iP9000 智能一体化平台在智慧船闸建设中的应用

叶芾芃，邓小刚，谷亚飞，张宏艳

（北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038）

某航运枢纽工程由一个航电枢纽和一个航运枢纽两个项目组成，航电枢纽工程是一座以航运为主，兼有发电等综合利用工程，工程建设规模为正常蓄水位18 m，内河Ⅲ级船闸2 座，下称航电枢纽船闸1、航电枢纽船闸2。航运枢纽是一座以航运为主，兼有其他综合利用要求的航运枢纽工程，枢纽水库总库容约10.64 亿m3，正常蓄水位以下库容2.28 亿m3，船闸级别为Ⅱ级，下称航运枢纽船闸，设计船型为2 000 t 级。两个项目的船闸管控系统均采用北京中水科水电科技开发有限公司iP9000 智能对象一体化平台。

1 “智慧船闸”理念与系统构成

“智慧船闸”是以智能化设施设备为基础，以大数据、物联网、移动互联网、智能控制等新一代信息技术与船闸业务深度融合为核心，以船舶过闸组织服务创新为动力，以完善的体制机制、标准规范为保障，具有智慧运营、智慧运维、智慧服务等鲜明特征的现代船闸管理新业态[1-3]。

船闸管控系统包含多个子系统，通过iP9000 智能一体化平台实现各个子系统资源之间的共享和交互，如图1 所示智慧船闸一体化平台系统结构图，系统整体分为三个层面，采集层，服务层和应用层。采集层收集船闸各类型设备运行和状态数据，并通过外部接口与其它系统建立通信，汇总船舶信息、过闸申报、工业电视流媒体、结构安全监测、水情、消防等船闸运行监测数据。 驱动各子系统在应用层实现船舶注册、船闸设备集中控制、通航管理、过闸调度、设备运维管理、公告信息发布、视频联动、广播联动、历史数据查询等功能。

图1 智慧船闸一体化平台系统结构图

2 关键技术

2.1 船闸集中控制

系统采用“集中监视、分散控制、远程集中控制结合”的多层分布式结构，既可以在监控中心集中操作，也可在现地控制站进行操作，同时需考虑为流域船闸控制中心进行远程集中控制预留接口。整个控制系统由三个层次构成：现地层、站控层（船闸中控室）和集控层（管理区集控中心），船闸控制系统独立设置中控系统在船闸中控室，并通过光纤与集控中心相连，采用光纤工业以太网交换机组成网络，网络通信协议采用TCP/IP 以太网协议，通过100 M/s全双工交换式光纤实现中控室与集控室之间的网络通信。系统结构如图2 所示。

图2 船闸集控系统拓补图

船闸集控系统主要由一台Ⅰ区（生产区）交换机和一台Ⅲ区（管理区）交换机做网络支撑。集控层各设备按照使用分区接入两台交换机上。船闸交换机通过光纤与集控中心交换机相连。Ⅰ区IO 服务器采集生产区设备数据并下发命令，在站控层和集控层均可对船闸各闸阀们、泄水闸、信号灯、广播、工业电视的进行控制。Ⅲ区接口服务器连接集控管理系统，通航管理数据、火灾自动报警、大坝安全数据、视频监控流媒体数据均通过Ⅲ区接口服务器将数据汇聚至一体化平台。

2.2 通航管控一体化

在传统管理模式下，船舶信息管理、过闸申报审核、调度排档、船闸运行数据统计等不同业务类别之间缺少数据交互，孤岛现象明显，导致整体运行管理效率受限[4]。通过iP9000 智能一体化平台提供的丰富通信接口，实现船闸控制系统与船闸管理系统的互联互通，提升数据资源整合效率。船员可通过手机APP 在船闸管理系统注册登记船舶信息，由船闸管理人员审核后通过，完成注册的船舶填写过闸申报信息并提交，船闸管理人员在船闸管理系统完成船舶过闸申报审核、按照申请过闸的船舶实际情况排档并下发至船闸控制系统，通过船闸控制系统操作设备完成过闸，船舶过闸后船闸控制系统自动统计船闸运行记录，包括过闸船舶编号、闸次、设备操作命令记录、过闸时间、设备运行记录、设备报警信息、环境数据等，并将统计信息传输至船闸管理系统，由船闸管理系统汇总后自动生成船闸运行报表。避免业务流程中的人力资源浪费，从而实现船闸“少人值守，自主运行“的目标。

2.3 跨安全分区数据交互

随着船闸智慧化程度的提高，网络设备数量显著增加，对数据交互的安全性、保密性和合规性提出了更高的要求[5]。智慧船闸内部应用服务多依靠FTP、HTTP、TCP/IP 等网络标准协议，同时需提供过闸申报、通航公告发布等社会面功能，因此对网络安全提出更高要求。iP9000 智能一体化平台提供了完整的跨安全分区数据同步机制，基于此技术可将船闸网络划分为生产区和管理区。生产区主要为工控网络，直接控制船闸设备及接收设备反馈信息。管理区主要为应用服务网络，提供各项应用服务。只需在一体化平台中提前配置，各控制设备和应用服务便可以自由访问任意分区数据。通过跨安全分区数据同步，既满足了网络安全防护的需求，又实现了各子系统间的数据交互。

2.4 辅助系统数据交互

2.4.1 工业电视视频联动系统

闸区内各个关键点位均安装了智能云台，可对上下游引航道、闸室、各设备间进行全方位监控，船舶过闸过程中，当在对船闸设备进行操作，根据过闸流程信号，通过接入一体化平台的工业电视视频管理平台触发视频联动，自动调用过闸节点附近云台并显示其画面。或当一体化平台监测到重要设备的事故故障信号、消防系统有关报警信息，自动推出事故区域关联云台的报警画面。

2.4.2 通航广播联动系统

根据过闸流程信号在特定流程节点通过广播系统主机向过闸船舶自动播放如过闸注意事项、安全须知等内容。船闸管理人员也可通过手动操作，使用通航广播系统播放特定内容。

2.4.3 电力设备状态监测数据

通过采集获取船闸电力设备的电压、电流、功率、温度等监测数据，实时监控各项设备运行状态，数据整合分析后进行统一展示以及上送上级部门，并在传感器检测到如数据越限、状态异常等报警信息后触发报警事件。

2.4.4 火灾报警数据

消防报警数据传输采用独立消防网络，汇总安装在船闸生产区域内的各消防报警传感器信号，对全部生产区域进行实时监测，保证运行人员在出现火灾警情时第一时间获得告警信息。

2.4.5 大坝安全监测数据

通过将大坝安全监测数据接入一体化平台，船闸管理人员可在管控系统实时查询、收集和分析大坝位移、缝隙、应力、水位、雨量、风速、温湿度等数据，以确保大坝的稳定性和安全运行。

3 航运枢纽船闸试运行

航运枢纽船闸于2022 年2 月完成试运行并逐步投入正式运行，完成了对智慧船闸管控一体化全流程的调试工作，截至2022 年底，注册船舶478 艘，总吨位523 394.86 t，船舶数据统计如图3、图4所示。

图3 航运枢纽船闸注册船舶船长统计

图4 航运枢纽船闸注册船舶吨位统计

截至2022 年底，总过闸次数196 闸次，363 船次，其中上行90 闸次、下行106 闸次，货物通过量308 522.5 t，统计数据如表1 所示。

表1 航运枢纽船闸货物通过量 单位：t

航运枢纽船闸2022 年12 月过闸耗时统计如下图5 所示。

图5 航运枢纽船闸12 月过闸耗时统计

4 结语

智慧船闸建设对原有计算机监控系统提出了更高要求，除了保证传统集中控制功能之外，还要求满足由数据驱动的业务模块需求，提高单个船闸单位的运维管理效率，进而实现对流域内所有船闸单位的联合调度、统一管理，更精准、高效地服务于流域航运。理想的智慧船闸是应充分利用信息化系统所获取的感知数据，代替人工操作、决策的船闸管理模式。逐步形成少人值守的船闸运行模式。