三峡船闸通过系统与智能运行模式探讨

2020-02-26王忠民杨全林

水运工程 2020年2期

王忠民，杨全林，金俊

(长江三峡通航管理局，湖北宜昌 443002)

三峡船闸是三峡水利枢纽的重要组成部分，其安全稳定运行是发挥三峡水利枢纽航运效益的重要保障。近年来，随着长江航运事业的不断壮大和国家长江经济带建设等国家战略的稳步推进，三峡船闸年通过量持续保持在1亿t以上并逐年稳定增长，2017年达到1.378亿t，超过三峡船闸设计通过能力37.8%以上。

把计划过闸船舶(通航指挥调度系统输出)通过三峡船闸时的指挥和运行作业作为一个完整过程来分析，可将其视为“船舶到达”与“船闸伺服”两个随机过程相互作用的排队系统[1]，称为三峡船闸通过系统。该系统的输出能力，采用时间度量亦可以称为船闸通过效率，主要受单位闸次船舶通过船闸时的闸室空间利用率(简称空间效能)和单位闸次船舶过闸运行的时间效率(简称运行绩效)共同约束。对于现行的三峡船闸运行管理模式，船闸空间效能通过“通航指挥调度系统”的输出来获得，并已实现了智能化。而作为复杂的连续五级船闸通过系统，其运行绩效的输出结果受到上述2个随机过程中多种随机因素的干扰和约束，运行管理部门多年来通过工程、技术、管理等手段，分别在通航设施层优化、设备技术层优化、过闸运行技术层优化等层面不断取得成效，大幅减少了随机因素对运行绩效输出的干扰，总的运行绩效输出能力相较通航初期提高了近30%。未来数年，三峡船闸货物通过量需求仍将继续呈高速增长态势[2]。但是，要继续深度挖掘通过潜力，传统的技术、管理手段已经力不从心[3]。

1 船闸智能运行现状分析

船闸行业关于船闸智能运行的研究与应用近来有一定的探索和实践。例如：淮安船闸在2016年就进行了船闸安全运行智能化辅助平台试验性改造，将视频系统、船舶超闸室安全警戒线报警、船舶超高检测报警等功能集中整合成船闸安全运行智能化辅助平台。苏北运河航闸智能运行系统完成了全新升级并投入使用，该系统与原有的江苏全省联网收费系统、GPS辅助调度系统无缝对接，实现了“数据一次录入，多闸、多系统重复使用”[4]。随着信息化、现代化管理手段在船闸行业的探索和逐步推广应用，初步形成了集船闸、船舶、航道三位一体的综合管理、调度、指挥和服务支持的智能运行理论体系，并出现了包括船闸智能运行、智能管理和智能服务等内容的工程应用案例[5]。三峡通航水域实施的链式调度，系统地提出船舶通过三峡船闸的调度方案[6]，但缺乏完整的技术平台支撑。

总体来说，对于船闸智能运行的概念，目前尚无明确的定义，特别是关于多级船闸智能运行，还未见研究成果和工程案例。三峡双线连续五级船闸是世界上规模最大、技术难度最高、运行过程最为复杂的船闸，以传统手段提升通过能力已经遇到瓶颈，运行智能化需求十分迫切，因此以三峡船闸为对象理清船闸智能运行概念、探讨智能运行关键技术，对进一步丰富船闸行业理论体系、提升三峡船闸通航运行效率、提高三峡船闸通过能力具有重要的现实意义。

2 三峡船闸通过系统

前文所定义的三峡船闸通过系统的基本元素包括船闸及控制系统、引航道及待闸设施、船舶及驾引系统，它和三峡河段其他通航系统之间的关系如图1所示。

图1 三峡船闸通过系统与其他系统的关系

受三峡库区通航水位条件等因素规律性变化的影响，三峡船闸通过系统呈现为多模型的排队系统，其中最为典型的模型可以完整地展现“船舶到达”与“船闸伺服”两个过程相互作用的关系，如图2所示。

图2 典型的三峡船闸通过系统模型

2.1 三峡船闸通过系统与三峡通航指挥调度系统的关系

三峡船闸通过系统与三峡通航指挥调度系统之间表现为供需关系，三峡通航指挥调度系统根据其运算规则和对三峡船闸通过系统理想供给能力进行测算，其输出的单位周期内的“三峡船闸船舶过闸计划”是对三峡船闸通过系统通过能力需求的具体表现，且在船舶过闸需求饱和的情况下这种供需关系呈不对称性，调度系统通常按照需求≥供给的原则进行输出，而三峡船闸通过系统运行目标就是最大限度地满足该需求。

如图3所示，在实际的运行生产过程中，三峡船闸通过系统与三峡通航指挥调度系统难以同步运行，会形成互相干涉现象：若发航指令完全按照调度系统输出结果(需求)来实施，会发生引航道内待闸点船舶数超出允许待闸数量的情况，带来“规则性”安全风险；若发航指令完全按照船闸通过系统输出结果来实施，则调度系统的需求必然无法满足，单位周期内的过闸计划只能放弃并影响到下一个过闸计划的输出，船舶对过闸服务的体验也必然减分。因此，两个系统的相互协调运行，既有经济效益属性，又有社会效益属性。

图3 三峡船闸通过系统与三峡通航指挥调度系统工艺衔接关系

2.2 三峡船闸通过系统运行智能化

在传统的运行作业指挥模式下，三峡船闸通过系统的效率输出难以进一步提升，主要受制于人工作业难以高效应对这种随机性特征。相较于简单的船闸通过系统(如单级船闸通过系统)，连续五级船闸通过系统的运行过程相对复杂，排队效率更难于把控：前一个闸次通过效率低时，对后续闸次排队通过过程的影响强烈；而前一个闸次通过效率高时，后续闸次排队通过过程又不一定能够与其同步。

如前文所述，现有通过系统中有人参与的运行单元包括船闸设备运转操作、船舶到达航行及过闸指挥等，这些过程单元均依赖人工作业来完成运行过程的信息收集、运行作业决策、作业指令传递、过闸作业、作业反馈和动态优化，人工效率输出成为通过系统效率输出的决定性因素，就像只有状态好的高水平技术工人，才能在传统型机床上生产出高质量产品一样。也正如智控机床可以根据指令等到高品质产品一样，智能运行技术是解决三峡船闸通过系统高效运行的必由之路。

一个智能化的通过系统，须能自动感知过闸作业过程的所有通航环境信息、船闸运行信息和船舶航行信息，能够自动作出作业决策，能够和相关系统完成作业指令交互，能够自动监测运行过程并进行多个连续排队过程的动态优化等。一个智能化的通过系统，还能够通过大数据技术，进行设备运行状态的劣化趋势分析、船舶航行效率分析、作业指挥效率分析等，为通过系统的不断优化提供更加精确的技术参考和决策依据。

3 三峡船闸智能运行平台及主要功能设计

3.1 智能运行平台基本框架

当前，参与三峡船闸过闸作业运行的单元基本上自成系统且相互独立，要进行过闸作业系统性运行，需要设计一个智能化的运行平台将这些分散的系统联系起来，在技术上尚不能完全取代人工的条件下，实现自动感知、智能决策、人工作业、自动监测、动态优化的智能运行模式，实现智能化技术应用对三峡船闸通过系统人工作业环节的不同程度的替代，并对剩余人工作业环节进行专家辅助。基于这样一个目标，设计的智能运行平台的基本框架如图4所示。

图4 三峡船闸智能运行平台的基本框架

该平台包含船舶过闸航行智能辅助子系统、船闸运行操作智能辅助子系统、运行调度指挥智能辅助子系统和运行管理智能辅助子系统等几个主要部分。所谓三峡船闸智能运行,就是借助这个平台自动感知与智能决策，从而实现辅助船舶过闸安全高效航行、辅助运行员精细化调度、辅助运行员精准操作和安全监护、辅助运行管理运行绩效监测和优化等多种功能的船闸智能运行模式。

3.2 船舶过闸航行智能辅助

船舶过闸航行智能辅助系统的服务对象为锚泊地等待过闸的船舶，其主要功能是通过与船方进行全方位、全时段、全流程的数据交互及人机沟通，为船方提供形象、直观、便捷的助航服务，实现辅助航行、辅助靠泊、安全监护3大功能。船舶航行智能辅助主要涉及以下6个阶段：发航期间(未至靠船墩)、待闸期间(靠船墩、导航墙)、进闸期间、设备运行期间、移泊期间、出闸期间。航行智能辅助功能如图5所示(以节点为主干，功能为分支)。

在船舶过闸过程中，船舶航行智能辅助系统通过实时收集船舶航行信息、船闸设备信息、水文及气象信息等，并通过数据处理得出船舶航行优化结果，从而向船方下达包括船舶靠泊位、最优航速、起航备车等指令，辅助船方安全、高效地经过三峡船闸。

图5 航行智能辅助功能分支

3.3 运行调度指挥智能辅助

船闸运行调度指挥智能辅助是指对船闸的调度指挥流程进行智能化条件判断并辅助船闸运行人员及时准确执行调度与指挥，引导船舶过闸。船闸调度指挥辅助的主要服务对象是船闸运行调度人员。船闸调度指挥智能辅助涵盖了从发航到出闸共5个流程节点期间的条件判断辅助、信息反馈辅助与动静态监视辅助，主要体现在以下几个方面：发航期间、待闸期间、进闸期间、移泊期间、出闸期间。船闸调度指挥智能辅助功能如图6所示。

图6 调度指挥智能辅助功能分支

通过实时收集船舶航行信息、船位信息、设备信息、水文气象信息等，并进行数据处理，得出最优调度策略，最终向运行调度指挥人员给出最优调度指令建议，辅助调度指挥人员完成船舶调度指挥工作。

3.4 运行操作智能辅助

三峡船闸目前采用半自动运行方式，需要人工操作的部分为船舶进闸完毕后的关门操作。关门操作目前通过人工查看监视画面、高频询问船方来判断船舶停靠于禁停线内且靠泊完毕，以判断船舶状态满足操作条件；通过查看人机交互界面核查设备参数、闭锁条件和有无现场施工等不允许设备运行的情况来判断船闸设备状态满足操作条件。当操作条件均满足后，运行员执行关闸门操作。

船闸运行操作智能辅助是指通过实现设备操作的智能化，通过监控系统、船舶定位系统等数据的收集，进行数据处理，从而判断设备是否具备运行条件，最终向运行员下达指令，辅助船闸运行人员及时准确执行正常关门操作、应急操作。设备操作智能辅助功能如图7所示。

3.5 运行管理智能辅助

三峡船闸的运行管理主要体现在运行绩效监测和运行策略优化2个方面。运行绩效监测功能包括设备运行效能、船闸运行操作绩效及船舶航行绩效3个层面：船舶航行绩效监测船舶引航道航行及待闸指令执行效率，闸室移泊及泊靠效率；设备运行效能监测闸阀门运转过程耗时；操作绩效监测运行操作指令效率和应急处置响应效率。运行策略优化功能实现船舶过闸航行能力评估、操作员作业能力评估、设备性能劣化评估、通航环境对通过效率的影响评估等，为通过系统能力保持与挖掘提供大数据技术支持。