江蘇智慧船閘建設(shè)實踐與演進路徑探析

孫俊鋒，陸 毅

(1. 江蘇省交通運輸廳港航事業(yè)發(fā)展中心，南京 210004； 2. 江蘇省交通運輸廳，南京 210001)

船閘是江蘇內(nèi)河水運的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和重要信息化載體。近年來，相關(guān)單位不斷開展智慧化研究與試點應(yīng)用[1-2]，取得了較為顯著的成效；未來將繼續(xù)以信息化驅(qū)動港航現(xiàn)代化，以數(shù)字化加速港航發(fā)展動能轉(zhuǎn)換，努力實現(xiàn)智慧港航現(xiàn)代化。本文以江蘇智慧船閘建設(shè)實際案例為依據(jù)，探析智慧船閘建設(shè)的道路和方向。

1 江蘇智慧船閘建設(shè)實踐

1.1 江蘇船閘信息化實踐

江蘇交通運輸部門共管理51座船閘，經(jīng)過多年的建設(shè)和發(fā)展，在通航保障、船閘運行、船舶服務(wù)等方面建立的多個信息化業(yè)務(wù)平臺均發(fā)揮了良好的效果，提供了船舶過閘智能調(diào)度、船舶行為監(jiān)管以及以“不上岸”為核心的“零距離”服務(wù)，有力地支撐了江蘇內(nèi)河航運的高質(zhì)量發(fā)展。

自2005年起，江蘇省交通運輸船閘開始使用聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)進行運行調(diào)度和收費管理，開啟了江蘇船閘信息化實踐時代。在此基礎(chǔ)上，圍繞船閘運行效率和服務(wù)能力，利用信息化手段對原有的船舶過閘流程進行優(yōu)化改造，開創(chuàng)了船民不上岸登記過閘的新模式，推出了船訊通、便捷過閘等智能手機應(yīng)用程序，投入了聯(lián)網(wǎng)收費、航閘智能運行、電子航道圖、船舶過閘信用管理等多個業(yè)務(wù)系統(tǒng)或平臺，達到了簡化船舶過閘程序、保障船舶出行安全、降低船舶運輸成本、提升船閘運行效能、規(guī)范船閘內(nèi)部管理的效果。船員只需一部智能手機即可完成過閘的全部流程，App覆蓋率接近100%。江蘇船閘運行調(diào)度信息化體系如圖1所示[3]。

圖1 江蘇船閘運行調(diào)度信息化體系

1.2 江蘇智慧船閘探索

江蘇船閘信息化實踐主要圍繞服務(wù)船員便捷過閘開展。然而，在船舶便捷過閘的同時，船閘運行方式仍基本停留在人工監(jiān)測和手工操作階段。因此，需要在船閘基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化、自動化和智慧化等方面積極開展研究試點與探索，例如以下三個試點：

(1) 鎮(zhèn)江市諫壁數(shù)字化船閘研究試點。針對船閘養(yǎng)護和管理兩種日常業(yè)務(wù)場景，以實現(xiàn)對船閘基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)施、養(yǎng)護業(yè)務(wù)、運行安全等方面的數(shù)字化監(jiān)測、自動化采集、智能化應(yīng)用為目標(biāo)，采用基于物聯(lián)網(wǎng)、5G、視頻識別、大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生等先進技術(shù)，開展對船閘協(xié)同的安全條件、通航過閘條件、設(shè)備設(shè)施運行狀態(tài)實時監(jiān)測與判斷等方面的數(shù)字化船閘應(yīng)用研究。成果包括智能感知系統(tǒng)、智能傳輸系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)存儲管理平臺、智慧船閘運調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)字孿生可視化分析系統(tǒng)[4]以及養(yǎng)護管理系統(tǒng)。目前，相關(guān)成果已在鎮(zhèn)江諫壁船閘試運行，對養(yǎng)護、運行業(yè)務(wù)起到重要的幫助作用，大大提升了工作效率，同時推動了航運安全管理水平的提升。

(2) 南京市洪藍自動化船閘研究試點。為提升船閘運行控制智能化、自動化程度，運用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等現(xiàn)代信息通信技術(shù)，綜合各類傳感器和工業(yè)控制系統(tǒng)監(jiān)測手段，對船閘環(huán)境、設(shè)備、設(shè)施和過閘船舶進行全面感知，研制閘室內(nèi)外物聯(lián)網(wǎng)感知水位計、閘室內(nèi)外水面波動自動識別監(jiān)測系統(tǒng)、閘門安全監(jiān)測系統(tǒng)等設(shè)備，研發(fā)船閘三維數(shù)據(jù)可視化孿生系統(tǒng)和船閘輔助自動控制指揮系統(tǒng)，在安全可控的前提下，通過安全監(jiān)測、狀態(tài)評估、指揮決策等模塊協(xié)同運作，輔助控制閘閥門開啟和關(guān)閉，實現(xiàn)調(diào)度控制一體化。

(3) 宿遷市劉老澗智慧船閘項目試點。試點項目以船閘運行調(diào)度業(yè)務(wù)為主線，在已有的信息化基礎(chǔ)上，通過完善航閘智能運行系統(tǒng)，實現(xiàn)運調(diào)全流程智能化；通過完善航閘智能設(shè)備設(shè)施系統(tǒng)，實現(xiàn)船舶過閘全自動微干預(yù)操作，從而實現(xiàn)船閘運行全自動化；通過建設(shè)控制系統(tǒng)與運調(diào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)互通體系，實現(xiàn)運調(diào)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)流互補互通，實現(xiàn)運、控數(shù)據(jù)一體化；構(gòu)建多業(yè)務(wù)綜合、協(xié)同、全流程貫通，集船閘管理、過閘服務(wù)為一體、運控系統(tǒng)高度融合、可持續(xù)升級的智慧船閘體系。

2 智慧船閘演進分析

在江蘇智慧船閘建設(shè)實踐的基礎(chǔ)上，隨著近年來交通基礎(chǔ)設(shè)施物聯(lián)網(wǎng)化的迅猛發(fā)展，為滿足日益提高的船舶過閘精準(zhǔn)服務(wù)需求，緩解日益突出的船閘業(yè)務(wù)操作人員緊缺問題，船閘運行調(diào)度管理部門在現(xiàn)有業(yè)務(wù)模式下，不斷探索船閘運行與控制系統(tǒng)、船舶調(diào)度與組織模式、業(yè)務(wù)操作與管理流程的融合，以期運用適應(yīng)性好、成熟度較高的新技術(shù)，通過人員管理、船閘運行、船舶調(diào)度的平滑升級，穩(wěn)步推進智慧船閘發(fā)展。結(jié)合交通運輸系統(tǒng)數(shù)字化、智能化與智慧化的演進趨勢[5]，從閘、船、人三個維度構(gòu)建智慧船閘分析框架，隨著船閘智慧化的演進，船閘控制水平越來越高，船舶調(diào)度范圍逐步擴大，所需人員逐步減少，最終實現(xiàn)無人化的全自主運行船閘。智慧船閘演進趨勢如圖2所示。

圖2 智慧船閘演進趨勢

根據(jù)智慧船閘演進的趨勢，將智慧船閘演進分為三個階段：以全景感知數(shù)字化+船閘遠程集中控制為主要特征的數(shù)字化輔助階段(智慧船閘Ⅰ階段)、以運行調(diào)度智能化+船舶航次協(xié)同調(diào)度為主要特征的自動化運行階段(智慧船閘Ⅱ階段)和以科學(xué)決策智慧化+無人化為主要特征的全自主運行階段(智慧船閘Ⅲ階段)。

在船閘運行與控制方面，智慧船閘Ⅰ階段將在現(xiàn)場人工操作的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)數(shù)字化感知下的遠程集中輔助操作；智慧船閘Ⅱ階段將實現(xiàn)人工微干預(yù)下的自動化運行，特別是船閘運調(diào)與控制數(shù)據(jù)的統(tǒng)一；智慧船閘Ⅲ階段將實現(xiàn)船閘無人化的全自主運行。在船舶調(diào)度與組織方面，智慧船閘Ⅰ階段將從單個船閘、單個閘次的人工排擋發(fā)展到智能(自動)排擋；智慧船閘Ⅱ階段將實現(xiàn)按航次統(tǒng)一調(diào)度，為每艘船舶提供專屬規(guī)劃航線和過閘方案；智慧船閘Ⅲ階段將實現(xiàn)港航運協(xié)同調(diào)度，即航道網(wǎng)絡(luò)根據(jù)港口、船舶的實時運輸狀態(tài)，優(yōu)化船舶過閘方案，全過程無須人工干預(yù)。在業(yè)務(wù)操作與管理方面，智慧船閘Ⅰ階段將把分散在各個船閘的運調(diào)人員集中至運調(diào)中心，減小工作強度，提升工作效率；智慧船閘Ⅱ階段將大幅減少船閘操作人員，僅保留少量船舶調(diào)度人員；智慧船閘Ⅲ階段將實現(xiàn)無人船閘，運行調(diào)度都由系統(tǒng)自主實現(xiàn)，人員只需完成例行養(yǎng)護、巡檢和應(yīng)急工作。智慧船閘演進三個階段的具體特征見表1。

表1 智慧船閘演進三個階段的具體特征

3 智慧船閘演進路徑

3.1 智慧船閘Ⅰ階段主要建設(shè)任務(wù)

(1) 建設(shè)船閘數(shù)字化全景感知網(wǎng)，通過全方位無死角視頻監(jiān)控、AIS(船舶自動識別系統(tǒng))基站、水位感知和閘閥門、機電設(shè)備狀態(tài)感知等設(shè)備，實現(xiàn)對轄區(qū)內(nèi)多座船閘運行狀況數(shù)據(jù)的實時采集和監(jiān)測。

(2) 建設(shè)區(qū)域遠程集中控制系統(tǒng)，在運調(diào)中心實時采集PLC(可編程邏輯控制器)狀態(tài)信息，遠程下達船閘PLC控制指令，實現(xiàn)船閘運行控制。

(3) 建設(shè)統(tǒng)一調(diào)度系統(tǒng)，通過接口獲取船閘聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)、便捷過閘App的船舶登記繳費信息，保證船舶注冊、申報、登記、繳費、過閘的全部信息在各個系統(tǒng)中一致，調(diào)用電子航道圖系統(tǒng)和定位系統(tǒng)，實現(xiàn)對不同船閘的船舶的統(tǒng)一調(diào)度管理。

(4) 建立省級信息化服務(wù)平臺，各類公共信息由平臺統(tǒng)一發(fā)布，提供直觀、形象化的過閘數(shù)據(jù)和信息展示。

目前，部分設(shè)區(qū)的市正在積極推進智慧船閘I階段的區(qū)域遠程集中控制體系建設(shè)，一是對所轄區(qū)域內(nèi)所有船閘進行遠程集中控制，減少船閘現(xiàn)場操作人員；二是實施船舶統(tǒng)一調(diào)度，對單個梯級船閘(包含多閘室)實現(xiàn)智能排擋，通過便捷過閘App主動向船員推送閘室內(nèi)排擋圖，引導(dǎo)船舶進閘，提高閘室利用率、減少船舶過閘時間。

3.2 智慧船閘Ⅱ階段主要建設(shè)任務(wù)

(1) 建設(shè)物聯(lián)感知網(wǎng)，在智慧船閘I階段船閘數(shù)字化全景感知網(wǎng)的基礎(chǔ)上，針對船閘自主運行的需要，適當(dāng)采用AI(人工智能)攝像頭和門機電傳感器實時監(jiān)測船閘設(shè)備設(shè)施運行狀態(tài)、過閘船舶動態(tài)及外部環(huán)境等通航要素，匯聚船閘運行行為數(shù)據(jù)，與安全運行參數(shù)實時匹配，支持過閘安全輔助決策。

(2) 建設(shè)自主運行控制系統(tǒng)，在集中控制的基礎(chǔ)上，依靠船閘物聯(lián)感知網(wǎng)實時獲取船閘運行安全等相關(guān)數(shù)據(jù)，通過調(diào)度系統(tǒng)與控制系統(tǒng)聯(lián)動，實現(xiàn)船閘在正常條件下的自主運行。

(3) 建設(shè)省級航網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，通過干線航道網(wǎng)外場感知設(shè)施的逐步建設(shè)到位，建立江蘇省航網(wǎng)水下、水面、空中全方位立體感知體系，及時掌握航網(wǎng)交通流和水情、氣象等信息。

(4) 建立智能航次輔助決策系統(tǒng)，在省級航網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的支撐下，開發(fā)船舶助航系統(tǒng)，通過航網(wǎng)現(xiàn)狀和船舶運行歷史大數(shù)據(jù)進行分析，自動判斷最佳路徑和途徑船閘，并通過內(nèi)河電子航道圖為船舶提供輔助導(dǎo)航服務(wù)。

船閘集中控制系統(tǒng)可根據(jù)船閘內(nèi)外部環(huán)境感知情況，自動識別閘室內(nèi)外水位、船閘運行各環(huán)節(jié)風(fēng)險點，在內(nèi)外部自檢均正常的條件下，實現(xiàn)閘閥門開閉無人操作；運行中實時監(jiān)測風(fēng)險隱患，發(fā)現(xiàn)異常自動停止運行，并及時提醒人工干預(yù)。船舶調(diào)度方面實現(xiàn)江蘇省范圍內(nèi)船舶調(diào)度航次化，船舶可一次申報一個航次，系統(tǒng)根據(jù)船舶基本尺度、裝載貨物和起訖港信息，結(jié)合當(dāng)前航道網(wǎng)交通運行狀況，推薦最優(yōu)航線和備用航線供船員參考，并基于內(nèi)河電子航道圖和虛擬航標(biāo)等提供船舶助航服務(wù)。

3.3 智慧船閘Ⅲ階段主要建設(shè)任務(wù)

(1) 進一步完善港航運物聯(lián)感知網(wǎng)絡(luò)，將船閘運行、船舶調(diào)度小循環(huán)放在整個港航運行的大循環(huán)中，實現(xiàn)港口與航網(wǎng)感知一體化。

(2) 建設(shè)完善港航運綜合數(shù)據(jù)庫，實時接入各大水運物流平臺和港口運行數(shù)據(jù)，船舶接單、進出港等數(shù)據(jù)將成為航網(wǎng)運行的重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

(3) 建立智慧航網(wǎng)運行系統(tǒng)，融合港口、物流、航道、船閘等運行與監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)航網(wǎng)運行全流程數(shù)字化，船舶從互聯(lián)網(wǎng)平臺接單的同時，航網(wǎng)運行系統(tǒng)就會動態(tài)預(yù)測航網(wǎng)流量變化、計算最優(yōu)航線，等船舶離港時即可提前安排過閘日期和隊列；當(dāng)船舶因特殊原因無法按時到達時，系統(tǒng)也能自行判斷并與船舶確認，并實時調(diào)整最優(yōu)過閘隊列，全過程無須人工干預(yù)。

在這一階段，智慧船閘將成為整個智慧航網(wǎng)的一部分，船舶的調(diào)度由智慧航網(wǎng)運行系統(tǒng)接管。目前港口、航道物聯(lián)感知網(wǎng)絡(luò)正在分別建設(shè)中，港航運綜合數(shù)據(jù)庫已經(jīng)進入設(shè)計階段，智慧航網(wǎng)運行系統(tǒng)亦擬在干線航道網(wǎng)運行調(diào)度與監(jiān)測服務(wù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行升級。

4 結(jié)語

內(nèi)河水運是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，新基建和信息化正在為水運賦能，讓這個古老的行業(yè)煥發(fā)新生。本文立足新發(fā)展階段，貫徹新發(fā)展理念，通過對船閘歷史和現(xiàn)狀進行分析，結(jié)合當(dāng)前信息化技術(shù)的演進方向，從數(shù)字化、智能化、智慧化分期分層實現(xiàn)智慧船閘的迭代升級，為船閘運行、船舶服務(wù)提供安全、便捷、高效的技術(shù)保障，構(gòu)建內(nèi)河水運發(fā)展新格局。