蘇北運河智慧船閘的研究及應用

1 建設背景

黨的十九大明確提出了建設“交通強國”的宏偉目標。2019年5月，交通運輸部等七部委聯合印發《智能航運發展指導意見》，并提出了智能航運發展的總體目標，為智能航運未來30年的發展指明了方向。近年來，蘇北運河經過信息化建設，已建成了蘇北運河高速光纖傳輸網絡、蘇北運河電子航道圖和蘇北運河綜合數據庫以及蘇北運河航閘智能運行系統和“船訊通”手機APP[1]。雖然蘇北運河航道、船閘的信息化建設取得了一定成績，但依然存在著不平衡、不充分的問題，船閘信息化水平與智慧船閘的要求還有一定的差距，因此進行“智慧船閘”研究和應用實踐是十分必要和迫切的。

2 建設目標

經過對國內外船閘信息系統的調研分析，我們認為智慧船閘建設目標是綜合運用智能傳感、5G、大數據、人工智能等新一代信息技術，并形成“可視化（圖形化）船閘運行平臺”和“智慧運行、智慧管理、智慧服務”的“1個平臺和3 大應用”，從而基本實現船閘運行全可視、過閘調度全流程、船閘操作全自動、過閘服務全要素，打造全過程少人值守、控調智能聯動的過閘新模式。

3 總體思路

根據蘇北運河智慧船閘建設的目標，并結合蘇北運河船閘目前的信息化現狀和需求，智慧船閘建設總體設計思路主要包含以下幾個方面：

3.1 通過升級蘇北運河航閘智能運行系統、完善船訊通軟件，從而進一步提升工作人員的工作效率和船員的過閘體驗。

3.2 打通船閘控制系統與運調系統數據互聯互通，實現控制系統在運調系統內實時同步展現的新模式。

3.3 通過船閘PLC 及泵站等硬件升級、增加現場機電傳感設備，使船閘控制系統的設備由現地控制轉變為遠程集中控制，從純人工操作轉變為微干預操作。

3.4 保證運調數據、控制系統數據的高效匯聚與互通。以船閘運行的關鍵節點為時間線，展現運調系統與控制系統的數據匯聚和聯動控制效果，實現真正意義上的智慧船閘的智慧管控。

4 建設框架

智慧船閘建設框架總結為：構建1個可視化船閘運行平臺，建設智慧運營、智慧運維、智慧服務3 大應用系統（簡稱智慧船閘“1+3 工程”），見圖1。

圖1 智慧船閘建設框架

4.1 可視化船閘運行平臺在GIS 云平臺的基礎上，綜合運用船閘GIS 三維建模、船閘BIM、VR 等技術，實現了船閘運行管理與服務“一張圖”，并支撐船閘智慧運營、智慧運維、智慧服務三大應用。

4.2 智慧運營主要是進一步解決提升京杭運河水系船舶過閘效率、過閘誠信等難題。

4.3 智慧運維的主要內容包括全自動無人操作智能船閘、船閘養護管理信息化、船閘智能光電誘導、智能低碳船閘、智慧閘區等。

4.4 智慧服務在現有蘇北運河“船訊通”的基礎上，主要解決船舶在運河水系智能助航導航服務、港航運全要素物流服務等問題。

5 應用實踐

根據智慧船閘的研究成果，選擇蘇北運河的典型船閘——劉老澗三號船閘，并對其進行智慧船閘研究的應用實踐。

5.1 船閘現狀

劉老澗船閘地處宿遷市宿城區仰北鎮，建成于2008年9月，其為Ⅰ類船閘，建設規模為260×23×5m（長×寬×檻上水深），設計年通過能力為5800萬t，2019年實際船舶通過量6608萬t。劉老澗船閘通過系統可以直觀、及時地了解航道狀況，并對船舶實現主動、被動相結合的綜合監管，提高閘室利用率，降低總體過閘時間，提升全航道通行效率。船民可通過手機、網絡等在該平臺上登記船舶、快速繳納閘費、查詢資訊、掌握通航動態。在船舶過閘調度中，系統可智能排檔、優化閘次、提高通航效率，并有閘船雙向評價和信用管理等功能。

5.2 需求分析

作為蘇北運河智慧船閘建設項目的試點工程項目，立足于智慧船閘建設需求，結合劉老澗三號船閘自身運行情況，得知劉老澗三號智慧船閘建設的具體需求為：

5.2.1 引領船閘機制模式創新。劉老澗三號船閘智慧船閘的建設不僅能通過新技術、新理念提升航閘的管理和服務水平，更重要的是它還能引領蘇北運河航閘體制機制模式的創新。

5.2.2 促進船舶過閘更暢通高效。通過對船閘機電設備的升級改造，實現全過程微干預的操作管理新模式，從而提高船閘效率效能，促進船舶過閘更暢通高效。

5.2.3 保障船閘運行更可靠安全。船閘安全暢通運行是船閘運行管理的基本要求。利用機電設備故障診斷、視頻與控制聯動、智能光電誘導等技術可以提升船閘運行的安全水平，保障劉老澗三號船閘運行更可靠、更安全[2]。

5.3 建設內容

由于智慧船閘建設涉及多個專業，根據計劃經費情況，我們將劉老澗三號智慧船閘建設分為兩期實施。

第一期主要完成基礎設備設施技術性能的提升。通過全面提升電氣設備、PLC系統、監控聯動、監控監測、安全預警等應急設施，從而為船閘設備智慧運行提供硬件支撐；對智能調度系統進行升級優化，完善閘船信息實時對稱、船員自助過閘、船舶調度運行全過程的自動化運行和服務能力提升。主要實施以下幾個方面：

5.3.1 運調、控制、視頻監控聯動。對智能運調系統、控制系統和視頻監控系統的聯動方式進行綜合化研究設計，主要的設計方案為：將控制系統、運調系統、視頻監控系統進行融合匯聚，前端傳感器數據、檢測數據、監控數據等均展現到智能運行系統端，以智能運行系統、控制系統、視頻監控系統匯聚展現模塊為核心實現船閘運行、船閘運調與控制一體的聯合狀態掌控和展現。

5.3.2 運調系統升級。通過AIS 識別系統，對船舶進行定位，劃定合適的區域，船舶進入區域后，AIS基站接收到船舶位置信號，工作人員確認船舶位置，系統自動發送通知消息，船員在手機端確認后，船舶進入可調狀態，工作人員即可調度。通過升級運調模式，可以大大減少工作人員的重復工作，提升船閘的服務水平、船員的過閘體驗。

5.3.3 “船訊通”APP 升級。在“船訊通”APP 增加自助選閘功能后，船員可在手機端申報時，自主選擇過一、二、三號閘，從而提升船員過閘自主性；完善服務評價系統，將服務評價系統改為過閘后一段時間內，隨時可評價過閘體驗；增加語音通知功能，除圖形、文字通知外，還可通過語音系統給船員手機端推送。

5.3.4 控制系統升級。將控制系統由集中控制系統升級為一個主站+三個從站的集中分散控制模式。遠程站和集中PLC 通過工業以太網環網光纜連接，保障系統運行穩定[3]。

5.3.5 液壓泵站升級。采用手動恒壓變量軸向柱塞泵和伺服比例閥，通過PLC 控制輸入電信號實現啟閉速度的慢-快-慢運行，達到閘閥門要求的運動速度；與此同時，通過主閥件位置傳感器檢測油路及閥件運行狀態，從而獲取實時數據。

5.3.6 視頻監控系統升級。對現有視頻監控系統進行升級，新增必要的視頻監控點。所有攝像機數據匯聚至閘首機房已有的二層千兆以太網交換機，再通過已有傳輸線路傳輸至監控調度中心。

5.3.7 增加視線誘導系統。根據船閘的運行狀況，視線誘導系統在上下游靠船墩顯示出不同的顏色和流動方式，讓船員知道船閘運行情況，引導船舶進出閘。閘室的視線誘導系統，根據運調檔位圖分顏色自動區分顯示船名船號和船舶停靠位置區域。

5.3.8 安全保障系統完善。根據《網絡安全法》和安全等級保護要求對船閘信息系統進行安全評估，確定采用等保二級標準建設，并制定相關的管理制度，配置必要的防火墻、網閘等網絡安全設備，確保滿足網絡安全的需求。

第二期，完成剩余所有工作。

6 結語

2019年開始進行了“智慧船閘”的研究，并將研究結果在劉老澗三號船閘進行了應用與實踐，該項目已于2020年11月完成所有工作內容。根據目前使用情況和船民使用體驗，取得了預期的效果，進一步提升了工作人員的工作效率和船員的過閘體驗，打通了船閘控制系統與運調系統數據互聯互通，形成運調數據、控制系統數據的高效匯聚與互通，并為后期解決運河水系多線、多梯級、干支船閘群智能調度的聯動和協同管理問題打下了良好的基礎，并為蘇北運河航閘的智慧化轉型探索到了經驗，從而助力蘇北運河航務事業的高質量發展，同時對國內同類型船閘信息化建設也具有一定的借鑒和引領示范作用。