北江船闸联合调度系统设计与应用

汤毅 黄树平 郑贻双 广东省北江航道开发投资有限公司

1.引言

北江是珠江流域第二大水系，是连接粤北与珠三角的重要水路通道。北江航道（韶关至三水河口）全长258k m，沿线分布着孟洲坝、濛浬、白石窑、飞来峡、清远共五级通航枢纽，形成独具特色的非连续多级船闸。北江航道旧的五级枢纽船闸由于吨位等级低，承担的货物运量很小，良好的水运资源没有得到有效开发和利用，因而，广东省政府决策部署实施了北江航道扩能升级项目。2020年，北江千吨级航道全线贯通，完善了粤北地区综合交通运输体系。

随着北江航道基础设施的建成应用，船闸联合调度成为发挥北江航道航运优势的关键问题。目前，北江各线船闸均配备小型监控调度中心，可实现本线船闸的调度排挡以及监控，但多船闸之间未形成有效的联合调度，且很多数据仍需要人工记录统计，无法满足北江统一监控与联合调度的需求。同时，调度系统无法准确掌握船舶位置，时常出现船舶异地申报，不能按时过闸等问题，导致船闸利用率不能有效提升。

信息技术的应用对于重塑船闸调度流程具有决定性意义。深入分析北江船闸调度面临的关键技术问题，采用信息化、智能化手段完善船舶跟踪方式，改善多级枢纽船闸联合调度水平，对发挥北江黄金水道效能具有重要意义。

2.系统设计需求分析

2.1 问题分析

通航初期，北江船闸调度存在如下问题需要改善：

①远程物联监控覆盖不足，智能化感知能力亟待提高。由于缺少对船闸水工建筑的监控和检查，导致系统无法实时感知船闸实际运行情况。

②网络通信相互独立，各船闸之间缺乏互通机制。无法从全局来定制排闸和调度计划，船民每经过一个枢纽都需要重新独立填报过闸申请，用户体验差的同时也影响过闸效率。

③新技术应用不足，智慧船闸联合调度建设存在差距。现有系统调度功能按最低使用场景设计，对于未来航运的发展考虑不足，随着流域上船舶数量的增加，现有系统已不太能满足日常系统运行管理的需要。

④集中监测与统一调度能力不足，亟需建设综合集控中心。各个船闸各自为政，无法从全局对整个北江流域各级枢纽船闸进行有效统一管理。

2.2 需求分析

通过对北江船闸调度现状的调研和问题分析，北江船闸联合调度应采用管理中心和各枢纽船闸管理所的两级管理模式，并实行统一报到、统一调度、统一监控、统一信息发布，不同建设主体的船闸管理所各自分开运行和养护的运营模式。具体来说，应该实现如下业务功能：

①通过建设远程物联监控设备，增加船闸集中运行监控能力。通过视频监控与船闸控制系统的联动，更精准识别船舶位置、船舶过闸情况；通过建设船舶尺度分析感知设备，可智能识别船舶尺度超标情况，辅助航道管理及过闸调度；通过建设AIS信息采集设备，结合与海事数据对接，可精准识别危化品船舶身份以及船舶位置。

②通过完善网络通信系统，实现北江各船闸枢纽之间的互联互通。新增各个船闸枢纽到清远集控中心的网络连接，实现北江各个船闸枢纽之间监控感知数据及调度信息的互联互通。

③通过构建船闸联合调度系统，打造智慧船闸。构建船闸联合调度系统，依托先进的外场感知监控技术，实现对船舶位置、身份等智能识别，采用智能排挡数学模型，通过对过闸船舶数据的采集、融合、分析、运算、调度、排挡，形成智能化、可视化的船舶过闸智能调度体系，实现从船舶智能识别、过闸申报、诚信联动、统一调度、过闸确认的全过程船闸群联合调度。

3.系统设计

北江船闸联合调度总体设计框架如图1所示。包括设备层、数据库层和基础服务层。

图1 北江船闸联合调度总体设计框架

基础服务层包括：

（1）船闸远程集中管理模块。此模块基于BIM模型开发，可统一查看5个船闸的液压泵站状态，实时监控，实时水位，设备运行状态监控，供电状态，系统故障信息

（2）综合视频监控模块。可切换查看5个船闸安放于各处的监控摄像头。

（3）智能调度模块。可查看航道内船舶的AIS信息，航行轨迹，船闸智能调度进闸顺序，船闸运行产生的各种数据报表，危化品船舶管理，船只管理，枢纽管理，用户管理，操作日志等。

（4）智能管养模块。可查看各个船闸的历史水位统计，船只通行统计，船闸养护记录，备用耗材管理，船闸信息维护，船闸站务工作。

（5）应急指挥模块。存放一些应急响应预案文档，当遇到紧急情况可查看参照执行。

（6）数据统计模块。生成船舶通行数据，船闸水文数据等报表，方便整理和打印。

智能调度APP主要给各个通过船闸的船舶上的船员使用。用户注册后，可绑定船只，提交过闸申请，查询排闸情况，提供航道信息，查询过闸记录和申报记录，提供各船闸枢纽的联系方式。

4.系统研发与实现

4.1 系统搭建平台

4.1.1 操作系统

本项目所有服务器均安装64位CentOS 8操作系统，客户端操作系统选择Microsoft Windows XP/Vista/Win7/Win8或更高版本的32位或64 位Microsoft系列操作系统。

4.1.2 数据库系统

存储服务器数据库软件采用Oracle 11gR2。内存服务器采用Redis，用于存储水文和传感器等实时数据。控制区网络和管理区网络，分别运行独立的数据库和数据库备份系统。

4.1.3 开发平台

WEB模块：WEB模块采用B/S架构。后端采用Django框架，配合Nginx服务器做数据转发和负载均衡。采用MVC的软件设计模式，主要目标是使得开发复杂的、数据库驱动的网站变得简单。前端是基于Vue框架的HTML5标准开发，开发效率高，组件丰富且美观。

APP：APP 部分采用Flutter开发框架，开发效率高，调试高效，同一份代码可同时生成Android和IOS的App程序。消息推送，安卓端采用阿里云的成熟推送系统，IOS端采用苹果自己的推送系统。

4.2 系统实现

基于上述功能业务需求分析和环境搭建，系统主要功能界面如图2至8所示。可见，经过系统设计与研发，系统实现了预期功能。

图2 船闸远程集中管理主界面

图3 综合视频监控界面

图4 智能调度主界面

图5 智能管养界面

图6 应急指挥界面

图7 数据统计界面

图8 智能调度APP船舶过闸申报界面

5.结束语

本研究针对北江船闸运行效率低、调度服务质量差的问题，采用信息化技术手段重塑了业务流程。系统运行结果表明：

（1）本系统可实现对船闸水工建筑的感知和监控，当出现设备故障时及时预警；

（2）船员过闸申请效率显著提高，船闸拥堵得到缓解，船舶过闸效率提升一倍；

（3）船闸联合调度计划运行有序，船舶过闸平均等待时间缩短一半，人力资源精简到原来的约五分之一。

本研究对国内外类似的非连续多船闸联合调度系统设计具有参考借鉴意义。未来将在船闸调度中加入更多智能优化算法，进一步提升船舶服务水平和船舶过闸效率。