蘇北運(yùn)河智慧船閘的研究及應(yīng)用

1 建設(shè)背景

黨的十九大明確提出了建設(shè)“交通強(qiáng)國”的宏偉目標(biāo)。2019年5月，交通運(yùn)輸部等七部委聯(lián)合印發(fā)《智能航運(yùn)發(fā)展指導(dǎo)意見》，并提出了智能航運(yùn)發(fā)展的總體目標(biāo)，為智能航運(yùn)未來30年的發(fā)展指明了方向。近年來，蘇北運(yùn)河經(jīng)過信息化建設(shè)，已建成了蘇北運(yùn)河高速光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)、蘇北運(yùn)河電子航道圖和蘇北運(yùn)河綜合數(shù)據(jù)庫以及蘇北運(yùn)河航閘智能運(yùn)行系統(tǒng)和“船訊通”手機(jī)APP[1]。雖然蘇北運(yùn)河航道、船閘的信息化建設(shè)取得了一定成績，但依然存在著不平衡、不充分的問題，船閘信息化水平與智慧船閘的要求還有一定的差距，因此進(jìn)行“智慧船閘”研究和應(yīng)用實踐是十分必要和迫切的。

2 建設(shè)目標(biāo)

經(jīng)過對國內(nèi)外船閘信息系統(tǒng)的調(diào)研分析，我們認(rèn)為智慧船閘建設(shè)目標(biāo)是綜合運(yùn)用智能傳感、5G、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)，并形成“可視化（圖形化）船閘運(yùn)行平臺”和“智慧運(yùn)行、智慧管理、智慧服務(wù)”的“1個平臺和3 大應(yīng)用”，從而基本實現(xiàn)船閘運(yùn)行全可視、過閘調(diào)度全流程、船閘操作全自動、過閘服務(wù)全要素，打造全過程少人值守、控調(diào)智能聯(lián)動的過閘新模式。

3 總體思路

根據(jù)蘇北運(yùn)河智慧船閘建設(shè)的目標(biāo)，并結(jié)合蘇北運(yùn)河船閘目前的信息化現(xiàn)狀和需求，智慧船閘建設(shè)總體設(shè)計思路主要包含以下幾個方面：

3.1 通過升級蘇北運(yùn)河航閘智能運(yùn)行系統(tǒng)、完善船訊通軟件，從而進(jìn)一步提升工作人員的工作效率和船員的過閘體驗。

3.2 打通船閘控制系統(tǒng)與運(yùn)調(diào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，實現(xiàn)控制系統(tǒng)在運(yùn)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)實時同步展現(xiàn)的新模式。

3.3 通過船閘PLC 及泵站等硬件升級、增加現(xiàn)場機(jī)電傳感設(shè)備，使船閘控制系統(tǒng)的設(shè)備由現(xiàn)地控制轉(zhuǎn)變?yōu)檫h(yuǎn)程集中控制，從純?nèi)斯げ僮鬓D(zhuǎn)變?yōu)槲⒏深A(yù)操作。

3.4 保證運(yùn)調(diào)數(shù)據(jù)、控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)的高效匯聚與互通。以船閘運(yùn)行的關(guān)鍵節(jié)點為時間線，展現(xiàn)運(yùn)調(diào)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匯聚和聯(lián)動控制效果，實現(xiàn)真正意義上的智慧船閘的智慧管控。

4 建設(shè)框架

智慧船閘建設(shè)框架總結(jié)為：構(gòu)建1個可視化船閘運(yùn)行平臺，建設(shè)智慧運(yùn)營、智慧運(yùn)維、智慧服務(wù)3 大應(yīng)用系統(tǒng)（簡稱智慧船閘“1+3 工程”），見圖1。

圖1 智慧船閘建設(shè)框架

4.1 可視化船閘運(yùn)行平臺在GIS 云平臺的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用船閘GIS 三維建模、船閘BIM、VR 等技術(shù)，實現(xiàn)了船閘運(yùn)行管理與服務(wù)“一張圖”，并支撐船閘智慧運(yùn)營、智慧運(yùn)維、智慧服務(wù)三大應(yīng)用。

4.2 智慧運(yùn)營主要是進(jìn)一步解決提升京杭運(yùn)河水系船舶過閘效率、過閘誠信等難題。

4.3 智慧運(yùn)維的主要內(nèi)容包括全自動無人操作智能船閘、船閘養(yǎng)護(hù)管理信息化、船閘智能光電誘導(dǎo)、智能低碳船閘、智慧閘區(qū)等。

4.4 智慧服務(wù)在現(xiàn)有蘇北運(yùn)河“船訊通”的基礎(chǔ)上，主要解決船舶在運(yùn)河水系智能助航導(dǎo)航服務(wù)、港航運(yùn)全要素物流服務(wù)等問題。

5 應(yīng)用實踐

根據(jù)智慧船閘的研究成果，選擇蘇北運(yùn)河的典型船閘——劉老澗三號船閘，并對其進(jìn)行智慧船閘研究的應(yīng)用實踐。

5.1 船閘現(xiàn)狀

劉老澗船閘地處宿遷市宿城區(qū)仰北鎮(zhèn)，建成于2008年9月，其為Ⅰ類船閘，建設(shè)規(guī)模為260×23×5m（長×寬×檻上水深），設(shè)計年通過能力為5800萬t，2019年實際船舶通過量6608萬t。劉老澗船閘通過系統(tǒng)可以直觀、及時地了解航道狀況，并對船舶實現(xiàn)主動、被動相結(jié)合的綜合監(jiān)管，提高閘室利用率，降低總體過閘時間，提升全航道通行效率。船民可通過手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等在該平臺上登記船舶、快速繳納閘費(fèi)、查詢資訊、掌握通航動態(tài)。在船舶過閘調(diào)度中，系統(tǒng)可智能排檔、優(yōu)化閘次、提高通航效率，并有閘船雙向評價和信用管理等功能。

5.2 需求分析

作為蘇北運(yùn)河智慧船閘建設(shè)項目的試點工程項目，立足于智慧船閘建設(shè)需求，結(jié)合劉老澗三號船閘自身運(yùn)行情況，得知劉老澗三號智慧船閘建設(shè)的具體需求為：

5.2.1 引領(lǐng)船閘機(jī)制模式創(chuàng)新。劉老澗三號船閘智慧船閘的建設(shè)不僅能通過新技術(shù)、新理念提升航閘的管理和服務(wù)水平，更重要的是它還能引領(lǐng)蘇北運(yùn)河航閘體制機(jī)制模式的創(chuàng)新。

5.2.2 促進(jìn)船舶過閘更暢通高效。通過對船閘機(jī)電設(shè)備的升級改造，實現(xiàn)全過程微干預(yù)的操作管理新模式，從而提高船閘效率效能，促進(jìn)船舶過閘更暢通高效。

5.2.3 保障船閘運(yùn)行更可靠安全。船閘安全暢通運(yùn)行是船閘運(yùn)行管理的基本要求。利用機(jī)電設(shè)備故障診斷、視頻與控制聯(lián)動、智能光電誘導(dǎo)等技術(shù)可以提升船閘運(yùn)行的安全水平，保障劉老澗三號船閘運(yùn)行更可靠、更安全[2]。

5.3 建設(shè)內(nèi)容

由于智慧船閘建設(shè)涉及多個專業(yè)，根據(jù)計劃經(jīng)費(fèi)情況，我們將劉老澗三號智慧船閘建設(shè)分為兩期實施。

第一期主要完成基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)施技術(shù)性能的提升。通過全面提升電氣設(shè)備、PLC系統(tǒng)、監(jiān)控聯(lián)動、監(jiān)控監(jiān)測、安全預(yù)警等應(yīng)急設(shè)施，從而為船閘設(shè)備智慧運(yùn)行提供硬件支撐；對智能調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行升級優(yōu)化，完善閘船信息實時對稱、船員自助過閘、船舶調(diào)度運(yùn)行全過程的自動化運(yùn)行和服務(wù)能力提升。主要實施以下幾個方面：

5.3.1 運(yùn)調(diào)、控制、視頻監(jiān)控聯(lián)動。對智能運(yùn)調(diào)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)動方式進(jìn)行綜合化研究設(shè)計，主要的設(shè)計方案為：將控制系統(tǒng)、運(yùn)調(diào)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行融合匯聚，前端傳感器數(shù)據(jù)、檢測數(shù)據(jù)、監(jiān)控數(shù)據(jù)等均展現(xiàn)到智能運(yùn)行系統(tǒng)端，以智能運(yùn)行系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)匯聚展現(xiàn)模塊為核心實現(xiàn)船閘運(yùn)行、船閘運(yùn)調(diào)與控制一體的聯(lián)合狀態(tài)掌控和展現(xiàn)。

5.3.2 運(yùn)調(diào)系統(tǒng)升級。通過AIS 識別系統(tǒng)，對船舶進(jìn)行定位，劃定合適的區(qū)域，船舶進(jìn)入?yún)^(qū)域后，AIS基站接收到船舶位置信號，工作人員確認(rèn)船舶位置，系統(tǒng)自動發(fā)送通知消息，船員在手機(jī)端確認(rèn)后，船舶進(jìn)入可調(diào)狀態(tài)，工作人員即可調(diào)度。通過升級運(yùn)調(diào)模式，可以大大減少工作人員的重復(fù)工作，提升船閘的服務(wù)水平、船員的過閘體驗。

5.3.3 “船訊通”APP 升級。在“船訊通”APP 增加自助選閘功能后，船員可在手機(jī)端申報時，自主選擇過一、二、三號閘，從而提升船員過閘自主性；完善服務(wù)評價系統(tǒng)，將服務(wù)評價系統(tǒng)改為過閘后一段時間內(nèi)，隨時可評價過閘體驗；增加語音通知功能，除圖形、文字通知外，還可通過語音系統(tǒng)給船員手機(jī)端推送。

5.3.4 控制系統(tǒng)升級。將控制系統(tǒng)由集中控制系統(tǒng)升級為一個主站+三個從站的集中分散控制模式。遠(yuǎn)程站和集中PLC 通過工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)光纜連接，保障系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定[3]。

5.3.5 液壓泵站升級。采用手動恒壓變量軸向柱塞泵和伺服比例閥，通過PLC 控制輸入電信號實現(xiàn)啟閉速度的慢-快-慢運(yùn)行，達(dá)到閘閥門要求的運(yùn)動速度；與此同時，通過主閥件位置傳感器檢測油路及閥件運(yùn)行狀態(tài)，從而獲取實時數(shù)據(jù)。

5.3.6 視頻監(jiān)控系統(tǒng)升級。對現(xiàn)有視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行升級，新增必要的視頻監(jiān)控點。所有攝像機(jī)數(shù)據(jù)匯聚至閘首機(jī)房已有的二層千兆以太網(wǎng)交換機(jī)，再通過已有傳輸線路傳輸至監(jiān)控調(diào)度中心。

5.3.7 增加視線誘導(dǎo)系統(tǒng)。根據(jù)船閘的運(yùn)行狀況，視線誘導(dǎo)系統(tǒng)在上下游靠船墩顯示出不同的顏色和流動方式，讓船員知道船閘運(yùn)行情況，引導(dǎo)船舶進(jìn)出閘。閘室的視線誘導(dǎo)系統(tǒng)，根據(jù)運(yùn)調(diào)檔位圖分顏色自動區(qū)分顯示船名船號和船舶?？课恢脜^(qū)域。

5.3.8 安全保障系統(tǒng)完善。根據(jù)《網(wǎng)絡(luò)安全法》和安全等級保護(hù)要求對船閘信息系統(tǒng)進(jìn)行安全評估，確定采用等保二級標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，并制定相關(guān)的管理制度，配置必要的防火墻、網(wǎng)閘等網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備，確保滿足網(wǎng)絡(luò)安全的需求。

第二期，完成剩余所有工作。

6 結(jié)語

2019年開始進(jìn)行了“智慧船閘”的研究，并將研究結(jié)果在劉老澗三號船閘進(jìn)行了應(yīng)用與實踐，該項目已于2020年11月完成所有工作內(nèi)容。根據(jù)目前使用情況和船民使用體驗，取得了預(yù)期的效果，進(jìn)一步提升了工作人員的工作效率和船員的過閘體驗，打通了船閘控制系統(tǒng)與運(yùn)調(diào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，形成運(yùn)調(diào)數(shù)據(jù)、控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)的高效匯聚與互通，并為后期解決運(yùn)河水系多線、多梯級、干支船閘群智能調(diào)度的聯(lián)動和協(xié)同管理問題打下了良好的基礎(chǔ)，并為蘇北運(yùn)河航閘的智慧化轉(zhuǎn)型探索到了經(jīng)驗，從而助力蘇北運(yùn)河航務(wù)事業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，同時對國內(nèi)同類型船閘信息化建設(shè)也具有一定的借鑒和引領(lǐng)示范作用。