智慧船閘架構模型設計

張 陸

（南京洛普股份有限公司，江蘇 南京 210061）

0 引言

隨著社會經濟的發展，政府為了完善交通制度，制定了《交通強國建設綱要》。對水運交通提出要求，推進基礎設施網絡化，圍繞交通基礎設施布局完善、立體互聯，加快建設綜合運輸通道、樞紐和網絡體系。構建貫通主要經濟板塊的國家綜合立體交通網主骨架。優化完善綜合運輸通道布局，補齊內河水運、中西部鐵路等短板。

智慧船閘是智慧交通的重要組成環節。船閘作為水上通航建筑物，在水運交通經濟發展中起到了重要作用，它的發展水平與交通行業發展息息相關，船閘的智慧程度也直接影響航道水域物流運輸的經濟發展[1]。

1 智慧船閘設計理論

1.1 智慧船閘組織關系和定位

該文通過智慧船閘的組織關系來探索其定義、功能和屬性。

船閘是水運系統的重要組成部分，水運是物流交通的重要環節，交通行業又可以歸屬到城市的垂直領域。

船閘的組織關系如圖1 所示。

圖1 智慧船閘組織關系圖

智慧船閘是智慧城市，乃至智慧地球的子系統，智慧船閘組織關系圖如圖 1 所示。

智慧地球是把新一代的IT 和互聯網技術充分運用到各行各業，把感應器嵌入、裝備到全球的醫院、電網、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統、大壩和油氣管道，通過互聯網形成“物聯網”；然后通過超級計算機和云計算，使人類的工作和生活更加方便，在世界范圍內提升“智慧水平”，最終的效果是“互聯網+物聯網=智慧地球”。

智慧地球能夠更透徹地感應和度量世界的本質和變化；促進世界更全面地互聯互通；所有事物、流程和運行方式都將實現更深入的智能化。

智慧城市定義是把新一代信息技術充分運用在城市中，實現信息化、工業化與城鎮化深度融合，提高城鎮化質量，實現精細化和動態管理，并提升城市管理成效和改善市民生活質量[2]。

1.2 智慧船閘定義

鑒于智慧船閘是智慧城市的垂直子項領域，借用智慧城市的定義來定義智慧船閘，得到如下定義：

智慧船閘是把新一代信息技術（人工智能技術）充分運用于水運交通行業，基于知識社會下一代創新的船閘信息化高級形態，實現精細化管理，并提升改善船閘服務質量。智慧船閘的發展歷程經歷4 個階段，如圖2所示。

圖2 智慧船閘的發展歷程圖

根據智慧城市理念和智慧船閘在智慧城市中的定位，智慧船閘的功能是為和船閘相關聯的人或物提供更精準、精細化的服務，以滿足社會對智慧船閘的需求。

1.3 智慧船閘設計邏輯

智慧船閘是人工智能技術（信息科技技術）和傳統水上通航建筑物的結合體。其建設系統和組成邏輯類比智慧生命體的系統構建。智慧生命體的八大系統包括運動系統、神經系統、內分泌系統、循環系統、呼吸系統、消化系統、泌尿系統和生殖系統。

智慧生命體的神經系統，由腦神經、脊神經、植物性神經組成。神經的作用是控制與調節生命體各器官、系統的活動，使生命體成為一個統一的整體；另一方面通過神經系統分析，使機體對環境變化的刺激做出相應的反應，達到機體與環境的統一。

船閘的主體工程包括土建、房建工程、閘閥門工程、驅動機構（液壓泵站、滾軸絲桿、齒輪齒條），是船閘的基礎框架，是不可或缺的系統，堪比生命體的運動系統。

船閘的供配電系統，給船閘設施設備提供能量，包括閘閥門供電、辦公樓供電等，堪比生命體的血液循環系統。

而船閘的智慧建設就堪比生命體的神經系統，船閘智慧構建可以參照生命體的神經系統結構建設。目前船閘電氣系統以自動控制系統為主，重點是PLC 設備，PLC 是邏輯處理控制器，PLC 控制系統是基于固定邏輯條件進行的控制，其功能、運行方式和神經系統中的植物性神經系統極其類似。可以把PLC 系統看做是構建船閘智慧系統的一個基礎設施，在其上發展建設類似“腦神經”、“脊神經”系統以及與之相匹配的載體和感知器官。

同理參考智慧生命體的神經系統，機體對環境變化的刺激作出相應的反應。需要感知環境的變化，人體通過觸覺、視覺、聽覺、嗅覺和味覺感知環境變化的刺激。船閘是通過各傳感器感知內外界的具體情況。船閘現階段主要傳感器包括行程開關、位移傳感器、水位計、電力儀表、泵站壓力傳感器以及流量傳感器等設備，其原理和觸覺感知一致。其次是視覺傳感器，就生命體而言，視覺和觸覺的感知結合可以確定所接觸的事務。同理與船閘，觸覺的傳感器如行程開關等，視覺傳感器就是視頻監控系統，目前的視頻監控系統具備 “視”的功能，“覺”的功能還是依賴人工進行覺察，感知。而船閘視覺神經系統的建設，讓攝像機成為船閘的眼睛，視頻系統成為視覺感知系統，并且能和觸覺感知（PLC系統）結合，為船閘感受內外界的變化，再通過算法做出反應。

智慧船閘需要體現的是對船舶感知、船閘閘況感知、航道感知及船閘周邊環境感知，對感知數據真偽核驗，并做出合適的反應。

2 智慧船閘架構設計

2.1 智慧船閘服務屬性和服務內容

智慧船閘對外界感知所作出的應對，即是對服務對象所提供的服務內容。

船閘服務對象包括專項對象和公共對象。

專項對象包括船對象（船民、船舶、船主）、閘對象（船閘設施設備、工作人員）。

公共對象包括社會群體。

在信息科技發展的當下，船閘需要為船對象（船民、船舶、船主）、閘對象（船閘設施設備、船閘工作人員）以及社會群體提供更精準、精細化的服務。

其服務內容和場景：對于船舶對象，可提供停泊、過閘服務。

停泊服務應用場景包括錨地停泊服務場景；停泊生活設施服務場景。

過閘服務應用場景為調度排擋過閘服務場景。

對于船閘對象，智慧船閘可提供：機電設備控制服務、機電設備運維服務、人員辦公服務。

機電設備控制服務應用場景包括現地控制；集中控制；遠程控制。

機電設備運維服務應用場景包括實時監測；定時檢查；定期巡檢、專項維護、備件管理等。

工作人員辦公服務應用場景包括考勤、業務辦理、財務辦理。

對于社會群體，智慧船閘可提供船閘動態運營數據發布服務。

運營動態發布服務又包括船舶過閘、待閘信息發布，船閘通航公告以及水位公告等。

2.2 智慧船閘整體架構設計和配套系統

服務對象相關聯的感知數據分為4 類：船舶數據、船閘數據、航道（水位為主）數據、環境安全數據。

與4 類數據緊密相連的系統或者設備有水位計設備、PLC 控制系統、視頻監控系統、船民申報App、船舶定位AIS 裝置等。

船閘和服務對象交互，提供服務的系統主要有控制系統、運維系統、與船民通信的App、廣播和大屏等設施。

根據以上論述，結合船閘主要運行系統，可形成如圖3 所示的船閘智慧體構建樣式。

圖3 智慧船閘架構模型

該智慧船閘模式，以服務對象為目標，從數據采集、數據匯聚、數據分析、數據應用以及服務對象5 個層次，搭建了智慧船閘的模型；數據來源分為專項系統數據和公共系統數據，數據類型分為船舶數據、船閘數據、水系（航道）數據、環境數據，4 類基本數據。

水位數據:船閘上下游，閘室的三級水位數值。

專項水位數據：水位計測量獲取，通過PLC 設備或RTU 設備獲取水位數值。

公共水位數據：視頻監控設備拍攝水尺獲得；互聯網獲取。

船舶數據：船名、船號、船舶尺寸、速度、載重、貨物、定位、起訖點。

專項船舶數據來源：船民申報系統、AIS 通信、雷達掃描。

公共船舶數據來源：視頻監控系統圖像識別獲取；互聯網獲取。

船閘數據：靜態數據、動態數據。

靜態數據：船閘基本尺寸數據，沉降位移數據；閘門跳動量、配電接地電阻等數據。

動態數據：閘門、閥門運轉件實時數據、泵站運行實時數據、控制運行數據、配電系統數據、網絡通信數據。

靜態船閘數據來源：人工錄入。

動態專項船閘數據來源：集合門機電傳感器，主要從PLC 設備獲取；配電系統和網絡設備數據從第三方數據采集獲取。

動態公共船閘數據來源：視頻監控系統拍攝門機電運行畫面，通過圖像識別獲取船閘設施設備運行狀態數據。

環境安全數據:閘室周邊整體環境相對安全數據，包括船和周邊設施相對安全數據、閘閥門和周邊環境相對安全數據。

專項環境安全數據來源：船舶越限檢測裝置獲取船舶閘室停靠安全；船舶超高檢測獲取船舶通過閘室橋安全；閘門道閘檢測閘門上無人。

公共環境安全數據來源：視頻監控系統通過監控閘室及周邊環境，通過圖像識別，判斷閘室無干擾物等不安全因素。

專項系統和公共系統通過視頻聯動進行關聯。

該架構模型以服務對象出發，從數據采集——數據匯聚——數據分析——數據應用——服務對象，層次比較清晰，數據來源分為專項系統數據和公共系統數據，數據類型分為船舶數據、船閘數據、水系數據、環境數據、定義了數據基本類型屬性。

架構特點：保持現有業務系統的獨立，在數據層面融合共享，業務應用層面相對獨立；系統間有明顯界面劃分，層次分明，邏輯合理。

架構缺點：此套架構和船閘現有系統架構相比變化較大，對現有系統利舊程度不高，改造投資大，經濟性不佳。

解決辦法：加大系統中國產化設備替代程度、加大成熟新技術應用投入，降本增效，改善經濟性不佳的缺點。

優點：架構層次分明、邏輯合理、各系統劃分清晰；在基建中可避免重復建設，避免浪費，經濟性較高。

智慧船閘服務效果：通過數據的綜合有效利用，為船舶、船舶及公共群體提供更精細化、精準化服務。

船閘智慧系統的建設，應該和主體工程，包括土建、房建、配電等系統同步設計、同步施工、同步運行。其構建的功能特性應該和設計主體工程壽命、船舶通過量相匹配，避免重復、過度建設。

3 船閘設施設備精細化服務舉例

隨著信息技術在船閘建設、運營過程中的應用，運營思路和理念也在改進。如液壓設備控制邏輯，泵站常規啟動邏輯為電機和電磁閥1 得電啟動5 s 后，DY1 失電，其他電磁閥得電工作，閘閥門運行。

動作邏輯見表1。泵站的啟動次序在秒級時間單位下，第五秒DY1 失電，其他電磁閥在第五秒得電工作，即滿足控制要求。泵站控制邏輯放在PLC 控制系統中，PLC 運行速度是毫秒級。在毫秒級的控制中，第五秒有1 000 ms，這段時間內，控制系統可以控制電磁閥動作數十次，只要保證最后一次DY1 失電關閉，其他電磁閥得電工作，就能滿足泵站啟動要求。1 s 中，不同的啟動次序和時間差，對泵站運行有不同影響，就存在一個更細化的啟動要求。經多次測試，調整真值表，優化控制邏輯，微調后的元件動作表見表2。

表1 電磁閥真值表1

按表2 控制泵站運行，電磁閥動作時的電機轉動噪聲明顯減小，泵站油管震動減少，閘閥門啟閉時間不變。

表2 主要元件動作示意表

粗略推理，油管震動減少和電機噪聲降低，是因為油路瞬時壓力的降低；而瞬時壓力的降低，是受電磁閥啟動邏輯調整而影響。

在該基礎上繼續探索：微調泵站動作表，可以減少運行時的瞬時壓力，能否減少液壓油對管道沖擊，有利于油路管道密封，減少漏油概率；減少泵站瞬時壓力，能否控制泵站運行全程壓力和流量，減少機械部件間的沖擊，減少運轉件的磨損，延長運轉件的使用壽命？

船閘在運營階段，通過運維監測，掌握泵站運行壓力、流量、速度、電機電流、水位等相關聯長期數據，深入研究設備運行數據和設備狀態之間精確關系，能夠精準掌握設備狀態，了解其壽命，反饋船閘系統的工藝設計，優化設計工藝參數，將設計—施工—運維—設計，形成閉環邏輯，提升船閘工藝設計水平。以上只是精細化服務的一個微觀方面。

4 結論

智慧船閘的智慧在于服務，為船舶、船閘、社會群體提供更細化、更精準的服務內容。對船舶、船閘、航道的多源數據感知、數據核驗及數據的處理是支撐服務業務的基礎。智慧船閘的建設應該有等級標準。理想的智慧船閘是信息化系統充分應用，代替人工操作、決策的船閘管理模式。由于人工工作量減少，因此逐步形成少人型/無人型/值守型船閘運營模式。