基于时序复合运算模型的梯级船闸通航调度运行方法与流程

本发明属于通航控制领域，具体涉及一种基于时序复合运算模型的梯级船闸通航调度运行方法。

背景技术：

船闸作为通过开关泄水阀门实现水利枢纽船舶过闸通道，按结构形式可以分为单级船闸和多级船闸，即只有一个闸室的为单级船闸，具有两个及以上连续闸室的为多级船闸。多级船闸采取的单向连续过闸方式，即第一闸室船舶进闸后，船闸开始运行，待首级闸门开启后，后续同向过闸船舶进闸，船舶过闸始终沿同一方向，其过闸效率主要取决于两个过闸闸次之间的时间间隔。船舶采取单向连续过闸方式通过多级船闸，主要采取船舶申报过闸需求，通航调度部门根据船舶到达情况安排过闸计划，船舶根据安排的过闸计划行驶到船闸水域过闸。多级船闸呈现为梯级排队等待过闸的现象，对连续多级梯级船闸运行过程分析，是建立数字化船闸的基础，船闸过闸运行本质上是一个枢纽通航的交通组织过程不断循环重复的场景，这种场景具有空间范围固定（船闸基础设施及位置空间相对固定）和过程相似度高的特征，其智能化的场景相对单一，其数据源多少和数据量大小决定了对算力的要求。

在船闸的通过能力不能满足过闸航运需求的背景下，如何挖掘船闸的通过能力以应对未来过闸需求的增长，提高船闸通航能力，是船闸行业需要面临的现实课题。多级船闸运行过程的信息收集任务和决策和指令输出等船闸过程干预行为均依靠人工完成，其效率受运行员的技能水平、精力、情绪等因素影响，存在一定的波动性和提升瓶颈。

技术实现要素：

本发明的目的是解决上述问题，提供一种基于时序复合运算模型的梯级船闸通航调度运行方法，建立起船闸运行过程时序复合模型，实现船闸运行过程中各子过程的过闸时间、设备运行时间、船舶航行移泊时间、运行员排档指挥时间的自动计算，为闸次识别、待闸船舶进闸调度智能预前提示和最佳发航时机建议提供依据。

本发明的技术方案是基于时序复合运算模型的梯级船闸通航调度运行方法，包括以下步骤，

步骤1：将船舶排队过闸过程及船闸运行过程按照时空顺序分解成与连续多级船闸梯级特征相匹配的子过程，对船闸运行子过程命名并为其编制唯一标识；

步骤2：建立船闸运行时序复合运算模型，计算过闸船舶在各个子过程状态下的时间；

步骤3：根据过闸计划中的各闸次的首级闸门开终时间，结合步骤2的计算结果确定船舶的过闸闸次和最佳发航时机；

步骤4：根据步骤3计算的各船舶的过闸闸次和最佳发航时机优化船闸的排档计划。

步骤1中，所述船舶排队过闸过程及船闸运行过程包括船舶过闸航行过程、调度指挥过程、船闸设备设施状态转换过程、船闸输水过程四个基本过程，是一个复合型的排队过程。船舶过闸过程经过相应的编队、等待、过闸、出闸阶段，以鱼贯式通过，梯级船闸呈现阶梯式上升或下降。在时间上，以船舶过闸时间顺序为基础，累计船舶逐级通过每一闸室直至出闸，在空间上，连续多级船闸运行过程的分级特性，各间隔闸室内水位变化呈现为“同步升降”趋势，相邻闸室水深呈现为深浅交错的状态，不会出现相邻闸室同时带载运行，且带载闸室间隔分布。

步骤2中，所述对船闸运行子过程命名，通过通航调度系统、船闸控制系统和船舶gps/北斗定位信息数据的感知、采集分段离散的时序数据，在数据处理平台经分类和聚类，进行关联、融合处理，提取闸次计划、发航时间，通过与闸次编号匹配并与船舶航行过程匹配，完成进闸初始化，作为船闸运行过程的起点。

所述船闸运行过程时序复合运算模型，下行逐级连续运行时，过闸船舶由上游导航墙进入第一闸室的过程命名为子过程a1，该过程包含船舶航行、排档指挥、船闸设备设施状态转换、船闸水位转换、船闸运行控制过程；船舶由一闸室移泊至第二闸室的运行过程命名为子过程a2，包括船舶航行、排档指挥、船闸设备设施状态转换、船闸水位转换、船闸运行控制过程；船舶由二闸室移泊至第三闸室的运行过程命名为子过程a3，包括船舶航行、排档指挥、船闸设备设施状态转换、船闸水位转换、船闸运行控制过程；与此同时，另一个闸次运行过程开始，该闸次船舶开始由上游导航墙进入第一闸室的过程，此运行过程命名为子过程b1，依次类推，一个完整的船闸运行过程a，按照时空顺序包含了子过程a1、a2、a3、a4、a5……，表示为多对象复合的时序过程a={a1,a2,a3,a4,a5……}，另一个转步过程b={b1,b2,b3,b4,b5……}，每一个过程都具有高度的相似性，依此类推，如此多个运行控制子过程通过时间和空间顺序串连复合形成一个总过程，相应子过程的数据以时间标签进行相似连接，最后形成大量时序数据系列；上行逐级连续运行与下行逐级连续运行类似。

步骤3中，所述确定船舶的过闸闸次，将船舶排队过闸过程分解，当首级人字闸门开终，以该时刻作为计时起点，若某一闸次船舶进闸靠泊完毕，下一闸首开始开启输水阀门泄水，直至水平，然后开启人字闸门，船舶向下一闸室移泊，如此循环，船舶由一级闸室向下一级闸室移泊，船闸由一种状态向下一种状态推进，进行时序复合运算，首级人字闸门开终时刻作为闸次a过闸开始时刻，直至下一次首级人字闸门开终时刻，该时刻即为闸次b的开始时刻；闸次a和闸次b的时间间隔δt的计算式如下

δt=2tr+t1+ta2+t2+tb1

式中tr表示运行员排档指挥时间，t1、t2分别为一闸首、二闸首船闸设备运行时间，闸次a移泊时间ta2表示闸次a向第二级闸室航行移泊时间，闸次b移泊时间tb1表示闸次b向第一级闸室航行移泊时间；ta2和tb1可根据累计大数据统计得到，前一闸次累加δt标准数值即可计算后一闸次进闸开始时间。

当前一闸次进闸时刻通过船闸控制系统感知得到后，通过累加δt，计算后一闸次准备进闸船舶即导航墙待闸船舶的进闸开始时间，以此为依据，识别完整闸次流程并给出导航墙待闸船舶进闸调度智能预前提示和最佳发航时机建议。

进一步地，通过船闸运行时序复合运算模型累加计算得到的限定时间段内计划闸次船舶过闸过程时间，提前预测该闸次过闸船舶实际过闸流程中各子过程时间，并对比优化，修正实际过闸过程，提高过程控制效率，进一步达到提升船舶过闸效率的目的

优选地，基于时序复合运算模型的梯级船闸通航调度运行方法适用于连续五级船闸的通航运行控制。

相比现有技术，本发明的有益效果：

1）本发明将连续多级船闸运行过程分解，建立了船闸运行时序复合运算模型，实现了船闸运行过程中各子过程的过闸时间、设备运行时间、船舶航行移泊时间、运行员排档指挥时间的自动计算，可计算船舶的过闸闸次和最佳发航时机，便于提高船闸通航效率，实现船闸运行自动化。

2）本发明对船闸运行子过程进行命名和建立唯一标识，并通过时序数据分类和聚类运算，建立船闸运行过程的相似连接，复现船闸运行过程数据，实现船闸运行过程信息的数字化。

3）本发明将船舶过闸过程与船闸运行过程匹配，实现船舶闸次自动识别、调度计划和闸次运行实绩自动关联，为建立基于数据驱动的船闸运行预测管控新模式的创建提供支撑。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为实施例的多级船闸运行过程的示意图。

图2为实施例的船舶排队过闸过程及船闸运行过程分解示意图。

图3为实施例的梯级船闸运行过程的各子过程时间的示意图。

图4为实施例的三峡五级船闸运行过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例选择三峡连续五级船闸作为实施对象。船闸运行过程是过闸船舶、船闸设备设施、闸室及引航道水位和运行员多个对象按照一定的时空顺序，将排档指挥、船舶航行和船闸运行\状态转换基本过程和待闸、进闸、逐级过闸和出闸空间顺序复合而形成的总过程，通过过程复合运算实现船闸运行过程时序数据的相似性连接及分类和聚类。船舶过闸流程因不同环境条件下船闸运行工艺有所差别，基本均是通过阀门充泄水，实现闸室及引航道水位升降，水平开启闸门使船舶通过。

五级船闸运行工艺流程：当某一先行船队x根据运行级数和相关规定要求在规定时段和规定地点待闸，收到进闸指令后进入首级闸室并正确停靠。船闸运行员操作关闭首级闸门，程序自动完成开阀输水和开启下闸首闸门等动作。当先行船队x自第二级闸室进入第三级闸室时，后续船队y可由上游引航道进入第一级闸室；当先行船队x自第四级闸室进入第五级闸室时，后续船队y可由第二级闸室进入第三级闸室，第三批船队z可由上游引航道驶进第一级闸室……依次循环，直至水平开启第六闸首闸门，船队出闸。船闸中间级闸首设备运行工艺与船舶通过第一级闸室工艺基本一致。因此连续多级船闸的单向过闸是以鱼贯式通过，呈现阶梯式上升或下降。由于船闸充泄水的需要，前后相邻两个闸室之间需要一个无船舶（队）停靠的空闸室，才可保证连续多级船闸的连续运行。

如图1-4所示，基于时序复合运算模型的梯级船闸通航调度运行方法，用于三峡连续五级船闸的通航运行控制，包括以下步骤，

步骤1：将船舶排队过闸过程及船闸运行过程分解；

按照运行员、过闸船舶、船闸设备设施和闸室及引航道水位四个作用对象分析得到排档指挥、船舶航行、船闸设备设施状态转换和闸室水位转换子过程组成的船闸运行过程并将其按照时空顺序分解成与连续五级船闸梯级特征相匹配的子过程，如图2所示；

步骤2：基于船闸运行过程分解，建立船闸运行时序复合运算模型，依据船舶过闸流程，以过闸时间和空间顺序为依据，进行累加运算，命名各个船闸运行子过程并为其编制唯一标识，计算过闸船舶在各个子过程状态下的时间，如图3所示；

步骤3：根据过闸计划的某一闸次开始时首级闸门开终时间，按照船闸运行时序复合运算模型计算得到船舶在各个过闸子过程的时间以及相邻闸次间隔时间，从而识别完整过闸闸次并为最佳发航时机建议提供依据；

步骤4：根据步骤3计算的各船舶的过闸闸次和最佳发航时机优化船闸的排档计划。船舶过闸排队过程及船闸运行过程分解：多级船闸基础设施空间位置已相对固定，船舶通过三峡船闸的交通运输过程，是由船舶过闸航行过程、调度指挥过程、船闸设备设施状态转换过程、船闸输水过程共同组成的一个复合型的排队过程。船闸运行员根据收集到的船舶航行过程信息，通过调度指挥过程对其进行干预，同时通过操纵船闸控制系统转换船闸设备设施状态和干预船闸输水过程，最终达到船舶过闸航行过程符合交通组织的预期目标。

船闸运行时序复合运算模型，建立在船闸基础设施空间位置已相对固定，以时间作为度量过程的标尺基础上，模型的建立过程主要以船舶过闸运行流程为基础，以船舶从导航墙待闸区进入首级闸室、逐级通过下一级闸室、直至最后出闸的空间顺序为条件，以过程分解为实现复合运算的有效手段。

经通航调度系统、船闸控制系统和船舶gps/北斗定位信息数据感知、采集，大量分段离散的时序数据在数据处理平台经分类和聚类，进行关联、融合处理，调度系统选择框架号，提取闸次计划、发航时间，通过与闸次编号匹配并与船舶航行过程匹配，完成进闸初始化，即为船闸运行过程命名的起点。

船闸运行过程时序复合运算模型：以下行逐级连续运行方式为例，过闸船舶（队）由上游导航墙进入第①闸室的过程命名为子过程a1，船舶由①闸室移泊至第②闸室的运行过程命名为子过程a2，主要包括船舶航行、排档指挥\交互、船闸设备设施状态转换、船闸水位转换、船闸运行控制及过程监视等基本过程。船舶由②闸室移泊至第③闸室的运行过程命名为子过程a3，同样包括船舶航行、排档指挥\交互、船闸设备设施状态转换、船闸水位转换、船闸运行控制及过程监视等基本过程。与此同时，另一个闸次运行过程开始，该闸次船舶开始由上游导航墙进入第①闸室的过程，此运行过程命名为子过程b1，依次类推，一个完整的船闸运行过程a，按照时空顺序包含了子过程a1、a2、a3、a4、a5，可表示为多对象复合的时序过程a={a1,a2,a3,a4,a5}，另一个转步过程b={b1,b2,b3,b4,b5}，每一个过程都具有高度的相似性，依此类推，还有过程c、d……，过程b进入到b3时，过程c开始…。如此多个运行控制子过程通过时间和空间顺序串连复合形成一个总过程，相应子过程的数据以时间标签进行相似连接，最后形成大量时序数据系列。

船闸运行过程时序复合模型通过时间累加复合运算再现船舶过闸运行过程数据。由此实现了船闸运行过程中各子过程的过闸时间、船闸设备设施状态转换时间、船闸水位转换的时间、船舶航行移泊时间、运行员排档指挥时间的自动计算。

按照三峡船闸船舶过闸排队过程分解，当首级人字闸门开终，以该时刻作为计时起点，若某一闸次船舶进闸靠泊完毕，下一闸首开始开启输水阀门泄水，直至水平，然后开启人字闸门，船舶向下一闸室移泊，如此循环，船舶由一级闸室向下一级闸室移泊，船闸由一种状态向下一种状态推进，进行时序复合运算，首级人字闸门开终时刻作为闸次a过闸开始时刻，那么直至下一次首级人字闸门开终时刻，该时刻是闸次b的开始时刻；

闸次a的船舶移泊到一闸室的时刻t1=ta1，ta1为闸次a的船舶移泊到一闸室的时间，子过程a1表示闸次a的船舶移泊到一闸室的过程；

闸次a的船舶移泊到二闸室的时刻t2=t1+tr+t2+ta2，tr表示运行员排档指挥时间，t2表示二闸首设备运行时间，ta2表示闸次a的船舶移泊到二闸室的时间，子过程a2表示闸次a的船舶由一闸室移泊到二闸室的过程；

闸次a的船舶移泊到三闸室的时刻t3=t2+tr+t3+ta3，tr表示运行员排档指挥时间，t3表示三闸首设备运行时间，ta3表示闸次a的船舶移泊到三闸室的时间，子过程a3表示闸次a的船舶由二闸室移泊到三闸室的过程；

闸次a的船舶移泊到四闸室的时刻t4=t3+tr+t4+ta4，tr表示运行员排档指挥时间，t4表示四闸首设备运行时间，ta4表示闸次a的船舶移泊到四闸室的时间，子过程a4表示闸次a的船舶由三闸室移泊到四闸室的过程；

闸次a的船舶移泊到五闸室的时刻t5=t4+tr+t5+ta5，tr表示运行员排档指挥时间，t5表示五闸首设备运行时间，ta5表示闸次a的船舶移泊到五闸室的时间，子过程a5表示闸次a的船舶由四闸室移泊到五闸室的过程；

闸次a的船舶进入下游的时刻t6=t5+tr+t6+ta6，tr表示运行员排档指挥时间，t6表示六闸首设备运行时间，ta6表示闸次a的船舶自五闸室经六闸首航行到下游的时间，子过程a6表示闸次a的船舶由五闸室移泊到下游的过程；

闸次b的船舶移泊到一闸室的时刻t3^’=t2+tr+t1+tb1，t1表示一闸首设备运行时间，tb1表示闸次b的船舶移泊到一闸室的时间；

……

闸次a、闸次b的时间间隔δt可通过时序复合运算模型累加计算，可表示为：

δt=t3^’-t1=2tr+t1+ta2+t2+tb1

式中tr表示运行员排档指挥时间，t1、t2分别为一闸首、二闸首船闸设备运行时间，闸次a移泊时间ta2表示闸次a向第二级闸室航行移泊时间，闸次b移泊时间tb1表示闸次b向第一级闸室航行移泊时间，均是已知量或标准数值。因此，根据三峡五级船闸累计运行多年的大数据，将该时间差取平均值作为闸次识别和匹配的条件参数，前一闸次累加δt标准数值即可计算后一闸次进闸开始时间。正常运行情况下，当前一闸次进闸时刻通过船闸控制系统感知得到后，通过累加δt标准数值，计算后一闸次准备进闸船舶的进闸开始时间，以此为依据，识别完整闸次流程并给出导航墙待闸船舶进闸调度智能预前提示和最佳发航时机建议。

根据三峡五级船闸累计运行多年的大数据统计，因闸次a、闸次b的船舶数量和所在位置的不同，移泊时间分别取平均值23min和24min，对于三峡船闸，一闸首和二闸首设备运行时间分别取平均值18min和17min。

实施例中，a闸次开始时刻取2019年2月4日三峡南线下行闸次编号900546756为例，该闸次过闸开始时刻为12:27:10，通过上式计算得到，后一闸次b开始时刻（即首级人字闸门开启时刻）为14:08:00，与当日实际运行数据14:08:50相差50s，与实际运行时间相差0.35%，小于0.5%的误差范围，说明以时间为标识的船闸运行过程时序复合运算模型和梯级船闸通航调度方法的有效性。

本实施例中，无论是连续五级船闸上行还是下行方式，船闸运行过程分解方式和船闸运行过程时序复合运算模型均一致，船闸运行过程命名方法也相同。闸次编号作为某一计划过闸闸次的唯一标识与该闸次船舶在调度系统中已建立唯一联系。通过与船舶航行过程信息匹配，解决了船舶与船闸运行过程及船舶在船闸中时间与空间位置的匹配问题，实现进闸初始化，实现船闸运行与船舶航行过程协同性和同步性。