过公式计算S＝30km；发航船舶平均航速V＝10km/h；

适配闸次泄水在最接近T

a：如推算出的h

b：如根据推算，

通过步骤4提前对闸次计划适配调整后，避免船舶装载吃水加富裕水深h'大于泄水波第二个周期最小水深