北江船閘聯合調度系統設計與應用

湯毅 黃樹平 鄭貽雙 廣東省北江航道開發投資有限公司

1.引言

北江是珠江流域第二大水系，是連接粵北與珠三角的重要水路通道。北江航道（韶關至三水河口）全長258k m，沿線分布著孟洲壩、濛浬、白石窯、飛來峽、清遠共五級通航樞紐，形成獨具特色的非連續多級船閘。北江航道舊的五級樞紐船閘由于噸位等級低，承擔的貨物運量很小，良好的水運資源沒有得到有效開發和利用，因而，廣東省政府決策部署實施了北江航道擴能升級項目。2020年，北江千噸級航道全線貫通，完善了粵北地區綜合交通運輸體系。

隨著北江航道基礎設施的建成應用，船閘聯合調度成為發揮北江航道航運優勢的關鍵問題。目前，北江各線船閘均配備小型監控調度中心，可實現本線船閘的調度排擋以及監控，但多船閘之間未形成有效的聯合調度，且很多數據仍需要人工記錄統計，無法滿足北江統一監控與聯合調度的需求。同時，調度系統無法準確掌握船舶位置，時常出現船舶異地申報，不能按時過閘等問題，導致船閘利用率不能有效提升。

信息技術的應用對于重塑船閘調度流程具有決定性意義。深入分析北江船閘調度面臨的關鍵技術問題，采用信息化、智能化手段完善船舶跟蹤方式，改善多級樞紐船閘聯合調度水平，對發揮北江黃金水道效能具有重要意義。

2.系統設計需求分析

2.1 問題分析

通航初期，北江船閘調度存在如下問題需要改善：

①遠程物聯監控覆蓋不足，智能化感知能力亟待提高。由于缺少對船閘水工建筑的監控和檢查，導致系統無法實時感知船閘實際運行情況。

②網絡通信相互獨立，各船閘之間缺乏互通機制。無法從全局來定制排閘和調度計劃，船民每經過一個樞紐都需要重新獨立填報過閘申請，用戶體驗差的同時也影響過閘效率。

③新技術應用不足，智慧船閘聯合調度建設存在差距。現有系統調度功能按最低使用場景設計，對于未來航運的發展考慮不足，隨著流域上船舶數量的增加，現有系統已不太能滿足日常系統運行管理的需要。

④集中監測與統一調度能力不足，亟需建設綜合集控中心。各個船閘各自為政，無法從全局對整個北江流域各級樞紐船閘進行有效統一管理。

2.2 需求分析

通過對北江船閘調度現狀的調研和問題分析，北江船閘聯合調度應采用管理中心和各樞紐船閘管理所的兩級管理模式，并實行統一報到、統一調度、統一監控、統一信息發布，不同建設主體的船閘管理所各自分開運行和養護的運營模式。具體來說，應該實現如下業務功能：

①通過建設遠程物聯監控設備，增加船閘集中運行監控能力。通過視頻監控與船閘控制系統的聯動，更精準識別船舶位置、船舶過閘情況；通過建設船舶尺度分析感知設備，可智能識別船舶尺度超標情況，輔助航道管理及過閘調度；通過建設AIS信息采集設備，結合與海事數據對接，可精準識別危化品船舶身份以及船舶位置。

②通過完善網絡通信系統，實現北江各船閘樞紐之間的互聯互通。新增各個船閘樞紐到清遠集控中心的網絡連接，實現北江各個船閘樞紐之間監控感知數據及調度信息的互聯互通。

③通過構建船閘聯合調度系統，打造智慧船閘。構建船閘聯合調度系統，依托先進的外場感知監控技術，實現對船舶位置、身份等智能識別，采用智能排擋數學模型，通過對過閘船舶數據的采集、融合、分析、運算、調度、排擋，形成智能化、可視化的船舶過閘智能調度體系，實現從船舶智能識別、過閘申報、誠信聯動、統一調度、過閘確認的全過程船閘群聯合調度。

3.系統設計

北江船閘聯合調度總體設計框架如圖1所示。包括設備層、數據庫層和基礎服務層。

圖1 北江船閘聯合調度總體設計框架

基礎服務層包括：

（1）船閘遠程集中管理模塊。此模塊基于BIM模型開發，可統一查看5個船閘的液壓泵站狀態，實時監控，實時水位，設備運行狀態監控，供電狀態，系統故障信息

（2）綜合視頻監控模塊。可切換查看5個船閘安放于各處的監控攝像頭。

（3）智能調度模塊。可查看航道內船舶的AIS信息，航行軌跡，船閘智能調度進閘順序，船閘運行產生的各種數據報表，危化品船舶管理，船只管理，樞紐管理，用戶管理，操作日志等。

（4）智能管養模塊。可查看各個船閘的歷史水位統計，船只通行統計，船閘養護記錄，備用耗材管理，船閘信息維護，船閘站務工作。

（5）應急指揮模塊。存放一些應急響應預案文檔，當遇到緊急情況可查看參照執行。

（6）數據統計模塊。生成船舶通行數據，船閘水文數據等報表，方便整理和打印。

智能調度APP主要給各個通過船閘的船舶上的船員使用。用戶注冊后，可綁定船只，提交過閘申請，查詢排閘情況，提供航道信息，查詢過閘記錄和申報記錄，提供各船閘樞紐的聯系方式。

4.系統研發與實現

4.1 系統搭建平臺

4.1.1 操作系統

本項目所有服務器均安裝64位CentOS 8操作系統，客戶端操作系統選擇Microsoft Windows XP/Vista/Win7/Win8或更高版本的32位或64 位Microsoft系列操作系統。

4.1.2 數據庫系統

存儲服務器數據庫軟件采用Oracle 11gR2。內存服務器采用Redis，用于存儲水文和傳感器等實時數據。控制區網絡和管理區網絡，分別運行獨立的數據庫和數據庫備份系統。

4.1.3 開發平臺

WEB模塊：WEB模塊采用B/S架構。后端采用Django框架，配合Nginx服務器做數據轉發和負載均衡。采用MVC的軟件設計模式，主要目標是使得開發復雜的、數據庫驅動的網站變得簡單。前端是基于Vue框架的HTML5標準開發，開發效率高，組件豐富且美觀。

APP：APP 部分采用Flutter開發框架，開發效率高，調試高效，同一份代碼可同時生成Android和IOS的App程序。消息推送，安卓端采用阿里云的成熟推送系統，IOS端采用蘋果自己的推送系統。

4.2 系統實現

基于上述功能業務需求分析和環境搭建，系統主要功能界面如圖2至8所示。可見，經過系統設計與研發，系統實現了預期功能。

圖2 船閘遠程集中管理主界面

圖3 綜合視頻監控界面

圖4 智能調度主界面

圖5 智能管養界面

圖6 應急指揮界面

圖7 數據統計界面

圖8 智能調度APP船舶過閘申報界面

5.結束語

本研究針對北江船閘運行效率低、調度服務質量差的問題，采用信息化技術手段重塑了業務流程。系統運行結果表明：

（1）本系統可實現對船閘水工建筑的感知和監控，當出現設備故障時及時預警；

（2）船員過閘申請效率顯著提高，船閘擁堵得到緩解，船舶過閘效率提升一倍；

（3）船閘聯合調度計劃運行有序，船舶過閘平均等待時間縮短一半，人力資源精簡到原來的約五分之一。

本研究對國內外類似的非連續多船閘聯合調度系統設計具有參考借鑒意義。未來將在船閘調度中加入更多智能優化算法，進一步提升船舶服務水平和船舶過閘效率。