葉芾芃，鄧小剛，谷亞飛，張宏艷

（北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038）

某航運(yùn)樞紐工程由一個(gè)航電樞紐和一個(gè)航運(yùn)樞紐兩個(gè)項(xiàng)目組成，航電樞紐工程是一座以航運(yùn)為主，兼有發(fā)電等綜合利用工程，工程建設(shè)規(guī)模為正常蓄水位18 m，內(nèi)河Ⅲ級(jí)船閘2 座，下稱航電樞紐船閘1、航電樞紐船閘2。航運(yùn)樞紐是一座以航運(yùn)為主，兼有其他綜合利用要求的航運(yùn)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(jí)別為Ⅱ級(jí)，下稱航運(yùn)樞紐船閘，設(shè)計(jì)船型為2 000 t 級(jí)。兩個(gè)項(xiàng)目的船閘管控系統(tǒng)均采用北京中水科水電科技開發(fā)有限公司iP9000 智能對(duì)象一體化平臺(tái)。

1 “智慧船閘”理念與系統(tǒng)構(gòu)成

“智慧船閘”是以智能化設(shè)施設(shè)備為基礎(chǔ)，以大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、智能控制等新一代信息技術(shù)與船閘業(yè)務(wù)深度融合為核心，以船舶過閘組織服務(wù)創(chuàng)新為動(dòng)力，以完善的體制機(jī)制、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為保障，具有智慧運(yùn)營、智慧運(yùn)維、智慧服務(wù)等鮮明特征的現(xiàn)代船閘管理新業(yè)態(tài)[1-3]。

船閘管控系統(tǒng)包含多個(gè)子系統(tǒng)，通過iP9000 智能一體化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)子系統(tǒng)資源之間的共享和交互，如圖1 所示智慧船閘一體化平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)整體分為三個(gè)層面，采集層，服務(wù)層和應(yīng)用層。采集層收集船閘各類型設(shè)備運(yùn)行和狀態(tài)數(shù)據(jù)，并通過外部接口與其它系統(tǒng)建立通信，匯總船舶信息、過閘申報(bào)、工業(yè)電視流媒體、結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)、水情、消防等船閘運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。 驅(qū)動(dòng)各子系統(tǒng)在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)船舶注冊(cè)、船閘設(shè)備集中控制、通航管理、過閘調(diào)度、設(shè)備運(yùn)維管理、公告信息發(fā)布、視頻聯(lián)動(dòng)、廣播聯(lián)動(dòng)、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

圖1 智慧船閘一體化平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 船閘集中控制

系統(tǒng)采用“集中監(jiān)視、分散控制、遠(yuǎn)程集中控制結(jié)合”的多層分布式結(jié)構(gòu)，既可以在監(jiān)控中心集中操作，也可在現(xiàn)地控制站進(jìn)行操作，同時(shí)需考慮為流域船閘控制中心進(jìn)行遠(yuǎn)程集中控制預(yù)留接口。整個(gè)控制系統(tǒng)由三個(gè)層次構(gòu)成：現(xiàn)地層、站控層（船閘中控室）和集控層（管理區(qū)集控中心），船閘控制系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)置中控系統(tǒng)在船閘中控室，并通過光纖與集控中心相連，采用光纖工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)組成網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議采用TCP/IP 以太網(wǎng)協(xié)議，通過100 M/s全雙工交換式光纖實(shí)現(xiàn)中控室與集控室之間的網(wǎng)絡(luò)通信。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 船閘集控系統(tǒng)拓補(bǔ)圖

船閘集控系統(tǒng)主要由一臺(tái)Ⅰ區(qū)（生產(chǎn)區(qū)）交換機(jī)和一臺(tái)Ⅲ區(qū)（管理區(qū)）交換機(jī)做網(wǎng)絡(luò)支撐。集控層各設(shè)備按照使用分區(qū)接入兩臺(tái)交換機(jī)上。船閘交換機(jī)通過光纖與集控中心交換機(jī)相連。Ⅰ區(qū)IO 服務(wù)器采集生產(chǎn)區(qū)設(shè)備數(shù)據(jù)并下發(fā)命令，在站控層和集控層均可對(duì)船閘各閘閥們、泄水閘、信號(hào)燈、廣播、工業(yè)電視的進(jìn)行控制。Ⅲ區(qū)接口服務(wù)器連接集控管理系統(tǒng)，通航管理數(shù)據(jù)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警、大壩安全數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控流媒體數(shù)據(jù)均通過Ⅲ區(qū)接口服務(wù)器將數(shù)據(jù)匯聚至一體化平臺(tái)。

2.2 通航管控一體化

在傳統(tǒng)管理模式下，船舶信息管理、過閘申報(bào)審核、調(diào)度排檔、船閘運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等不同業(yè)務(wù)類別之間缺少數(shù)據(jù)交互，孤島現(xiàn)象明顯，導(dǎo)致整體運(yùn)行管理效率受限[4]。通過iP9000 智能一體化平臺(tái)提供的豐富通信接口，實(shí)現(xiàn)船閘控制系統(tǒng)與船閘管理系統(tǒng)的互聯(lián)互通，提升數(shù)據(jù)資源整合效率。船員可通過手機(jī)APP 在船閘管理系統(tǒng)注冊(cè)登記船舶信息，由船閘管理人員審核后通過，完成注冊(cè)的船舶填寫過閘申報(bào)信息并提交，船閘管理人員在船閘管理系統(tǒng)完成船舶過閘申報(bào)審核、按照申請(qǐng)過閘的船舶實(shí)際情況排檔并下發(fā)至船閘控制系統(tǒng)，通過船閘控制系統(tǒng)操作設(shè)備完成過閘，船舶過閘后船閘控制系統(tǒng)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)船閘運(yùn)行記錄，包括過閘船舶編號(hào)、閘次、設(shè)備操作命令記錄、過閘時(shí)間、設(shè)備運(yùn)行記錄、設(shè)備報(bào)警信息、環(huán)境數(shù)據(jù)等，并將統(tǒng)計(jì)信息傳輸至船閘管理系統(tǒng)，由船閘管理系統(tǒng)匯總后自動(dòng)生成船閘運(yùn)行報(bào)表。避免業(yè)務(wù)流程中的人力資源浪費(fèi)，從而實(shí)現(xiàn)船閘“少人值守，自主運(yùn)行“的目標(biāo)。

2.3 跨安全分區(qū)數(shù)據(jù)交互

隨著船閘智慧化程度的提高，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)量顯著增加，對(duì)數(shù)據(jù)交互的安全性、保密性和合規(guī)性提出了更高的要求[5]。智慧船閘內(nèi)部應(yīng)用服務(wù)多依靠FTP、HTTP、TCP/IP 等網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，同時(shí)需提供過閘申報(bào)、通航公告發(fā)布等社會(huì)面功能，因此對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全提出更高要求。iP9000 智能一體化平臺(tái)提供了完整的跨安全分區(qū)數(shù)據(jù)同步機(jī)制，基于此技術(shù)可將船閘網(wǎng)絡(luò)劃分為生產(chǎn)區(qū)和管理區(qū)。生產(chǎn)區(qū)主要為工控網(wǎng)絡(luò)，直接控制船閘設(shè)備及接收設(shè)備反饋信息。管理區(qū)主要為應(yīng)用服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，提供各項(xiàng)應(yīng)用服務(wù)。只需在一體化平臺(tái)中提前配置，各控制設(shè)備和應(yīng)用服務(wù)便可以自由訪問任意分區(qū)數(shù)據(jù)。通過跨安全分區(qū)數(shù)據(jù)同步，既滿足了網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)的需求，又實(shí)現(xiàn)了各子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互。

2.4 輔助系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互

2.4.1 工業(yè)電視視頻聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)

閘區(qū)內(nèi)各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)位均安裝了智能云臺(tái)，可對(duì)上下游引航道、閘室、各設(shè)備間進(jìn)行全方位監(jiān)控，船舶過閘過程中，當(dāng)在對(duì)船閘設(shè)備進(jìn)行操作，根據(jù)過閘流程信號(hào)，通過接入一體化平臺(tái)的工業(yè)電視視頻管理平臺(tái)觸發(fā)視頻聯(lián)動(dòng)，自動(dòng)調(diào)用過閘節(jié)點(diǎn)附近云臺(tái)并顯示其畫面?；虍?dāng)一體化平臺(tái)監(jiān)測(cè)到重要設(shè)備的事故故障信號(hào)、消防系統(tǒng)有關(guān)報(bào)警信息，自動(dòng)推出事故區(qū)域關(guān)聯(lián)云臺(tái)的報(bào)警畫面。

2.4.2 通航廣播聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)

根據(jù)過閘流程信號(hào)在特定流程節(jié)點(diǎn)通過廣播系統(tǒng)主機(jī)向過閘船舶自動(dòng)播放如過閘注意事項(xiàng)、安全須知等內(nèi)容。船閘管理人員也可通過手動(dòng)操作，使用通航廣播系統(tǒng)播放特定內(nèi)容。

2.4.3 電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

通過采集獲取船閘電力設(shè)備的電壓、電流、功率、溫度等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控各項(xiàng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，數(shù)據(jù)整合分析后進(jìn)行統(tǒng)一展示以及上送上級(jí)部門，并在傳感器檢測(cè)到如數(shù)據(jù)越限、狀態(tài)異常等報(bào)警信息后觸發(fā)報(bào)警事件。

2.4.4 火災(zāi)報(bào)警數(shù)據(jù)

消防報(bào)警數(shù)據(jù)傳輸采用獨(dú)立消防網(wǎng)絡(luò)，匯總安裝在船閘生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)的各消防報(bào)警傳感器信號(hào)，對(duì)全部生產(chǎn)區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證運(yùn)行人員在出現(xiàn)火災(zāi)警情時(shí)第一時(shí)間獲得告警信息。

2.4.5 大壩安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

通過將大壩安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接入一體化平臺(tái)，船閘管理人員可在管控系統(tǒng)實(shí)時(shí)查詢、收集和分析大壩位移、縫隙、應(yīng)力、水位、雨量、風(fēng)速、溫濕度等數(shù)據(jù)，以確保大壩的穩(wěn)定性和安全運(yùn)行。

3 航運(yùn)樞紐船閘試運(yùn)行

航運(yùn)樞紐船閘于2022 年2 月完成試運(yùn)行并逐步投入正式運(yùn)行，完成了對(duì)智慧船閘管控一體化全流程的調(diào)試工作，截至2022 年底，注冊(cè)船舶478 艘，總噸位523 394.86 t，船舶數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如圖3、圖4所示。

圖3 航運(yùn)樞紐船閘注冊(cè)船舶船長統(tǒng)計(jì)

圖4 航運(yùn)樞紐船閘注冊(cè)船舶噸位統(tǒng)計(jì)

截至2022 年底，總過閘次數(shù)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(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 航運(yùn)樞紐船閘貨物通過量 單位：t

航運(yùn)樞紐船閘2022 年12 月過閘耗時(shí)統(tǒng)計(jì)如下圖5 所示。

圖5 航運(yùn)樞紐船閘12 月過閘耗時(shí)統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)語

智慧船閘建設(shè)對(duì)原有計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)提出了更高要求，除了保證傳統(tǒng)集中控制功能之外，還要求滿足由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的業(yè)務(wù)模塊需求，提高單個(gè)船閘單位的運(yùn)維管理效率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)流域內(nèi)所有船閘單位的聯(lián)合調(diào)度、統(tǒng)一管理，更精準(zhǔn)、高效地服務(wù)于流域航運(yùn)。理想的智慧船閘是應(yīng)充分利用信息化系統(tǒng)所獲取的感知數(shù)據(jù)，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(yùn)行模式。