iP9000 智能一體化平臺在智慧船閘建設中的應用

葉芾芃，鄧小剛，谷亞飛，張宏艷

（北京中水科水電科技開發有限公司，北京 100038）

某航運樞紐工程由一個航電樞紐和一個航運樞紐兩個項目組成，航電樞紐工程是一座以航運為主，兼有發電等綜合利用工程，工程建設規模為正常蓄水位18 m，內河Ⅲ級船閘2 座，下稱航電樞紐船閘1、航電樞紐船閘2。航運樞紐是一座以航運為主，兼有其他綜合利用要求的航運樞紐工程，樞紐水庫總庫容約10.64 億m3，正常蓄水位以下庫容2.28 億m3，船閘級別為Ⅱ級，下稱航運樞紐船閘，設計船型為2 000 t 級。兩個項目的船閘管控系統均采用北京中水科水電科技開發有限公司iP9000 智能對象一體化平臺。

1 “智慧船閘”理念與系統構成

“智慧船閘”是以智能化設施設備為基礎，以大數據、物聯網、移動互聯網、智能控制等新一代信息技術與船閘業務深度融合為核心，以船舶過閘組織服務創新為動力，以完善的體制機制、標準規范為保障，具有智慧運營、智慧運維、智慧服務等鮮明特征的現代船閘管理新業態[1-3]。

船閘管控系統包含多個子系統，通過iP9000 智能一體化平臺實現各個子系統資源之間的共享和交互，如圖1 所示智慧船閘一體化平臺系統結構圖，系統整體分為三個層面，采集層，服務層和應用層。采集層收集船閘各類型設備運行和狀態數據，并通過外部接口與其它系統建立通信，匯總船舶信息、過閘申報、工業電視流媒體、結構安全監測、水情、消防等船閘運行監測數據。 驅動各子系統在應用層實現船舶注冊、船閘設備集中控制、通航管理、過閘調度、設備運維管理、公告信息發布、視頻聯動、廣播聯動、歷史數據查詢等功能。

圖1 智慧船閘一體化平臺系統結構圖

2 關鍵技術

2.1 船閘集中控制

系統采用“集中監視、分散控制、遠程集中控制結合”的多層分布式結構，既可以在監控中心集中操作，也可在現地控制站進行操作，同時需考慮為流域船閘控制中心進行遠程集中控制預留接口。整個控制系統由三個層次構成：現地層、站控層（船閘中控室）和集控層（管理區集控中心），船閘控制系統獨立設置中控系統在船閘中控室，并通過光纖與集控中心相連，采用光纖工業以太網交換機組成網絡，網絡通信協議采用TCP/IP 以太網協議，通過100 M/s全雙工交換式光纖實現中控室與集控室之間的網絡通信。系統結構如圖2 所示。

圖2 船閘集控系統拓補圖

船閘集控系統主要由一臺Ⅰ區（生產區）交換機和一臺Ⅲ區（管理區）交換機做網絡支撐。集控層各設備按照使用分區接入兩臺交換機上。船閘交換機通過光纖與集控中心交換機相連。Ⅰ區IO 服務器采集生產區設備數據并下發命令，在站控層和集控層均可對船閘各閘閥們、泄水閘、信號燈、廣播、工業電視的進行控制。Ⅲ區接口服務器連接集控管理系統，通航管理數據、火災自動報警、大壩安全數據、視頻監控流媒體數據均通過Ⅲ區接口服務器將數據匯聚至一體化平臺。

2.2 通航管控一體化

在傳統管理模式下，船舶信息管理、過閘申報審核、調度排檔、船閘運行數據統計等不同業務類別之間缺少數據交互，孤島現象明顯，導致整體運行管理效率受限[4]。通過iP9000 智能一體化平臺提供的豐富通信接口，實現船閘控制系統與船閘管理系統的互聯互通，提升數據資源整合效率。船員可通過手機APP 在船閘管理系統注冊登記船舶信息，由船閘管理人員審核后通過，完成注冊的船舶填寫過閘申報信息并提交，船閘管理人員在船閘管理系統完成船舶過閘申報審核、按照申請過閘的船舶實際情況排檔并下發至船閘控制系統，通過船閘控制系統操作設備完成過閘，船舶過閘后船閘控制系統自動統計船閘運行記錄，包括過閘船舶編號、閘次、設備操作命令記錄、過閘時間、設備運行記錄、設備報警信息、環境數據等，并將統計信息傳輸至船閘管理系統，由船閘管理系統匯總后自動生成船閘運行報表。避免業務流程中的人力資源浪費，從而實現船閘“少人值守，自主運行“的目標。

2.3 跨安全分區數據交互

隨著船閘智慧化程度的提高，網絡設備數量顯著增加，對數據交互的安全性、保密性和合規性提出了更高的要求[5]。智慧船閘內部應用服務多依靠FTP、HTTP、TCP/IP 等網絡標準協議，同時需提供過閘申報、通航公告發布等社會面功能，因此對網絡安全提出更高要求。iP9000 智能一體化平臺提供了完整的跨安全分區數據同步機制，基于此技術可將船閘網絡劃分為生產區和管理區。生產區主要為工控網絡，直接控制船閘設備及接收設備反饋信息。管理區主要為應用服務網絡，提供各項應用服務。只需在一體化平臺中提前配置，各控制設備和應用服務便可以自由訪問任意分區數據。通過跨安全分區數據同步，既滿足了網絡安全防護的需求，又實現了各子系統間的數據交互。

2.4 輔助系統數據交互

2.4.1 工業電視視頻聯動系統

閘區內各個關鍵點位均安裝了智能云臺，可對上下游引航道、閘室、各設備間進行全方位監控，船舶過閘過程中，當在對船閘設備進行操作，根據過閘流程信號，通過接入一體化平臺的工業電視視頻管理平臺觸發視頻聯動，自動調用過閘節點附近云臺并顯示其畫面。或當一體化平臺監測到重要設備的事故故障信號、消防系統有關報警信息，自動推出事故區域關聯云臺的報警畫面。

2.4.2 通航廣播聯動系統

根據過閘流程信號在特定流程節點通過廣播系統主機向過閘船舶自動播放如過閘注意事項、安全須知等內容。船閘管理人員也可通過手動操作，使用通航廣播系統播放特定內容。

2.4.3 電力設備狀態監測數據

通過采集獲取船閘電力設備的電壓、電流、功率、溫度等監測數據，實時監控各項設備運行狀態，數據整合分析后進行統一展示以及上送上級部門，并在傳感器檢測到如數據越限、狀態異常等報警信息后觸發報警事件。

2.4.4 火災報警數據

消防報警數據傳輸采用獨立消防網絡，匯總安裝在船閘生產區域內的各消防報警傳感器信號，對全部生產區域進行實時監測，保證運行人員在出現火災警情時第一時間獲得告警信息。

2.4.5 大壩安全監測數據

通過將大壩安全監測數據接入一體化平臺，船閘管理人員可在管控系統實時查詢、收集和分析大壩位移、縫隙、應力、水位、雨量、風速、溫濕度等數據，以確保大壩的穩定性和安全運行。

3 航運樞紐船閘試運行

航運樞紐船閘于2022 年2 月完成試運行并逐步投入正式運行，完成了對智慧船閘管控一體化全流程的調試工作，截至2022 年底，注冊船舶478 艘，總噸位523 394.86 t，船舶數據統計如圖3、圖4所示。

圖3 航運樞紐船閘注冊船舶船長統計

圖4 航運樞紐船閘注冊船舶噸位統計

截至2022 年底，總過閘次數196 閘次，363 船次，其中上行90 閘次、下行106 閘次，貨物通過量308 522.5 t，統計數據如表1 所示。

表1 航運樞紐船閘貨物通過量 單位：t

航運樞紐船閘2022 年12 月過閘耗時統計如下圖5 所示。

圖5 航運樞紐船閘12 月過閘耗時統計

4 結語

智慧船閘建設對原有計算機監控系統提出了更高要求，除了保證傳統集中控制功能之外，還要求滿足由數據驅動的業務模塊需求，提高單個船閘單位的運維管理效率，進而實現對流域內所有船閘單位的聯合調度、統一管理，更精準、高效地服務于流域航運。理想的智慧船閘是應充分利用信息化系統所獲取的感知數據，代替人工操作、決策的船閘管理模式。逐步形成少人值守的船閘運行模式。