數(shù)字船閘建設相關(guān)技術(shù)研究

陳國仁，王小峰，李炳源

（1.北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120；2.湖北省漢江崔家營航電樞紐管理處，襄陽 441000）

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數(shù)字船閘建設相關(guān)技術(shù)研究

陳國仁1，王小峰2，李炳源2

（1.北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120；2.湖北省漢江崔家營航電樞紐管理處，襄陽 441000）

摘 要：對“數(shù)字船閘”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行分析與研究，實現(xiàn)船閘管控一體化，船閘運營管理自動化。

關(guān)鍵詞：數(shù)字船閘；監(jiān)控系統(tǒng)；調(diào)度

0　引言

水運交通是目前物流運輸?shù)闹匾M成部分，水運因其運輸成本低、運量大等優(yōu)點，在大宗物資運輸過程中，與鐵路、公路等陸運運輸形式比較，水運具有明顯的優(yōu)勢。船閘是構(gòu)建高等級航道、打造“水上高速公路”的必要設施。隨著“十二五規(guī)劃”的完成，我國內(nèi)陸多個水系上的高等級航道及數(shù)百座船閘已建設完畢，水路交通網(wǎng)已初具規(guī)模。

“十三五規(guī)劃”中航道升級將是水運建設的重點，其中打造“智能航道”及“生態(tài)航道”將是航道升級的主要任務。船舶從出發(fā)港到目的港在航道行駛的全過程均能被準確定位并保證信息暢通，確保船舶快速、安全、有序的行駛是“智能航道”的基本要求。構(gòu)建“數(shù)字航道”、“數(shù)字船閘”是打造“智能航道”的基礎(chǔ)。本文著重介紹“數(shù)字船閘”建設。

信息化與工業(yè)化的融合發(fā)展是推動我國現(xiàn)代化的戰(zhàn)略選擇，黨的十七大提出“大力推進信息化和工業(yè)化融合”?！皵?shù)字船閘”在此背景下應運而生，運用信息技術(shù)，通過對各子系統(tǒng)的開發(fā)和集成，實現(xiàn)船閘調(diào)度與監(jiān)控的自動化，管理信息化，規(guī)范過閘流程、實現(xiàn)船閘管控一體的現(xiàn)代化船閘管理模式。

1　船閘監(jiān)控系統(tǒng)

船閘是大型水利樞紐、水電站的附屬通航設施，使得船舶能夠克服水利樞紐、水電站形成的水位差。船閘是渠化航道、打造高等級航道的必要設施。船閘監(jiān)控系統(tǒng)作為船閘機電設備運行控制的“大腦”，負責控制船閘各種機電設備、通航指揮系統(tǒng)以及通航輔助設施嚴格按照過閘工藝協(xié)調(diào)運行，同時檢測設備運行信息、監(jiān)視船閘設備及過閘船舶運行情況。

船閘監(jiān)控系統(tǒng)為集散型控制系統(tǒng)，包括計算機監(jiān)控系統(tǒng)（集中監(jiān)控系統(tǒng)和現(xiàn)地控制系統(tǒng)）、工業(yè)電視系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)、運營調(diào)度系統(tǒng)、供配電/照明控制系統(tǒng)、通航信號指揮系統(tǒng)等。船閘監(jiān)控系統(tǒng)具備如下功能：船閘運行監(jiān)控及過閘船舶調(diào)度管理、船閘設備運行保護監(jiān)測及管理、船閘運行視頻圖像監(jiān)視、交通指示信號自動控制、自動/人工分區(qū)域廣播、調(diào)度通訊及其他功能。

目前國內(nèi)多數(shù)船閘調(diào)度系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)等各子系統(tǒng)相對獨立，很少進行相互間信息交互?！皵?shù)字船閘”要求各子系統(tǒng)以控制系統(tǒng)和運營調(diào)度系統(tǒng)為核心，采集其他子系統(tǒng)的狀態(tài)信息，并根據(jù)船閘運行工藝自動控制各子系統(tǒng)的運行。

1） 船閘控制系統(tǒng)與工業(yè)電視系統(tǒng)信息交互，可實現(xiàn)船閘監(jiān)控視頻圖像自動跟蹤功能，根據(jù)船閘運行狀態(tài)在集控室大屏幕上自動調(diào)用顯示相關(guān)畫面，并可實現(xiàn)緊急情況自動抓拍功能。通過控制系統(tǒng)對船閘閘門關(guān)閉實時監(jiān)控圖像的分析可實現(xiàn)閘門自動防撞、防夾功能，該功能是船閘監(jiān)控操作實現(xiàn)無人值守的必要技術(shù)。

2）船閘控制系統(tǒng)與廣播系統(tǒng)信息交互，可實現(xiàn)自動廣播、人工定向分區(qū)域廣播等功能，同時可實現(xiàn)現(xiàn)場廣播功放等設備自動休眠，使用時自動喚醒功能，不但降低了設備能耗，設備的使用壽命也大大提高。

3）船閘控制系統(tǒng)與供配電/照明系統(tǒng)信息交互，實現(xiàn)船閘供配電系統(tǒng)的“三遙”功能，將船閘供配電設備、室外照明的監(jiān)控納入船閘監(jiān)控系統(tǒng)，船閘變電所實現(xiàn)無人值守，船閘照明實現(xiàn)自動控制，減少船閘運行電耗。船閘管理系統(tǒng)與配電監(jiān)視系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)可實現(xiàn)用電負荷統(tǒng)計及能耗分析，為降低船閘運行能耗提供依據(jù)。

4）船閘控制系統(tǒng)與運營調(diào)度系統(tǒng)信息交互，實現(xiàn)船閘管控一體化，船閘運營管理真正實現(xiàn)自動化。

5） 船閘控制系統(tǒng)與現(xiàn)場機電設備信息交互，實現(xiàn)船閘機電設備智能診斷功能。目前的控制系統(tǒng)與機電設備信息交互只是做到了對機電設備運行狀態(tài)的在線監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄、報警停機等保護功能。船閘機電設備智能診斷系統(tǒng)可實現(xiàn)分析各機電設備一段時間以來的運行數(shù)據(jù)及曲線，比對設備正常的運行數(shù)據(jù)及曲線，判斷設備的性能及磨損情況，對工作到壽命極限的設備進行預警，提示維護人員及時更換相應的設備，從而減少設備故障停機時間。對于一個單位管理的多個船閘，可建立統(tǒng)一的智能診斷云平臺，通過互聯(lián)網(wǎng)對多個船閘機電設備實現(xiàn)遠程管理診斷。

2　船閘運營調(diào)度系統(tǒng)

2.1現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

隨著我國水運物流業(yè)的持續(xù)發(fā)展，內(nèi)河航道通行的船舶數(shù)量、運量逐年增多，國內(nèi)多個大型水利樞紐、水電站已開始擴建雙線、三線甚至是四線船閘。京杭運河最繁忙的蘇北段已全部建成三線船閘，三峽船閘擴建三線四線船閘也已提上議程。隨著內(nèi)河流域航道等級不斷提升，多線船閘運行調(diào)度復雜，待閘船舶滯留情況逐漸增多，船閘已成為提升內(nèi)河航道運量的瓶頸。傳統(tǒng)的人工調(diào)度船舶過閘的模式效率低下，以控制系統(tǒng)和運營調(diào)度系統(tǒng)為核心的聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)將成為數(shù)字化船閘的發(fā)展方向。

目前交通部正大力推廣北斗船舶定位系統(tǒng)，在內(nèi)河航道上安裝北斗定位終端的船舶也越來越多。北斗終端不僅有船舶定位功能，還能實現(xiàn)船舶自動過閘報到、自動繳費和過閘信息發(fā)布等附加功能，與船閘調(diào)度系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)后過閘效率將大大提高。開發(fā)與北斗定位終端的接口，也是實現(xiàn)數(shù)字化船閘的關(guān)鍵技術(shù)。

在國內(nèi)收取過閘費的船閘中，目前絕大多數(shù)均采用船員上岸人工繳費的方式，船員一次繳費時間需要數(shù)小時。開發(fā)水上ETC系統(tǒng)，也能實現(xiàn)船舶自動過閘報到、自動繳費，提高過閘效率。水上ETC系統(tǒng)推廣成本要低于北斗終端系統(tǒng)，更適合大面積推廣。

船閘自動調(diào)度系統(tǒng)結(jié)合北斗終端及水上ETC系統(tǒng)，不僅提高了船舶過閘效率，還能減少船舶過閘調(diào)度及收費過程中的人工干預，是實現(xiàn)船閘減員增效和廉政建設的有效手段。

在“數(shù)字船閘”系統(tǒng)中，調(diào)度系統(tǒng)基于自動控制系統(tǒng)、ETC系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)、水文系統(tǒng)、北斗系統(tǒng)等各子系統(tǒng)，對船閘數(shù)據(jù)進行采集、處理、發(fā)布，由此共同構(gòu)建了完整的管控系統(tǒng)，以此實現(xiàn)船閘管理的信息化、監(jiān)控調(diào)度的自動化，規(guī)范過閘流程、實現(xiàn)船閘管控一體化，真正實現(xiàn)現(xiàn)代化船閘管理模式。

2.2“數(shù)字船閘” 船舶過閘流程

船舶過閘調(diào)度流程有以下四步：

1）船舶上傳運單、報到、繳費，目前國內(nèi)船閘大部分需要船員上岸報道繳費，也有部分船閘實現(xiàn)“水上ETC”自動報道繳費；

2）聯(lián)合調(diào)度、船舶編隊，根據(jù)報道船舶參數(shù)進行編隊調(diào)度；

3）根據(jù)船閘狀態(tài)及工況優(yōu)先級別對以上船隊進行排檔；

4）船舶過閘。

“數(shù)字船閘”的自動調(diào)度的目標是結(jié)合當前的工況、水文、優(yōu)先規(guī)則等條件將待閘船舶按照既定算法輸入?yún)?shù)，將待閘船舶進行編隊、排擋，由系統(tǒng)發(fā)出明確的調(diào)度指令，實現(xiàn)船舶有序快速過閘。

2.3“數(shù)字船閘”其他相關(guān)技術(shù)

圖1　“數(shù)字船閘”船舶過閘流程圖

1）航道航運地圖：航運電子地圖，并在地圖上標明地區(qū)名稱、碼頭、礙航設施等，并實時顯示船舶航行位置（僅限裝有北斗定位系統(tǒng)的船舶）、船舶待閘狀態(tài)及船舶基本信息。

2）流域梯級船閘聯(lián)合調(diào)度：梯級船閘聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)遵循“統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一指揮、集中監(jiān)控”的原則，采取“一次申報、統(tǒng)一計劃、分閘實施”的調(diào)度程序，實現(xiàn)流域梯級船閘優(yōu)化調(diào)度。

梯級船閘統(tǒng)一申報，實現(xiàn)方式：短信、北斗報閘、互聯(lián)網(wǎng)。

梯級船閘統(tǒng)一收費，實現(xiàn)方式：水上ETC自動繳費和到閘人工繳費。

違章統(tǒng)一管理：將整個流域船閘的船舶違章記錄，統(tǒng)一到一個數(shù)據(jù)平臺上，實現(xiàn)違章的統(tǒng)一記錄、查詢等功能。

船舶到閘預測：根據(jù)船舶過閘等級情況、相鄰船閘船舶過閘情況及歷史同期本船閘過閘情況，推算出72小時、48小時、24小時內(nèi)到閘的船舶數(shù)量。為本船閘過閘調(diào)度優(yōu)化提供依據(jù)。

3）數(shù)據(jù)庫異地容災：流域船舶調(diào)度數(shù)據(jù)庫存儲中整個流域上航行的所有船舶數(shù)據(jù)信息，包括船舶基本信息、本次航行信息、船舶航行動態(tài)信息、船舶繳費及違章信息等，數(shù)據(jù)一旦紊亂、丟失將造成巨大損失，建立數(shù)據(jù)庫異地容災系統(tǒng)是十分必要的。

3　結(jié)束語

“數(shù)字船閘”以調(diào)度系統(tǒng)為核心，與自動控制系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)、廣播通訊系統(tǒng)、ETC技術(shù)、北斗定位等技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)船閘全區(qū)域內(nèi)的管控一體化，減少船舶待閘時間，提高過閘效率；運用信息技術(shù)，通過開發(fā)和集成，實現(xiàn)船閘監(jiān)控、調(diào)度的自動化、數(shù)字化和管理信息化，規(guī)范過閘流程、實現(xiàn)船閘管控一體化的現(xiàn)代化船閘管理模式。

參考文獻：

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Research on related technology of digital lock construction

CHEN Guo-ren1， WANG Xiao-feng2， LI Bing-yuan2

中圖分類號：TP273

文獻標識碼：A

文章編號：1009-0134（2016）05-0170-03

收稿日期：2016-03-15

作者簡介：陳國仁（1976 -），男，吉林人，工程師，碩士，主要從事船閘電氣與控制系統(tǒng)設計施工的工作。