一种梯级枢纽通航联合调度方法与流程

1.本发明涉及船闸通航调度技术领域，具体涉及一种梯级枢纽通航联合调度方法。


背景技术：

2.受沿江经济发展和三峡蓄水成库对通航条件改善等方面因素影响，三峡通航发展迅猛。三峡船闸通航十年来，货物通过量年均增长约17％，葛洲坝船闸较通航初期通过量增长28倍。自2011年两坝船闸双双突破亿吨，三峡船闸通过量提前19年达到设计水平，此后船闸年通过量逐年攀升，过闸供需矛盾日益加剧，船舶高位待闸已成常态化。
3.尽管利用现代信息和管理技术提升了调度水平，但仍不能完全发挥两坝船闸通航效率。因此开展梯级枢纽通航联合调度方法研究，加强船舶交通流调控，对于建立“安全、畅通、高效、和谐”的三峡通航环境具有十分重要的意义。


技术实现要素：

4.为有效提高通航效率，保证梯级枢纽通航设施运转均衡，最大化发挥梯级枢纽通航设施综合通过能力和整体通航效益。本发明提供一种梯级枢纽通航联合调度方法，能够保证梯级枢纽通航设施运转均衡，有效提高通航效率。
5.本发明采取的技术方案为：
6.一种梯级枢纽通航联合调度方法，其特征在于包括以下步骤：
7.步骤一：依据通航建筑物运行条件、运行方式、运行级数、开放时间，确定梯级枢纽联合调度的运行约束条件；
8.步骤二：依据上述运行约束条件，构建梯级通航建筑物一定时间周期内通过量最大、上下游船舶交通流不均衡系数最小、船舶通过梯级枢纽用时最短的多目标值梯级枢纽联合调度模型；
9.步骤三：根据步骤二的多目标值梯级枢纽联合调度模型及其参数取值，制定梯级枢纽联合调度方案；
10.步骤四：当多目标值梯级枢纽联合调度模型的参数随时间周期发生变化时，依据多目标值梯级枢纽联合调度模型的目标值，修正梯级枢纽联合调度方案。
11.步骤五：依据梯级枢纽联合调度方案，组织船舶安全有序通过梯级枢纽，梯级枢纽联合调度方案包括梯级通航建筑物的运行方式及强度、闸(厢)次运行时间、船舶通过梯级通航建筑物次序和时间、锚地安排的船舶及数量。
12.所述步骤一中，
13.所述通航建筑物运行条件、运行方式、运行级数、开放时间因素为联合调度的常量，根据不同的梯级枢纽特征确定。
14.所述运行约束条件包括：船闸运行工况、通航环境、船流密度、船舶种类及载货属性、船舶吃水控制标准、坝间锚地容量、调度规则；
15.船闸运行工况、通航环境、船流密度、船舶吃水控制标准、船舶种类及载货属性、调
度规则、坝间锚地容量因素为联合调度的变量，根据现场实时运行情况确定，参数取值会随着现实情况的变化发生改变；
16.所述通航环境包括：风、雾、水位、流量、航道深度、航道宽度。
17.所述步骤二中，
18.上下游船舶交通流不均衡系数包括时间不均衡系数、方向不均衡系数，
19.时间不均衡是指船舶到达枢纽的时间有先后之分，方向不均衡是指枢纽上下游方向的船舶数量的区别。
20.所述步骤二中，多目标值梯级枢纽联合调度模型具体是：
21.在一个足够长的周期时间内，梯级枢纽的进口和出口的通过量都是一致的，故目标函数中的通过量可以看做单一枢纽的通过量；
22.设梯级枢纽按照水流方向有m个端口，梯级枢纽通过量p＝p1＝p2＝
…
＝pm；
23.根据《船闸总体设计规范》，船闸的通过能力pi＝nng。其中：n为日平均过闸次数，n为周期内通航天数，g为一次过闸平均载重吨位；
24.在一个设定周期d内，设以一天为单位周期d，考虑运行效率等因素，充分利用坝间锚地，梯级枢纽的每个端口的通过量不一，所以单位周期内梯级枢纽通过量表示如下：
[0025][0026]
则周期d内以梯级枢纽通过量最大为目标的函数可以表示为：
[0027][0028]
其中，nd为d周期的过闸次数，gd为d周期的平均载重吨位；
[0029]
船舶通过梯级枢纽用时，由船舶通过每个端口的时间t与端口之间的待闸时间δt构成，船舶通过每一个端口的时间包含：闸室开/关门时间t1、船舶进闸时间t2、闸室灌/泄水时间t3、船舶闸室间移泊/出闸时间t4和船舶进/出闸间隔时间t5；
[0030]
船舶通过梯级枢纽用时按照枢纽运行方式分为两种情况：
[0031]
枢纽单向运行时，船舶通过梯级枢纽端口i的用时可以表示为：
[0032]
ti＝4t
i1
t
i2
2t
i3
t
i4
2t
i5
δtiꢀꢀ
(3)；
[0033]
枢纽迎向运行时，上、下行两个闸次的船舶通过梯级枢纽端口i的总用时可以表示为：
[0034]
t
′i＝4t
i1
2t
i2
2t
i3
2t
i4
4t
i5
δti δt
i 1
；
ꢀꢀ
(4)；
[0035]
则枢纽迎向运行时，平均每个闸次船舶通过梯级枢纽端口i的用时可以表示为：
[0036][0037]
端口之间的待闸时间δt可以表示为：
[0038]
设端口i的服务水平为ci＝c
ai
λi，其中：ci为端口i设计服务水平，c
ai
为端口i日的最大服务水平，ci≤c
ai
，λi为端口i服务水平系数，λi≤1；
[0039]
不同端口之间的服务水平之差为：
[0040]
δci＝c
i-c
i-1
ꢀꢀ
(6)；
[0041]
其中c0＝0；
[0042]
则不同端口之间的待闸时间:
[0043]
其中t0＝0
ꢀꢀ
(7)；
[0044]
单位周期内船舶通过梯级枢纽用时可以表示为：
[0045][0046]
则周期d内以通过梯级枢纽用时最短为目标的函数可以表示为：
[0047][0048]
时间不均衡系数η
t
为某方向上枢纽最大断面船舶流量p
max
与平均流量p
av
的比值:
[0049][0050]
其中，p
av
≤p
max
；
[0051]
方向不均衡系数ηf可表示为：
[0052][0053]
其中：pu指顺流方向船舶流量，pa指逆流方向船舶流量，p
tav
为双向平均船舶流量；
[0054]
d周期船舶交通流不均衡系数ηd可表示为：
[0055]
ηd＝η
t
ηfꢀꢀ
(12)；
[0056]
则周期d内以交通流不均衡系数最小为目标的函数可以表示为：
[0057][0058]
综合考虑调度周期内的通过量最大、上下游船舶交通流不均衡系数最小、船舶通过梯级枢纽用时最短的多目标值梯级枢纽联合调度模型可以表示为：
[0059][0060]
其中，m为量纲调节系数，根据z2与z1的数量级确定，使其比值与z3处于同一量纲水平。
[0061]
所述步骤三中，模型参数包括：一个时间周期及多周期内的梯级通航建筑物运行起止时间、运行间隔时间、倒闸时长、运行强度、重点船舶及重点闸次时间、锚地容量。
[0062]
本发明一种梯级枢纽通航联合调度方法，技术效果如下：
[0063]
1)本发明针对两坝船闸设备、设施均正常运转的情况下，查找影响两坝船闸联合调度的主要因素，通过对两坝船闸匹配运行关键技术研究，提出一种梯级枢纽通航联合调度方法，充分利用相关航运配套设施，控制不同条件下船闸运行时间和运行方式，达到通过梯级枢纽用时最短的目标，有效提高通航效率。
[0064]
2)本发明一种梯级枢纽联合调度方法，综合考虑梯级枢纽通过量、船舶交通流不均衡系数以及通过梯级枢纽用时等目标，构建了梯级枢纽联合调度多目标模型，能够达到有效提高通航效率，保证梯级枢纽通航设施运转均衡，最大化发挥梯级枢纽通航设施综合通过能力和整体通航效益的目标。
附图说明
[0065]
图1为本发明梯级枢纽联合调度流程图。
具体实施方式
[0066]
如图1所示，一种梯级枢纽通航联合调度方法，包括以下步骤：
[0067]
步骤一：依据通航建筑物运行条件、运行方式、运行级数、开放时间，确定梯级枢纽联合调度的运行约束条件；
[0068]
步骤一中，
[0069]
所述通航建筑物运行条件、运行方式、运行级数、开放时间因素为联合调度的常量，根据不同的梯级枢纽特征确定。
[0070]
所述通航建筑物运行条件包括三峡船闸通航设施、三峡升船机通航设施和葛洲坝船闸通航设施的运行条件。
[0071]
其中，三峡船闸通航设施运行条件包括：上游最低与最高通航水位、下游最低与最高通航水位、闸室有效尺度、上下游引航道的最小航宽、闸室输水时纵向比、闸室内停泊条件、引航道口门区流速、闸室内系缆设施的允许系缆力。
[0072]
葛洲坝船闸通航设施运行技术条件包括：上游最低与最高通航水位、下游最低与最高通航水位、闸室有效尺度、上下游引航道的最小航宽、门槛高程。
[0073]
三峡升船机通航技术条件包括上下游水位、上游最大涌浪高、下游最大水位变率、升船机运行风速。
[0074]
所述通航建筑物运行方式与运行级数如下：
[0075]
其中，三峡船闸运行方式如表1所示：
[0076]
表1三峡船闸运行方式
[0077][0078]
三峡升船机与葛洲坝船闸运行方式为：
[0079]
(1)在丰水期，葛洲坝1#船闸为单向下行运行，与三峡南线船闸匹配；葛洲坝2#船闸为迎向运行，以上行为主，与三峡北线船闸匹配；葛洲坝3#船闸为迎向运行的快速通道，与升船机匹配；三峡枢纽升船机为迎向运行的快速通道。
[0080]
(2)在汛期，葛洲坝1#船闸为单向下行运行，与三峡南线船闸匹配；葛洲坝2#船闸为单向上行，与三峡北线船闸匹配；葛洲坝3#船闸为迎向运行的快速通道，与升船机匹配；三峡枢纽升船机为迎向运行的快速通道。
[0081]
(3)在枯水期，葛洲坝枢纽1#船闸以单向上行为主，并定时换向集中分流下行；葛洲坝枢纽2#船闸与1#船闸异向单向运行，并定期换向；葛洲坝枢纽3#船闸为快速通道，协同配合葛洲坝枢纽1#和2#船闸，通常，昼夜换向1～2次。
[0082]
所述通航建筑物的开放时间为：
[0083]
三峡船闸每年通航天数为335天，每天平均运行22小时；三峡升船机每年通航天数
为335天，每天平均运行22小时；葛洲坝1#、2#船闸每年通航天数为320天，每天平均运行22小时；葛洲坝3#船闸每年通航天数为335天，每天平均运行22小时。
[0084]
所述运行约束条件包括：船闸运行工况、通航环境、船流密度、船舶种类及载货属性、船舶吃水控制标准、坝间锚地容量、调度规则；
[0085]
所述船闸运行工况信息主要包括本次计划编制时段内各船闸是否有因检修、保养、渡汛或其它原因的停航，各船闸工况是否运行正常，如有这些情况，在编制计划时应针对这些情况做相应的设置。
[0086]
所述通航环境包括：风、雾、水位、流量、航道深度、航道宽度。
[0087]
(1)通航环境中的风因素如下：
[0088]
是指通航水域实测风力达到或超过6级并持续10分钟以上的有风天气。大风条件下船舶通航应遵守以下规定：三峡船闸闸室及其上、下引航道水域出现大风，三峡船闸应停止船舶过闸，在闸室内船舶应加强系固并进行周期性检查；在三峡船闸引航道靠船墩和待闸锚地停靠的船舶，禁止离泊驶向三峡船闸；已从靠船墩离泊拟进闸的船舶继续进闸，已进入引航道的拟过闸船舶航行至靠船墩停泊。船舶在三峡船闸闸区以外水域遇大风，应就近选择安全水域停泊避风，并加强安全值守。
[0089]
(2)通航环境中的雾因素如下：
[0090]
指船舶上行能见距离不足500m或下行能见距离不足1000m的有雾天气。大雾条件下船舶通航应遵守以下规定：三峡船闸闸区水域出现大雾，能见距离不足1000m时，三峡船闸停止下行船舶过闸，能见距离不足500m时，三峡船闸停止船舶过闸；在三峡船闸引航道靠船墩和待闸锚地停靠的拟过闸船舶，禁止离泊驶向三峡船闸；已进入引航道的拟过闸船舶航行至靠船墩停泊。船舶在三峡船闸上引航道以上水域遇大雾，能见距离不足500米时，应就近选择安全水域停泊。船舶在三峡船闸下引航道以下水域遇大雾，能见距离不足1000米时，下行船舶应就近选择安全水域停泊；能见距离不足500米时，所有船舶应就近选择安全水域停泊。
[0091]
(3)通航环境中的水位因素如下：
[0092]
日常水文信息包括三峡入库流量、三峡出库流量、葛洲坝入库流量、葛洲坝出库流量以及三峡入库流量近几天的预报、新太平溪水位、三斗坪水位、葛洲坝5#水位、葛洲坝7#水位、庙嘴水位、庙嘴自测水位、宜昌水位。
[0093]
(4)通航环境中的流量因素如下：
[0094]
葛洲坝一号船闸及大江航道目前最大实际通航流量为35000m3/s，葛洲坝三江航道，通过葛洲坝2号、3号船闸的船舶最大通航流量为60000m3/s，三峡船闸及引航道最大通航流量为56700m3/s。当三峡入库流量呈快速上涨趋势时，宜提高5000流量编制计划，夜间也宜提高5000流量编制计划；并且应当按照相应的流量控制标准即使疏散符合规定的小功率船舶、船队、危险品船舶等等，控制两坝间水域船舶数量以及通航时间，确保汛期通航安全。
[0095]
(5)通航环境中的航道深度、航道宽度因素如下：
[0096]
航道信息包括航道的航深和航宽，在非汛期时应重点注意航深情况；三峡上游引航道最小航宽180.0m；下游引航道最小航宽180.0m，底高程56.50m。葛洲坝一号船闸上游引航道航宽160.0m；下游引航道最小航宽140.0m，底高程33.50m。二、三号船闸共用上下游引
航道，上游引航道航宽180.0m；下游引航道最小航宽120.0m，底高程34.50m。
[0097]
船流密度具体如下：
[0098]
过坝船舶在通航调度管理水域内通行的顺畅与否，很大程度上取决于目标分段水域的船舶交通流量情况。每一分段水域的船舶交通流量，直接影响着其前端分段水域的船舶交通流量控制决策。若不同分段水域间船舶交通流密度差异较大，会加重船舶交通流的阻塞情况。
[0099]
船舶种类及载货属性具体如下：
[0100]
所述船舶类型主要包括特殊任务船舶；客运船舶；商品汽车运输船舶；集装箱船；载运危险货物船舶；普通货船。其中，特殊任务船舶包括：公务船舶、警卫任务船舶、军事运输船舶、载运重点急运物资船舶、载运抢险救灾物资船舶、载运鲜活货船舶等。所述船舶载货种类包括：商品车，集装箱快班箱，集装箱普通箱，一级、二级易燃易爆危险品，一、二级非易燃易爆危险品，普通干散货物等。
[0101]
船舶吃水控制标准具体如下：
[0102]
所述船舶吃水控制标准包括船舶在三峡南北双线、升船机和葛洲坝1#、2#、3#号船闸处的吃水控制标准，在不同水流量环境下船舶吃水控制标准可分为丰水期、汛期及枯水期三个时期的控制标准。
[0103]
坝间锚地容量具体如下：
[0104]
所述两坝间主要的大型锚地有平善锚地和乐天溪锚地，两坝间船舶容量约束如式(15)～(16)所示：
[0105][0106][0107]
σ
10
、σ
11
分别表示上行最大锚地容量，下行最大锚地容量。
[0108]
其中,表示三峡升船机、船闸上行船舶总数，表示葛洲坝1#、2#、3#号船闸上行船舶总数，表示三峡升船机、船闸下行船舶总数，表示葛洲坝1#、2#、3#号船闸下行船舶总数。
[0109]
所述通航调度具体包括如下规则：
[0110]
s1、三峡-葛洲坝水利枢纽的通航调度和运行应遵循统一调度、联合运行的原则，并与枢纽的梯级调度相协调。
[0111]
s2、船舶过闸调度应实行一次申报、统一计划、统一调度、分坝实施的方式。
[0112]
s3、船舶过闸调度应遵循重点船舶优先安排，一艘船舶先到先过的规则。
[0113]
s4、重点船舶优先安排应遵守以下规定顺序：
[0114]
(1)特殊任务船舶，包括警卫任务、军事运输、抢险救灾等船舶；
[0115]
(2)客运船舶；
[0116]
(3)载运国家重点急运物资的船舶；
[0117]
(4)载运鲜活货物的船舶；
[0118]
(5)载运危险货物的船舶；
[0119]
s5、下列船舶应安排专用闸次通过：
[0120]
(1)一级警卫任务船舶；
[0121]
(2)载运一级易燃易爆危险品货物的船舶；
[0122]
s6、载运危险货物的船舶不得与客船安排在同一闸次过闸。
[0123]
船闸运行工况、通航环境、船流密度、船舶吃水控制标准、船舶种类及载货属性、调度规则、坝间锚地容量因素为联合调度的变量，根据现场实时运行情况确定，参数取值会随着现实情况的变化发生改变；
[0124]
(1)现场实时运行时，可能由于通航环境(风、雾、流量等)的变化导致船闸出现检修、保养、渡汛或其它原因的停航，进而引起运行工况的变化，船闸工况以实际停航时间为准，实际停航信息主要包含船闸号、停航起始时间、结束时间、停航原因、停航类别等。
[0125]
(2)三峡坝上锚地水域受地理环境影响，局部小气候特征明显，出现的特殊气候水文主要是大风、大雾和库水位变动。大风天气一般在初春及秋冬交替季节出现较为频繁；大雾天气多发生在冬春两季；库水位变动为每年6月三峡库水位消落至145米高程及每年10月库水位回蓄至175米高程。船舶待闸受特殊气象水文影响较为常见，期间存在船舶走锚、碰撞、触损等安全风险。
[0126]
(3)当各分段水域内船舶交通流密度发生变化时，所述水域内平均船舶交通流密度q可表示为：
[0127][0128]
其中，集合w＝{w1,w2,
…
,wi,
…
w0}表示通航调度管理水域范围，v＝{v1,v2,
…
,vi,
…
,vn}表示水域内船舶交通流量(船舶数量)，n表示水域分段数量
[0129]
分段水域i内的平均船舶交通流密度qi可表示为：
[0130][0131]
(4)随着水流量的不同，船舶吃水控制标准也会随之发生变化。其中，丰水期，三峡南北双线和升船机的吃水控制标准分别为4.3米和2.7米，葛洲坝1#船闸的吃水控制标准为4.3米，葛洲坝2#和3#船闸的吃水控制标准主要是4米和3.5米；汛期，三峡南北双线和升船机的吃水控制标准分别为4.3米和2.7米，葛洲坝1#、2#、3#船闸的吃水控制标准分别为4.3米、4米和3.5米；枯水期，三峡南北双线和升船机可以分别维持4.3米和2.7米的吃水控制标准，葛洲坝1#船闸可以维持4.3米的吃水控制标准，葛洲坝2#和3#船闸受到庙咀水位影响，当庙咀水位分别处于[29米，39.5米)、[39.5米，40米)或不小于40米，2#和3#船闸的吃水控制标准分别为3.5米和3米、3.8米和3.3米、4米和3.5米。
[0132]
(5)船舶所载货种优先级排列如下：
[0133]
根据相关规定，一级易燃易爆危险品船舶专闸过闸，二级易燃易爆危险品船舶集中过闸。是否安排载运易燃易爆危险品船舶需要人工设定，因此可不考虑其优先级排列。
[0134]
除开一级、二级易燃易爆危险品外，其余货种优先级排列：
[0135]
商品车＝集装箱快班箱》集装箱普通箱》非易燃易爆危险品》普通货物。
[0136]
其中，商品车、集装箱快班箱属于受运输政策影响的优先过坝物资，优先级相对较高，非易燃易爆危险品，在锚地集结和长时间待闸存在安全隐患，因此一般相对普通货物优先疏散，其优先度相对普通货物高。
[0137]
(6)所述锚地容量在主汛期大流量情况下，或辖区河段通航流量、水位短时间内出现剧烈变化时会发生相应变化：
[0138]
当水流量q《25000m3/s时，两坝间乐天溪锚地停泊船舶数量控制在60艘，流量在20000m3/s至25000m3/s时，平善坝锚地停泊船舶数量控制在8艘。
[0139]
当25000m3/s≤q＜30000m3/s时，两坝间乐天溪锚地停泊船舶数量控制在30艘。
[0140]
当30000m3/s≤q＜35000m3/s时，两坝间乐天溪锚地停泊船舶数量控制在25艘。
[0141]
当35000m3/s≤q＜40000m3/s时，两坝间乐天溪锚地停泊船舶数量控制在5艘。
[0142]
当40000m3/s≤q时，船队不允许通过两坝间航段。
[0143]
步骤二：依据上述运行约束条件，构建梯级通航建筑物一定时间周期内通过量最大、上下游船舶交通流不均衡系数最小、船舶通过梯级枢纽用时最短的多目标值梯级枢纽联合调度模型；
[0144]
步骤二中，
[0145]
上下游船舶交通流不均衡系数包括时间不均衡系数、方向不均衡系数，
[0146]
时间不均衡是指船舶到达枢纽的时间有先后之分，具体如下：
[0147]
根据排队论模型研究，通常相继两个到达事件间隔时间服从指数分布。因此在此使用船舶到达时间间隔分布服从指数分布。指数分布的概率分布函数如式：
[0148]
f(t)＝1-e-λt
ꢀꢀ
(19)
[0149]
其中：参数λ表示了指数分布相邻事件时间间隔状态，通过该参数可以确定船舶到锚的时间间隔分布函数。
[0150]
方向不均衡是指枢纽上下游方向的船舶数量的区别，具体如下：
[0151]
大多数待闸船舶到锚的规律服从泊松分布，也就是t时间段内到达n艘船舶的概率，记为pn(t)，则
[0152][0153]
其中：pn(t)为t的分布函数；λ为单位时间内到达的船舶数，即平均到达率。
[0154]
步骤二中，有关梯级枢纽通过量：
[0155]
理想情况下，在一个足够长的周期时间内，梯级枢纽的进口和出口的通过量都是一致的，故目标函数中的通过量可以看做单一枢纽的通过量；
[0156]
设梯级枢纽按照水流方向有m个端口，梯级枢纽通过量p＝p1＝p2＝
…
＝pm；
[0157]
根据《船闸总体设计规范》(jtj 305-2001)，船闸的通过能力pi＝nng。其中：n为日平均过闸次数，n为周期内通航天数，g为一次过闸平均载重吨位；
[0158]
在一个设定周期d内，设以一天为单位周期d，考虑运行效率等因素，充分利用坝间锚地，梯级枢纽的每个端口的通过量不一，所以单位周期内梯级枢纽通过量表示如下：
[0159][0160]
则周期d内以梯级枢纽通过量最大为目标的函数可以表示为：
[0161][0162]
其中，nd为d周期的过闸次数，gd为d周期的平均载重吨位；
[0163]
有关船舶通过梯级枢纽用时：
[0164]
船舶通过梯级枢纽用时，由船舶通过每个端口的时间t与端口之间的待闸时间δt
构成，船舶通过每一个端口的时间包含：闸室开/关门时间t1、船舶进闸时间t2、闸室灌/泄水时间t3、船舶闸室间移泊/出闸时间t4和船舶进/出闸间隔时间t5；
[0165]
船舶通过梯级枢纽用时按照枢纽运行方式分为两种情况：
[0166]
枢纽单向运行时，船舶通过梯级枢纽端口i的用时可以表示为：
[0167]
ti＝4t
i1
t
i2
2t
i3
t
i4
2t
i5
δtiꢀꢀ
(3)；
[0168]
枢纽迎向运行时，上、下行两个闸次的船舶通过梯级枢纽端口i的总用时可以表示为：
[0169]
t
′i＝4t
i1
2t
i2
2t
i3
2t
i4
4t
i5
δti δt
i 1
；
ꢀꢀ
(4)；
[0170]
则枢纽迎向运行时，平均每个闸次船舶通过梯级枢纽端口i的用时可以表示为：
[0171][0172]
端口之间的待闸时间δt可以表示为：
[0173]
设端口i的服务水平为ci＝c
ai
λi，
[0174]
其中：ci为端口i设计服务水平，c
ai
为端口i日的最大服务水平，ci≤c
ai
，λi为端口i服务水平系数，λi≤1；
[0175]
不同端口之间的服务水平之差为：
[0176]
δci＝c
i-c
i-1
ꢀꢀ
(6)；
[0177]
其中，c0＝0；
[0178]
则不同端口之间的待闸时间:
[0179]
其中t0＝0
ꢀꢀ
(7)；
[0180]
单位周期内船舶通过梯级枢纽用时可以表示为：
[0181][0182]
则周期d内以通过梯级枢纽用时最短为目标的函数可以表示为：
[0183][0184]
有关上下游船舶交通流不均衡系数最小：
[0185]
时间不均衡系数η
t
为某方向上枢纽最大断面船舶流量p
max
与平均流量p
av
的比值:
[0186][0187]
其中，p
a8
≤p
max
；
[0188]
方向不均衡系数ηf可表示为：
[0189][0190]
其中：pu指顺流方向船舶流量，pa指逆流方向船舶流量，p
tav
为双向平均船舶流量；
[0191]
d周期船舶交通流不均衡系数ηd可表示为：
[0192]
ηd＝η
t
ηfꢀꢀ
(12)；
[0193]
则周期d内以交通流不均衡系数最小为目标的函数可以表示为：
[0194]
[0195]
综合考虑调度周期内的通过量最大、上下游船舶交通流不均衡系数最小、船舶通过梯级枢纽用时最短的多目标值梯级枢纽联合调度模型可以表示为：
[0196][0197]
其中，m为量纲调节系数，根据z2与z1的数量级确定，使其比值与z3处于同一量纲水平。
[0198]
步骤三：根据步骤二的多目标值梯级枢纽联合调度模型及其参数取值，制定梯级枢纽联合调度方案；
[0199]
步骤三中，制定梯级枢纽联合调度方案，具体如下：
[0200]
梯级枢纽通航匹配运行的联合调度方案的制定可分为通航条件与水文条件下两种情况：
[0201]
(一)特殊通航条件下两坝联合运行调度方案：
[0202]
特殊通航条件指梯级枢纽通航河段两坝通航设施运行异常，或者出现异常碍航气象，或出现异常急剧水文变动，抑或异常船流变动情况下的通航状态。异常气象下，梯级枢纽联合运行采用分段控制、充分运行的调度技术。
[0203]“分段控制、充分运行”，一般指因大风大雾等恶劣天气导致辖区水域部分航段或船闸停航，在确保安全的前提下，充分利用三峡河段的锚泊设施、通航辅助设施，通过采取提前储备、应急停泊、灵机调整等调度技术手段，前瞻性提前储备一批船舶或采取灵机调整，灵活调整船闸运行调度作业计划，确保船舶过坝调度组织链条运转出现异常(恶劣气象或水情突变等)情况下，三峡、葛洲坝船闸能够尽量多运行一段时间，将恶劣气候对通航的影响降到最低，将船闸的通航效率发挥到最大。
[0204]
(二)特殊水文条件下两坝联合运行调度方案：
[0205]
特殊水文条件一般指主汛期大流量情况下，或辖区河段通航流量、水位短时间内出现剧烈变化时。
[0206]
1.主汛期两坝联合运行调度方案
[0207]
流量(葛洲坝入库或三峡出库，下同)小于25000m3/s时，葛洲坝一号船闸单向下行，葛洲坝二号船闸以上行为主，葛洲坝三号船闸以迎向运行为主，三峡、葛洲坝枢纽通航建筑物正常运行，按照梯级枢纽通航建筑物联合运行基本方式和正常通航条件下的两坝匹配运行调度方案执行。
[0208]
流量大于25000m3/s小于35000m3/s时，葛洲坝一号船闸单向下行且仅白天运行(运行时间5:00—20:00)，葛洲坝二号船闸以上行为主，葛洲坝三号船闸以迎向运行为主，两坝匹配运行调度需要关注葛洲坝一号船闸运行情况。
[0209]
当三峡入库流量低于56700m3/s，两坝间流量高于35000m3/s低于45000m3/s时，三峡枢纽通航建筑物正常运行，葛洲坝一号船闸停航，二、三号船闸正常运行。三峡船闸和升船机沿用联合运行基本方式。葛洲坝船闸根据上、下行待闸船舶数量可灵活采用单向运行方式或迎向运行方式。三峡船闸和升船机控制运行节奏，匹配葛洲坝船闸通过能力运行。
[0210]
当三峡入库流量低于56700m3/s，两坝间流量高于45000m3/s低于60000m3/s时，两坝间禁航。三峡枢纽通航建筑物控制性运行，葛洲坝一号船闸停航，二、三号船闸控制性运行，只安排进出黄柏河锚地的船舶。
[0211]
当三峡入库流量高于56700m3/s，两坝间流量高于45000m3/s低于60000m3/s时，三峡枢纽通航建筑物停航，两坝间禁航，葛洲坝一号船闸停航，二、三号船闸控制性运行，只安排进出黄柏河锚地的船舶。
[0212]
当三峡入库流量高于56700m3/s，两坝间流量高于60000m3/s时，三峡枢纽通航建筑物停航，两坝间禁航，葛洲坝船闸停航。
[0213]
汛期三峡南北线船闸单向运行，闸次间隔时间一般按90分钟控制，遇一线船闸检修等特殊情况，另一线船闸单向运行，定期换向，昼夜换向不超过1次。三峡升船机以迎向运行为主，迎向运行厢次间隔时间按60分钟控制，同向运行厢次间隔时间按90分钟控制。遇船流严重不均衡，三峡南北线船闸可采取同向运行措施，船流均衡后恢复单向运行。
[0214]
2.陡涨(降)水两坝联合运行调度方案
[0215]
三峡－葛洲坝两坝间河段出现陡涨(降)水时，三峡船闸控制性运行，不再放行船舶进入两坝间水域，同时应急疏散两坝间船舶。葛洲坝船闸控制性运行，优先疏散两坝间船舶，不再放行船舶进入两坝间，只安排进出黄柏河锚地的船舶。
[0216]
3.船闸检修情况下的两坝联合运行调度方案
[0217]
船闸检修时，计划编制时需注意确保船舶过闸计划的公开、公平、公正。三峡船闸有一线检修时，为尽量均衡上下游船流，另一线船闸实行单向运行定时换向，换向周期为24小时。此时三峡升船机迎向运行，采用协同分流方式，此时的调度应以船舶疏散为优先原则，同时兼顾过坝公平，三峡升船机在安排优先过坝船舶后，能通过三峡升船机的普通干散货船按照时间顺序排队，尽量安排从三峡升船机通过。
[0218]
葛洲坝一、二号船闸一线检修时，另一线船闸和三号船闸满负荷迎向运行。三峡船闸匹配葛洲坝通过能力，控制运行节奏，三峡升船机采用快速通道分流方式，只通过优先过坝船舶。
[0219]
船闸检修时，采用重点优先、先到先过、兼顾效率、合理调控的调度原则。短线客船宜安排应急转运，特殊任务船舶(警卫任务、军事运输、抢险救灾物资等)、长线客运船舶、整船鲜活易腐货物船舶、集装箱快班轮、商品汽车滚装船优先安排过闸，特殊任务船舶中的重点急运物资运输船舶，每航次须由沿江有关省(直辖市)政府指定的综合管理部门发函认可。其它船舶一律按先到先过的原则有序安排过闸。载运易燃易爆危险品船可排满一闸次时集中安排通过。
[0220]
步骤三中，模型参数包括：一个时间周期及多周期内的梯级通航建筑物运行起止时间、运行间隔时间、倒闸时长、运行强度、重点船舶及重点闸次时间、锚地容量。
[0221]
所述梯级通航建筑物的运行起止时间包括开始时间与结束时间，其中，闸次开始时间指闸次航向上第一级闸首闸门打开的时刻；闸次结束时间指该闸次中最后一艘船舶离开船闸的时刻。
[0222]
所述运行间隔时间可分为单向运行与迎向运行两种情况：
[0223]
①
单向运行时：
[0224]
单向过闸间隔时间可按下式计算：
[0225]
t＝4t1 t2 2t3 t4 2t5ꢀꢀ
(a)
[0226]
式中：
[0227]
t1—开门或关门时间(单位：min)
[0228]
t2—单向第一个船舶进闸时间(单位：min)
[0229]
t3—闸室灌水或泄水时间(单位：min)
[0230]
t4—单向第一个船舶闸室间移泊或出闸时间(单位：min)
[0231]
t5—船舶进闸或出闸间隔时间(单位：min)
[0232]
②
迎向运行时：
[0233]
船闸在迎向运行条件下，船舶迎向过闸，单级船闸每运行1个来回，则可通过2个有载闸次的船舶。具体计算公式如式(b)：
[0234]
t1＝4t1 2t
′2 2t3 2t
′4 4t5ꢀꢀ
(b)
[0235]
式中:
[0236]
t1——上、下行各一次的迎向过闸时间，单位：min；
[0237]
t1—开门或关门时间(单位：min)；
[0238]
t
′2——为迎向第一个船队进闸时间(单位：min)；
[0239]
t3—闸室灌水或泄水时间(单位：min)；
[0240]
t
′4——为迎向第一个船舶队出闸时间(单位：min)；
[0241]
t5—船舶进闸或出闸间隔时间(单位：min)。
[0242]
因此，闸次间隔时间：
[0243][0244]
t1、t3主要与船闸设备运行状况及船闸运行方式相关，合称为设备总时间(含闸室灌水或泄水时间，下同)，一般变化不大，可视为一个常数；t2、t
′2、t4、t
′4、t5的取值与船舶(队)选择的进闸集结地点、速度控制、进闸及移泊时的船队数量相关，合称为船舶总时间。
[0245]
倒闸时长具体如下：
[0246]
由于倒闸过程，将使升船机、葛洲坝船闸两个相邻的同向闸次的间隔时间下限大于最短闸次间隔时间，这部分额外的时间称为“倒闸附加时间”，这个时间小于最短闸次间隔时间。船闸[k，l]的倒闸([k，l]∈ω")/换向[k，l]∈ω')附加时间用c
kl
表示。
[0247]
运行强度具体如下：
[0248]
所述运行强度指梯级枢纽通航建筑物的年通航天数与日平均运行时间：三峡船闸每年通航天数为335天，每天平均运行22小时；三峡升船机每年通航天数为335天，每天平均运行22小时；葛洲坝1#、2#船闸每年通航天数为320天，每天平均运行22小时；葛洲坝3#船闸每年通航天数为335天，每天平均运行22小时。
[0249]
重点船舶及重点闸次时间具体如下：
[0250]
所述重点船舶包括危险品船舶、特殊任务船舶、重点急运物资船舶等，根据制定《三峡通航绿色通道管理制度》，开辟重点船舶过闸“水上绿色通道”，确保特种任务船舶、旅客、鲜活货、集装箱、商品车、电煤等重点物资的及时过坝。船闸lk的闸次时间为：
[0251][0252]
锚地容量具体如下：
[0253]
所述锚地容量包括三峡上游锚地、三峡下游锚地、葛洲坝上游锚地、葛洲坝下游锚地和两坝间锚地的船舶容量设置。
[0254]
步骤四：当多目标值梯级枢纽联合调度模型的参数随时间周期发生变化时，依据
多目标值梯级枢纽联合调度模型的目标值，修正梯级枢纽联合调度方案。
[0255]
参数随时间周期发生变化时，具体如下：
[0256]
(1):三峡与葛洲坝船闸过闸参数根据实际通航需求进行调整，调整范围及初始值设置如表1：
[0257]
表1船闸过闸参数调整范围与初始值
[0258][0259]
锚地容量在主汛期大流量情况下，或辖区河段通航流量、水位短时间内出现剧烈变化时会发生相应变化：
[0260]
当水流量q《25000m3/s时，两坝间乐天溪锚地停泊船舶数量控制在60艘，流量在20000m3/s至25000m3/s时，平善坝锚地停泊船舶数量控制在8艘。
[0261]
当25000m3/s≤q＜30000m3/s时，两坝间乐天溪锚地停泊船舶数量控制在30艘。
[0262]
当30000m3/s≤q＜35000m3/s时，两坝间乐天溪锚地停泊船舶数量控制在25艘。
[0263]
当35000m3/s≤q＜40000m3/s时，两坝间乐天溪锚地停泊船舶数量控制在5艘。
[0264]
当40000m3/s≤q时，船队不允许通过两坝间航段。
[0265]
闸次的调整则根据实际需要进行闸次的增加、删除空闸次(在没有船可以补充情况下)、闸次运行顺序调整。
[0266]
目标值具体如下：
[0267]
所述联合通航调度问题有多种优化目标，这些目标可以分为船舶航运目标和船闸运行目标两类。
[0268]
1)船舶航运目标主要包括：平均船舶待闸时间、船舶两坝间待闸时间、跨台班(跨计划期)船舶数量。
[0269]
2)船闸运行目标主要包括：平均闸室面积利用率、计划期内船闸的通航能力、三峡升船机与船闸工作量的均衡性、以及葛洲坝三个船闸的工作量均衡性，这些目标互相联系又互相制约。
[0270]
为了实现“先到先过、兼顾效率、重点优先”的原则，拟采取以最大化平均闸室面积利用率和最小化平均船舶待闸时间为优化目标。下面分别对最大化平均闸室面积利用率和最小化平均船舶待闸时间进行定义。
[0271]
1.平均闸室面积利用率优化目标:
[0272]
平均闸室面积利用率：指计划期内过闸船舶的面积之和与所有闸次面积之和的比值，简称闸室利用率。f
kl
表示船闸[k，l]在一个调度计划期(24小时)内的平均闸室面积利用
率，如式(e)所示：
[0273][0274]
f1表示三峡南北线、葛洲坝1#、2#船闸在一个调度计划期(24小时)内的平均闸室面积利用率，如式(f)所示:
[0275][0276]
根据运行实际情况，三峡船闸及葛洲坝1#、2#闸在平均闸室面积利用率70％左右时发挥的通航效益较高。因此，取经验数据70-80％为优化的平均闸室面积利用率取值范围。
[0277]
2.平均船舶待闸时间优化目标:
[0278]
船舶待闸时间：指船舶进入船闸时刻与船舶抵达指定水域时刻的差值。f2表示所有船舶过三峡、葛洲坝的平均待闸时间，如式(g)所示：
[0279][0280]
最小化平均船舶待闸时间是以船舶为出发点追求的目标，不同于上述的最大化平均闸室面积利用率优化目标。比如，在多个可行的调度计划中，具有相同的平均闸室面积利用率，但是各调度方案的平均船舶待闸时间可能存在不同，通过考虑最小化平均船舶待闸时间可以计算出具有平均闸室面积利用率和平均船舶待闸时间都优化的调度计划。
[0281]
3.目标函数:
[0282]
联合调度模型以最大化平均闸室面积利用率和最小化平均船舶待闸时间为目标，根据式(f)和(g)，将两个性能指标合为一个综合指标。f1以指标最大化为目标，f2以指标最小化为目标，为了保持两个目标的一致性，取f1的倒数，即最优的调度计划其目标函数值为最小，因此，联合调度数学模型的目标函数如式(h)所示：
[0283][0284]
λ∈[0，1]根据平均闸室面积利用率和平均船舶待闸时间两个指标的重要程度对λ进行取值。
[0285]
修正梯级枢纽联合调度方案具体如下：
[0286]
整个调度执行流程从通航信息汇总开始，包含实时掌握船舶的运行和待闸状态、发布船舶发航指令、调度计划调整、闸室排档图调整、船舶进闸控制，到最终完成船舶过闸任务结束。当梯级枢纽联合调度方案发布后，可能由于通航环境(风、雾、流量)的变化，船舶、船闸在运行过程中出现异常，导致计划不能正常执行，为保证通航的效率，需要进行计划调整。
[0287]
计划调整主要分为：
[0288]
1)计划内船舶调整：根据需要对计划内船舶进行调整，但是不能调出计划；
[0289]
2)闸次调整：根据实际需要进行闸次的增加、删除空闸次(在没有船可以补充情况
下)、闸次运行顺序调整；
[0290]
3)计划外船舶增补：由于特殊情况，部分船舶放弃或取消过闸，为了提供闸室面积利用率，适当将计划外船舶填补至空缺中，即为计划船舶增补；
[0291]
4)船舶计划取消：对已排入计划船舶，由于特殊原因不能继续过坝，则执行计划取消操作。
[0292]
异常气象下，梯级枢纽联合运行采用分段控制、充分运行的调度技术。
[0293]“分段控制、充分运行”，一般指因大风大雾等恶劣天气导致辖区水域部分航段或船闸停航，在确保安全的前提下，充分利用三峡河段的锚泊设施、通航辅助设施，通过采取提前储备、应急停泊、灵机调整等调度技术手段，前瞻性提前储备一批船舶或采取灵机调整，灵活调整船闸运行调度作业计划，确保船舶过坝调度组织链条运转出现异常(恶劣气象或水情突变等)情况下，三峡、葛洲坝船闸能够尽量多运行一段时间，将恶劣气候对通航的影响降到最低，将船闸的通航效率发挥到最大。
[0294]
步骤五：依据梯级枢纽联合调度方案，组织船舶安全有序通过梯级枢纽，梯级枢纽联合调度方案包括梯级通航建筑物的运行方式及强度、闸(厢)次运行时间、船舶通过梯级通航建筑物次序和时间、锚地安排的船舶及数量。
[0295]
梯级通航建筑物的运行方式及强度具体如下：
[0296]
所述梯级通航建筑物的运行方式可分为丰水期、汛期及枯水期三种情况：
[0297]
在丰水期，葛洲坝1#船闸为单向下行运行，与三峡南线船闸匹配；葛洲坝2#船闸为迎向运行，以上行为主，与三峡北线船闸匹配；葛洲坝3#船闸为迎向运行的快速通道，与升船机匹配；三峡枢纽南北双向船闸分别为单向下行运行和单向上行运行；三峡枢纽升船机为迎向运行的快速通道。
[0298]
在汛期，葛洲坝1#船闸为单向下行运行，与三峡南线船闸匹配；葛洲坝2#船闸为单向上行，与三峡北线船闸匹配；葛洲坝3#船闸为迎向运行的快速通道，与升船机匹配；三峡枢纽南北双向船闸分别为单向下行运行和单向上行运行；三峡枢纽升船机为迎向运行的快速通道。
[0299]
以2019年为例，枯水期，三峡坝上水位都在156米以上，采用五级运行方式。此外，由于庙咀水位变化将导致葛洲坝2#和3#船闸吃水受限，受限船舶需要通过1#船闸进出葛洲坝枢纽。此时，葛洲坝枢纽1#船闸以单向上行为主，并定时换向集中分流下行；葛洲坝枢纽2#船闸与1#船闸异向单向运行，并定期换向；葛洲坝枢纽3#船闸为快速通道，协同配合葛洲坝枢纽1#和2#船闸。通常，昼夜换向1～2次。
[0300]
所述梯级枢纽通航建筑物的运行强度为：
[0301]
三峡船闸每年通航天数为335天，每天平均运行22小时；三峡升船机每年通航天数为335天，每天平均运行22小时；葛洲坝1#、2#船闸每年通航天数为320天，每天平均运行22小时；葛洲坝3#船闸每年通航天数为335天，每天平均运行22小时。
[0302]
闸(厢)次运行时间具体如下：
[0303]
进一步地，所述闸次运行时间指闸次结束时间与闸次开始时间的差。在安排每闸船舶计划过程中，闸室面积利用率要合适，船舶排档难度不能太大，尽量有多种排档顺序，这样可以减少每闸次运行时间。
[0304]
船舶通过梯级通航建筑物次序和时间具体如下：
[0305]
所述船舶通过梯级通航建筑物次序为：
[0306]
第一类》第二类》第三类》第四类》第五类》第六类
[0307]
各类的含义如下：第一类：特殊任务船舶(警卫任务船舶、公务船、军事运输船舶、鲜活货、载运重点急运物资船舶、抢险救灾物资等船舶等)；第二类：客运船舶；第三类：商品汽车运输船舶；第四类：集装箱船；第五类：载运危险货物船舶；第六类：普通货船。
[0308]
过闸时间则根据制定的过闸计划依次有序过闸。主管部门依据船舶申报确认时间，综合考虑优先级和船舶类型，对船舶进行排序过闸，编制过闸计划，采用集中协调结合两坝分坝调度的联合调度策略，以重点船舶为中心编制框架计划，再合理优化编制详细计划。
[0309]
锚地安排的船舶及数量具体如下：
[0310]
小平善坝锚地设有3艘趸船，可供待闸船舶停靠，平善坝、红溪锚地可供船舶短时锚泊，靠泊和锚泊总量应控制在30艘次以内，一般情况下控制在20艘次左右为宜。乐天溪锚地设有一艘趸船，可供待闸船舶停靠，乐天溪锚泊船舶总量应控制在30艘次以内，现因待闸船舶需求将乐天溪锚地扩容至50艘次左右。
[0311]
组织船舶安全有序通过梯级枢纽方式如下：
[0312]
(1)编制两坝联合调度作业计划，确保船舶有序地通过两坝。目前需要编制的作业计划有：滚动预计划，船舶安检计划，调度作业计划。因通航环境变化(风、雾)；通航流量变化；船闸运行异常、水上交通事故等突发事件；舶未按时抵达指定待闸地点等事件，及时通知计划员调整船舶作业计划，保证船闸运行高效有序。
[0313]
(2)通航调度机构按照调度作业计划进度有序组织船舶发航，船闸、升船机运行管理部门按照调度作业计划和闸室排挡图指挥过坝船舶有序进出通航建筑物，船舶根据通航调度机构和船闸、升船机运行管理部门的指示通过三峡葛洲坝枢纽。
[0314]
(3)过闸申报船舶及管理者通过智能终端远程访所管理的船舶实时过闸排队情况，了解船舶排队序号及前后排队船舶，依次按照排队顺序进行过闸，加强船舶有序过闸。
[0315]
实施案例：
[0316]
以2018年12月至2019年12月某枢纽通航数据为基础，考虑正常天气、大风大雾、不同水文、检修期间等多种工况下枢纽通航运行，从流域管理、分段控制、区域封闭式控制、过闸组织模式等多个维度，探索该枢纽联合调度通航能力，验证本发明技术方案的优点。
[0317]
(1)交通流数据与参数设计
[0318]
某枢纽通航船舶基本参数如表2：
[0319]
表2船舶种类分布与尺寸
[0320][0321]
[0322]
船舶到达时间间隔服从指数分布，参数值如表3：
[0323]
表3指数分布参数
[0324][0325]
(2)方案验证：
[0326]
采用通航动态仿真模型，设定多工况边界条件相关参数，导入丰水、枯水、大流量、大风、大雾、检修等多种场景下的相关通航数据，仿真运行，验证某枢纽通航管理技术效能。在相同测试条件下，仿真时间为1年，仿真运行5次，对输出结果中船舶通过总量和通过货运总量指标进行统计分析，取仿真均值分别与其对应的案例值进行对比，实验结果与对比如表4所示，两个指标值与案例实际值误差3％以内，相对较小。
[0327]
表4仿真实验结果与对比
[0328][0329]
结合仿真目标，进行仿真案例及其实验设计，通过多次运行，进行仿真输出数据的收集和分析，结果表明本发明所提供的梯级枢纽通航联合调度方法，能够保证梯级枢纽通航设施运转均衡，有效提高通航效率。