數(shù)字船閘建設(shè)相關(guān)技術(shù)研究

陳國(guó)仁，王小峰，李炳源

（1.北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120；2.湖北省漢江崔家營(yíng)航電樞紐管理處，襄陽(yáng) 441000）

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數(shù)字船閘建設(shè)相關(guān)技術(shù)研究

陳國(guó)仁1，王小峰2，李炳源2

（1.北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120；2.湖北省漢江崔家營(yíng)航電樞紐管理處，襄陽(yáng) 441000）

摘 要：對(duì)“數(shù)字船閘”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與研究，實(shí)現(xiàn)船閘管控一體化，船閘運(yùn)營(yíng)管理自動(dòng)化。

關(guān)鍵詞：數(shù)字船閘；監(jiān)控系統(tǒng)；調(diào)度

0　引言

水運(yùn)交通是目前物流運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分，水運(yùn)因其運(yùn)輸成本低、運(yùn)量大等優(yōu)點(diǎn)，在大宗物資運(yùn)輸過(guò)程中，與鐵路、公路等陸運(yùn)運(yùn)輸形式比較，水運(yùn)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。船閘是構(gòu)建高等級(jí)航道、打造“水上高速公路”的必要設(shè)施。隨著“十二五規(guī)劃”的完成，我國(guó)內(nèi)陸多個(gè)水系上的高等級(jí)航道及數(shù)百座船閘已建設(shè)完畢，水路交通網(wǎng)已初具規(guī)模。

“十三五規(guī)劃”中航道升級(jí)將是水運(yùn)建設(shè)的重點(diǎn)，其中打造“智能航道”及“生態(tài)航道”將是航道升級(jí)的主要任務(wù)。船舶從出發(fā)港到目的港在航道行駛的全過(guò)程均能被準(zhǔn)確定位并保證信息暢通，確保船舶快速、安全、有序的行駛是“智能航道”的基本要求。構(gòu)建“數(shù)字航道”、“數(shù)字船閘”是打造“智能航道”的基礎(chǔ)。本文著重介紹“數(shù)字船閘”建設(shè)。

信息化與工業(yè)化的融合發(fā)展是推動(dòng)我國(guó)現(xiàn)代化的戰(zhàn)略選擇，黨的十七大提出“大力推進(jìn)信息化和工業(yè)化融合”。“數(shù)字船閘”在此背景下應(yīng)運(yùn)而生，運(yùn)用信息技術(shù)，通過(guò)對(duì)各子系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和集成，實(shí)現(xiàn)船閘調(diào)度與監(jiān)控的自動(dòng)化，管理信息化，規(guī)范過(guò)閘流程、實(shí)現(xiàn)船閘管控一體的現(xiàn)代化船閘管理模式。

1　船閘監(jiān)控系統(tǒng)

船閘是大型水利樞紐、水電站的附屬通航設(shè)施，使得船舶能夠克服水利樞紐、水電站形成的水位差。船閘是渠化航道、打造高等級(jí)航道的必要設(shè)施。船閘監(jiān)控系統(tǒng)作為船閘機(jī)電設(shè)備運(yùn)行控制的“大腦”，負(fù)責(zé)控制船閘各種機(jī)電設(shè)備、通航指揮系統(tǒng)以及通航輔助設(shè)施嚴(yán)格按照過(guò)閘工藝協(xié)調(diào)運(yùn)行，同時(shí)檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行信息、監(jiān)視船閘設(shè)備及過(guò)閘船舶運(yùn)行情況。

船閘監(jiān)控系統(tǒng)為集散型控制系統(tǒng)，包括計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)（集中監(jiān)控系統(tǒng)和現(xiàn)地控制系統(tǒng)）、工業(yè)電視系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)、運(yùn)營(yíng)調(diào)度系統(tǒng)、供配電/照明控制系統(tǒng)、通航信號(hào)指揮系統(tǒng)等。船閘監(jiān)控系統(tǒng)具備如下功能：船閘運(yùn)行監(jiān)控及過(guò)閘船舶調(diào)度管理、船閘設(shè)備運(yùn)行保護(hù)監(jiān)測(cè)及管理、船閘運(yùn)行視頻圖像監(jiān)視、交通指示信號(hào)自動(dòng)控制、自動(dòng)/人工分區(qū)域廣播、調(diào)度通訊及其他功能。

目前國(guó)內(nèi)多數(shù)船閘調(diào)度系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)等各子系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，很少進(jìn)行相互間信息交互。“數(shù)字船閘”要求各子系統(tǒng)以控制系統(tǒng)和運(yùn)營(yíng)調(diào)度系統(tǒng)為核心，采集其他子系統(tǒng)的狀態(tài)信息，并根據(jù)船閘運(yùn)行工藝自動(dòng)控制各子系統(tǒng)的運(yùn)行。

1） 船閘控制系統(tǒng)與工業(yè)電視系統(tǒng)信息交互，可實(shí)現(xiàn)船閘監(jiān)控視頻圖像自動(dòng)跟蹤功能，根據(jù)船閘運(yùn)行狀態(tài)在集控室大屏幕上自動(dòng)調(diào)用顯示相關(guān)畫(huà)面，并可實(shí)現(xiàn)緊急情況自動(dòng)抓拍功能。通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)船閘閘門關(guān)閉實(shí)時(shí)監(jiān)控圖像的分析可實(shí)現(xiàn)閘門自動(dòng)防撞、防夾功能，該功能是船閘監(jiān)控操作實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的必要技術(shù)。

2）船閘控制系統(tǒng)與廣播系統(tǒng)信息交互，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)廣播、人工定向分區(qū)域廣播等功能，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)廣播功放等設(shè)備自動(dòng)休眠，使用時(shí)自動(dòng)喚醒功能，不但降低了設(shè)備能耗，設(shè)備的使用壽命也大大提高。

3）船閘控制系統(tǒng)與供配電/照明系統(tǒng)信息交互，實(shí)現(xiàn)船閘供配電系統(tǒng)的“三遙”功能，將船閘供配電設(shè)備、室外照明的監(jiān)控納入船閘監(jiān)控系統(tǒng)，船閘變電所實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，船閘照明實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，減少船閘運(yùn)行電耗。船閘管理系統(tǒng)與配電監(jiān)視系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)用電負(fù)荷統(tǒng)計(jì)及能耗分析，為降低船閘運(yùn)行能耗提供依據(jù)。

4）船閘控制系統(tǒng)與運(yùn)營(yíng)調(diào)度系統(tǒng)信息交互，實(shí)現(xiàn)船閘管控一體化，船閘運(yùn)營(yíng)管理真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

5） 船閘控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)機(jī)電設(shè)備信息交互，實(shí)現(xiàn)船閘機(jī)電設(shè)備智能診斷功能。目前的控制系統(tǒng)與機(jī)電設(shè)備信息交互只是做到了對(duì)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄、報(bào)警停機(jī)等保護(hù)功能。船閘機(jī)電設(shè)備智能診斷系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)分析各機(jī)電設(shè)備一段時(shí)間以來(lái)的運(yùn)行數(shù)據(jù)及曲線，比對(duì)設(shè)備正常的運(yùn)行數(shù)據(jù)及曲線，判斷設(shè)備的性能及磨損情況，對(duì)工作到壽命極限的設(shè)備進(jìn)行預(yù)警，提示維護(hù)人員及時(shí)更換相應(yīng)的設(shè)備，從而減少設(shè)備故障停機(jī)時(shí)間。對(duì)于一個(gè)單位管理的多個(gè)船閘，可建立統(tǒng)一的智能診斷云平臺(tái)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)多個(gè)船閘機(jī)電設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理診斷。

2　船閘運(yùn)營(yíng)調(diào)度系統(tǒng)

2.1現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

隨著我國(guó)水運(yùn)物流業(yè)的持續(xù)發(fā)展，內(nèi)河航道通行的船舶數(shù)量、運(yùn)量逐年增多，國(guó)內(nèi)多個(gè)大型水利樞紐、水電站已開(kāi)始擴(kuò)建雙線、三線甚至是四線船閘。京杭運(yùn)河最繁忙的蘇北段已全部建成三線船閘，三峽船閘擴(kuò)建三線四線船閘也已提上議程。隨著內(nèi)河流域航道等級(jí)不斷提升，多線船閘運(yùn)行調(diào)度復(fù)雜，待閘船舶滯留情況逐漸增多，船閘已成為提升內(nèi)河航道運(yùn)量的瓶頸。傳統(tǒng)的人工調(diào)度船舶過(guò)閘的模式效率低下，以控制系統(tǒng)和運(yùn)營(yíng)調(diào)度系統(tǒng)為核心的聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)將成為數(shù)字化船閘的發(fā)展方向。

目前交通部正大力推廣北斗船舶定位系統(tǒng)，在內(nèi)河航道上安裝北斗定位終端的船舶也越來(lái)越多。北斗終端不僅有船舶定位功能，還能實(shí)現(xiàn)船舶自動(dòng)過(guò)閘報(bào)到、自動(dòng)繳費(fèi)和過(guò)閘信息發(fā)布等附加功能，與船閘調(diào)度系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)后過(guò)閘效率將大大提高。開(kāi)發(fā)與北斗定位終端的接口，也是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化船閘的關(guān)鍵技術(shù)。

在國(guó)內(nèi)收取過(guò)閘費(fèi)的船閘中，目前絕大多數(shù)均采用船員上岸人工繳費(fèi)的方式，船員一次繳費(fèi)時(shí)間需要數(shù)小時(shí)。開(kāi)發(fā)水上ETC系統(tǒng)，也能實(shí)現(xiàn)船舶自動(dòng)過(guò)閘報(bào)到、自動(dòng)繳費(fèi)，提高過(guò)閘效率。水上ETC系統(tǒng)推廣成本要低于北斗終端系統(tǒng)，更適合大面積推廣。

船閘自動(dòng)調(diào)度系統(tǒng)結(jié)合北斗終端及水上ETC系統(tǒng)，不僅提高了船舶過(guò)閘效率，還能減少船舶過(guò)閘調(diào)度及收費(fèi)過(guò)程中的人工干預(yù)，是實(shí)現(xiàn)船閘減員增效和廉政建設(shè)的有效手段。

在“數(shù)字船閘”系統(tǒng)中，調(diào)度系統(tǒng)基于自動(dòng)控制系統(tǒng)、ETC系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)、水文系統(tǒng)、北斗系統(tǒng)等各子系統(tǒng)，對(duì)船閘數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、發(fā)布，由此共同構(gòu)建了完整的管控系統(tǒng)，以此實(shí)現(xiàn)船閘管理的信息化、監(jiān)控調(diào)度的自動(dòng)化，規(guī)范過(guò)閘流程、實(shí)現(xiàn)船閘管控一體化，真正實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化船閘管理模式。

2.2“數(shù)字船閘” 船舶過(guò)閘流程

船舶過(guò)閘調(diào)度流程有以下四步：

1）船舶上傳運(yùn)單、報(bào)到、繳費(fèi)，目前國(guó)內(nèi)船閘大部分需要船員上岸報(bào)道繳費(fèi)，也有部分船閘實(shí)現(xiàn)“水上ETC”自動(dòng)報(bào)道繳費(fèi)；

2）聯(lián)合調(diào)度、船舶編隊(duì)，根據(jù)報(bào)道船舶參數(shù)進(jìn)行編隊(duì)調(diào)度；

3）根據(jù)船閘狀態(tài)及工況優(yōu)先級(jí)別對(duì)以上船隊(duì)進(jìn)行排檔；

4）船舶過(guò)閘。

“數(shù)字船閘”的自動(dòng)調(diào)度的目標(biāo)是結(jié)合當(dāng)前的工況、水文、優(yōu)先規(guī)則等條件將待閘船舶按照既定算法輸入?yún)?shù)，將待閘船舶進(jìn)行編隊(duì)、排擋，由系統(tǒng)發(fā)出明確的調(diào)度指令，實(shí)現(xiàn)船舶有序快速過(guò)閘。

2.3“數(shù)字船閘”其他相關(guān)技術(shù)

圖1　“數(shù)字船閘”船舶過(guò)閘流程圖

1）航道航運(yùn)地圖：航運(yùn)電子地圖，并在地圖上標(biāo)明地區(qū)名稱、碼頭、礙航設(shè)施等，并實(shí)時(shí)顯示船舶航行位置（僅限裝有北斗定位系統(tǒng)的船舶）、船舶待閘狀態(tài)及船舶基本信息。

2）流域梯級(jí)船閘聯(lián)合調(diào)度：梯級(jí)船閘聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)遵循“統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一指揮、集中監(jiān)控”的原則，采取“一次申報(bào)、統(tǒng)一計(jì)劃、分閘實(shí)施”的調(diào)度程序，實(shí)現(xiàn)流域梯級(jí)船閘優(yōu)化調(diào)度。

梯級(jí)船閘統(tǒng)一申報(bào)，實(shí)現(xiàn)方式：短信、北斗報(bào)閘、互聯(lián)網(wǎng)。

梯級(jí)船閘統(tǒng)一收費(fèi)，實(shí)現(xiàn)方式：水上ETC自動(dòng)繳費(fèi)和到閘人工繳費(fèi)。

違章統(tǒng)一管理：將整個(gè)流域船閘的船舶違章記錄，統(tǒng)一到一個(gè)數(shù)據(jù)平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)違章的統(tǒng)一記錄、查詢等功能。

船舶到閘預(yù)測(cè)：根據(jù)船舶過(guò)閘等級(jí)情況、相鄰船閘船舶過(guò)閘情況及歷史同期本船閘過(guò)閘情況，推算出72小時(shí)、48小時(shí)、24小時(shí)內(nèi)到閘的船舶數(shù)量。為本船閘過(guò)閘調(diào)度優(yōu)化提供依據(jù)。

3）數(shù)據(jù)庫(kù)異地容災(zāi)：流域船舶調(diào)度數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)中整個(gè)流域上航行的所有船舶數(shù)據(jù)信息，包括船舶基本信息、本次航行信息、船舶航行動(dòng)態(tài)信息、船舶繳費(fèi)及違章信息等，數(shù)據(jù)一旦紊亂、丟失將造成巨大損失，建立數(shù)據(jù)庫(kù)異地容災(zāi)系統(tǒng)是十分必要的。

3　結(jié)束語(yǔ)

“數(shù)字船閘”以調(diào)度系統(tǒng)為核心，與自動(dòng)控制系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)、廣播通訊系統(tǒng)、ETC技術(shù)、北斗定位等技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)船閘全區(qū)域內(nèi)的管控一體化，減少船舶待閘時(shí)間，提高過(guò)閘效率；運(yùn)用信息技術(shù)，通過(guò)開(kāi)發(fā)和集成，實(shí)現(xiàn)船閘監(jiān)控、調(diào)度的自動(dòng)化、數(shù)字化和管理信息化，規(guī)范過(guò)閘流程、實(shí)現(xiàn)船閘管控一體化的現(xiàn)代化船閘管理模式。

參考文獻(xiàn)：

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Research on related technology of digital lock construction

CHEN Guo-ren1， WANG Xiao-feng2， LI Bing-yuan2

中圖分類號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-0134（2016）05-0170-03

收稿日期：2016-03-15

作者簡(jiǎn)介：陳國(guó)仁（1976 -），男，吉林人，工程師，碩士，主要從事船閘電氣與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)施工的工作。