船舶過閘服務智能管控一體化平臺研究

劉祖偉 王忠民 潘誠 侯國佼

摘要： 平行智能是一種新型人工智能理論框架，在解決智能交通問題上具有一定的優勢。以長江內河航道三峽船閘為例，通過分析船舶過閘的業務系統和業務流程，提出了一種基于平行智能的船舶過閘服務智能管控一體化平臺架構。實踐表明：該智能化平臺可以讓過閘服務實際系統與人工系統虛實互動，實現對船舶過閘服務全過程的實時監測和智能化管理，提高船舶過閘服務質量和效率。相關經驗可供類似船閘運維單位借鑒。

關鍵詞：船舶過閘； 平行智能； 智能管控一體化平臺； 三峽船閘

中圖法分類號： U641.7

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.046

0引 言

隨著信息化、現代化管理手段在船閘行業的逐步推廣，船舶過閘服務逐步形成了集船閘、船舶、航道三位一體的綜合管理、調度指揮和服務支持的智能運行理論體系，并出現了包括智能運行、智能管理和智能服務等內容的工程應用案例［1-2］。面對持續增長的貨運通過需求［3-4］，從運行管控智能化層面給其再次賦能，成為提升船閘通過能力的一個新途徑。三峽船閘運行單位從船閘工業控制技術［5-6］角度探究了智能化的核心需求，解析了影響過閘效率的相關因素，并提出了船舶從抵達到駛離船閘全過程的智能輔助基本思路［7］。

本文以三峽船閘為例，提出了一種船舶過閘服務智能管控一體化平臺。該平臺是基于平行智能理論和技術［8-10］構建的，通過與實際船閘調度系統、集控系統等子系統之間的虛實互動，對比與分析兩者之間的運轉行為差異，來實現對過去及未來狀況的“借鑒”與“預估”［11］，進而分析出船舶從發航指揮到出閘指揮全過程的優化方案，并針對各個階段動態制定出最高運行效率建議，從而實現對通航全過程的智能輔助調度、預警消息推送、廣播提醒等。

在此過程中，常規被動的模擬轉變為平行主動的人工智能仿真，并發生由被動到主動、靜態到動態、離線到在線的角色轉變，最終管控一體化平臺由從屬地位提升到實際船閘調度系統、集控系統、語音系統等各個子系統上層管控的地位，發揮其優化和完善實際船閘調度系統、集控系統等各子系統管理與控制的作用，從而實現對船舶過閘服務的動態實時智能化管理。

1船舶過閘運行業務系統

目前船舶通過三峽通航水域需要根據業務流程經過多系統、多方面協調，諸如通航調度指揮系統、船閘控制系統、船閘運行視頻圖像監控系統等主要支撐系統，以及船閘廣播指揮系統、船閘監測管理系統、船閘甚高頻指揮船舶系統、VTS船舶監管系統、政務網、船閘運行管理系統等輔助業務系統，來完成過閘過程數據收集、分析、管控與服務等。現有過閘業務系統功能及作用見表1。

1.1數據收集與分析

通航調度指揮系統具有船舶過閘申報、船舶動態管理、過閘計劃管理、調度管理、錨地管理、違章管理、水位和氣象信息、信息發布和運行管理等功能。該系統提供的水位和氣象信息、船舶航行動態、發航動態等是船舶過閘管控與服務必不可少的元素。船閘監測管理系統對船閘機電設備運行狀態進行實時監測和管理，是保證船閘安全運行最重要的一環。

VTS船舶監管系統在電子海圖上顯示所有船舶航位、航向、航速等可視化船舶動態信息。監管人員通過監控終端對船舶的動態信息進行監控和管理。船閘運行管理系統實現船閘運行數據統計和分析，并對船舶過閘情況進行實時反饋。

1.2數據運行與管控

船閘控制系統主要用以實現船閘運行設備的自動化控制，船閘工作閘門、工作閥門、防撞裝置等設備都通過其進行程序化運行，它不僅是船閘運行操作的基礎與動作端，也是船閘管控一體化質量管理的反饋端。船閘運行視頻圖像監控系統主要用以實現船舶過閘全過程視頻監控，也是操作員下發運行指令最重要的參考因素。船閘廣播指揮系統通過廣播進行船舶指揮和引導，輔助甚高頻系統對閘室內船舶進行指揮。船閘甚高頻船舶指揮系統用以實現船舶過閘指揮與信息服務，是船閘和船方最常用的溝通平臺。

1.3政務網

政務網面向船方和社會提供統一的通航信息服務和信息發布服務，主要內容包括通航公告、調度計劃、水情氣象、航道維護、海事管理等，并對可能影響船舶過閘的情況進行及時通報和反饋。

通過以上業務系統的協調與管控，基本可實現船舶從進入三峽流域到駛離船閘的業務元素全覆蓋。通過管控一體化平臺，將系統中所有影響船舶過閘的因素進行顯現化、數據化，將實際船閘運行管理系統的所有質量管理因素進行統一管理和評估，實現船舶過閘流程中的智能化管理。

2船舶過閘具體業務流程

目前船舶過閘的業務流程主要包括船舶調度業務流程、船舶進閘及移泊過閘業務流程、船閘運行業務流程和特殊運行情況等4個業務流程，每個業務包含眾多影響因素節點，其業務過程如下。

2.1船舶調度業務流程

船閘運行調度指揮主要體現在發航到出閘的過程，有以下5個流程節點進行條件判斷輔助、信息反饋和動靜態監視。

（1） 發航期間。發航期間調度業務包括船舶定位，通過北斗定位系統及時對船舶位置進行檢測，指揮船舶統一調度和安排，避免偏航或者不能按計劃時間到達指定位置的情況。

（2） 待閘期間。待閘期間調度業務包括船閘登記情況及時申報，了解過閘船舶安全設備等信息和船舶定位信息，及時了解船舶動態，對所有過閘船舶進行統一調度和安排，提高整體運行效率。

（3） 進閘期間。進閘期間調度業務包括對船舶位置信息進行實時定位，檢測船舶是否正常進閘；對船閘設備運行情況進行實時跟蹤，檢測是否會出現設備異常、檢修等影響船舶過閘效率的情況。

（4） 移泊期間。船舶移泊期間調度業務主要是對船舶進行實時定位，當船閘操作人員下達關閉閘門指令時，船閘定位系統和圖像監控系統可以輔助判斷是否會有閘室漏船，以及人字門區域是否有船，避免人為失誤造成事故損失。

（5） 出閘期間。船舶出閘期間調度業務主要是及時通知船舶出閘和安全提醒，如果出現異常天氣等情況，也會及時安排船舶做好相應準備。

2.2船舶進閘及移泊過閘業務流程

船閘進閘及移泊過閘業務流程主要是與船方進行全方位、全時段、全流程的數據交互及人機溝通，主要包括以下3個流程節點。

（1） 船舶待閘。船舶在待閘期間，船舶和船閘操作員會實時進行甚高頻溝通，對船舶情況進行實時監護和安排。通過監控系統可以對通話錄音進行收錄和保存，以便存檔留證。

（2） 進閘及移泊過程。通過大量數據統計分析，當船舶移泊時間超過正常運行范圍時，可通過相關系統平臺進行預警和提示。

（3） 設備運行監護。通過北斗定位系統和視頻監控系統對過閘船舶進行實時監控，檢測船舶是否移泊完畢，并及時給集控操作人員提供下一步操作建議。

2.3船閘運行業務流程

船閘運行過程業務主要是對船閘設備進行實時監測，包括以下兩個方面。

（1） 船閘運行工藝監測。船閘在配合船舶過閘期間用到的設備主要有人字門、反弧門、水位計等。船舶從導航墻進閘開始，在集控人員下達指令后，人字門和反弧門按照設定好的程序指令運行，輔助船舶進入下一閘室或者出閘。

（2） 船閘設備運行實時監測。在船閘運行時，不僅需要對運行工藝對應的設備運行情況進行監測，輔助設備的監測也必不可少，它們對于保障船閘設備設施運行同樣起著重要作用，例如油位變化、水位計變化、風速變化、變電所負荷開關運行情況等。

3船舶過閘服務智能管控一體化平臺架構

管控一體化平臺是一個跨系統的平臺系統，負責對資源層、過程監視層、現場控制層、現場設備層等各個系統的數據進行收集、整合、分析和利用。該平臺作為跨系統的橋梁，能夠與其他層次的系統進行數據交互和協作，提高數據溝通和共享的效率和質量。

3.1管控一體化平臺業務流程

管控一體化平臺利用船閘目前使用的八大業務系統（政務網除外），對船舶從進入過閘區域到離開引航道4個主要業務流程進行監測和反饋，對船舶過閘實現全面動態的智能管理，將船舶過閘的業務節點進行具體化和顯現化，有助于推進船閘各個系統的深度融合，為船閘實現少人值守、無人操作、遠程監控、自主運行提供有效的技術路徑。船閘智能管控一體化平臺頂層設計框架如圖1所示。

管控一體化平臺基于業務架構設計，對船舶過閘過程中相關的系統進行數據識別讀取，從而對船舶過閘服務進行全面監測和管理。通過對船舶過閘的平行監管，管控一體化平臺能夠在故障發生前進行合理化安排，并開展主動性和針對性的檢修和干預，從而提前消除隱患，預防事故和故障的發生。

3.2管控一體化平臺業務架構

根據船舶過閘的業務流程，管控一體化平臺訪問和讀取所有數據，并根據船舶閘次的時間順序和過閘情況對船舶過閘動態進行實時展示，包括船舶發航情況、船舶信息、船舶順序、閘次動態等，展示效果如圖2所示。

同時，管控一體化平臺對船舶過閘過程中的重要數據和信息進行實時跟蹤，包括船舶過閘時船閘設備運行情況、風速天氣情況、人員操作情況等，監測效果如圖3所示。

將管控一體化平臺功能進行分類，可以劃分為流程控制模塊、效率評估模塊、船閘伺服模塊、過程調度模塊和數據篩除模塊，進而實現對過閘服務中所有影響船舶過閘因素的顯現化和數據化，對實際船閘運行管理系統的所有質量管理因素進行統一管理和評估，并給出相應的輔助建議，實現船舶過閘流程的智能化管理。數據流關系如圖4所示，具體模塊介紹如下。

（1） 流程控制模塊負責對所有過閘流程進行系統化、結構化、自動化管理。該模塊的作用是用于規范和固化作業流程，減少人工作業隨機性失誤和過程延遲。

（2） 效率評估模塊負責對流程數據進行處理，根據預設算法對過閘流程進行全方位的智能評估。該模塊的作用是提高過閘效率和質量，發現和解決存在的問題和隱患。

（3） 船閘伺服模塊負責對船閘各種數據進行匯總、轉運和存儲，包括船閘設備的部分關鍵實時參數、船閘監測系統的設備監測信息、預警系統的相關預警信息等。

（4） 過程調度模塊是指與過閘流程相關的各種數據，主要包括船舶信息、航行信息和一體化平臺記錄的部分調度信息。過程調度模塊負責對不同閘次的航班信息進行匯總和整理，確保不同系統的數據可以正確預關聯，降低流程控制模塊的工作量。

（5） 數據篩除模塊負責對外來數據進行自動化過濾、監測、警示和分類。

3.3管控一體化平臺作用

管控一體化平臺是一個智能化的系統，借助平行管控技術和超實時仿真技術，對船舶過閘過程進行模擬、預測、提醒和優化，實現過閘服務過程的自動化、智能化提醒和決策支持，從而提高生產過程的效率和質量。

（1） 船閘運行操作的質量管理。

國內船閘目前多采用的是半自動運行方式，需要人工確認船舶是否已經靠泊完畢。智能管控一體化平臺可以根據船閘工作流程和船舶移泊信息智能判斷船舶是否移泊到位，并輔助提醒集控操作人員及時準確關閉閘門，從而避免人為因素導致過閘效率不高的情況。

（2） 設備運行效能的質量管理。

由于多級船閘工作流程比較復雜，影響船閘設備運行效能的因素很多，例如水位不同船閘運行級數不同、設備設施運行維護等。通過對業務流程的實時監控，智能管控一體化平臺可對各種影響船閘設備設施安全的隱患進行預警提示，例如液壓設備的油位變化預警、設備壓力的監測預警、主要設備的故障預警、不同季節老舊磨損更換和使用壽命到期的預警等。

（3） 船舶航行績效的設備管理。

通過對過往通航數據情況的統計，可以對影響過閘效率的主要因素自主設置預警線。例如船舶從錨地到靠船墩的時間預警、船舶從導航墻到進閘的時間預警、船舶從末級閘室出閘的時間預警等。當船舶運行時間超過限值時，可提醒相關人員核實船只是否出現故障或者其他影響船舶移泊的情況，從而提高航道利用效率和移泊效率。

4結 論

（1） 船閘智能管控一體化平臺解決了船舶過閘過程中各種復雜系統間的信息孤島問題，通過與其他系統建立數據交換和共享機制，實現數據的共享和互通，避免了系統之間因缺乏有效數據交換和共享導致的數據重復采集、存儲和處理，造成資源浪費和信息不一致。

（2） 船閘智能管控一體化平臺可以解決信息利用率低的問題。平臺通過對收集到的數據進行篩選、整合、分析、預警等處理，提高數據的質量和效率，避免了因為人工主觀分析而導致數據功能不能充分發揮。

（3） 對于生產過程中可能發生的異常情況或事故，船閘智能管控一體化平臺可全過程監測、調度、監控和評估，并對船舶過閘服務進行最優化建議和管控，以此提高船閘服務質量，并降低運行風險。

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（編輯：胡旭東）