自動(dòng)化系統(tǒng)在北運(yùn)河甘棠船閘建設(shè)工程中的應(yīng)用

要倩雅 姚永寬 隗 強(qiáng)

(北京金河水務(wù)建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 102206)

隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展，對(duì)船閘自動(dòng)控制系統(tǒng)的智慧程度提出了更高要求。北運(yùn)河甘棠船閘自動(dòng)化控制系統(tǒng)在第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代高新技術(shù)手段的加持下，保障了北運(yùn)河甘棠船閘交通供給能力、安全保障能力及運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)了北運(yùn)河船閘的智慧運(yùn)營(yíng)，提升了游客的過(guò)閘體驗(yàn)，為大運(yùn)河文化帶高質(zhì)量發(fā)展提供了重要的基礎(chǔ)保障[1]。

1 工程概況

甘棠船閘工程位于北運(yùn)河通州段，為單級(jí)雙線船閘，是滿足北運(yùn)河通州段全線游船通航的重要工程。甘棠船閘航道長(zhǎng)度為1.1km，包括上游引航道、上閘首、閘室段、下閘首、下游引航道。船閘閘室有效長(zhǎng)度65m、閘室有效寬度10m、門檻水深2.5m。通過(guò)船閘建設(shè)，打通北關(guān)閘至楊洼閘之間水上運(yùn)行通道，使船舶克服攔河閘上、下游水頭差，安全、平穩(wěn)、快速過(guò)閘，實(shí)現(xiàn)北運(yùn)河北京段全線通航。甘棠船閘作為北京水務(wù)系統(tǒng)近年來(lái)重大水利工程之一，為使甘棠船閘實(shí)現(xiàn)科學(xué)化的管理、調(diào)度，減少船只過(guò)閘等待時(shí)間，提升游客旅游體驗(yàn)，提高管理水平，在滿足船閘可靠控制、船舶安全過(guò)閘的基礎(chǔ)上，針對(duì)旅游船閘的特點(diǎn)，通過(guò)監(jiān)控、視頻廣播及過(guò)閘引導(dǎo)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)船閘安全、高效智能運(yùn)行，以及船舶智慧運(yùn)行的運(yùn)營(yíng)環(huán)境。

2 監(jiān)控子系統(tǒng)

監(jiān)控子系統(tǒng)是船閘運(yùn)行調(diào)度的總集成，視頻廣播子系統(tǒng)和過(guò)閘引導(dǎo)子系統(tǒng)輔助監(jiān)控子系統(tǒng)完成船閘的運(yùn)行調(diào)度，為船閘管理者提供一站式、多維度、三維可視化的管理指揮艙，全面掌握船閘的各項(xiàng)數(shù)據(jù)及操作，實(shí)現(xiàn)船閘一鍵通航的智慧運(yùn)營(yíng)環(huán)境。

2.1 船閘監(jiān)控系統(tǒng)組成

船閘監(jiān)控系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)由操作員工作站、工程師站、微控制單元(MCU)、集控指令PLC站、啟閉機(jī)現(xiàn)地控制站組成。在工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的通信傳輸下，實(shí)現(xiàn)控制室對(duì)船閘設(shè)施的集中控制，實(shí)現(xiàn)上下閘首對(duì)船閘閘門、輸水閘門和交通信號(hào)燈的現(xiàn)地控制，實(shí)現(xiàn)液壓泵房實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓泵站各設(shè)備的現(xiàn)地電動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)船閘等水工建筑物的滲壓、水位監(jiān)測(cè)。

圖1 船閘監(jiān)控系統(tǒng)

2.2 工況監(jiān)測(cè)

2.2.1 閘門與液壓機(jī)組工況

船閘閘門、輸水閘門均安裝有位移傳感器，液壓泵啟停、壓力、油溫、過(guò)濾器堵塞和油位等均配套有相應(yīng)傳感器，這些傳感器現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，通過(guò)PLC傳至計(jì)算機(jī)。

在上閘首、閘室和下閘首三處設(shè)水位計(jì)，通過(guò)PLC將水位數(shù)據(jù)采集傳至計(jì)算機(jī)。

2.2.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

人字門對(duì)中視頻監(jiān)測(cè)：上下閘首人字閘門共配置4套人字門對(duì)中視頻檢測(cè)裝置。采用視頻識(shí)別、數(shù)據(jù)疊加技術(shù)，檢測(cè)人字閘門對(duì)中門縫/錯(cuò)位信息。

水工建筑物安全監(jiān)測(cè)：在閘站設(shè)置18處滲壓計(jì)，通過(guò)滲壓計(jì)專用電纜接入MCU，這些數(shù)據(jù)接入監(jiān)控系統(tǒng)。

2.3 工況控制

本工程的閘門監(jiān)控控制系統(tǒng)采用以下3種控制方式。

2.3.1 現(xiàn)地常規(guī)電氣控制

船閘的上下閘首、輸水閘門、交通信號(hào)燈處均設(shè)有現(xiàn)地控制箱，可控制船閘閘門、輸水閘門、交通信號(hào)燈等設(shè)備，顯示閘門運(yùn)行狀態(tài)。常規(guī)電氣控制面板上設(shè)置現(xiàn)地/遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。現(xiàn)地控制系統(tǒng)獨(dú)立于計(jì)算機(jī)與PLC工作，通過(guò)繼電器控制回路實(shí)現(xiàn)機(jī)械互鎖和現(xiàn)地按鈕啟?？刂葡嚓P(guān)設(shè)備工作，即使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或PLC出現(xiàn)意外故障亦能保證設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.3.2 PLC邏輯控制

通過(guò)組態(tài)軟件對(duì)PLC編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)船閘閘門、輸水閘門、交通信號(hào)燈等設(shè)備的自動(dòng)控制。PLC為機(jī)架式裝配，根據(jù)功能需求可擴(kuò)展模塊。PLC主要配備有電源模塊、CPU模塊、串口通信模塊，現(xiàn)場(chǎng)總線通信模塊、I/O模塊等。PLC對(duì)水位、液壓設(shè)備、閘門狀態(tài)、閘門開(kāi)度、交通信號(hào)燈等工況參數(shù)、供電運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行采集。

2.3.3 遠(yuǎn)程控制

通過(guò)管理房?jī)?nèi)的監(jiān)控工作站和操作人員使用無(wú)線手持設(shè)備遠(yuǎn)程控制船閘閘門、輸水閘門、交通信號(hào)燈等設(shè)備。

2.4 系統(tǒng)功能

2.4.1 操作員工作站

配置2臺(tái)操作員工作站，分別操作東西兩線船閘，應(yīng)急時(shí)可互為備用。安裝SCADA組態(tài)軟件運(yùn)行版、船閘集中監(jiān)控軟件、船閘監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)管理軟件，實(shí)現(xiàn)雙線船閘運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)顯示見(jiàn)圖2。根據(jù)船閘運(yùn)行流程下發(fā)集中控制指令至指令PLC及現(xiàn)地啟閉機(jī)站PLC；根據(jù)船閘運(yùn)行調(diào)試成果，設(shè)置、修改、記錄船閘監(jiān)控運(yùn)行參數(shù)；記錄運(yùn)行及故障實(shí)時(shí)及歷史數(shù)據(jù)，向船閘運(yùn)維系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)及歷史數(shù)據(jù)服務(wù)。

圖2 船閘集中監(jiān)控系統(tǒng)

2.4.2 工程師站

配置工程師站一套，安裝PLC編程軟件、觸摸屏編程軟件、組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)版等系統(tǒng)支持軟件。進(jìn)行PLC軟件備份、觸摸屏工程備份、組態(tài)軟件工程備份。

2.4.3 微控制單元

微控制單元中測(cè)量單元設(shè)計(jì)有防浪涌保護(hù)裝置，通信接口與測(cè)量單元設(shè)計(jì)有光電物理隔離，測(cè)量單元可承受8kV靜電放電，滿足《混凝土壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(SL 601—2013)對(duì)各類儀器的測(cè)量要求[2]。并用專用四芯屏蔽電纜將滲壓傳感器接入微控制單元中，將數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)，通過(guò)工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，將數(shù)據(jù)集成到船閘監(jiān)控子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)船閘結(jié)構(gòu)安全。

2.4.4 集控指令PLC站

配置集控指令PLC站一套，采集配電系統(tǒng)運(yùn)行信息、人字門門縫對(duì)中保護(hù)信息、激光3D云點(diǎn)探測(cè)船舶進(jìn)出閘信息、集中緊急操作信息、電子圍欄報(bào)警信息等，實(shí)現(xiàn)雙線船閘的上下游安全連鎖保護(hù)、集中全自動(dòng)指令控制、船舶出閘靠泊引導(dǎo)信息輸出等功能。

2.4.5 啟閉機(jī)現(xiàn)地控制站

啟閉機(jī)現(xiàn)地控制站通過(guò)可編程邏輯控制器接收指令，啟動(dòng)和關(guān)閉閘閥門電機(jī)、建立液壓，通過(guò)開(kāi)啟相應(yīng)的電磁閥去打開(kāi)或關(guān)閉相應(yīng)的輸水門或人字門。通過(guò)在輸水門或人字門上安裝閘閥門限位器、開(kāi)度儀，保障輸水門和人字門動(dòng)作到位后自動(dòng)停止。在通航過(guò)程中，利用安裝的水位計(jì)實(shí)時(shí)采集上游、閘室及下游水位，上行過(guò)程中讓下游和閘室水位平差在10cm以內(nèi)，控制閘閥門和通航信號(hào)燈引導(dǎo)游船進(jìn)閘。船舶進(jìn)閘后，可編程邏輯控制器控制相應(yīng)的設(shè)備，讓上游和閘室的水位平差在10cm以內(nèi)，再次通過(guò)控制閘閥門和通航信號(hào)燈引導(dǎo)游船出閘。下行過(guò)程中的控制與上行過(guò)程相似。

3 視頻廣播子系統(tǒng)

為使工作人員能夠隨時(shí)了解上閘首、下閘首、上閘首停泊區(qū)、下閘首停泊區(qū)和室外管理房院內(nèi)區(qū)域和機(jī)電設(shè)備的實(shí)際工作情況以及周邊環(huán)境，視頻聯(lián)動(dòng)，船閘運(yùn)行過(guò)程中視頻定點(diǎn)追蹤關(guān)注部位，廣播自動(dòng)預(yù)告下一步動(dòng)作，建立視頻廣播控制系統(tǒng)。

3.1 視頻系統(tǒng)

視頻系統(tǒng)由14套視頻前端設(shè)備、2套硬盤錄像機(jī)、1套視頻工作站和2套大屏幕組成。工作站由高性能工作站組成，傳輸部分由以太網(wǎng)信號(hào)光端機(jī)、網(wǎng)線和光纜組成，視頻系統(tǒng)見(jiàn)圖3。

圖3 視頻系統(tǒng)

這兩線船閘各配置一套視頻與控制智能聯(lián)動(dòng)裝置，分別布置在監(jiān)控中心內(nèi)。視頻系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)船只過(guò)閘視頻聯(lián)動(dòng)。當(dāng)在集中控制系統(tǒng)對(duì)被監(jiān)視設(shè)備進(jìn)行操作時(shí)，視頻監(jiān)控畫(huà)面能自動(dòng)轉(zhuǎn)向該設(shè)備并顯示其畫(huà)面，并能對(duì)重要部位設(shè)置實(shí)時(shí)監(jiān)視功能，以判斷船閘運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常、了解現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)，并完成船只進(jìn)閘出閘操作順序的自動(dòng)隨動(dòng)等功能。視頻子系統(tǒng)包括視頻聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)控主機(jī)、網(wǎng)絡(luò)視頻錄像機(jī)NVR、4路視頻解碼器、高清混合矩陣等軟硬件設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)船只過(guò)閘視頻聯(lián)動(dòng)，提供90天內(nèi)視頻回放功能。

3.2 廣播系統(tǒng)

船閘廣播系統(tǒng)設(shè)備包括監(jiān)控主機(jī)1臺(tái)、分區(qū)廣播話筒1套、甚高頻無(wú)線電臺(tái)1套、廣播14套等，廣播系統(tǒng)見(jiàn)圖4。

圖4 廣播系統(tǒng)

3.2.1 廣播監(jiān)控主機(jī)

為保證廣播系統(tǒng)使用便捷、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，協(xié)議通用性及可擴(kuò)展性，在監(jiān)控調(diào)度中心設(shè)置廣播監(jiān)控主機(jī)一套。通過(guò)視頻系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸音頻數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)船閘的分區(qū)廣播、集中廣播、現(xiàn)地廣播及緊急廣播等。

3.2.2 甚高頻電臺(tái)

甚高頻電臺(tái)設(shè)置在監(jiān)控中心，天線安裝在監(jiān)控中心樓頂，確保安全牢固及防雷。為保證船岸通信，建立管理人員與游船的甚高頻無(wú)線電臺(tái)通信網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)有效區(qū)域內(nèi)的即時(shí)溝通，提升船閘運(yùn)行效率。電臺(tái)工作頻率需在當(dāng)?shù)責(zé)o線電管理委員會(huì)備案并獲得批準(zhǔn)。

3.2.3 廣播智能聯(lián)動(dòng)

根據(jù)船閘運(yùn)行工藝，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶過(guò)閘引導(dǎo)自動(dòng)分區(qū)廣播。智能調(diào)節(jié)白天及夜間廣播音量。自動(dòng)播報(bào)設(shè)備啟動(dòng)及故障報(bào)警信息。通過(guò)與甚高頻無(wú)線電臺(tái)通信、船舶智航終端5G通信集成，實(shí)現(xiàn)調(diào)度中心對(duì)船方的調(diào)度廣播及對(duì)講功能。

4 過(guò)閘引導(dǎo)子系統(tǒng)

針對(duì)旅游船閘船舶過(guò)閘等待時(shí)間短、進(jìn)出閘速度快等過(guò)閘體驗(yàn)要求，為確保船舶快速進(jìn)出閘及靠泊，采用多路徑船舶過(guò)閘引導(dǎo)，協(xié)同配合，保障船舶過(guò)閘安全，提升過(guò)閘效率和體驗(yàn)。除信號(hào)燈、分區(qū)廣播、甚高頻無(wú)線對(duì)講等常規(guī)引導(dǎo)外，過(guò)閘引導(dǎo)系統(tǒng)還采用3D激光船舶探測(cè)、進(jìn)出閘智能燈光引導(dǎo)、靠船墩數(shù)字標(biāo)識(shí)、系船柱數(shù)字標(biāo)識(shí)、禁停線激光標(biāo)識(shí)、LED情報(bào)信息公告，系統(tǒng)構(gòu)成見(jiàn)圖5。

圖5 過(guò)閘引導(dǎo)系統(tǒng)

4.1 3D激光船舶探測(cè)

在船閘上下閘口、閘室上下禁停線、中線共設(shè)置5套3D激光掃描設(shè)備，借鑒汽車無(wú)人駕駛技術(shù)，實(shí)現(xiàn)船舶進(jìn)出閘跟蹤、定位，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)3D展示船舶過(guò)閘及船閘運(yùn)行過(guò)程。每線船閘配置一套3D激光點(diǎn)云專用采集處理單元，雙線船閘配置1套船舶探測(cè)應(yīng)用服務(wù)器，形成3D激光船閘掃描系統(tǒng)，系統(tǒng)構(gòu)成見(jiàn)圖6。

圖6 3D激光船閘掃描系統(tǒng)

3D激光船閘探測(cè)是通過(guò)激光點(diǎn)云技術(shù)對(duì)船閘上下游及閘室內(nèi)進(jìn)行多視角實(shí)時(shí)掃描，單線船閘W形布置的激光掃描設(shè)備，對(duì)船體進(jìn)行全方位掃描，后臺(tái)軟件對(duì)船體進(jìn)行實(shí)時(shí)高精度三維建模與渲染，還原船只真實(shí)形狀，將船只渲染后的模型等比例投放到船閘三維模型中，最終呈現(xiàn)于大屏數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)中，引導(dǎo)船舶順利過(guò)閘，成像過(guò)程見(jiàn)圖7。

圖7 激光點(diǎn)云三維建模渲染

4.2 進(jìn)出閘智能燈光引導(dǎo)

船閘水域邊界設(shè)置全彩條形界限燈，單節(jié)尺寸為1000mm×50mm，材質(zhì)為航空鋁材、內(nèi)部灌膠，鋼化玻璃外罩，單節(jié)12顆LED燈珠，防護(hù)等級(jí)為IP65[3]。通過(guò)DMX512控制總線將條形界限燈串聯(lián)接入引導(dǎo)控制柜。船閘運(yùn)行過(guò)程中，集控PLC將實(shí)施運(yùn)行狀態(tài)輸入引導(dǎo)控制柜，引導(dǎo)控制柜根據(jù)專家預(yù)置好的燈光顯示邏輯更換相應(yīng)區(qū)域的燈光顏色，引導(dǎo)游船快速進(jìn)閘、泊位、出閘，確保游船夜間安全進(jìn)出船閘，見(jiàn)圖8。

4.3 靠船墩、系船鉤數(shù)字標(biāo)識(shí)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在上下引航道兩側(cè)每個(gè)靠船墩邊上設(shè)置LED數(shù)標(biāo)識(shí)顯示墩號(hào)，4面顯示數(shù)字；規(guī)范游船有序?？?，系統(tǒng)通過(guò)就近的廣播通知相應(yīng)墩號(hào)的游船有序過(guò)閘。閘室每處系船溝邊上設(shè)置系船鉤數(shù)字標(biāo)識(shí)[3]，游船進(jìn)閘后，廣播系統(tǒng)自動(dòng)通知游船停泊在相應(yīng)數(shù)字標(biāo)識(shí)邊上的系船溝附近并拴安全繩，確保游船準(zhǔn)備泊位，安全過(guò)閘，提高過(guò)閘效率，增加安全保障，見(jiàn)圖8。

圖8 智能數(shù)字標(biāo)識(shí)燈光引導(dǎo)

4.4 禁停線激光標(biāo)志

為防止游船在通行過(guò)程中被開(kāi)關(guān)狀態(tài)中的閘門碰撞擠壓，設(shè)置肉眼可見(jiàn)的激光禁停線，夜間可在水面形成寬5～10mm的紅色禁停線，廣播系統(tǒng)自動(dòng)提示游船頭部及尾部不能越過(guò)禁停線，當(dāng)游船越過(guò)禁停線時(shí)，激光禁停設(shè)備發(fā)出聲光報(bào)警，船閘運(yùn)行自動(dòng)中止，閘門開(kāi)關(guān)動(dòng)作也會(huì)停止，以免發(fā)生擠壓碰撞事件[3]。

4.5 LED可變情報(bào)板

在船閘中隔墩上下游各設(shè)置一塊全彩LED可變情報(bào)板，顯示過(guò)閘的船舶靠船墩停靠信息、船舶進(jìn)出閘次序、船舶閘室泊位信息、船閘運(yùn)行信息、過(guò)閘安全提示等。

5 智慧管理平臺(tái)

以第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)為核心，智慧管理平臺(tái)集成接入多個(gè)子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)船閘運(yùn)行工況全過(guò)程采集、記錄、智能分析及應(yīng)用。運(yùn)行過(guò)程中，智慧管理平臺(tái)聯(lián)合調(diào)度各子系統(tǒng)，根據(jù)預(yù)置的船閘運(yùn)行邏輯以及前端傳感設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，合理輸出各種運(yùn)行工況，規(guī)避各種風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)之間的協(xié)同工作，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)即時(shí)共享，全面滿足船閘安全、高效智能運(yùn)行，以及船舶智慧運(yùn)行的運(yùn)營(yíng)環(huán)境。智慧管理平臺(tái)見(jiàn)圖9。

圖9 船閘智慧管理平臺(tái)

6 結(jié) 論

通過(guò)監(jiān)控、視頻廣播、過(guò)閘引導(dǎo)等子系統(tǒng)獲取到大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、控制信息、監(jiān)視信息，并傳輸?shù)酱l智慧管理平臺(tái)，通過(guò)一體化、模塊化、智能化及網(wǎng)絡(luò)化，對(duì)船閘運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行智能化大數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)自主應(yīng)對(duì)方案，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[4]。北運(yùn)河甘棠船閘自動(dòng)化系統(tǒng)加大船閘節(jié)能節(jié)時(shí)技術(shù)的研究力度，從技術(shù)和管理角度推動(dòng)數(shù)據(jù)信息化，提高船閘管理效能，保障船閘安全高效運(yùn)行。