智慧船閘架構(gòu)模型設(shè)計(jì)

張 陸

（南京洛普股份有限公司，江蘇 南京 210061）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，政府為了完善交通制度，制定了《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》。對(duì)水運(yùn)交通提出要求，推進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)化，圍繞交通基礎(chǔ)設(shè)施布局完善、立體互聯(lián)，加快建設(shè)綜合運(yùn)輸通道、樞紐和網(wǎng)絡(luò)體系。構(gòu)建貫通主要經(jīng)濟(jì)板塊的國(guó)家綜合立體交通網(wǎng)主骨架。優(yōu)化完善綜合運(yùn)輸通道布局，補(bǔ)齊內(nèi)河水運(yùn)、中西部鐵路等短板。

智慧船閘是智慧交通的重要組成環(huán)節(jié)。船閘作為水上通航建筑物，在水運(yùn)交通經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到了重要作用，它的發(fā)展水平與交通行業(yè)發(fā)展息息相關(guān)，船閘的智慧程度也直接影響航道水域物流運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)發(fā)展[1]。

1 智慧船閘設(shè)計(jì)理論

1.1 智慧船閘組織關(guān)系和定位

該文通過(guò)智慧船閘的組織關(guān)系來(lái)探索其定義、功能和屬性。

船閘是水運(yùn)系統(tǒng)的重要組成部分，水運(yùn)是物流交通的重要環(huán)節(jié)，交通行業(yè)又可以歸屬到城市的垂直領(lǐng)域。

船閘的組織關(guān)系如圖1 所示。

圖1 智慧船閘組織關(guān)系圖

智慧船閘是智慧城市，乃至智慧地球的子系統(tǒng)，智慧船閘組織關(guān)系圖如圖 1 所示。

智慧地球是把新一代的IT 和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)充分運(yùn)用到各行各業(yè)，把感應(yīng)器嵌入、裝備到全球的醫(yī)院、電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統(tǒng)、大壩和油氣管道，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)形成“物聯(lián)網(wǎng)”；然后通過(guò)超級(jí)計(jì)算機(jī)和云計(jì)算，使人類的工作和生活更加方便，在世界范圍內(nèi)提升“智慧水平”，最終的效果是“互聯(lián)網(wǎng)+物聯(lián)網(wǎng)=智慧地球”。

智慧地球能夠更透徹地感應(yīng)和度量世界的本質(zhì)和變化；促進(jìn)世界更全面地互聯(lián)互通；所有事物、流程和運(yùn)行方式都將實(shí)現(xiàn)更深入的智能化。

智慧城市定義是把新一代信息技術(shù)充分運(yùn)用在城市中，實(shí)現(xiàn)信息化、工業(yè)化與城鎮(zhèn)化深度融合，提高城鎮(zhèn)化質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化和動(dòng)態(tài)管理，并提升城市管理成效和改善市民生活質(zhì)量[2]。

1.2 智慧船閘定義

鑒于智慧船閘是智慧城市的垂直子項(xiàng)領(lǐng)域，借用智慧城市的定義來(lái)定義智慧船閘，得到如下定義：

智慧船閘是把新一代信息技術(shù)（人工智能技術(shù)）充分運(yùn)用于水運(yùn)交通行業(yè)，基于知識(shí)社會(huì)下一代創(chuàng)新的船閘信息化高級(jí)形態(tài)，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理，并提升改善船閘服務(wù)質(zhì)量。智慧船閘的發(fā)展歷程經(jīng)歷4 個(gè)階段，如圖2所示。

圖2 智慧船閘的發(fā)展歷程圖

根據(jù)智慧城市理念和智慧船閘在智慧城市中的定位，智慧船閘的功能是為和船閘相關(guān)聯(lián)的人或物提供更精準(zhǔn)、精細(xì)化的服務(wù)，以滿足社會(huì)對(duì)智慧船閘的需求。

1.3 智慧船閘設(shè)計(jì)邏輯

智慧船閘是人工智能技術(shù)（信息科技技術(shù)）和傳統(tǒng)水上通航建筑物的結(jié)合體。其建設(shè)系統(tǒng)和組成邏輯類比智慧生命體的系統(tǒng)構(gòu)建。智慧生命體的八大系統(tǒng)包括運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)。

智慧生命體的神經(jīng)系統(tǒng)，由腦神經(jīng)、脊神經(jīng)、植物性神經(jīng)組成。神經(jīng)的作用是控制與調(diào)節(jié)生命體各器官、系統(tǒng)的活動(dòng)，使生命體成為一個(gè)統(tǒng)一的整體；另一方面通過(guò)神經(jīng)系統(tǒng)分析，使機(jī)體對(duì)環(huán)境變化的刺激做出相應(yīng)的反應(yīng)，達(dá)到機(jī)體與環(huán)境的統(tǒng)一。

船閘的主體工程包括土建、房建工程、閘閥門工程、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（液壓泵站、滾軸絲桿、齒輪齒條），是船閘的基礎(chǔ)框架，是不可或缺的系統(tǒng)，堪比生命體的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。

船閘的供配電系統(tǒng)，給船閘設(shè)施設(shè)備提供能量，包括閘閥門供電、辦公樓供電等，堪比生命體的血液循環(huán)系統(tǒng)。

而船閘的智慧建設(shè)就堪比生命體的神經(jīng)系統(tǒng)，船閘智慧構(gòu)建可以參照生命體的神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建設(shè)。目前船閘電氣系統(tǒng)以自動(dòng)控制系統(tǒng)為主，重點(diǎn)是PLC 設(shè)備，PLC 是邏輯處理控制器，PLC 控制系統(tǒng)是基于固定邏輯條件進(jìn)行的控制，其功能、運(yùn)行方式和神經(jīng)系統(tǒng)中的植物性神經(jīng)系統(tǒng)極其類似。可以把PLC 系統(tǒng)看做是構(gòu)建船閘智慧系統(tǒng)的一個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施，在其上發(fā)展建設(shè)類似“腦神經(jīng)”、“脊神經(jīng)”系統(tǒng)以及與之相匹配的載體和感知器官。

同理參考智慧生命體的神經(jīng)系統(tǒng)，機(jī)體對(duì)環(huán)境變化的刺激作出相應(yīng)的反應(yīng)。需要感知環(huán)境的變化，人體通過(guò)觸覺(jué)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)和味覺(jué)感知環(huán)境變化的刺激。船閘是通過(guò)各傳感器感知內(nèi)外界的具體情況。船閘現(xiàn)階段主要傳感器包括行程開(kāi)關(guān)、位移傳感器、水位計(jì)、電力儀表、泵站壓力傳感器以及流量傳感器等設(shè)備，其原理和觸覺(jué)感知一致。其次是視覺(jué)傳感器，就生命體而言，視覺(jué)和觸覺(jué)的感知結(jié)合可以確定所接觸的事務(wù)。同理與船閘，觸覺(jué)的傳感器如行程開(kāi)關(guān)等，視覺(jué)傳感器就是視頻監(jiān)控系統(tǒng)，目前的視頻監(jiān)控系統(tǒng)具備 “視”的功能，“覺(jué)”的功能還是依賴人工進(jìn)行覺(jué)察，感知。而船閘視覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)的建設(shè)，讓攝像機(jī)成為船閘的眼睛，視頻系統(tǒng)成為視覺(jué)感知系統(tǒng)，并且能和觸覺(jué)感知（PLC系統(tǒng)）結(jié)合，為船閘感受內(nèi)外界的變化，再通過(guò)算法做出反應(yīng)。

智慧船閘需要體現(xiàn)的是對(duì)船舶感知、船閘閘況感知、航道感知及船閘周邊環(huán)境感知，對(duì)感知數(shù)據(jù)真?zhèn)魏蓑?yàn)，并做出合適的反應(yīng)。

2 智慧船閘架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 智慧船閘服務(wù)屬性和服務(wù)內(nèi)容

智慧船閘對(duì)外界感知所作出的應(yīng)對(duì)，即是對(duì)服務(wù)對(duì)象所提供的服務(wù)內(nèi)容。

船閘服務(wù)對(duì)象包括專項(xiàng)對(duì)象和公共對(duì)象。

專項(xiàng)對(duì)象包括船對(duì)象（船民、船舶、船主）、閘對(duì)象（船閘設(shè)施設(shè)備、工作人員）。

公共對(duì)象包括社會(huì)群體。

在信息科技發(fā)展的當(dāng)下，船閘需要為船對(duì)象（船民、船舶、船主）、閘對(duì)象（船閘設(shè)施設(shè)備、船閘工作人員）以及社會(huì)群體提供更精準(zhǔn)、精細(xì)化的服務(wù)。

其服務(wù)內(nèi)容和場(chǎng)景：對(duì)于船舶對(duì)象，可提供停泊、過(guò)閘服務(wù)。

停泊服務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景包括錨地停泊服務(wù)場(chǎng)景；停泊生活設(shè)施服務(wù)場(chǎng)景。

過(guò)閘服務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景為調(diào)度排擋過(guò)閘服務(wù)場(chǎng)景。

對(duì)于船閘對(duì)象，智慧船閘可提供：機(jī)電設(shè)備控制服務(wù)、機(jī)電設(shè)備運(yùn)維服務(wù)、人員辦公服務(wù)。

機(jī)電設(shè)備控制服務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景包括現(xiàn)地控制；集中控制；遠(yuǎn)程控制。

機(jī)電設(shè)備運(yùn)維服務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；定時(shí)檢查；定期巡檢、專項(xiàng)維護(hù)、備件管理等。

工作人員辦公服務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景包括考勤、業(yè)務(wù)辦理、財(cái)務(wù)辦理。

對(duì)于社會(huì)群體，智慧船閘可提供船閘動(dòng)態(tài)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)發(fā)布服務(wù)。

運(yùn)營(yíng)動(dòng)態(tài)發(fā)布服務(wù)又包括船舶過(guò)閘、待閘信息發(fā)布，船閘通航公告以及水位公告等。

2.2 智慧船閘整體架構(gòu)設(shè)計(jì)和配套系統(tǒng)

服務(wù)對(duì)象相關(guān)聯(lián)的感知數(shù)據(jù)分為4 類：船舶數(shù)據(jù)、船閘數(shù)據(jù)、航道（水位為主）數(shù)據(jù)、環(huán)境安全數(shù)據(jù)。

與4 類數(shù)據(jù)緊密相連的系統(tǒng)或者設(shè)備有水位計(jì)設(shè)備、PLC 控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、船民申報(bào)App、船舶定位AIS 裝置等。

船閘和服務(wù)對(duì)象交互，提供服務(wù)的系統(tǒng)主要有控制系統(tǒng)、運(yùn)維系統(tǒng)、與船民通信的App、廣播和大屏等設(shè)施。

根據(jù)以上論述，結(jié)合船閘主要運(yùn)行系統(tǒng)，可形成如圖3 所示的船閘智慧體構(gòu)建樣式。

圖3 智慧船閘架構(gòu)模型

該智慧船閘模式，以服務(wù)對(duì)象為目標(biāo)，從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)匯聚、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)應(yīng)用以及服務(wù)對(duì)象5 個(gè)層次，搭建了智慧船閘的模型；數(shù)據(jù)來(lái)源分為專項(xiàng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)和公共系統(tǒng)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型分為船舶數(shù)據(jù)、船閘數(shù)據(jù)、水系（航道）數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)，4 類基本數(shù)據(jù)。

水位數(shù)據(jù):船閘上下游，閘室的三級(jí)水位數(shù)值。

專項(xiàng)水位數(shù)據(jù)：水位計(jì)測(cè)量獲取，通過(guò)PLC 設(shè)備或RTU 設(shè)備獲取水位數(shù)值。

公共水位數(shù)據(jù)：視頻監(jiān)控設(shè)備拍攝水尺獲得；互聯(lián)網(wǎng)獲取。

船舶數(shù)據(jù)：船名、船號(hào)、船舶尺寸、速度、載重、貨物、定位、起訖點(diǎn)。

專項(xiàng)船舶數(shù)據(jù)來(lái)源：船民申報(bào)系統(tǒng)、AIS 通信、雷達(dá)掃描。

公共船舶數(shù)據(jù)來(lái)源：視頻監(jiān)控系統(tǒng)圖像識(shí)別獲??；互聯(lián)網(wǎng)獲取。

船閘數(shù)據(jù)：靜態(tài)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

靜態(tài)數(shù)據(jù)：船閘基本尺寸數(shù)據(jù)，沉降位移數(shù)據(jù)；閘門跳動(dòng)量、配電接地電阻等數(shù)據(jù)。

動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)：閘門、閥門運(yùn)轉(zhuǎn)件實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、泵站運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、控制運(yùn)行數(shù)據(jù)、配電系統(tǒng)數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)。

靜態(tài)船閘數(shù)據(jù)來(lái)源：人工錄入。

動(dòng)態(tài)專項(xiàng)船閘數(shù)據(jù)來(lái)源：集合門機(jī)電傳感器，主要從PLC 設(shè)備獲?。慌潆娤到y(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)據(jù)從第三方數(shù)據(jù)采集獲取。

動(dòng)態(tài)公共船閘數(shù)據(jù)來(lái)源：視頻監(jiān)控系統(tǒng)拍攝門機(jī)電運(yùn)行畫面，通過(guò)圖像識(shí)別獲取船閘設(shè)施設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。

環(huán)境安全數(shù)據(jù):閘室周邊整體環(huán)境相對(duì)安全數(shù)據(jù)，包括船和周邊設(shè)施相對(duì)安全數(shù)據(jù)、閘閥門和周邊環(huán)境相對(duì)安全數(shù)據(jù)。

專項(xiàng)環(huán)境安全數(shù)據(jù)來(lái)源：船舶越限檢測(cè)裝置獲取船舶閘室?？堪踩?；船舶超高檢測(cè)獲取船舶通過(guò)閘室橋安全；閘門道閘檢測(cè)閘門上無(wú)人。

公共環(huán)境安全數(shù)據(jù)來(lái)源：視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)控閘室及周邊環(huán)境，通過(guò)圖像識(shí)別，判斷閘室無(wú)干擾物等不安全因素。

專項(xiàng)系統(tǒng)和公共系統(tǒng)通過(guò)視頻聯(lián)動(dòng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

該架構(gòu)模型以服務(wù)對(duì)象出發(fā)，從數(shù)據(jù)采集——數(shù)據(jù)匯聚——數(shù)據(jù)分析——數(shù)據(jù)應(yīng)用——服務(wù)對(duì)象，層次比較清晰，數(shù)據(jù)來(lái)源分為專項(xiàng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)和公共系統(tǒng)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型分為船舶數(shù)據(jù)、船閘數(shù)據(jù)、水系數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、定義了數(shù)據(jù)基本類型屬性。

架構(gòu)特點(diǎn)：保持現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)的獨(dú)立，在數(shù)據(jù)層面融合共享，業(yè)務(wù)應(yīng)用層面相對(duì)獨(dú)立；系統(tǒng)間有明顯界面劃分，層次分明，邏輯合理。

架構(gòu)缺點(diǎn)：此套架構(gòu)和船閘現(xiàn)有系統(tǒng)架構(gòu)相比變化較大，對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)利舊程度不高，改造投資大，經(jīng)濟(jì)性不佳。

解決辦法：加大系統(tǒng)中國(guó)產(chǎn)化設(shè)備替代程度、加大成熟新技術(shù)應(yīng)用投入，降本增效，改善經(jīng)濟(jì)性不佳的缺點(diǎn)。

優(yōu)點(diǎn)：架構(gòu)層次分明、邏輯合理、各系統(tǒng)劃分清晰；在基建中可避免重復(fù)建設(shè)，避免浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)性較高。

智慧船閘服務(wù)效果：通過(guò)數(shù)據(jù)的綜合有效利用，為船舶、船舶及公共群體提供更精細(xì)化、精準(zhǔn)化服務(wù)。

船閘智慧系統(tǒng)的建設(shè)，應(yīng)該和主體工程，包括土建、房建、配電等系統(tǒng)同步設(shè)計(jì)、同步施工、同步運(yùn)行。其構(gòu)建的功能特性應(yīng)該和設(shè)計(jì)主體工程壽命、船舶通過(guò)量相匹配，避免重復(fù)、過(guò)度建設(shè)。

3 船閘設(shè)施設(shè)備精細(xì)化服務(wù)舉例

隨著信息技術(shù)在船閘建設(shè)、運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的應(yīng)用，運(yùn)營(yíng)思路和理念也在改進(jìn)。如液壓設(shè)備控制邏輯，泵站常規(guī)啟動(dòng)邏輯為電機(jī)和電磁閥1 得電啟動(dòng)5 s 后，DY1 失電，其他電磁閥得電工作，閘閥門運(yùn)行。

動(dòng)作邏輯見(jiàn)表1。泵站的啟動(dòng)次序在秒級(jí)時(shí)間單位下，第五秒DY1 失電，其他電磁閥在第五秒得電工作，即滿足控制要求。泵站控制邏輯放在PLC 控制系統(tǒng)中，PLC 運(yùn)行速度是毫秒級(jí)。在毫秒級(jí)的控制中，第五秒有1 000 ms，這段時(shí)間內(nèi)，控制系統(tǒng)可以控制電磁閥動(dòng)作數(shù)十次，只要保證最后一次DY1 失電關(guān)閉，其他電磁閥得電工作，就能滿足泵站啟動(dòng)要求。1 s 中，不同的啟動(dòng)次序和時(shí)間差，對(duì)泵站運(yùn)行有不同影響，就存在一個(gè)更細(xì)化的啟動(dòng)要求。經(jīng)多次測(cè)試，調(diào)整真值表，優(yōu)化控制邏輯，微調(diào)后的元件動(dòng)作表見(jiàn)表2。

表1 電磁閥真值表1

按表2 控制泵站運(yùn)行，電磁閥動(dòng)作時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)噪聲明顯減小，泵站油管震動(dòng)減少，閘閥門啟閉時(shí)間不變。

表2 主要元件動(dòng)作示意表

粗略推理，油管震動(dòng)減少和電機(jī)噪聲降低，是因?yàn)橛吐匪矔r(shí)壓力的降低；而瞬時(shí)壓力的降低，是受電磁閥啟動(dòng)邏輯調(diào)整而影響。

在該基礎(chǔ)上繼續(xù)探索：微調(diào)泵站動(dòng)作表，可以減少運(yùn)行時(shí)的瞬時(shí)壓力，能否減少液壓油對(duì)管道沖擊，有利于油路管道密封，減少漏油概率；減少泵站瞬時(shí)壓力，能否控制泵站運(yùn)行全程壓力和流量，減少機(jī)械部件間的沖擊，減少運(yùn)轉(zhuǎn)件的磨損，延長(zhǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)件的使用壽命？

船閘在運(yùn)營(yíng)階段，通過(guò)運(yùn)維監(jiān)測(cè)，掌握泵站運(yùn)行壓力、流量、速度、電機(jī)電流、水位等相關(guān)聯(lián)長(zhǎng)期數(shù)據(jù)，深入研究設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)之間精確關(guān)系，能夠精準(zhǔn)掌握設(shè)備狀態(tài)，了解其壽命，反饋船閘系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)工藝參數(shù)，將設(shè)計(jì)—施工—運(yùn)維—設(shè)計(jì)，形成閉環(huán)邏輯，提升船閘工藝設(shè)計(jì)水平。以上只是精細(xì)化服務(wù)的一個(gè)微觀方面。

4 結(jié)論

智慧船閘的智慧在于服務(wù)，為船舶、船閘、社會(huì)群體提供更細(xì)化、更精準(zhǔn)的服務(wù)內(nèi)容。對(duì)船舶、船閘、航道的多源數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)核驗(yàn)及數(shù)據(jù)的處理是支撐服務(wù)業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)。智慧船閘的建設(shè)應(yīng)該有等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。理想的智慧船閘是信息化系統(tǒng)充分應(yīng)用，代替人工操作、決策的船閘管理模式。由于人工工作量減少，因此逐步形成少人型/無(wú)人型/值守型船閘運(yùn)營(yíng)模式。