人工微干預自動化船閘運行控制技術研究

高杰 陳璐 孫俊峰 史丹

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

關鍵詞：船閘;自動化;運行

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

1前言

江蘇省內河航道網絡密布，航道總里長約2.4萬公里，其中規劃三級以上的高等級航道里程約2363公里，內河貨運量占全省綜合貨運量的三分之一，貨運周轉量占全省綜合貨運周轉量的一半，是名符其實的水運大省。水路運輸具有成本低、運量大的優勢，但與其它運輸形式相比，信息化進展相對滯后，在一定程度上制約了水運事業的快速發展。“智慧船閘”作為江蘇水運信息化建設的重要目標，近年來開展了廣泛的技術研究和試點應用工作。

本文以船閘在套閘運行時對應于“上閘門至下閘門”這一最小運行空間區段為例，就“智慧船閘”領域中“人工微干預自動化運行控制技術”進行探討。

2人工微干預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地分散運行和遠程集中控制運行兩種運行控制模式，而人工微干預自動化船閘還應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換。

對應于“上閘門至下閘門”這一最小運行空間區段為例，船閘“自動運行”的標準流程為：①自動關閉上游閘門→②自動打開下游閥門→③自動打開下游閘門→④自動關閉下游閥門→⑤自動打開下游進閘綠燈（上行進閘紅燈轉綠燈）→⑥自動關閉下游閘門→⑦自動打開上游閥門→⑧自動打開上游閘門→⑨自動關閉上游閥門→⑩自動打開上游進閘綠燈（下行進閘紅燈轉綠燈）。

3人工微干預自動化船閘運行安全風險評估

3.1人工微干預自動化船閘運行安全風險點

對應于“上閘門至下閘門”這一最小運行空間區段為例，與開或關閘門、開或關閥門、進閘紅綠燈控制這幾項控制動作高度相關的安全風險點如表1所示。

此外，船舶超高超速或超載進出閘、雨霧冰雪等較差氣象條件、船閘機電設備運行故障等也是不可忽視的安全風險點，在船閘自動化運行整體方案設計時應一并考慮。

3.2人工微干預自動化船閘運行安全風險評估

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

Ri=Cs× Pr

式中：Ri為風險值;

Cs為后果分值;

Pr為可能性分值。

4人工微干預自動化船閘運行技術條件

增設外場感知設備、提升運行現場運行風險的感知能力，是實現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險的前提下，基于外場感知增強方案的人工微干預自動化運行中各動作發生的必要條件如下：

4.1自動“關閉上游閘門”條件

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

（1）上述條件為自動“關閉上游閘門”的必要條件，參與PLC運行控制;

（2）船舶進閘數量信號由外場感知設備采集，與智能調度信息系統相關調度信息比對后，輸出結果參與PLC程序運行控制;

（3）閘門關閉過程中無危險物體/船舶接近信號采集，由外場感知設備（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，人工確認危險消除后，閘門繼續運行;

（4）船舶進閘身份信號由外場感知設備采集，與智能調度信息系統相關調度信息比對結果用于船舶身份驗證、稽查報警等，因不匹配現象僅為偶發，所以船舶進閘身份識別目前不參與運行控制;

（5）船舶進閘數量信號外場感知設備與智能調度網在同一網絡，比對結果輸出參與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備與控制網在同一規劃網絡，監測結果參與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+上閘門關閉時錯位信號采集+下行進閘船舶越限檢測+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）感知設備與PLC設備同網絡，檢測結果參與PLC運行控制;

（3）下行進閘船舶越限檢測+下閘首船舶安全偵測均始于上閘門關閉到位。若檢測結果異常，立即發出聲、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行偵測，結果作聲光語音報警通知，能確保偵測準確的前提下也可參與PLC自動“打開下游閥門”控制;

（5）閘門關閉錯位信號采集包括接近開關信號和視頻監測信號（人字門）。檢測發現異常則不能泄水，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），則觸發語音播報，同時強落閥門;

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）感知設備與PLC設備同網絡，檢測結果參與PLC運行控制;

（3）人字形閘門本身安裝有門頭開關，因此閘室內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“關閉下游閥門”條件

自動“關閉下游閥門”互鎖條件判定。

（1）上述為自動“關閉下游閥門”必要條件，參與PLC運行控制;

4.5自動“打開進閘綠燈”條件

閘門開到位+閘室內調度船舶出清+同向調度指令發出。

（1）上述為自動“打開進閘綠燈”必要條件，參與PLC運行控制;

（2）調度系統上行調度指令的發出是“打開進閘綠燈”的觸發條件，這里控制系統與調度系統需要進行數據交換;

4.6其它技術條件

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

5其它要求

（1）航閘全息智能感知網建設是智慧船閘不可或缺的環節，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與智能調度系統數據交換和業務協同，技術路徑應充分考慮網際邊界安全問題;

（3）功能設計與感知網布設應充分考慮費效比和運行效率，力求安全第一、效率優先、功能完善三者平衡;

（4）基于船閘自動化運行監測、業務協同、遠程控制等運行要求，模擬量數據及監測終端幾何級增加，需對船閘控制系統網絡架構進行頂層設計;

（5）人工微干預自動化船閘運行過程中應為現場巡檢人員提供緊急狀態下的應急處置手段（如暫停、急停、強落及故障告警等）;

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

6 結語

船舶過閘是一個復雜的過程，影響安全的因素較多，人工微干預自動化船閘需要在全面評估船閘安全運行風險的前提下，通過構建自動化船閘運行控制標準化流程，完善預防預控體系，強化運行環境及設備動態感知能力，在航、閘、船、水一體化協同運行指揮體系下實現人工微干預船閘“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。