基于北斗的三峡大坝船只通行调度系统的设计

刘青

摘要：针对三峡大坝已成常态化的拥堵现状和风险较大的船只航行过程，以及北斗卫星导航定位技术即将在全国广泛应用的趋势，提出了一种基于北斗定位技术、地理信息系统、移动互联网和大数据技术等于一体的三峡大坝船只通行调度系统的设计方案。该系统主要包括监控调度中心、船只监管与服务系统以及船载终端。船载终端负责收集和定时向船只监管与服务系统发送来自北斗卫星提供的船只标示信息、实时位置信息和航行状态信息，从而实现对船只航行全过程的实时监管；同时，监管与服务系统将船载终端提供的数据信息以及搜集到的航行环境信息进行整理和统计后发送给监控调度中心，以便监控和调度中心对这些信息进行大数据分析后对船只的航行过程作出调整性指令；这些指令最终反馈到船载终端，便于船只及时对航行过程作出规划和路线的调整，进而有效地解决船只的拥堵问题。

关键词：北斗定位； GIS平台； 通行调度系统； 三峡大坝； 船载终端

中图分类号：F293。2

文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2017）14-0261-03

1 引言

三峡大坝是我国引以为傲的著名水利枢纽工程之一，它的投入使用给防洪、发电、航运多个领域带来了极大的便利。但随着长江经济带的发展，三峡大坝的船只通行量逐年递增，船只在大坝处的拥堵已成常态，由此带来的损失不可小觑。因此，解决大坝的船只拥堵问题已迫在眉睫。

随着我国北斗卫星导航系统的成熟，其在车辆运营和监控方面的导航定位已初见成效，但结合北斗定位与船只的监控调度系统还鲜有报道。目前国内各船运中心采用的调度系统由于缺少实时定位与交互通信的功能而存在局限性，不能对水域的交通状况进行全过程实时监控并做出调整。旨在利用北斗卫星导航系统设计出一种能够实时、动态、相互通信的船只调度系统，以缓解三峡大坝日益严重的船只拥堵现状。

2 研究背景及意义

2.1 三峡大坝船只拥堵现状

随着长江经济带的繁荣发展，越来越多的货运船需要通过三峡大坝，现如今过坝拥堵的现象已成常态化，三峡大坝通航能力即将达到极限。据三峡通航管理部门相关人士表示，三峡大坝船闸现在每天基本是满负荷运营，即使如此，通行量滞后给企业带来了不少麻烦。目前长江上的船只，要想过三峡大坝，等1～2 d是正常现象，若遇到特殊天气，过坝的船只堆积，一般就会在坝前等候3～5 d。如果不幸遇上船闸检修，甚至会等上7～10 d才能翻过三峡大坝。由此可见，寻找合适的方法来解决三峡大坝船只拥堵现状，提高船闸的通行能力已经势在必行。

2.2 研究意义

北斗导航系统的通信功能和目标定位功能是区别于GPS以及其他导航系统所特有的功能，即北斗导航系统不仅可以告訴使用者自身在何地，还可以告诉使用者其周边或一定范围内其他使用者所处的位置，这种兼容与互操作可以使三峡库区航行的船只之间更详细地掌握自身和周围环境的信息，及时根据实际情况对航行过程作出调整，在一定程度上可以有效地避免三峡大坝船只拥堵的现状，提高航行的效率。

3 设计方案技术依据

3.1 北斗卫星运行原理

北斗卫星导航系统是我国自主研发的一个完整的区域性卫星导航定位系统。北斗导航系统由空间导航通信卫星、地面控制中心以及用户终端3部分组成，分别负责执行无线电信号中继任务、无线电信号发送和接收以及工作系统的监控管理、接受由地面控制中心转发的卫星导航定位信号的任务，其工作原理如图1所示。

3.2 船只在三峡大坝处的通行过程

船只在三峡大坝处的通行过程可以概括为“大船爬楼梯，小船坐电梯”。当船只需要从上游的高水位进入下游低水位时，关闭下游闸门，开启上游闸门，使船闸内的水位和上游一致，这时上游的船只可顺利进入船闸内；之后再关闭上游闸门，开启下游闸门，使船闸内的水位下降至大坝下游水位，以便船闸内的船只顺利从下游闸门开出，反之一样。三峡大坝还设有升船机，船只进入指定地点之后，可以一次性地把船从一端吊往另一端。但由于船吊的输出功率有限制，只有一定吨位以下的船只才能利用升船机，即通行过程中所谓的“小船坐电梯”。

4 船闸通行调度系统

4.1 总体结构概述

该系统结合卫星导航定位技术、地理信息技术以及无线通讯技术，实现了对三峡大坝船只的实时监控和有效管理，该系统主要包括船载终端系统、船只监管与服务系统以及监控调度中心三个部分。调度系统的结构和工作流程图2所示。

4.2 船载终端设计

船载终端是整个系统得以实现并运行的关键所在。其需要具有以下功能。

（1）北斗定位功能。通过卫星定位模块，接受卫星信号，获取船只的位置、时间、速度等信息。

（2）数据存储与处理功能。对接收到的信号进行处理，提取卫星定位信息，进行存储和封装，向上一级发送；接收船只监管与服务系统发出的指令和指导信息，对船只航行状况进行调整。

（3）通信功能。利用移动数字网络与控制中心进行加密数据传输，并能与其他船载终端进行相互的通信。

船载终端系统的硬件可由北斗定位模块、MCU控制模块、数据采集模块和通信模块4个部分组成（图3）。

（1）北斗定位模块是接受卫星信号的重要组件，其主要功能是为三峡大坝库区内的所有船载终端提供全天候、全方位的实时定位服务。

（2）MCU控制模块用来对信息的接受、分析和处理，包括电源部分、存储器设计部分和外接口部分，其接口部分包括传感器信号输入、MCU控制外部设备信号输出显示、MCU与北斗定位模块以及GSM模块之间的通信接口。

（3）数据采集模块包含脉冲传感器、压力传感器和断线式传感器等多种类型的传感器以及电子摄像头等外部设备。

（4）通信模块主要以GSM模块为核心，实现船载终端和船只监管与服务系统平台之间的信息交互。船载终端可以通过GSM网络来实现对船只监管与服务系统平台的访问，主要通过Socket套接字实现。

4.3 船只监管与服务系统设计

船只监控与服务系统是连接船载终端与监控调度中心的枢纽，采用B/S构架，其框架体系为应用层、数据层和支撑层（图4）。

（1）应用层负责接收和处理船只的各种数据，响应船只的需求，从数据层调取数据完成船只的需求，并将结果呈现给监控调度中心。

（2）数据层主要为应用层提供数据存储、检索和数据维护等服务，其中的数据包括船只位置信息数据、三峡大坝船闸数据等。其中船只位置信息数据用来实现轨迹的生成和通行量的分析；航行状况、三峡大坝船闸数据等存储入库，为调度线路的设计提供依据。

（3）支撑层主要包括卫星、船载终端、数据库服务器等，为应用层和数据层提供软硬件支持。

4.4 监控调度中心设计

监控调度中心是由GIS监控调度及信息服务平台、船只资料数据库等构成的计算机软硬件体系，是整个调度系统的核心和“神经中枢”。 监控调度中心的核心是监控调度管理软件，是一个能够接受、显示动态信息并及时做出处理的GIS平台。其构架设计图如图5所示。

监控调度系统具有以下功能。

（1）船只航行整个过程的监控、管理和调度。通过对从船只监管与服务系统传入的数据进行分析，对船只的航行作出调整性指令或指示。

（2）数据传输、处理与存储功能。能够接收并进行数据的处理和存储；能够将处理后的信息送过指令返回发送给监管与服务系统及船载终端。

（3）顯示动态地图功能。通过GIS平台显示出装有车载终端的船只的动态航行过程，定时定位查询船只航行状况，以便对紧急情况进行实时处理，安排调度过程，达到缓解船只拥堵的目的。

5 结语

基于北斗的三峡大坝船只通行调度系统具有以下优势。

（1）该系统具有调度灵活、反应迅速以及科学全面的特点，将其应用于三峡大坝处船只过闸的调度中，为船只的科学化、规范化管理奠定了基础，提高了管理水平和工作效率，缩短了船只在大坝处过闸的等待时间。

（2）随着北斗卫星导航的不断普及，将北斗导航应用到船只的通行调度中，使得此调度系统能够严密监控船只在三峡库区内的实时活动，对船只的位置及状态信息作出快速、准确和有效的反应，并对船只的航行过程作出指导，使船只的航行效率更高且更加安全。

（3）北斗导航系统区别于其他导航系统最重要的优势之一是其特有的通信功能。将其应用到船只的通行调度中，使得船载终端之间能够相互通信，及时了解自身及周围环境状况，有利于对航行过程作出调整。

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