苏北运河智慧船闸的研究及应用

1 建设背景

党的十九大明确提出了建设“交通强国”的宏伟目标。2019年5月，交通运输部等七部委联合印发《智能航运发展指导意见》，并提出了智能航运发展的总体目标，为智能航运未来30年的发展指明了方向。近年来，苏北运河经过信息化建设，已建成了苏北运河高速光纤传输网络、苏北运河电子航道图和苏北运河综合数据库以及苏北运河航闸智能运行系统和“船讯通”手机APP[1]。虽然苏北运河航道、船闸的信息化建设取得了一定成绩，但依然存在着不平衡、不充分的问题，船闸信息化水平与智慧船闸的要求还有一定的差距，因此进行“智慧船闸”研究和应用实践是十分必要和迫切的。

2 建设目标

经过对国内外船闸信息系统的调研分析，我们认为智慧船闸建设目标是综合运用智能传感、5G、大数据、人工智能等新一代信息技术，并形成“可视化（图形化）船闸运行平台”和“智慧运行、智慧管理、智慧服务”的“1个平台和3 大应用”，从而基本实现船闸运行全可视、过闸调度全流程、船闸操作全自动、过闸服务全要素，打造全过程少人值守、控调智能联动的过闸新模式。

3 总体思路

根据苏北运河智慧船闸建设的目标，并结合苏北运河船闸目前的信息化现状和需求，智慧船闸建设总体设计思路主要包含以下几个方面：

3.1 通过升级苏北运河航闸智能运行系统、完善船讯通软件，从而进一步提升工作人员的工作效率和船员的过闸体验。

3.2 打通船闸控制系统与运调系统数据互联互通，实现控制系统在运调系统内实时同步展现的新模式。

3.3 通过船闸PLC 及泵站等硬件升级、增加现场机电传感设备，使船闸控制系统的设备由现地控制转变为远程集中控制，从纯人工操作转变为微干预操作。

3.4 保证运调数据、控制系统数据的高效汇聚与互通。以船闸运行的关键节点为时间线，展现运调系统与控制系统的数据汇聚和联动控制效果，实现真正意义上的智慧船闸的智慧管控。

4 建设框架

智慧船闸建设框架总结为：构建1个可视化船闸运行平台，建设智慧运营、智慧运维、智慧服务3 大应用系统（简称智慧船闸“1+3 工程”），见图1。

图1 智慧船闸建设框架

4.1 可视化船闸运行平台在GIS 云平台的基础上，综合运用船闸GIS 三维建模、船闸BIM、VR 等技术，实现了船闸运行管理与服务“一张图”，并支撑船闸智慧运营、智慧运维、智慧服务三大应用。

4.2 智慧运营主要是进一步解决提升京杭运河水系船舶过闸效率、过闸诚信等难题。

4.3 智慧运维的主要内容包括全自动无人操作智能船闸、船闸养护管理信息化、船闸智能光电诱导、智能低碳船闸、智慧闸区等。

4.4 智慧服务在现有苏北运河“船讯通”的基础上，主要解决船舶在运河水系智能助航导航服务、港航运全要素物流服务等问题。

5 应用实践

根据智慧船闸的研究成果，选择苏北运河的典型船闸——刘老涧三号船闸，并对其进行智慧船闸研究的应用实践。

5.1 船闸现状

刘老涧船闸地处宿迁市宿城区仰北镇，建成于2008年9月，其为Ⅰ类船闸，建设规模为260×23×5m（长×宽×槛上水深），设计年通过能力为5800万t，2019年实际船舶通过量6608万t。刘老涧船闸通过系统可以直观、及时地了解航道状况，并对船舶实现主动、被动相结合的综合监管，提高闸室利用率，降低总体过闸时间，提升全航道通行效率。船民可通过手机、网络等在该平台上登记船舶、快速缴纳闸费、查询资讯、掌握通航动态。在船舶过闸调度中，系统可智能排档、优化闸次、提高通航效率，并有闸船双向评价和信用管理等功能。

5.2 需求分析

作为苏北运河智慧船闸建设项目的试点工程项目，立足于智慧船闸建设需求，结合刘老涧三号船闸自身运行情况，得知刘老涧三号智慧船闸建设的具体需求为：

5.2.1 引领船闸机制模式创新。刘老涧三号船闸智慧船闸的建设不仅能通过新技术、新理念提升航闸的管理和服务水平，更重要的是它还能引领苏北运河航闸体制机制模式的创新。

5.2.2 促进船舶过闸更畅通高效。通过对船闸机电设备的升级改造，实现全过程微干预的操作管理新模式，从而提高船闸效率效能，促进船舶过闸更畅通高效。

5.2.3 保障船闸运行更可靠安全。船闸安全畅通运行是船闸运行管理的基本要求。利用机电设备故障诊断、视频与控制联动、智能光电诱导等技术可以提升船闸运行的安全水平，保障刘老涧三号船闸运行更可靠、更安全[2]。

5.3 建设内容

由于智慧船闸建设涉及多个专业，根据计划经费情况，我们将刘老涧三号智慧船闸建设分为两期实施。

第一期主要完成基础设备设施技术性能的提升。通过全面提升电气设备、PLC系统、监控联动、监控监测、安全预警等应急设施，从而为船闸设备智慧运行提供硬件支撑；对智能调度系统进行升级优化，完善闸船信息实时对称、船员自助过闸、船舶调度运行全过程的自动化运行和服务能力提升。主要实施以下几个方面：

5.3.1 运调、控制、视频监控联动。对智能运调系统、控制系统和视频监控系统的联动方式进行综合化研究设计，主要的设计方案为：将控制系统、运调系统、视频监控系统进行融合汇聚，前端传感器数据、检测数据、监控数据等均展现到智能运行系统端，以智能运行系统、控制系统、视频监控系统汇聚展现模块为核心实现船闸运行、船闸运调与控制一体的联合状态掌控和展现。

5.3.2 运调系统升级。通过AIS 识别系统，对船舶进行定位，划定合适的区域，船舶进入区域后，AIS基站接收到船舶位置信号，工作人员确认船舶位置，系统自动发送通知消息，船员在手机端确认后，船舶进入可调状态，工作人员即可调度。通过升级运调模式，可以大大减少工作人员的重复工作，提升船闸的服务水平、船员的过闸体验。

5.3.3 “船讯通”APP 升级。在“船讯通”APP 增加自助选闸功能后，船员可在手机端申报时，自主选择过一、二、三号闸，从而提升船员过闸自主性；完善服务评价系统，将服务评价系统改为过闸后一段时间内，随时可评价过闸体验；增加语音通知功能，除图形、文字通知外，还可通过语音系统给船员手机端推送。

5.3.4 控制系统升级。将控制系统由集中控制系统升级为一个主站+三个从站的集中分散控制模式。远程站和集中PLC 通过工业以太网环网光缆连接，保障系统运行稳定[3]。

5.3.5 液压泵站升级。采用手动恒压变量轴向柱塞泵和伺服比例阀，通过PLC 控制输入电信号实现启闭速度的慢-快-慢运行，达到闸阀门要求的运动速度；与此同时，通过主阀件位置传感器检测油路及阀件运行状态，从而获取实时数据。

5.3.6 视频监控系统升级。对现有视频监控系统进行升级，新增必要的视频监控点。所有摄像机数据汇聚至闸首机房已有的二层千兆以太网交换机，再通过已有传输线路传输至监控调度中心。

5.3.7 增加视线诱导系统。根据船闸的运行状况，视线诱导系统在上下游靠船墩显示出不同的颜色和流动方式，让船员知道船闸运行情况，引导船舶进出闸。闸室的视线诱导系统，根据运调档位图分颜色自动区分显示船名船号和船舶停靠位置区域。

5.3.8 安全保障系统完善。根据《网络安全法》和安全等级保护要求对船闸信息系统进行安全评估，确定采用等保二级标准建设，并制定相关的管理制度，配置必要的防火墙、网闸等网络安全设备，确保满足网络安全的需求。

第二期，完成剩余所有工作。

6 结语

2019年开始进行了“智慧船闸”的研究，并将研究结果在刘老涧三号船闸进行了应用与实践，该项目已于2020年11月完成所有工作内容。根据目前使用情况和船民使用体验，取得了预期的效果，进一步提升了工作人员的工作效率和船员的过闸体验，打通了船闸控制系统与运调系统数据互联互通，形成运调数据、控制系统数据的高效汇聚与互通，并为后期解决运河水系多线、多梯级、干支船闸群智能调度的联动和协同管理问题打下了良好的基础，并为苏北运河航闸的智慧化转型探索到了经验，从而助力苏北运河航务事业的高质量发展，同时对国内同类型船闸信息化建设也具有一定的借鉴和引领示范作用。