智慧船闸架构模型设计

张 陆

（南京洛普股份有限公司，江苏 南京 210061）

0 引言

随着社会经济的发展，政府为了完善交通制度，制定了《交通强国建设纲要》。对水运交通提出要求，推进基础设施网络化，围绕交通基础设施布局完善、立体互联，加快建设综合运输通道、枢纽和网络体系。构建贯通主要经济板块的国家综合立体交通网主骨架。优化完善综合运输通道布局，补齐内河水运、中西部铁路等短板。

智慧船闸是智慧交通的重要组成环节。船闸作为水上通航建筑物，在水运交通经济发展中起到了重要作用，它的发展水平与交通行业发展息息相关，船闸的智慧程度也直接影响航道水域物流运输的经济发展[1]。

1 智慧船闸设计理论

1.1 智慧船闸组织关系和定位

该文通过智慧船闸的组织关系来探索其定义、功能和属性。

船闸是水运系统的重要组成部分，水运是物流交通的重要环节，交通行业又可以归属到城市的垂直领域。

船闸的组织关系如图1 所示。

图1 智慧船闸组织关系图

智慧船闸是智慧城市，乃至智慧地球的子系统，智慧船闸组织关系图如图 1 所示。

智慧地球是把新一代的IT 和互联网技术充分运用到各行各业，把感应器嵌入、装备到全球的医院、电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝和油气管道，通过互联网形成“物联网”；然后通过超级计算机和云计算，使人类的工作和生活更加方便，在世界范围内提升“智慧水平”，最终的效果是“互联网+物联网=智慧地球”。

智慧地球能够更透彻地感应和度量世界的本质和变化；促进世界更全面地互联互通；所有事物、流程和运行方式都将实现更深入的智能化。

智慧城市定义是把新一代信息技术充分运用在城市中，实现信息化、工业化与城镇化深度融合，提高城镇化质量，实现精细化和动态管理，并提升城市管理成效和改善市民生活质量[2]。

1.2 智慧船闸定义

鉴于智慧船闸是智慧城市的垂直子项领域，借用智慧城市的定义来定义智慧船闸，得到如下定义：

智慧船闸是把新一代信息技术（人工智能技术）充分运用于水运交通行业，基于知识社会下一代创新的船闸信息化高级形态，实现精细化管理，并提升改善船闸服务质量。智慧船闸的发展历程经历4 个阶段，如图2所示。

图2 智慧船闸的发展历程图

根据智慧城市理念和智慧船闸在智慧城市中的定位，智慧船闸的功能是为和船闸相关联的人或物提供更精准、精细化的服务，以满足社会对智慧船闸的需求。

1.3 智慧船闸设计逻辑

智慧船闸是人工智能技术（信息科技技术）和传统水上通航建筑物的结合体。其建设系统和组成逻辑类比智慧生命体的系统构建。智慧生命体的八大系统包括运动系统、神经系统、内分泌系统、循环系统、呼吸系统、消化系统、泌尿系统和生殖系统。

智慧生命体的神经系统，由脑神经、脊神经、植物性神经组成。神经的作用是控制与调节生命体各器官、系统的活动，使生命体成为一个统一的整体；另一方面通过神经系统分析，使机体对环境变化的刺激做出相应的反应，达到机体与环境的统一。

船闸的主体工程包括土建、房建工程、闸阀门工程、驱动机构（液压泵站、滚轴丝杆、齿轮齿条），是船闸的基础框架，是不可或缺的系统，堪比生命体的运动系统。

船闸的供配电系统，给船闸设施设备提供能量，包括闸阀门供电、办公楼供电等，堪比生命体的血液循环系统。

而船闸的智慧建设就堪比生命体的神经系统，船闸智慧构建可以参照生命体的神经系统结构建设。目前船闸电气系统以自动控制系统为主，重点是PLC 设备，PLC 是逻辑处理控制器，PLC 控制系统是基于固定逻辑条件进行的控制，其功能、运行方式和神经系统中的植物性神经系统极其类似。可以把PLC 系统看做是构建船闸智慧系统的一个基础设施，在其上发展建设类似“脑神经”、“脊神经”系统以及与之相匹配的载体和感知器官。

同理参考智慧生命体的神经系统，机体对环境变化的刺激作出相应的反应。需要感知环境的变化，人体通过触觉、视觉、听觉、嗅觉和味觉感知环境变化的刺激。船闸是通过各传感器感知内外界的具体情况。船闸现阶段主要传感器包括行程开关、位移传感器、水位计、电力仪表、泵站压力传感器以及流量传感器等设备，其原理和触觉感知一致。其次是视觉传感器，就生命体而言，视觉和触觉的感知结合可以确定所接触的事务。同理与船闸，触觉的传感器如行程开关等，视觉传感器就是视频监控系统，目前的视频监控系统具备 “视”的功能，“觉”的功能还是依赖人工进行觉察，感知。而船闸视觉神经系统的建设，让摄像机成为船闸的眼睛，视频系统成为视觉感知系统，并且能和触觉感知（PLC系统）结合，为船闸感受内外界的变化，再通过算法做出反应。

智慧船闸需要体现的是对船舶感知、船闸闸况感知、航道感知及船闸周边环境感知，对感知数据真伪核验，并做出合适的反应。

2 智慧船闸架构设计

2.1 智慧船闸服务属性和服务内容

智慧船闸对外界感知所作出的应对，即是对服务对象所提供的服务内容。

船闸服务对象包括专项对象和公共对象。

专项对象包括船对象（船民、船舶、船主）、闸对象（船闸设施设备、工作人员）。

公共对象包括社会群体。

在信息科技发展的当下，船闸需要为船对象（船民、船舶、船主）、闸对象（船闸设施设备、船闸工作人员）以及社会群体提供更精准、精细化的服务。

其服务内容和场景：对于船舶对象，可提供停泊、过闸服务。

停泊服务应用场景包括锚地停泊服务场景；停泊生活设施服务场景。

过闸服务应用场景为调度排挡过闸服务场景。

对于船闸对象，智慧船闸可提供：机电设备控制服务、机电设备运维服务、人员办公服务。

机电设备控制服务应用场景包括现地控制；集中控制；远程控制。

机电设备运维服务应用场景包括实时监测；定时检查；定期巡检、专项维护、备件管理等。

工作人员办公服务应用场景包括考勤、业务办理、财务办理。

对于社会群体，智慧船闸可提供船闸动态运营数据发布服务。

运营动态发布服务又包括船舶过闸、待闸信息发布，船闸通航公告以及水位公告等。

2.2 智慧船闸整体架构设计和配套系统

服务对象相关联的感知数据分为4 类：船舶数据、船闸数据、航道（水位为主）数据、环境安全数据。

与4 类数据紧密相连的系统或者设备有水位计设备、PLC 控制系统、视频监控系统、船民申报App、船舶定位AIS 装置等。

船闸和服务对象交互，提供服务的系统主要有控制系统、运维系统、与船民通信的App、广播和大屏等设施。

根据以上论述，结合船闸主要运行系统，可形成如图3 所示的船闸智慧体构建样式。

图3 智慧船闸架构模型

该智慧船闸模式，以服务对象为目标，从数据采集、数据汇聚、数据分析、数据应用以及服务对象5 个层次，搭建了智慧船闸的模型；数据来源分为专项系统数据和公共系统数据，数据类型分为船舶数据、船闸数据、水系（航道）数据、环境数据，4 类基本数据。

水位数据:船闸上下游，闸室的三级水位数值。

专项水位数据：水位计测量获取，通过PLC 设备或RTU 设备获取水位数值。

公共水位数据：视频监控设备拍摄水尺获得；互联网获取。

船舶数据：船名、船号、船舶尺寸、速度、载重、货物、定位、起讫点。

专项船舶数据来源：船民申报系统、AIS 通信、雷达扫描。

公共船舶数据来源：视频监控系统图像识别获取；互联网获取。

船闸数据：静态数据、动态数据。

静态数据：船闸基本尺寸数据，沉降位移数据；闸门跳动量、配电接地电阻等数据。

动态数据：闸门、阀门运转件实时数据、泵站运行实时数据、控制运行数据、配电系统数据、网络通信数据。

静态船闸数据来源：人工录入。

动态专项船闸数据来源：集合门机电传感器，主要从PLC 设备获取；配电系统和网络设备数据从第三方数据采集获取。

动态公共船闸数据来源：视频监控系统拍摄门机电运行画面，通过图像识别获取船闸设施设备运行状态数据。

环境安全数据:闸室周边整体环境相对安全数据，包括船和周边设施相对安全数据、闸阀门和周边环境相对安全数据。

专项环境安全数据来源：船舶越限检测装置获取船舶闸室停靠安全；船舶超高检测获取船舶通过闸室桥安全；闸门道闸检测闸门上无人。

公共环境安全数据来源：视频监控系统通过监控闸室及周边环境，通过图像识别，判断闸室无干扰物等不安全因素。

专项系统和公共系统通过视频联动进行关联。

该架构模型以服务对象出发，从数据采集——数据汇聚——数据分析——数据应用——服务对象，层次比较清晰，数据来源分为专项系统数据和公共系统数据，数据类型分为船舶数据、船闸数据、水系数据、环境数据、定义了数据基本类型属性。

架构特点：保持现有业务系统的独立，在数据层面融合共享，业务应用层面相对独立；系统间有明显界面划分，层次分明，逻辑合理。

架构缺点：此套架构和船闸现有系统架构相比变化较大，对现有系统利旧程度不高，改造投资大，经济性不佳。

解决办法：加大系统中国产化设备替代程度、加大成熟新技术应用投入，降本增效，改善经济性不佳的缺点。

优点：架构层次分明、逻辑合理、各系统划分清晰；在基建中可避免重复建设，避免浪费，经济性较高。

智慧船闸服务效果：通过数据的综合有效利用，为船舶、船舶及公共群体提供更精细化、精准化服务。

船闸智慧系统的建设，应该和主体工程，包括土建、房建、配电等系统同步设计、同步施工、同步运行。其构建的功能特性应该和设计主体工程寿命、船舶通过量相匹配，避免重复、过度建设。

3 船闸设施设备精细化服务举例

随着信息技术在船闸建设、运营过程中的应用，运营思路和理念也在改进。如液压设备控制逻辑，泵站常规启动逻辑为电机和电磁阀1 得电启动5 s 后，DY1 失电，其他电磁阀得电工作，闸阀门运行。

动作逻辑见表1。泵站的启动次序在秒级时间单位下，第五秒DY1 失电，其他电磁阀在第五秒得电工作，即满足控制要求。泵站控制逻辑放在PLC 控制系统中，PLC 运行速度是毫秒级。在毫秒级的控制中，第五秒有1 000 ms，这段时间内，控制系统可以控制电磁阀动作数十次，只要保证最后一次DY1 失电关闭，其他电磁阀得电工作，就能满足泵站启动要求。1 s 中，不同的启动次序和时间差，对泵站运行有不同影响，就存在一个更细化的启动要求。经多次测试，调整真值表，优化控制逻辑，微调后的元件动作表见表2。

表1 电磁阀真值表1

按表2 控制泵站运行，电磁阀动作时的电机转动噪声明显减小，泵站油管震动减少，闸阀门启闭时间不变。

表2 主要元件动作示意表

粗略推理，油管震动减少和电机噪声降低，是因为油路瞬时压力的降低；而瞬时压力的降低，是受电磁阀启动逻辑调整而影响。

在该基础上继续探索：微调泵站动作表，可以减少运行时的瞬时压力，能否减少液压油对管道冲击，有利于油路管道密封，减少漏油概率；减少泵站瞬时压力，能否控制泵站运行全程压力和流量，减少机械部件间的冲击，减少运转件的磨损，延长运转件的使用寿命？

船闸在运营阶段，通过运维监测，掌握泵站运行压力、流量、速度、电机电流、水位等相关联长期数据，深入研究设备运行数据和设备状态之间精确关系，能够精准掌握设备状态，了解其寿命，反馈船闸系统的工艺设计，优化设计工艺参数，将设计—施工—运维—设计，形成闭环逻辑，提升船闸工艺设计水平。以上只是精细化服务的一个微观方面。

4 结论

智慧船闸的智慧在于服务，为船舶、船闸、社会群体提供更细化、更精准的服务内容。对船舶、船闸、航道的多源数据感知、数据核验及数据的处理是支撑服务业务的基础。智慧船闸的建设应该有等级标准。理想的智慧船闸是信息化系统充分应用，代替人工操作、决策的船闸管理模式。由于人工工作量减少，因此逐步形成少人型/无人型/值守型船闸运营模式。