北江船閘聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

湯毅 黃樹(shù)平 鄭貽雙 廣東省北江航道開(kāi)發(fā)投資有限公司

1.引言

北江是珠江流域第二大水系，是連接粵北與珠三角的重要水路通道。北江航道（韶關(guān)至三水河口）全長(zhǎng)258k m，沿線分布著孟洲壩、濛浬、白石窯、飛來(lái)峽、清遠(yuǎn)共五級(jí)通航樞紐，形成獨(dú)具特色的非連續(xù)多級(jí)船閘。北江航道舊的五級(jí)樞紐船閘由于噸位等級(jí)低，承擔(dān)的貨物運(yùn)量很小，良好的水運(yùn)資源沒(méi)有得到有效開(kāi)發(fā)和利用，因而，廣東省政府決策部署實(shí)施了北江航道擴(kuò)能升級(jí)項(xiàng)目。2020年，北江千噸級(jí)航道全線貫通，完善了粵北地區(qū)綜合交通運(yùn)輸體系。

隨著北江航道基礎(chǔ)設(shè)施的建成應(yīng)用，船閘聯(lián)合調(diào)度成為發(fā)揮北江航道航運(yùn)優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵問(wèn)題。目前，北江各線船閘均配備小型監(jiān)控調(diào)度中心，可實(shí)現(xiàn)本線船閘的調(diào)度排擋以及監(jiān)控，但多船閘之間未形成有效的聯(lián)合調(diào)度，且很多數(shù)據(jù)仍需要人工記錄統(tǒng)計(jì)，無(wú)法滿足北江統(tǒng)一監(jiān)控與聯(lián)合調(diào)度的需求。同時(shí)，調(diào)度系統(tǒng)無(wú)法準(zhǔn)確掌握船舶位置，時(shí)常出現(xiàn)船舶異地申報(bào)，不能按時(shí)過(guò)閘等問(wèn)題，導(dǎo)致船閘利用率不能有效提升。

信息技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于重塑船閘調(diào)度流程具有決定性意義。深入分析北江船閘調(diào)度面臨的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，采用信息化、智能化手段完善船舶跟蹤方式，改善多級(jí)樞紐船閘聯(lián)合調(diào)度水平，對(duì)發(fā)揮北江黃金水道效能具有重要意義。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求分析

2.1 問(wèn)題分析

通航初期，北江船閘調(diào)度存在如下問(wèn)題需要改善：

①遠(yuǎn)程物聯(lián)監(jiān)控覆蓋不足，智能化感知能力亟待提高。由于缺少對(duì)船閘水工建筑的監(jiān)控和檢查，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法實(shí)時(shí)感知船閘實(shí)際運(yùn)行情況。

②網(wǎng)絡(luò)通信相互獨(dú)立，各船閘之間缺乏互通機(jī)制。無(wú)法從全局來(lái)定制排閘和調(diào)度計(jì)劃，船民每經(jīng)過(guò)一個(gè)樞紐都需要重新獨(dú)立填報(bào)過(guò)閘申請(qǐng)，用戶體驗(yàn)差的同時(shí)也影響過(guò)閘效率。

③新技術(shù)應(yīng)用不足，智慧船閘聯(lián)合調(diào)度建設(shè)存在差距?，F(xiàn)有系統(tǒng)調(diào)度功能按最低使用場(chǎng)景設(shè)計(jì)，對(duì)于未來(lái)航運(yùn)的發(fā)展考慮不足，隨著流域上船舶數(shù)量的增加，現(xiàn)有系統(tǒng)已不太能滿足日常系統(tǒng)運(yùn)行管理的需要。

④集中監(jiān)測(cè)與統(tǒng)一調(diào)度能力不足，亟需建設(shè)綜合集控中心。各個(gè)船閘各自為政，無(wú)法從全局對(duì)整個(gè)北江流域各級(jí)樞紐船閘進(jìn)行有效統(tǒng)一管理。

2.2 需求分析

通過(guò)對(duì)北江船閘調(diào)度現(xiàn)狀的調(diào)研和問(wèn)題分析，北江船閘聯(lián)合調(diào)度應(yīng)采用管理中心和各樞紐船閘管理所的兩級(jí)管理模式，并實(shí)行統(tǒng)一報(bào)到、統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一監(jiān)控、統(tǒng)一信息發(fā)布，不同建設(shè)主體的船閘管理所各自分開(kāi)運(yùn)行和養(yǎng)護(hù)的運(yùn)營(yíng)模式。具體來(lái)說(shuō)，應(yīng)該實(shí)現(xiàn)如下業(yè)務(wù)功能：

①通過(guò)建設(shè)遠(yuǎn)程物聯(lián)監(jiān)控設(shè)備，增加船閘集中運(yùn)行監(jiān)控能力。通過(guò)視頻監(jiān)控與船閘控制系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，更精準(zhǔn)識(shí)別船舶位置、船舶過(guò)閘情況；通過(guò)建設(shè)船舶尺度分析感知設(shè)備，可智能識(shí)別船舶尺度超標(biāo)情況，輔助航道管理及過(guò)閘調(diào)度；通過(guò)建設(shè)AIS信息采集設(shè)備，結(jié)合與海事數(shù)據(jù)對(duì)接，可精準(zhǔn)識(shí)別?；反吧矸菀约按拔恢?。

②通過(guò)完善網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)北江各船閘樞紐之間的互聯(lián)互通。新增各個(gè)船閘樞紐到清遠(yuǎn)集控中心的網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)北江各個(gè)船閘樞紐之間監(jiān)控感知數(shù)據(jù)及調(diào)度信息的互聯(lián)互通。

③通過(guò)構(gòu)建船閘聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)，打造智慧船閘。構(gòu)建船閘聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)，依托先進(jìn)的外場(chǎng)感知監(jiān)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶位置、身份等智能識(shí)別，采用智能排擋數(shù)學(xué)模型，通過(guò)對(duì)過(guò)閘船舶數(shù)據(jù)的采集、融合、分析、運(yùn)算、調(diào)度、排擋，形成智能化、可視化的船舶過(guò)閘智能調(diào)度體系，實(shí)現(xiàn)從船舶智能識(shí)別、過(guò)閘申報(bào)、誠(chéng)信聯(lián)動(dòng)、統(tǒng)一調(diào)度、過(guò)閘確認(rèn)的全過(guò)程船閘群聯(lián)合調(diào)度。

3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

北江船閘聯(lián)合調(diào)度總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。包括設(shè)備層、數(shù)據(jù)庫(kù)層和基礎(chǔ)服務(wù)層。

圖1 北江船閘聯(lián)合調(diào)度總體設(shè)計(jì)框架

基礎(chǔ)服務(wù)層包括：

（1）船閘遠(yuǎn)程集中管理模塊。此模塊基于BIM模型開(kāi)發(fā)，可統(tǒng)一查看5個(gè)船閘的液壓泵站狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)時(shí)水位，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，供電狀態(tài)，系統(tǒng)故障信息

（2）綜合視頻監(jiān)控模塊。可切換查看5個(gè)船閘安放于各處的監(jiān)控?cái)z像頭。

（3）智能調(diào)度模塊?？刹榭春降纼?nèi)船舶的AIS信息，航行軌跡，船閘智能調(diào)度進(jìn)閘順序，船閘運(yùn)行產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)報(bào)表，?；反肮芾?，船只管理，樞紐管理，用戶管理，操作日志等。

（4）智能管養(yǎng)模塊?？刹榭锤鱾€(gè)船閘的歷史水位統(tǒng)計(jì)，船只通行統(tǒng)計(jì)，船閘養(yǎng)護(hù)記錄，備用耗材管理，船閘信息維護(hù)，船閘站務(wù)工作。

（5）應(yīng)急指揮模塊。存放一些應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案文檔，當(dāng)遇到緊急情況可查看參照?qǐng)?zhí)行。

（6）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊。生成船舶通行數(shù)據(jù)，船閘水文數(shù)據(jù)等報(bào)表，方便整理和打印。

智能調(diào)度APP主要給各個(gè)通過(guò)船閘的船舶上的船員使用。用戶注冊(cè)后，可綁定船只，提交過(guò)閘申請(qǐng)，查詢排閘情況，提供航道信息，查詢過(guò)閘記錄和申報(bào)記錄，提供各船閘樞紐的聯(lián)系方式。

4.系統(tǒng)研發(fā)與實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)搭建平臺(tái)

4.1.1 操作系統(tǒng)

本項(xiàng)目所有服務(wù)器均安裝64位CentOS 8操作系統(tǒng)，客戶端操作系統(tǒng)選擇Microsoft Windows XP/Vista/Win7/Win8或更高版本的32位或64 位Microsoft系列操作系統(tǒng)。

4.1.2 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)

存儲(chǔ)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)軟件采用Oracle 11gR2。內(nèi)存服務(wù)器采用Redis，用于存儲(chǔ)水文和傳感器等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)?？刂茀^(qū)網(wǎng)絡(luò)和管理區(qū)網(wǎng)絡(luò)，分別運(yùn)行獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)備份系統(tǒng)。

4.1.3 開(kāi)發(fā)平臺(tái)

WEB模塊：WEB模塊采用B/S架構(gòu)。后端采用Django框架，配合Nginx服務(wù)器做數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和負(fù)載均衡。采用MVC的軟件設(shè)計(jì)模式，主要目標(biāo)是使得開(kāi)發(fā)復(fù)雜的、數(shù)據(jù)庫(kù)驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)站變得簡(jiǎn)單。前端是基于Vue框架的HTML5標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)效率高，組件豐富且美觀。

APP：APP 部分采用Flutter開(kāi)發(fā)框架，開(kāi)發(fā)效率高，調(diào)試高效，同一份代碼可同時(shí)生成Android和IOS的App程序。消息推送，安卓端采用阿里云的成熟推送系統(tǒng)，IOS端采用蘋果自己的推送系統(tǒng)。

4.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于上述功能業(yè)務(wù)需求分析和環(huán)境搭建，系統(tǒng)主要功能界面如圖2至8所示?？梢?jiàn)，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研發(fā)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。

圖2 船閘遠(yuǎn)程集中管理主界面

圖3 綜合視頻監(jiān)控界面

圖4 智能調(diào)度主界面

圖5 智能管養(yǎng)界面

圖6 應(yīng)急指揮界面

圖7 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)界面

圖8 智能調(diào)度APP船舶過(guò)閘申報(bào)界面

5.結(jié)束語(yǔ)

本研究針對(duì)北江船閘運(yùn)行效率低、調(diào)度服務(wù)質(zhì)量差的問(wèn)題，采用信息化技術(shù)手段重塑了業(yè)務(wù)流程。系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果表明：

（1）本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)船閘水工建筑的感知和監(jiān)控，當(dāng)出現(xiàn)設(shè)備故障時(shí)及時(shí)預(yù)警；

（2）船員過(guò)閘申請(qǐng)效率顯著提高，船閘擁堵得到緩解，船舶過(guò)閘效率提升一倍；

（3）船閘聯(lián)合調(diào)度計(jì)劃運(yùn)行有序，船舶過(guò)閘平均等待時(shí)間縮短一半，人力資源精簡(jiǎn)到原來(lái)的約五分之一。

本研究對(duì)國(guó)內(nèi)外類似的非連續(xù)多船閘聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有參考借鑒意義。未來(lái)將在船閘調(diào)度中加入更多智能優(yōu)化算法，進(jìn)一步提升船舶服務(wù)水平和船舶過(guò)閘效率。