人工微干預(yù)自動(dòng)化船閘運(yùn)行控制技術(shù)研究

高杰 陳璐 孫俊峰 史丹

摘 要：本文以船閘在套閘運(yùn)行時(shí)對(duì)應(yīng)于“上閘門(mén)至下閘門(mén)”這一最小運(yùn)行空間區(qū)段為例，探討船閘人工微干預(yù)自動(dòng)化運(yùn)行控制技術(shù)。

關(guān)鍵詞：船閘;自動(dòng)化;運(yùn)行

中圖分類(lèi)號(hào)：U662.9? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）09-0077-03

1前言

江蘇省內(nèi)河航道網(wǎng)絡(luò)密布，航道總里長(zhǎng)約2.4萬(wàn)公里，其中規(guī)劃三級(jí)以上的高等級(jí)航道里程約2363公里，內(nèi)河貨運(yùn)量占全省綜合貨運(yùn)量的三分之一，貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量占全省綜合貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量的一半，是名符其實(shí)的水運(yùn)大省。水路運(yùn)輸具有成本低、運(yùn)量大的優(yōu)勢(shì)，但與其它運(yùn)輸形式相比，信息化進(jìn)展相對(duì)滯后，在一定程度上制約了水運(yùn)事業(yè)的快速發(fā)展。“智慧船閘”作為江蘇水運(yùn)信息化建設(shè)的重要目標(biāo)，近年來(lái)開(kāi)展了廣泛的技術(shù)研究和試點(diǎn)應(yīng)用工作。

本文以船閘在套閘運(yùn)行時(shí)對(duì)應(yīng)于“上閘門(mén)至下閘門(mén)”這一最小運(yùn)行空間區(qū)段為例，就“智慧船閘”領(lǐng)域中“人工微干預(yù)自動(dòng)化運(yùn)行控制技術(shù)”進(jìn)行探討。

2人工微干預(yù)自動(dòng)化船閘運(yùn)行控制工藝流程

目前，江蘇交通船閘主要采取現(xiàn)地分散運(yùn)行和遠(yuǎn)程集中控制運(yùn)行兩種運(yùn)行控制模式，而人工微干預(yù)自動(dòng)化船閘還應(yīng)具備第三種運(yùn)行模式——無(wú)人工參與的“自動(dòng)運(yùn)行”模式，并能讓上述三種模式在一定條件下相互轉(zhuǎn)換。

對(duì)應(yīng)于“上閘門(mén)至下閘門(mén)”這一最小運(yùn)行空間區(qū)段為例，船閘“自動(dòng)運(yùn)行”的標(biāo)準(zhǔn)流程為：①自動(dòng)關(guān)閉上游閘門(mén)→②自動(dòng)打開(kāi)下游閥門(mén)→③自動(dòng)打開(kāi)下游閘門(mén)→④自動(dòng)關(guān)閉下游閥門(mén)→⑤自動(dòng)打開(kāi)下游進(jìn)閘綠燈（上行進(jìn)閘紅燈轉(zhuǎn)綠燈）→⑥自動(dòng)關(guān)閉下游閘門(mén)→⑦自動(dòng)打開(kāi)上游閥門(mén)→⑧自動(dòng)打開(kāi)上游閘門(mén)→⑨自動(dòng)關(guān)閉上游閥門(mén)→⑩自動(dòng)打開(kāi)上游進(jìn)閘綠燈（下行進(jìn)閘紅燈轉(zhuǎn)綠燈）。

3人工微干預(yù)自動(dòng)化船閘運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

3.1人工微干預(yù)自動(dòng)化船閘運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)

對(duì)應(yīng)于“上閘門(mén)至下閘門(mén)”這一最小運(yùn)行空間區(qū)段為例，與開(kāi)或關(guān)閘門(mén)、開(kāi)或關(guān)閥門(mén)、進(jìn)閘紅綠燈控制這幾項(xiàng)控制動(dòng)作高度相關(guān)的安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)如表1所示。

此外，船舶超高超速或超載進(jìn)出閘、雨霧冰雪等較差氣象條件、船閘機(jī)電設(shè)備運(yùn)行故障等也是不可忽視的安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，在船閘自動(dòng)化運(yùn)行整體方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)一并考慮。

3.2人工微干預(yù)自動(dòng)化船閘運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)矩陣法（RAC法）是船閘安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)定性評(píng)估的常用方法，它將決定船閘運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)的兩種因素—危險(xiǎn)的嚴(yán)重性（S：人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失、設(shè)施損壞、通航影響、環(huán)境污染、社會(huì)影響）和危險(xiǎn)的可能性（P：較高、一般、較低）形成一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)矩陣，賦予一定的加權(quán)值來(lái)定性的衡量風(fēng)險(xiǎn)的大小。風(fēng)險(xiǎn)源點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)值（Ri）等于后果分值（Cs）與發(fā)生可能性分值（Pr）的乘積，即：

Ri=Cs× Pr

式中：Ri為風(fēng)險(xiǎn)值;

Cs為后果分值;

Pr為可能性分值。

4人工微干預(yù)自動(dòng)化船閘運(yùn)行技術(shù)條件

增設(shè)外場(chǎng)感知設(shè)備、提升運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的感知能力，是實(shí)現(xiàn)船閘自動(dòng)化運(yùn)行的必備手段。在綜合評(píng)估船閘自動(dòng)化運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)的前提下，基于外場(chǎng)感知增強(qiáng)方案的人工微干預(yù)自動(dòng)化運(yùn)行中各動(dòng)作發(fā)生的必要條件如下：

4.1自動(dòng)“關(guān)閉上游閘門(mén)”條件

關(guān)閉上游閘門(mén)互鎖條件判定+下行船舶進(jìn)閘數(shù)量信號(hào)采集比對(duì)+上閘首人員安全偵測(cè)+上閘首船舶安全偵測(cè)+閘門(mén)關(guān)閉過(guò)程中無(wú)危險(xiǎn)物體/船舶接近+下行船舶進(jìn)閘身份信號(hào)采集比對(duì)。

（1）上述條件為自動(dòng)“關(guān)閉上游閘門(mén)”的必要條件，參與PLC運(yùn)行控制;

（2）船舶進(jìn)閘數(shù)量信號(hào)由外場(chǎng)感知設(shè)備采集，與智能調(diào)度信息系統(tǒng)相關(guān)調(diào)度信息比對(duì)后，輸出結(jié)果參與PLC程序運(yùn)行控制;

（3）閘門(mén)關(guān)閉過(guò)程中無(wú)危險(xiǎn)物體/船舶接近信號(hào)采集，由外場(chǎng)感知設(shè)備（視頻或激光測(cè)距儀）檢測(cè)。檢測(cè)到物體或船舶危險(xiǎn)接近，PLC控制閘門(mén)停止運(yùn)行，人工確認(rèn)危險(xiǎn)消除后，閘門(mén)繼續(xù)運(yùn)行;

（4）船舶進(jìn)閘身份信號(hào)由外場(chǎng)感知設(shè)備采集，與智能調(diào)度信息系統(tǒng)相關(guān)調(diào)度信息比對(duì)結(jié)果用于船舶身份驗(yàn)證、稽查報(bào)警等，因不匹配現(xiàn)象僅為偶發(fā)，所以船舶進(jìn)閘身份識(shí)別目前不參與運(yùn)行控制;

（5）船舶進(jìn)閘數(shù)量信號(hào)外場(chǎng)感知設(shè)備與智能調(diào)度網(wǎng)在同一網(wǎng)絡(luò)，比對(duì)結(jié)果輸出參與PLC程序運(yùn)行控制;

（6）上閘首人員安全偵測(cè)與上閘首船舶安全偵測(cè)外場(chǎng)感知設(shè)備與控制網(wǎng)在同一規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測(cè)結(jié)果參與PLC控制運(yùn)行。

4.2自動(dòng)“打開(kāi)下游閥門(mén)”條件

自動(dòng)打開(kāi)下游閥門(mén)互鎖條件判定+上閘門(mén)關(guān)閉時(shí)錯(cuò)位信號(hào)采集+下行進(jìn)閘船舶越限檢測(cè)+下閘首船舶安全偵測(cè)+閘室船舶系纜偵測(cè)+浮式船柱卡阻檢測(cè);

（1）上述為自動(dòng)“打開(kāi)下游閥門(mén)”必要條件，參與PLC運(yùn)行控制;

（2）感知設(shè)備與PLC設(shè)備同網(wǎng)絡(luò)，檢測(cè)結(jié)果參與PLC運(yùn)行控制;

（3）下行進(jìn)閘船舶越限檢測(cè)+下閘首船舶安全偵測(cè)均始于上閘門(mén)關(guān)閉到位。若檢測(cè)結(jié)果異常，立即發(fā)出聲、光、語(yǔ)音報(bào)警，閥門(mén)停止運(yùn)行;

（4）閘室船舶系纜偵測(cè)重點(diǎn)對(duì)首檔船系纜情況進(jìn)行偵測(cè)，結(jié)果作聲光語(yǔ)音報(bào)警通知，能確保偵測(cè)準(zhǔn)確的前提下也可參與PLC自動(dòng)“打開(kāi)下游閥門(mén)”控制;

（5）閘門(mén)關(guān)閉錯(cuò)位信號(hào)采集包括接近開(kāi)關(guān)信號(hào)和視頻監(jiān)測(cè)信號(hào)（人字門(mén)）。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)異常則不能泄水，并立即將錯(cuò)位報(bào)警信號(hào)及錯(cuò)位視頻切入監(jiān)控平臺(tái);

（6）提閥過(guò)程中，檢測(cè)到浮式系船柱卡阻（激光測(cè)距儀連續(xù)檢測(cè)無(wú)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(guān)），則觸發(fā)語(yǔ)音播報(bào)，同時(shí)強(qiáng)落閥門(mén);

4.3自動(dòng)“打開(kāi)下游閘門(mén)”條件

自動(dòng)開(kāi)下閘門(mén)互鎖條件判定+閘室內(nèi)外水平信號(hào)采集+下閘首船舶安全偵測(cè)+下閘首人員安全偵測(cè)+閘室內(nèi)外水位差信號(hào)采集;

（1）上述為自動(dòng)“打開(kāi)下游閘門(mén)”必要條件，參與PLC運(yùn)行控制;

（2）感知設(shè)備與PLC設(shè)備同網(wǎng)絡(luò)，檢測(cè)結(jié)果參與PLC運(yùn)行控制;

（3）人字形閘門(mén)本身安裝有門(mén)頭開(kāi)關(guān)，因此閘室內(nèi)外水位差信號(hào)檢測(cè)對(duì)人字形閘門(mén)為非必要條件，對(duì)橫拉門(mén)和三角門(mén)為必要條件;

4.4自動(dòng)“關(guān)閉下游閥門(mén)”條件

自動(dòng)“關(guān)閉下游閥門(mén)”互鎖條件判定。

（1）上述為自動(dòng)“關(guān)閉下游閥門(mén)”必要條件，參與PLC運(yùn)行控制;

4.5自動(dòng)“打開(kāi)進(jìn)閘綠燈”條件

閘門(mén)開(kāi)到位+閘室內(nèi)調(diào)度船舶出清+同向調(diào)度指令發(fā)出。

（1）上述為自動(dòng)“打開(kāi)進(jìn)閘綠燈”必要條件，參與PLC運(yùn)行控制;

（2）調(diào)度系統(tǒng)上行調(diào)度指令的發(fā)出是“打開(kāi)進(jìn)閘綠燈”的觸發(fā)條件，這里控制系統(tǒng)與調(diào)度系統(tǒng)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換;

4.6其它技術(shù)條件

⑥自動(dòng)關(guān)閉下游閘門(mén)→⑦自動(dòng)打開(kāi)上游閥門(mén)→⑧自動(dòng)打開(kāi)上游閘門(mén)→⑨自動(dòng)關(guān)閉上游閥門(mén)→⑩自動(dòng)打開(kāi)上游進(jìn)閘綠燈（下行進(jìn)閘紅燈轉(zhuǎn)綠燈）的技術(shù)條件依此類(lèi)推。

5其它要求

（1）航閘全息智能感知網(wǎng)建設(shè)是智慧船閘不可或缺的環(huán)節(jié)，是船閘自動(dòng)化運(yùn)行的安全保障;

（2）船閘自動(dòng)化運(yùn)行涉及控制系統(tǒng)與智能調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換和業(yè)務(wù)協(xié)同，技術(shù)路徑應(yīng)充分考慮網(wǎng)際邊界安全問(wèn)題;

（3）功能設(shè)計(jì)與感知網(wǎng)布設(shè)應(yīng)充分考慮費(fèi)效比和運(yùn)行效率，力求安全第一、效率優(yōu)先、功能完善三者平衡;

（4）基于船閘自動(dòng)化運(yùn)行監(jiān)測(cè)、業(yè)務(wù)協(xié)同、遠(yuǎn)程控制等運(yùn)行要求，模擬量數(shù)據(jù)及監(jiān)測(cè)終端幾何級(jí)增加，需對(duì)船閘控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行頂層設(shè)計(jì);

（5）人工微干預(yù)自動(dòng)化船閘運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)為現(xiàn)場(chǎng)巡檢人員提供緊急狀態(tài)下的應(yīng)急處置手段（如暫停、急停、強(qiáng)落及故障告警等）;

（6）感知終端設(shè)備提供錯(cuò)誤動(dòng)作信號(hào)及閘閥門(mén)啟閉機(jī)、電氣等關(guān)鍵設(shè)備帶故障運(yùn)行同樣是不可忽視的船閘安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

6 結(jié)語(yǔ)

船舶過(guò)閘是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，影響安全的因素較多，人工微干預(yù)自動(dòng)化船閘需要在全面評(píng)估船閘安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的前提下，通過(guò)構(gòu)建自動(dòng)化船閘運(yùn)行控制標(biāo)準(zhǔn)化流程，完善預(yù)防預(yù)控體系，強(qiáng)化運(yùn)行環(huán)境及設(shè)備動(dòng)態(tài)感知能力，在航、閘、船、水一體化協(xié)同運(yùn)行指揮體系下實(shí)現(xiàn)人工微干預(yù)船閘“自動(dòng)化運(yùn)行”，在充分保障船閘安全運(yùn)行的前提下，提升船閘的運(yùn)行效率。