数字船闸建设相关技术研究

陈国仁，王小峰，李炳源

（1.北京机械工业自动化研究所，北京 100120；2.湖北省汉江崔家营航电枢纽管理处，襄阳 441000）



数字船闸建设相关技术研究

陈国仁1，王小峰2，李炳源2

（1.北京机械工业自动化研究所，北京 100120；2.湖北省汉江崔家营航电枢纽管理处，襄阳 441000）

摘 要：对“数字船闸”系统结构进行分析与研究，实现船闸管控一体化，船闸运营管理自动化。

关键词：数字船闸；监控系统；调度

0　引言

水运交通是目前物流运输的重要组成部分，水运因其运输成本低、运量大等优点，在大宗物资运输过程中，与铁路、公路等陆运运输形式比较，水运具有明显的优势。船闸是构建高等级航道、打造“水上高速公路”的必要设施。随着“十二五规划”的完成，我国内陆多个水系上的高等级航道及数百座船闸已建设完毕，水路交通网已初具规模。

“十三五规划”中航道升级将是水运建设的重点，其中打造“智能航道”及“生态航道”将是航道升级的主要任务。船舶从出发港到目的港在航道行驶的全过程均能被准确定位并保证信息畅通，确保船舶快速、安全、有序的行驶是“智能航道”的基本要求。构建“数字航道”、“数字船闸”是打造“智能航道”的基础。本文着重介绍“数字船闸”建设。

信息化与工业化的融合发展是推动我国现代化的战略选择，党的十七大提出“大力推进信息化和工业化融合”。“数字船闸”在此背景下应运而生，运用信息技术，通过对各子系统的开发和集成，实现船闸调度与监控的自动化，管理信息化，规范过闸流程、实现船闸管控一体的现代化船闸管理模式。

1　船闸监控系统

船闸是大型水利枢纽、水电站的附属通航设施，使得船舶能够克服水利枢纽、水电站形成的水位差。船闸是渠化航道、打造高等级航道的必要设施。船闸监控系统作为船闸机电设备运行控制的“大脑”，负责控制船闸各种机电设备、通航指挥系统以及通航辅助设施严格按照过闸工艺协调运行，同时检测设备运行信息、监视船闸设备及过闸船舶运行情况。

船闸监控系统为集散型控制系统，包括计算机监控系统（集中监控系统和现地控制系统）、工业电视系统、广播系统、运营调度系统、供配电/照明控制系统、通航信号指挥系统等。船闸监控系统具备如下功能：船闸运行监控及过闸船舶调度管理、船闸设备运行保护监测及管理、船闸运行视频图像监视、交通指示信号自动控制、自动/人工分区域广播、调度通讯及其他功能。

目前国内多数船闸调度系统、控制系统、工业电视系统等各子系统相对独立，很少进行相互间信息交互。“数字船闸”要求各子系统以控制系统和运营调度系统为核心，采集其他子系统的状态信息，并根据船闸运行工艺自动控制各子系统的运行。

1） 船闸控制系统与工业电视系统信息交互，可实现船闸监控视频图像自动跟踪功能，根据船闸运行状态在集控室大屏幕上自动调用显示相关画面，并可实现紧急情况自动抓拍功能。通过控制系统对船闸闸门关闭实时监控图像的分析可实现闸门自动防撞、防夹功能，该功能是船闸监控操作实现无人值守的必要技术。

2）船闸控制系统与广播系统信息交互，可实现自动广播、人工定向分区域广播等功能，同时可实现现场广播功放等设备自动休眠，使用时自动唤醒功能，不但降低了设备能耗，设备的使用寿命也大大提高。

3）船闸控制系统与供配电/照明系统信息交互，实现船闸供配电系统的“三遥”功能，将船闸供配电设备、室外照明的监控纳入船闸监控系统，船闸变电所实现无人值守，船闸照明实现自动控制，减少船闸运行电耗。船闸管理系统与配电监视系统联网可实现用电负荷统计及能耗分析，为降低船闸运行能耗提供依据。

4）船闸控制系统与运营调度系统信息交互，实现船闸管控一体化，船闸运营管理真正实现自动化。

5） 船闸控制系统与现场机电设备信息交互，实现船闸机电设备智能诊断功能。目前的控制系统与机电设备信息交互只是做到了对机电设备运行状态的在线监控、数据记录、报警停机等保护功能。船闸机电设备智能诊断系统可实现分析各机电设备一段时间以来的运行数据及曲线，比对设备正常的运行数据及曲线，判断设备的性能及磨损情况，对工作到寿命极限的设备进行预警，提示维护人员及时更换相应的设备，从而减少设备故障停机时间。对于一个单位管理的多个船闸，可建立统一的智能诊断云平台，通过互联网对多个船闸机电设备实现远程管理诊断。

2　船闸运营调度系统

2.1现状及发展趋势

随着我国水运物流业的持续发展，内河航道通行的船舶数量、运量逐年增多，国内多个大型水利枢纽、水电站已开始扩建双线、三线甚至是四线船闸。京杭运河最繁忙的苏北段已全部建成三线船闸，三峡船闸扩建三线四线船闸也已提上议程。随着内河流域航道等级不断提升，多线船闸运行调度复杂，待闸船舶滞留情况逐渐增多，船闸已成为提升内河航道运量的瓶颈。传统的人工调度船舶过闸的模式效率低下，以控制系统和运营调度系统为核心的联合调度系统将成为数字化船闸的发展方向。

目前交通部正大力推广北斗船舶定位系统，在内河航道上安装北斗定位终端的船舶也越来越多。北斗终端不仅有船舶定位功能，还能实现船舶自动过闸报到、自动缴费和过闸信息发布等附加功能，与船闸调度系统联网后过闸效率将大大提高。开发与北斗定位终端的接口，也是实现数字化船闸的关键技术。

在国内收取过闸费的船闸中，目前绝大多数均采用船员上岸人工缴费的方式，船员一次缴费时间需要数小时。开发水上ETC系统，也能实现船舶自动过闸报到、自动缴费，提高过闸效率。水上ETC系统推广成本要低于北斗终端系统，更适合大面积推广。

船闸自动调度系统结合北斗终端及水上ETC系统，不仅提高了船舶过闸效率，还能减少船舶过闸调度及收费过程中的人工干预，是实现船闸减员增效和廉政建设的有效手段。

在“数字船闸”系统中，调度系统基于自动控制系统、ETC系统、工业电视系统、水文系统、北斗系统等各子系统，对船闸数据进行采集、处理、发布，由此共同构建了完整的管控系统，以此实现船闸管理的信息化、监控调度的自动化，规范过闸流程、实现船闸管控一体化，真正实现现代化船闸管理模式。

2.2“数字船闸” 船舶过闸流程

船舶过闸调度流程有以下四步：

1）船舶上传运单、报到、缴费，目前国内船闸大部分需要船员上岸报道缴费，也有部分船闸实现“水上ETC”自动报道缴费；

2）联合调度、船舶编队，根据报道船舶参数进行编队调度；

3）根据船闸状态及工况优先级别对以上船队进行排档；

4）船舶过闸。

“数字船闸”的自动调度的目标是结合当前的工况、水文、优先规则等条件将待闸船舶按照既定算法输入参数，将待闸船舶进行编队、排挡，由系统发出明确的调度指令，实现船舶有序快速过闸。

2.3“数字船闸”其他相关技术

图1　“数字船闸”船舶过闸流程图

1）航道航运地图：航运电子地图，并在地图上标明地区名称、码头、碍航设施等，并实时显示船舶航行位置（仅限装有北斗定位系统的船舶）、船舶待闸状态及船舶基本信息。

2）流域梯级船闸联合调度：梯级船闸联合调度系统遵循“统一调度、统一指挥、集中监控”的原则，采取“一次申报、统一计划、分闸实施”的调度程序，实现流域梯级船闸优化调度。

梯级船闸统一申报，实现方式：短信、北斗报闸、互联网。

梯级船闸统一收费，实现方式：水上ETC自动缴费和到闸人工缴费。

违章统一管理：将整个流域船闸的船舶违章记录，统一到一个数据平台上，实现违章的统一记录、查询等功能。

船舶到闸预测：根据船舶过闸等级情况、相邻船闸船舶过闸情况及历史同期本船闸过闸情况，推算出72小时、48小时、24小时内到闸的船舶数量。为本船闸过闸调度优化提供依据。

3）数据库异地容灾：流域船舶调度数据库存储中整个流域上航行的所有船舶数据信息，包括船舶基本信息、本次航行信息、船舶航行动态信息、船舶缴费及违章信息等，数据一旦紊乱、丢失将造成巨大损失，建立数据库异地容灾系统是十分必要的。

3　结束语

“数字船闸”以调度系统为核心，与自动控制系统、工业电视系统、广播通讯系统、ETC技术、北斗定位等技术相结合，实现船闸全区域内的管控一体化，减少船舶待闸时间，提高过闸效率；运用信息技术，通过开发和集成，实现船闸监控、调度的自动化、数字化和管理信息化，规范过闸流程、实现船闸管控一体化的现代化船闸管理模式。

参考文献：

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［2］ 朱翀.引入低碳理念 打造文化与数字船闸［J］.中国水运，2010（11）：44-45.

［3］ 何宇飞.GPS在苏北运河船闸通航调度中的应用［J］.信息系统工程，2009（5）：88-91.

［4］ 何平.高港船闸收费管理系统智能化改造与设计［J］.江苏水利，2009（9）：32-35.

Research on related technology of digital lock construction

CHEN Guo-ren1， WANG Xiao-feng2， LI Bing-yuan2

中图分类号：TP273

文献标识码：A

文章编号：1009-0134（2016）05-0170-03

收稿日期：2016-03-15

作者简介：陈国仁（1976 -），男，吉林人，工程师，硕士，主要从事船闸电气与控制系统设计施工的工作。