人工微干預(yù)自動化船閘運行控制技術(shù)研究

高杰 陳璐 孫俊峰 史丹

摘 要：本文以船閘在套閘運行時對應(yīng)于“上閘門至下閘門”這一最小運行空間區(qū)段為例，探討船閘人工微干預(yù)自動化運行控制技術(shù)。

關(guān)鍵詞：船閘;自動化;運行

中圖分類號：U662.9? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）09-0077-03

1前言

江蘇省內(nèi)河航道網(wǎng)絡(luò)密布，航道總里長約2.4萬公里，其中規(guī)劃三級以上的高等級航道里程約2363公里，內(nèi)河貨運量占全省綜合貨運量的三分之一，貨運周轉(zhuǎn)量占全省綜合貨運周轉(zhuǎn)量的一半，是名符其實的水運大省。水路運輸具有成本低、運量大的優(yōu)勢，但與其它運輸形式相比，信息化進(jìn)展相對滯后，在一定程度上制約了水運事業(yè)的快速發(fā)展?！爸腔鄞l”作為江蘇水運信息化建設(shè)的重要目標(biāo)，近年來開展了廣泛的技術(shù)研究和試點應(yīng)用工作。

本文以船閘在套閘運行時對應(yīng)于“上閘門至下閘門”這一最小運行空間區(qū)段為例，就“智慧船閘”領(lǐng)域中“人工微干預(yù)自動化運行控制技術(shù)”進(jìn)行探討。

2人工微干預(yù)自動化船閘運行控制工藝流程

目前，江蘇交通船閘主要采取現(xiàn)地分散運行和遠(yuǎn)程集中控制運行兩種運行控制模式，而人工微干預(yù)自動化船閘還應(yīng)具備第三種運行模式——無人工參與的“自動運行”模式，并能讓上述三種模式在一定條件下相互轉(zhuǎn)換。

對應(yīng)于“上閘門至下閘門”這一最小運行空間區(qū)段為例，船閘“自動運行”的標(biāo)準(zhǔn)流程為：①自動關(guān)閉上游閘門→②自動打開下游閥門→③自動打開下游閘門→④自動關(guān)閉下游閥門→⑤自動打開下游進(jìn)閘綠燈（上行進(jìn)閘紅燈轉(zhuǎn)綠燈）→⑥自動關(guān)閉下游閘門→⑦自動打開上游閥門→⑧自動打開上游閘門→⑨自動關(guān)閉上游閥門→⑩自動打開上游進(jìn)閘綠燈（下行進(jìn)閘紅燈轉(zhuǎn)綠燈）。

3人工微干預(yù)自動化船閘運行安全風(fēng)險評估

3.1人工微干預(yù)自動化船閘運行安全風(fēng)險點

對應(yīng)于“上閘門至下閘門”這一最小運行空間區(qū)段為例，與開或關(guān)閘門、開或關(guān)閥門、進(jìn)閘紅綠燈控制這幾項控制動作高度相關(guān)的安全風(fēng)險點如表1所示。

此外，船舶超高超速或超載進(jìn)出閘、雨霧冰雪等較差氣象條件、船閘機(jī)電設(shè)備運行故障等也是不可忽視的安全風(fēng)險點，在船閘自動化運行整體方案設(shè)計時應(yīng)一并考慮。

3.2人工微干預(yù)自動化船閘運行安全風(fēng)險評估

風(fēng)險評價指數(shù)矩陣法（RAC法）是船閘安全運行風(fēng)險定性評估的常用方法，它將決定船閘運行安全風(fēng)險的兩種因素—危險的嚴(yán)重性（S：人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失、設(shè)施損壞、通航影響、環(huán)境污染、社會影響）和危險的可能性（P：較高、一般、較低）形成一個風(fēng)險評價矩陣，賦予一定的加權(quán)值來定性的衡量風(fēng)險的大小。風(fēng)險源點的風(fēng)險值（Ri）等于后果分值（Cs）與發(fā)生可能性分值（Pr）的乘積，即：

Ri=Cs× Pr

式中：Ri為風(fēng)險值;

Cs為后果分值;

Pr為可能性分值。

4人工微干預(yù)自動化船閘運行技術(shù)條件

增設(shè)外場感知設(shè)備、提升運行現(xiàn)場運行風(fēng)險的感知能力，是實現(xiàn)船閘自動化運行的必備手段。在綜合評估船閘自動化運行安全風(fēng)險的前提下，基于外場感知增強(qiáng)方案的人工微干預(yù)自動化運行中各動作發(fā)生的必要條件如下：

4.1自動“關(guān)閉上游閘門”條件

關(guān)閉上游閘門互鎖條件判定+下行船舶進(jìn)閘數(shù)量信號采集比對+上閘首人員安全偵測+上閘首船舶安全偵測+閘門關(guān)閉過程中無危險物體/船舶接近+下行船舶進(jìn)閘身份信號采集比對。

（1）上述條件為自動“關(guān)閉上游閘門”的必要條件，參與PLC運行控制;

（2）船舶進(jìn)閘數(shù)量信號由外場感知設(shè)備采集，與智能調(diào)度信息系統(tǒng)相關(guān)調(diào)度信息比對后，輸出結(jié)果參與PLC程序運行控制;

（3）閘門關(guān)閉過程中無危險物體/船舶接近信號采集，由外場感知設(shè)備（視頻或激光測距儀）檢測。檢測到物體或船舶危險接近，PLC控制閘門停止運行，人工確認(rèn)危險消除后，閘門繼續(xù)運行;

（4）船舶進(jìn)閘身份信號由外場感知設(shè)備采集，與智能調(diào)度信息系統(tǒng)相關(guān)調(diào)度信息比對結(jié)果用于船舶身份驗證、稽查報警等，因不匹配現(xiàn)象僅為偶發(fā)，所以船舶進(jìn)閘身份識別目前不參與運行控制;

（5）船舶進(jìn)閘數(shù)量信號外場感知設(shè)備與智能調(diào)度網(wǎng)在同一網(wǎng)絡(luò)，比對結(jié)果輸出參與PLC程序運行控制;

（6）上閘首人員安全偵測與上閘首船舶安全偵測外場感知設(shè)備與控制網(wǎng)在同一規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測結(jié)果參與PLC控制運行。

4.2自動“打開下游閥門”條件

自動打開下游閥門互鎖條件判定+上閘門關(guān)閉時錯位信號采集+下行進(jìn)閘船舶越限檢測+下閘首船舶安全偵測+閘室船舶系纜偵測+浮式船柱卡阻檢測;

（1）上述為自動“打開下游閥門”必要條件，參與PLC運行控制;

（2）感知設(shè)備與PLC設(shè)備同網(wǎng)絡(luò)，檢測結(jié)果參與PLC運行控制;

（3）下行進(jìn)閘船舶越限檢測+下閘首船舶安全偵測均始于上閘門關(guān)閉到位。若檢測結(jié)果異常，立即發(fā)出聲、光、語音報警，閥門停止運行;

（4）閘室船舶系纜偵測重點對首檔船系纜情況進(jìn)行偵測，結(jié)果作聲光語音報警通知，能確保偵測準(zhǔn)確的前提下也可參與PLC自動“打開下游閥門”控制;

（5）閘門關(guān)閉錯位信號采集包括接近開關(guān)信號和視頻監(jiān)測信號（人字門）。檢測發(fā)現(xiàn)異常則不能泄水，并立即將錯位報警信號及錯位視頻切入監(jiān)控平臺;

（6）提閥過程中，檢測到浮式系船柱卡阻（激光測距儀連續(xù)檢測無變化且與其它全部浮式系船柱水平位置距離偏差呈正相關(guān)），則觸發(fā)語音播報，同時強(qiáng)落閥門;

4.3自動“打開下游閘門”條件

自動開下閘門互鎖條件判定+閘室內(nèi)外水平信號采集+下閘首船舶安全偵測+下閘首人員安全偵測+閘室內(nèi)外水位差信號采集;

（1）上述為自動“打開下游閘門”必要條件，參與PLC運行控制;

（2）感知設(shè)備與PLC設(shè)備同網(wǎng)絡(luò)，檢測結(jié)果參與PLC運行控制;

（3）人字形閘門本身安裝有門頭開關(guān)，因此閘室內(nèi)外水位差信號檢測對人字形閘門為非必要條件，對橫拉門和三角門為必要條件;

4.4自動“關(guān)閉下游閥門”條件

自動“關(guān)閉下游閥門”互鎖條件判定。

（1）上述為自動“關(guān)閉下游閥門”必要條件，參與PLC運行控制;

4.5自動“打開進(jìn)閘綠燈”條件

閘門開到位+閘室內(nèi)調(diào)度船舶出清+同向調(diào)度指令發(fā)出。

（1）上述為自動“打開進(jìn)閘綠燈”必要條件，參與PLC運行控制;

（2）調(diào)度系統(tǒng)上行調(diào)度指令的發(fā)出是“打開進(jìn)閘綠燈”的觸發(fā)條件，這里控制系統(tǒng)與調(diào)度系統(tǒng)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換;

4.6其它技術(shù)條件

⑥自動關(guān)閉下游閘門→⑦自動打開上游閥門→⑧自動打開上游閘門→⑨自動關(guān)閉上游閥門→⑩自動打開上游進(jìn)閘綠燈（下行進(jìn)閘紅燈轉(zhuǎn)綠燈）的技術(shù)條件依此類推。

5其它要求

（1）航閘全息智能感知網(wǎng)建設(shè)是智慧船閘不可或缺的環(huán)節(jié)，是船閘自動化運行的安全保障;

（2）船閘自動化運行涉及控制系統(tǒng)與智能調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換和業(yè)務(wù)協(xié)同，技術(shù)路徑應(yīng)充分考慮網(wǎng)際邊界安全問題;

（3）功能設(shè)計與感知網(wǎng)布設(shè)應(yīng)充分考慮費效比和運行效率，力求安全第一、效率優(yōu)先、功能完善三者平衡;

（4）基于船閘自動化運行監(jiān)測、業(yè)務(wù)協(xié)同、遠(yuǎn)程控制等運行要求，模擬量數(shù)據(jù)及監(jiān)測終端幾何級增加，需對船閘控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行頂層設(shè)計;

（5）人工微干預(yù)自動化船閘運行過程中應(yīng)為現(xiàn)場巡檢人員提供緊急狀態(tài)下的應(yīng)急處置手段（如暫停、急停、強(qiáng)落及故障告警等）;

（6）感知終端設(shè)備提供錯誤動作信號及閘閥門啟閉機(jī)、電氣等關(guān)鍵設(shè)備帶故障運行同樣是不可忽視的船閘安全運行風(fēng)險。

6 結(jié)語

船舶過閘是一個復(fù)雜的過程，影響安全的因素較多，人工微干預(yù)自動化船閘需要在全面評估船閘安全運行風(fēng)險的前提下，通過構(gòu)建自動化船閘運行控制標(biāo)準(zhǔn)化流程，完善預(yù)防預(yù)控體系，強(qiáng)化運行環(huán)境及設(shè)備動態(tài)感知能力，在航、閘、船、水一體化協(xié)同運行指揮體系下實現(xiàn)人工微干預(yù)船閘“自動化運行”，在充分保障船閘安全運行的前提下，提升船閘的運行效率。