船舶過閘服務(wù)智能管控一體化平臺研究

劉祖?zhèn)? 王忠民 潘誠 侯國佼

摘要： 平行智能是一種新型人工智能理論框架，在解決智能交通問題上具有一定的優(yōu)勢。以長江內(nèi)河航道三峽船閘為例，通過分析船舶過閘的業(yè)務(wù)系統(tǒng)和業(yè)務(wù)流程，提出了一種基于平行智能的船舶過閘服務(wù)智能管控一體化平臺架構(gòu)。實踐表明：該智能化平臺可以讓過閘服務(wù)實際系統(tǒng)與人工系統(tǒng)虛實互動，實現(xiàn)對船舶過閘服務(wù)全過程的實時監(jiān)測和智能化管理，提高船舶過閘服務(wù)質(zhì)量和效率。相關(guān)經(jīng)驗可供類似船閘運維單位借鑒。

關(guān)鍵詞：船舶過閘； 平行智能； 智能管控一體化平臺； 三峽船閘

中圖法分類號： U641.7

文獻標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.046

0引 言

隨著信息化、現(xiàn)代化管理手段在船閘行業(yè)的逐步推廣，船舶過閘服務(wù)逐步形成了集船閘、船舶、航道三位一體的綜合管理、調(diào)度指揮和服務(wù)支持的智能運行理論體系，并出現(xiàn)了包括智能運行、智能管理和智能服務(wù)等內(nèi)容的工程應(yīng)用案例［1-2］。面對持續(xù)增長的貨運通過需求［3-4］，從運行管控智能化層面給其再次賦能，成為提升船閘通過能力的一個新途徑。三峽船閘運行單位從船閘工業(yè)控制技術(shù)［5-6］角度探究了智能化的核心需求，解析了影響過閘效率的相關(guān)因素，并提出了船舶從抵達(dá)到駛離船閘全過程的智能輔助基本思路［7］。

本文以三峽船閘為例，提出了一種船舶過閘服務(wù)智能管控一體化平臺。該平臺是基于平行智能理論和技術(shù)［8-10］構(gòu)建的，通過與實際船閘調(diào)度系統(tǒng)、集控系統(tǒng)等子系統(tǒng)之間的虛實互動，對比與分析兩者之間的運轉(zhuǎn)行為差異，來實現(xiàn)對過去及未來狀況的“借鑒”與“預(yù)估”［11］，進而分析出船舶從發(fā)航指揮到出閘指揮全過程的優(yōu)化方案，并針對各個階段動態(tài)制定出最高運行效率建議，從而實現(xiàn)對通航全過程的智能輔助調(diào)度、預(yù)警消息推送、廣播提醒等。

在此過程中，常規(guī)被動的模擬轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫兄鲃拥娜斯ぶ悄芊抡妫l(fā)生由被動到主動、靜態(tài)到動態(tài)、離線到在線的角色轉(zhuǎn)變，最終管控一體化平臺由從屬地位提升到實際船閘調(diào)度系統(tǒng)、集控系統(tǒng)、語音系統(tǒng)等各個子系統(tǒng)上層管控的地位，發(fā)揮其優(yōu)化和完善實際船閘調(diào)度系統(tǒng)、集控系統(tǒng)等各子系統(tǒng)管理與控制的作用，從而實現(xiàn)對船舶過閘服務(wù)的動態(tài)實時智能化管理。

1船舶過閘運行業(yè)務(wù)系統(tǒng)

目前船舶通過三峽通航水域需要根據(jù)業(yè)務(wù)流程經(jīng)過多系統(tǒng)、多方面協(xié)調(diào)，諸如通航調(diào)度指揮系統(tǒng)、船閘控制系統(tǒng)、船閘運行視頻圖像監(jiān)控系統(tǒng)等主要支撐系統(tǒng)，以及船閘廣播指揮系統(tǒng)、船閘監(jiān)測管理系統(tǒng)、船閘甚高頻指揮船舶系統(tǒng)、VTS船舶監(jiān)管系統(tǒng)、政務(wù)網(wǎng)、船閘運行管理系統(tǒng)等輔助業(yè)務(wù)系統(tǒng)，來完成過閘過程數(shù)據(jù)收集、分析、管控與服務(wù)等?，F(xiàn)有過閘業(yè)務(wù)系統(tǒng)功能及作用見表1。

1.1數(shù)據(jù)收集與分析

通航調(diào)度指揮系統(tǒng)具有船舶過閘申報、船舶動態(tài)管理、過閘計劃管理、調(diào)度管理、錨地管理、違章管理、水位和氣象信息、信息發(fā)布和運行管理等功能。該系統(tǒng)提供的水位和氣象信息、船舶航行動態(tài)、發(fā)航動態(tài)等是船舶過閘管控與服務(wù)必不可少的元素。船閘監(jiān)測管理系統(tǒng)對船閘機電設(shè)備運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測和管理，是保證船閘安全運行最重要的一環(huán)。

VTS船舶監(jiān)管系統(tǒng)在電子海圖上顯示所有船舶航位、航向、航速等可視化船舶動態(tài)信息。監(jiān)管人員通過監(jiān)控終端對船舶的動態(tài)信息進行監(jiān)控和管理。船閘運行管理系統(tǒng)實現(xiàn)船閘運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，并對船舶過閘情況進行實時反饋。

1.2數(shù)據(jù)運行與管控

船閘控制系統(tǒng)主要用以實現(xiàn)船閘運行設(shè)備的自動化控制，船閘工作閘門、工作閥門、防撞裝置等設(shè)備都通過其進行程序化運行，它不僅是船閘運行操作的基礎(chǔ)與動作端，也是船閘管控一體化質(zhì)量管理的反饋端。船閘運行視頻圖像監(jiān)控系統(tǒng)主要用以實現(xiàn)船舶過閘全過程視頻監(jiān)控，也是操作員下發(fā)運行指令最重要的參考因素。船閘廣播指揮系統(tǒng)通過廣播進行船舶指揮和引導(dǎo)，輔助甚高頻系統(tǒng)對閘室內(nèi)船舶進行指揮。船閘甚高頻船舶指揮系統(tǒng)用以實現(xiàn)船舶過閘指揮與信息服務(wù)，是船閘和船方最常用的溝通平臺。

1.3政務(wù)網(wǎng)

政務(wù)網(wǎng)面向船方和社會提供統(tǒng)一的通航信息服務(wù)和信息發(fā)布服務(wù)，主要內(nèi)容包括通航公告、調(diào)度計劃、水情氣象、航道維護、海事管理等，并對可能影響船舶過閘的情況進行及時通報和反饋。

通過以上業(yè)務(wù)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與管控，基本可實現(xiàn)船舶從進入三峽流域到駛離船閘的業(yè)務(wù)元素全覆蓋。通過管控一體化平臺，將系統(tǒng)中所有影響船舶過閘的因素進行顯現(xiàn)化、數(shù)據(jù)化，將實際船閘運行管理系統(tǒng)的所有質(zhì)量管理因素進行統(tǒng)一管理和評估，實現(xiàn)船舶過閘流程中的智能化管理。

2船舶過閘具體業(yè)務(wù)流程

目前船舶過閘的業(yè)務(wù)流程主要包括船舶調(diào)度業(yè)務(wù)流程、船舶進閘及移泊過閘業(yè)務(wù)流程、船閘運行業(yè)務(wù)流程和特殊運行情況等4個業(yè)務(wù)流程，每個業(yè)務(wù)包含眾多影響因素節(jié)點，其業(yè)務(wù)過程如下。

2.1船舶調(diào)度業(yè)務(wù)流程

船閘運行調(diào)度指揮主要體現(xiàn)在發(fā)航到出閘的過程，有以下5個流程節(jié)點進行條件判斷輔助、信息反饋和動靜態(tài)監(jiān)視。

（1） 發(fā)航期間。發(fā)航期間調(diào)度業(yè)務(wù)包括船舶定位，通過北斗定位系統(tǒng)及時對船舶位置進行檢測，指揮船舶統(tǒng)一調(diào)度和安排，避免偏航或者不能按計劃時間到達(dá)指定位置的情況。

（2） 待閘期間。待閘期間調(diào)度業(yè)務(wù)包括船閘登記情況及時申報，了解過閘船舶安全設(shè)備等信息和船舶定位信息，及時了解船舶動態(tài)，對所有過閘船舶進行統(tǒng)一調(diào)度和安排，提高整體運行效率。

（3） 進閘期間。進閘期間調(diào)度業(yè)務(wù)包括對船舶位置信息進行實時定位，檢測船舶是否正常進閘；對船閘設(shè)備運行情況進行實時跟蹤，檢測是否會出現(xiàn)設(shè)備異常、檢修等影響船舶過閘效率的情況。

（4） 移泊期間。船舶移泊期間調(diào)度業(yè)務(wù)主要是對船舶進行實時定位，當(dāng)船閘操作人員下達(dá)關(guān)閉閘門指令時，船閘定位系統(tǒng)和圖像監(jiān)控系統(tǒng)可以輔助判斷是否會有閘室漏船，以及人字門區(qū)域是否有船，避免人為失誤造成事故損失。

（5） 出閘期間。船舶出閘期間調(diào)度業(yè)務(wù)主要是及時通知船舶出閘和安全提醒，如果出現(xiàn)異常天氣等情況，也會及時安排船舶做好相應(yīng)準(zhǔn)備。

2.2船舶進閘及移泊過閘業(yè)務(wù)流程

船閘進閘及移泊過閘業(yè)務(wù)流程主要是與船方進行全方位、全時段、全流程的數(shù)據(jù)交互及人機溝通，主要包括以下3個流程節(jié)點。

（1） 船舶待閘。船舶在待閘期間，船舶和船閘操作員會實時進行甚高頻溝通，對船舶情況進行實時監(jiān)護和安排。通過監(jiān)控系統(tǒng)可以對通話錄音進行收錄和保存，以便存檔留證。

（2） 進閘及移泊過程。通過大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，當(dāng)船舶移泊時間超過正常運行范圍時，可通過相關(guān)系統(tǒng)平臺進行預(yù)警和提示。

（3） 設(shè)備運行監(jiān)護。通過北斗定位系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)對過閘船舶進行實時監(jiān)控，檢測船舶是否移泊完畢，并及時給集控操作人員提供下一步操作建議。

2.3船閘運行業(yè)務(wù)流程

船閘運行過程業(yè)務(wù)主要是對船閘設(shè)備進行實時監(jiān)測，包括以下兩個方面。

（1） 船閘運行工藝監(jiān)測。船閘在配合船舶過閘期間用到的設(shè)備主要有人字門、反弧門、水位計等。船舶從導(dǎo)航墻進閘開始，在集控人員下達(dá)指令后，人字門和反弧門按照設(shè)定好的程序指令運行，輔助船舶進入下一閘室或者出閘。

（2） 船閘設(shè)備運行實時監(jiān)測。在船閘運行時，不僅需要對運行工藝對應(yīng)的設(shè)備運行情況進行監(jiān)測，輔助設(shè)備的監(jiān)測也必不可少，它們對于保障船閘設(shè)備設(shè)施運行同樣起著重要作用，例如油位變化、水位計變化、風(fēng)速變化、變電所負(fù)荷開關(guān)運行情況等。

3船舶過閘服務(wù)智能管控一體化平臺架構(gòu)

管控一體化平臺是一個跨系統(tǒng)的平臺系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對資源層、過程監(jiān)視層、現(xiàn)場控制層、現(xiàn)場設(shè)備層等各個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行收集、整合、分析和利用。該平臺作為跨系統(tǒng)的橋梁，能夠與其他層次的系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互和協(xié)作，提高數(shù)據(jù)溝通和共享的效率和質(zhì)量。

3.1管控一體化平臺業(yè)務(wù)流程

管控一體化平臺利用船閘目前使用的八大業(yè)務(wù)系統(tǒng)（政務(wù)網(wǎng)除外），對船舶從進入過閘區(qū)域到離開引航道4個主要業(yè)務(wù)流程進行監(jiān)測和反饋，對船舶過閘實現(xiàn)全面動態(tài)的智能管理，將船舶過閘的業(yè)務(wù)節(jié)點進行具體化和顯現(xiàn)化，有助于推進船閘各個系統(tǒng)的深度融合，為船閘實現(xiàn)少人值守、無人操作、遠(yuǎn)程監(jiān)控、自主運行提供有效的技術(shù)路徑。船閘智能管控一體化平臺頂層設(shè)計框架如圖1所示。

管控一體化平臺基于業(yè)務(wù)架構(gòu)設(shè)計，對船舶過閘過程中相關(guān)的系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)識別讀取，從而對船舶過閘服務(wù)進行全面監(jiān)測和管理。通過對船舶過閘的平行監(jiān)管，管控一體化平臺能夠在故障發(fā)生前進行合理化安排，并開展主動性和針對性的檢修和干預(yù)，從而提前消除隱患，預(yù)防事故和故障的發(fā)生。

3.2管控一體化平臺業(yè)務(wù)架構(gòu)

根據(jù)船舶過閘的業(yè)務(wù)流程，管控一體化平臺訪問和讀取所有數(shù)據(jù)，并根據(jù)船舶閘次的時間順序和過閘情況對船舶過閘動態(tài)進行實時展示，包括船舶發(fā)航情況、船舶信息、船舶順序、閘次動態(tài)等，展示效果如圖2所示。

同時，管控一體化平臺對船舶過閘過程中的重要數(shù)據(jù)和信息進行實時跟蹤，包括船舶過閘時船閘設(shè)備運行情況、風(fēng)速天氣情況、人員操作情況等，監(jiān)測效果如圖3所示。

將管控一體化平臺功能進行分類，可以劃分為流程控制模塊、效率評估模塊、船閘伺服模塊、過程調(diào)度模塊和數(shù)據(jù)篩除模塊，進而實現(xiàn)對過閘服務(wù)中所有影響船舶過閘因素的顯現(xiàn)化和數(shù)據(jù)化，對實際船閘運行管理系統(tǒng)的所有質(zhì)量管理因素進行統(tǒng)一管理和評估，并給出相應(yīng)的輔助建議，實現(xiàn)船舶過閘流程的智能化管理。數(shù)據(jù)流關(guān)系如圖4所示，具體模塊介紹如下。

（1） 流程控制模塊負(fù)責(zé)對所有過閘流程進行系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化、自動化管理。該模塊的作用是用于規(guī)范和固化作業(yè)流程，減少人工作業(yè)隨機性失誤和過程延遲。

（2） 效率評估模塊負(fù)責(zé)對流程數(shù)據(jù)進行處理，根據(jù)預(yù)設(shè)算法對過閘流程進行全方位的智能評估。該模塊的作用是提高過閘效率和質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)和解決存在的問題和隱患。

（3） 船閘伺服模塊負(fù)責(zé)對船閘各種數(shù)據(jù)進行匯總、轉(zhuǎn)運和存儲，包括船閘設(shè)備的部分關(guān)鍵實時參數(shù)、船閘監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)備監(jiān)測信息、預(yù)警系統(tǒng)的相關(guān)預(yù)警信息等。

（4） 過程調(diào)度模塊是指與過閘流程相關(guān)的各種數(shù)據(jù)，主要包括船舶信息、航行信息和一體化平臺記錄的部分調(diào)度信息。過程調(diào)度模塊負(fù)責(zé)對不同閘次的航班信息進行匯總和整理，確保不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可以正確預(yù)關(guān)聯(lián)，降低流程控制模塊的工作量。

（5） 數(shù)據(jù)篩除模塊負(fù)責(zé)對外來數(shù)據(jù)進行自動化過濾、監(jiān)測、警示和分類。

3.3管控一體化平臺作用

管控一體化平臺是一個智能化的系統(tǒng)，借助平行管控技術(shù)和超實時仿真技術(shù)，對船舶過閘過程進行模擬、預(yù)測、提醒和優(yōu)化，實現(xiàn)過閘服務(wù)過程的自動化、智能化提醒和決策支持，從而提高生產(chǎn)過程的效率和質(zhì)量。

（1） 船閘運行操作的質(zhì)量管理。

國內(nèi)船閘目前多采用的是半自動運行方式，需要人工確認(rèn)船舶是否已經(jīng)靠泊完畢。智能管控一體化平臺可以根據(jù)船閘工作流程和船舶移泊信息智能判斷船舶是否移泊到位，并輔助提醒集控操作人員及時準(zhǔn)確關(guān)閉閘門，從而避免人為因素導(dǎo)致過閘效率不高的情況。

（2） 設(shè)備運行效能的質(zhì)量管理。

由于多級船閘工作流程比較復(fù)雜，影響船閘設(shè)備運行效能的因素很多，例如水位不同船閘運行級數(shù)不同、設(shè)備設(shè)施運行維護等。通過對業(yè)務(wù)流程的實時監(jiān)控，智能管控一體化平臺可對各種影響船閘設(shè)備設(shè)施安全的隱患進行預(yù)警提示，例如液壓設(shè)備的油位變化預(yù)警、設(shè)備壓力的監(jiān)測預(yù)警、主要設(shè)備的故障預(yù)警、不同季節(jié)老舊磨損更換和使用壽命到期的預(yù)警等。

（3） 船舶航行績效的設(shè)備管理。

通過對過往通航數(shù)據(jù)情況的統(tǒng)計，可以對影響過閘效率的主要因素自主設(shè)置預(yù)警線。例如船舶從錨地到靠船墩的時間預(yù)警、船舶從導(dǎo)航墻到進閘的時間預(yù)警、船舶從末級閘室出閘的時間預(yù)警等。當(dāng)船舶運行時間超過限值時，可提醒相關(guān)人員核實船只是否出現(xiàn)故障或者其他影響船舶移泊的情況，從而提高航道利用效率和移泊效率。

4結(jié) 論

（1） 船閘智能管控一體化平臺解決了船舶過閘過程中各種復(fù)雜系統(tǒng)間的信息孤島問題，通過與其他系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)交換和共享機制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和互通，避免了系統(tǒng)之間因缺乏有效數(shù)據(jù)交換和共享導(dǎo)致的數(shù)據(jù)重復(fù)采集、存儲和處理，造成資源浪費和信息不一致。

（2） 船閘智能管控一體化平臺可以解決信息利用率低的問題。平臺通過對收集到的數(shù)據(jù)進行篩選、整合、分析、預(yù)警等處理，提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量和效率，避免了因為人工主觀分析而導(dǎo)致數(shù)據(jù)功能不能充分發(fā)揮。

（3） 對于生產(chǎn)過程中可能發(fā)生的異常情況或事故，船閘智能管控一體化平臺可全過程監(jiān)測、調(diào)度、監(jiān)控和評估，并對船舶過閘服務(wù)進行最優(yōu)化建議和管控，以此提高船閘服務(wù)質(zhì)量，并降低運行風(fēng)險。

參考文獻：

［1］豐瑋，王迅，楊本.京杭運河徐楊段智能過閘管理系統(tǒng)的構(gòu)建與實踐［J］.中國水運，2014（61）：11-14.

［2］劉祖?zhèn)?，胡航，熊錦玲.三峽船閘智能自動化運行方式的可行性研究［J］.水運工程，2021（3）：7-12.

［3］馬海峰.三峽樞紐過閘貨運量預(yù)測分析及對策研究［J］.中國水運，2015（3）：6-9.

［4］唐冠軍.三峽船閘通過能力分析及對策建議［J］.綜合運輸，2004，7（24）：16-19.

［5］段波，范鍇，馬小俊.三峽永久船閘控制系統(tǒng)研究［J］.水利水電快報，2002，23（4）：3-5.

［6］董博文.三峽五級船閘監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計中的主要問題及對策［J］.水利發(fā)電，2003（12）：75-77，85.

［7］王忠民，楊全林，金俊.三峽船閘通過系統(tǒng)與智能運行模式探討［J］.水運工程，2020（2）：98-102，116.

［8］呂宜生，陳圓圓，金峻臣，等.平行交通：虛實互動的智能交通管理與控制［J］.智能科學(xué)與技術(shù)學(xué)報，2019，1（1）：21-33.

［9］孔繁宇，侯偉.基于城市智能交通的平行系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.黑龍江交通科技，2016（8）：153-155.

［10］王飛躍.平行系統(tǒng)方法與復(fù)雜系統(tǒng)的管理和控制［J］.控制與決策，2004，19（5）：485-489，514.

［11］寧濱.平行軌道交通系統(tǒng)［J］.智能科學(xué)與技術(shù)學(xué)報，2019，1（3）：215-218.

（編輯：胡旭東）