自动化系统在北运河甘棠船闸建设工程中的应用

要倩雅 姚永宽 隗 强

(北京金河水务建设集团有限公司，北京 102206)

随着社会的进步和科技的发展，对船闸自动控制系统的智慧程度提出了更高要求。北运河甘棠船闸自动化控制系统在第五代移动通信网络、物联网、大数据等现代高新技术手段的加持下，保障了北运河甘棠船闸交通供给能力、安全保障能力及运行效率，实现了北运河船闸的智慧运营，提升了游客的过闸体验，为大运河文化带高质量发展提供了重要的基础保障[1]。

1 工程概况

甘棠船闸工程位于北运河通州段，为单级双线船闸，是满足北运河通州段全线游船通航的重要工程。甘棠船闸航道长度为1.1km，包括上游引航道、上闸首、闸室段、下闸首、下游引航道。船闸闸室有效长度65m、闸室有效宽度10m、门槛水深2.5m。通过船闸建设，打通北关闸至杨洼闸之间水上运行通道，使船舶克服拦河闸上、下游水头差，安全、平稳、快速过闸，实现北运河北京段全线通航。甘棠船闸作为北京水务系统近年来重大水利工程之一，为使甘棠船闸实现科学化的管理、调度，减少船只过闸等待时间，提升游客旅游体验，提高管理水平，在满足船闸可靠控制、船舶安全过闸的基础上，针对旅游船闸的特点，通过监控、视频广播及过闸引导控制系统来实现船闸安全、高效智能运行，以及船舶智慧运行的运营环境。

2 监控子系统

监控子系统是船闸运行调度的总集成，视频广播子系统和过闸引导子系统辅助监控子系统完成船闸的运行调度，为船闸管理者提供一站式、多维度、三维可视化的管理指挥舱，全面掌握船闸的各项数据及操作，实现船闸一键通航的智慧运营环境。

2.1 船闸监控系统组成

船闸监控系统(见图1)由操作员工作站、工程师站、微控制单元(MCU)、集控指令PLC站、启闭机现地控制站组成。在工业以太环网的通信传输下，实现控制室对船闸设施的集中控制，实现上下闸首对船闸闸门、输水闸门和交通信号灯的现地控制，实现液压泵房实现对液压泵站各设备的现地电动控制，实现船闸等水工建筑物的渗压、水位监测。

图1 船闸监控系统

2.2 工况监测

2.2.1 闸门与液压机组工况

船闸闸门、输水闸门均安装有位移传感器，液压泵启停、压力、油温、过滤器堵塞和油位等均配套有相应传感器，这些传感器现场采集数据，通过PLC传至计算机。

在上闸首、闸室和下闸首三处设水位计，通过PLC将水位数据采集传至计算机。

2.2.2 监测系统

人字门对中视频监测：上下闸首人字闸门共配置4套人字门对中视频检测装置。采用视频识别、数据叠加技术，检测人字闸门对中门缝/错位信息。

水工建筑物安全监测：在闸站设置18处渗压计，通过渗压计专用电缆接入MCU，这些数据接入监控系统。

2.3 工况控制

本工程的闸门监控控制系统采用以下3种控制方式。

2.3.1 现地常规电气控制

船闸的上下闸首、输水闸门、交通信号灯处均设有现地控制箱，可控制船闸闸门、输水闸门、交通信号灯等设备，显示闸门运行状态。常规电气控制面板上设置现地/远程转换开关。现地控制系统独立于计算机与PLC工作，通过继电器控制回路实现机械互锁和现地按钮启停控制相关设备工作，即使计算机系统或PLC出现意外故障亦能保证设备的运转。

2.3.2 PLC逻辑控制

通过组态软件对PLC编程，实现对船闸闸门、输水闸门、交通信号灯等设备的自动控制。PLC为机架式装配，根据功能需求可扩展模块。PLC主要配备有电源模块、CPU模块、串口通信模块，现场总线通信模块、I/O模块等。PLC对水位、液压设备、闸门状态、闸门开度、交通信号灯等工况参数、供电运行参数进行采集。

2.3.3 远程控制

通过管理房内的监控工作站和操作人员使用无线手持设备远程控制船闸闸门、输水闸门、交通信号灯等设备。

2.4 系统功能

2.4.1 操作员工作站

配置2台操作员工作站，分别操作东西两线船闸，应急时可互为备用。安装SCADA组态软件运行版、船闸集中监控软件、船闸监控数据管理软件，实现双线船闸运行状态的动态显示见图2。根据船闸运行流程下发集中控制指令至指令PLC及现地启闭机站PLC；根据船闸运行调试成果，设置、修改、记录船闸监控运行参数；记录运行及故障实时及历史数据，向船闸运维系统提供实时及历史数据服务。

图2 船闸集中监控系统

2.4.2 工程师站

配置工程师站一套，安装PLC编程软件、触摸屏编程软件、组态软件开发版等系统支持软件。进行PLC软件备份、触摸屏工程备份、组态软件工程备份。

2.4.3 微控制单元

微控制单元中测量单元设计有防浪涌保护装置，通信接口与测量单元设计有光电物理隔离，测量单元可承受8kV静电放电，满足《混凝土坝安全监测技术规范》(SL 601—2013)对各类仪器的测量要求[2]。并用专用四芯屏蔽电缆将渗压传感器接入微控制单元中，将数据采集存储，通过工业以太环网，将数据集成到船闸监控子系统，实现实时监测船闸结构安全。

2.4.4 集控指令PLC站

配置集控指令PLC站一套，采集配电系统运行信息、人字门门缝对中保护信息、激光3D云点探测船舶进出闸信息、集中紧急操作信息、电子围栏报警信息等，实现双线船闸的上下游安全连锁保护、集中全自动指令控制、船舶出闸靠泊引导信息输出等功能。

2.4.5 启闭机现地控制站

启闭机现地控制站通过可编程逻辑控制器接收指令，启动和关闭闸阀门电机、建立液压，通过开启相应的电磁阀去打开或关闭相应的输水门或人字门。通过在输水门或人字门上安装闸阀门限位器、开度仪，保障输水门和人字门动作到位后自动停止。在通航过程中，利用安装的水位计实时采集上游、闸室及下游水位，上行过程中让下游和闸室水位平差在10cm以内，控制闸阀门和通航信号灯引导游船进闸。船舶进闸后，可编程逻辑控制器控制相应的设备，让上游和闸室的水位平差在10cm以内，再次通过控制闸阀门和通航信号灯引导游船出闸。下行过程中的控制与上行过程相似。

3 视频广播子系统

为使工作人员能够随时了解上闸首、下闸首、上闸首停泊区、下闸首停泊区和室外管理房院内区域和机电设备的实际工作情况以及周边环境，视频联动，船闸运行过程中视频定点追踪关注部位，广播自动预告下一步动作，建立视频广播控制系统。

3.1 视频系统

视频系统由14套视频前端设备、2套硬盘录像机、1套视频工作站和2套大屏幕组成。工作站由高性能工作站组成，传输部分由以太网信号光端机、网线和光缆组成，视频系统见图3。

图3 视频系统

这两线船闸各配置一套视频与控制智能联动装置，分别布置在监控中心内。视频系统与监控系统联动，实现船只过闸视频联动。当在集中控制系统对被监视设备进行操作时，视频监控画面能自动转向该设备并显示其画面，并能对重要部位设置实时监视功能，以判断船闸运转是否正常、了解现场动态，并完成船只进闸出闸操作顺序的自动随动等功能。视频子系统包括视频联动系统监控主机、网络视频录像机NVR、4路视频解码器、高清混合矩阵等软硬件设备，可实现船只过闸视频联动，提供90天内视频回放功能。

3.2 广播系统

船闸广播系统设备包括监控主机1台、分区广播话筒1套、甚高频无线电台1套、广播14套等，广播系统见图4。

图4 广播系统

3.2.1 广播监控主机

为保证广播系统使用便捷、结构简单，协议通用性及可扩展性，在监控调度中心设置广播监控主机一套。通过视频系统的网络传输音频数据，实现对船闸的分区广播、集中广播、现地广播及紧急广播等。

3.2.2 甚高频电台

甚高频电台设置在监控中心，天线安装在监控中心楼顶，确保安全牢固及防雷。为保证船岸通信，建立管理人员与游船的甚高频无线电台通信网，实现有效区域内的即时沟通，提升船闸运行效率。电台工作频率需在当地无线电管理委员会备案并获得批准。

3.2.3 广播智能联动

根据船闸运行工艺，实现对船舶过闸引导自动分区广播。智能调节白天及夜间广播音量。自动播报设备启动及故障报警信息。通过与甚高频无线电台通信、船舶智航终端5G通信集成，实现调度中心对船方的调度广播及对讲功能。

4 过闸引导子系统

针对旅游船闸船舶过闸等待时间短、进出闸速度快等过闸体验要求，为确保船舶快速进出闸及靠泊，采用多路径船舶过闸引导，协同配合，保障船舶过闸安全，提升过闸效率和体验。除信号灯、分区广播、甚高频无线对讲等常规引导外，过闸引导系统还采用3D激光船舶探测、进出闸智能灯光引导、靠船墩数字标识、系船柱数字标识、禁停线激光标识、LED情报信息公告，系统构成见图5。

图5 过闸引导系统

4.1 3D激光船舶探测

在船闸上下闸口、闸室上下禁停线、中线共设置5套3D激光扫描设备，借鉴汽车无人驾驶技术，实现船舶进出闸跟踪、定位，实时动态3D展示船舶过闸及船闸运行过程。每线船闸配置一套3D激光点云专用采集处理单元，双线船闸配置1套船舶探测应用服务器，形成3D激光船闸扫描系统，系统构成见图6。

图6 3D激光船闸扫描系统

3D激光船闸探测是通过激光点云技术对船闸上下游及闸室内进行多视角实时扫描，单线船闸W形布置的激光扫描设备，对船体进行全方位扫描，后台软件对船体进行实时高精度三维建模与渲染，还原船只真实形状，将船只渲染后的模型等比例投放到船闸三维模型中，最终呈现于大屏数据可视化系统中，引导船舶顺利过闸，成像过程见图7。

图7 激光点云三维建模渲染

4.2 进出闸智能灯光引导

船闸水域边界设置全彩条形界限灯，单节尺寸为1000mm×50mm，材质为航空铝材、内部灌胶，钢化玻璃外罩，单节12颗LED灯珠，防护等级为IP65[3]。通过DMX512控制总线将条形界限灯串联接入引导控制柜。船闸运行过程中，集控PLC将实施运行状态输入引导控制柜，引导控制柜根据专家预置好的灯光显示逻辑更换相应区域的灯光颜色，引导游船快速进闸、泊位、出闸，确保游船夜间安全进出船闸，见图8。

4.3 靠船墩、系船钩数字标识

根据设计要求，在上下引航道两侧每个靠船墩边上设置LED数标识显示墩号，4面显示数字；规范游船有序停靠，系统通过就近的广播通知相应墩号的游船有序过闸。闸室每处系船沟边上设置系船钩数字标识[3]，游船进闸后，广播系统自动通知游船停泊在相应数字标识边上的系船沟附近并拴安全绳，确保游船准备泊位，安全过闸，提高过闸效率，增加安全保障，见图8。

图8 智能数字标识灯光引导

4.4 禁停线激光标志

为防止游船在通行过程中被开关状态中的闸门碰撞挤压，设置肉眼可见的激光禁停线，夜间可在水面形成宽5～10mm的红色禁停线，广播系统自动提示游船头部及尾部不能越过禁停线，当游船越过禁停线时，激光禁停设备发出声光报警，船闸运行自动中止，闸门开关动作也会停止，以免发生挤压碰撞事件[3]。

4.5 LED可变情报板

在船闸中隔墩上下游各设置一块全彩LED可变情报板，显示过闸的船舶靠船墩停靠信息、船舶进出闸次序、船舶闸室泊位信息、船闸运行信息、过闸安全提示等。

5 智慧管理平台

以第五代移动通信网络、物联网、大数据为核心，智慧管理平台集成接入多个子系统，实现船闸运行工况全过程采集、记录、智能分析及应用。运行过程中，智慧管理平台联合调度各子系统，根据预置的船闸运行逻辑以及前端传感设备实时数据，合理输出各种运行工况，规避各种风险，实现各子系统之间的协同工作，通过工业以太网，实现局域网内的数据即时共享，全面满足船闸安全、高效智能运行，以及船舶智慧运行的运营环境。智慧管理平台见图9。

图9 船闸智慧管理平台

6 结 论

通过监控、视频广播、过闸引导等子系统获取到大量的实时数据、控制信息、监视信息，并传输到船闸智慧管理平台，通过一体化、模块化、智能化及网络化，对船闸运行过程中进行智能化大数据分析，实现自主应对方案，为船舶、船闸、社会群体提供更细化、更精准的服务内容[4]。北运河甘棠船闸自动化系统加大船闸节能节时技术的研究力度，从技术和管理角度推动数据信息化，提高船闸管理效能，保障船闸安全高效运行。