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(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(shè)計船型為2 000 t 級。兩個項目的船閘管控系統(tǒng)均采用北京中水科水電科技開發(fā)有限公司iP9000 智能對象一體化平臺。

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)新為動力，以完善的體制機制、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為保障，具有智慧運營、智慧運維、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)包含多個子系統(tǒng)，通過iP9000 智能一體化平臺實現(xiàn)各個子系統(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系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)整體分為三個層面，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、工業(yè)電視流媒體、結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測、水情、消防等船閘運行監(jiān)測數(shù)據(jù)。 驅(qū)動各子系統(tǒng)在應(yīng)用層實現(xiàn)船舶注冊、船閘設(shè)備集中控制、通航管理、過閘調(diào)度、設(shè)備運維管理、公告信息發(fā)布、視頻聯(lián)動、廣播聯(lián)動、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

圖1 智慧船閘一體化平臺系統(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。整個控制系統(tǒng)由三個層次構(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)拓補圖

船閘集控系統(tǒng)主要由一臺Ⅰ區(qū)（生產(chǎn)區(qū)）交換機和一臺Ⅲ區(qū)（管理區(qū)）交換機做網(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(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船閘各閘閥們、泄水閘、信號燈、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)自動報警、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。

2.2 通航管控一體化

在傳統(tǒng)管理模式下，船舶信息管理、過閘申報審核、調(diào)度排檔、船閘運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計等不同業(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(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APP 在船閘管理系統(tǒng)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(tǒng)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(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)自動統(tǒng)計船閘運行記錄，包括過閘船舶編號、閘次、設(shè)備操作命令記錄、過閘時間、設(shè)備運行記錄、設(shè)備報警信息、環(huán)境數(shù)據(jù)等，并將統(tǒng)計信息傳輸至船閘管理系統(tǒng)，由船閘管理系統(tǒng)匯總后自動生成船閘運行報表。避免業(yè)務(wù)流程中的人力資源浪費，從而實現(xiàn)船閘“少人值守，自主運行“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，同時需提供過閘申報、通航公告發(fā)布等社會面功能，因此對網(wǎng)絡(luò)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(qū)數(shù)據(jù)同步機制，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)，提供各項應(yīng)用服務(wù)。只需在一體化平臺中提前配置，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)動系統(tǒng)

閘區(qū)內(nèi)各個關(guān)鍵點位均安裝了智能云臺，可對上下游引航道、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)在對船閘設(shè)備進(jìn)行操作，根據(jù)過閘流程信號，通過接入一體化平臺的工業(yè)電視視頻管理平臺觸發(fā)視頻聯(lián)動，自動調(diào)用過閘節(jié)點附近云臺并顯示其畫面?；虍?dāng)一體化平臺監(jiān)測到重要設(shè)備的事故故障信號、消防系統(tǒng)有關(guān)報警信息，自動推出事故區(qū)域關(guān)聯(lián)云臺的報警畫面。

2.4.2 通航廣播聯(lián)動系統(tǒng)

根據(jù)過閘流程信號在特定流程節(jié)點通過廣播系統(tǒng)主機向過閘船舶自動播放如過閘注意事項、安全須知等內(nèi)容。船閘管理人員也可通過手動操作，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)測數(shù)據(jù)，實時監(jiān)控各項設(shè)備運行狀態(tài)，數(shù)據(jù)整合分析后進(jìn)行統(tǒng)一展示以及上送上級部門，并在傳感器檢測到如數(shù)據(jù)越限、狀態(tài)異常等報警信息后觸發(fā)報警事件。

2.4.4 火災(zāi)報警數(shù)據(jù)

消防報警數(shù)據(jù)傳輸采用獨立消防網(wǎng)絡(luò)，匯總安裝在船閘生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)的各消防報警傳感器信號，對全部生產(chǎn)區(qū)域進(jìn)行實時監(jiān)測，保證運行人員在出現(xiàn)火災(zāi)警情時第一時間獲得告警信息。

2.4.5 大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)

通過將大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)接入一體化平臺，船閘管理人員可在管控系統(tǒng)實時查詢、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(diào)試工作，截至2022 年底，注冊船舶478 艘，總噸位523 394.86 t，船舶數(shù)據(jù)統(tǒng)計如圖3、圖4所示。

圖3 航運樞紐船閘注冊船舶船長統(tǒng)計

圖4 航運樞紐船閘注冊船舶噸位統(tǒng)計

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)計數(shù)據(jù)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(tǒng)計如下圖5 所示。

圖5 航運樞紐船閘12 月過閘耗時統(tǒng)計

4 結(jié)語

智慧船閘建設(shè)對原有計算機監(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)動的業(yè)務(wù)模塊需求，提高單個船閘單位的運維管理效率，進(jìn)而實現(xiàn)對流域內(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。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行模式。