基于iP9000 船閘管控一體化的設(shè)計與實現(xiàn)

艾志華，李雪強(qiáng)，談洋洋，鄧小剛，張宏艷

（1.江西省信江船閘通航中心，江西 鷹潭 335000；2.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038；3.江西省港航建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330000）

利用現(xiàn)代化的通信、自動控制、人工智能和數(shù)據(jù)庫技術(shù)將現(xiàn)地感知、集中控制、船舶調(diào)度管理和信息系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合在一起，并可通過數(shù)據(jù)接口接收聯(lián)合調(diào)度計劃、并上傳船閘生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，形成智慧船閘調(diào)度、運(yùn)維、管理和控制的管控一體化平臺。iP9000 作為新一代智能對象國產(chǎn)化監(jiān)控系統(tǒng)將原來分散的電調(diào)、水調(diào)監(jiān)視、控制、預(yù)警和作業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一平臺的整合，采用面向服務(wù)的軟件架構(gòu)（SOA），利用先進(jìn)的面向?qū)ο蟮姆椒▽?shù)據(jù)庫組態(tài)，對監(jiān)視、報警和預(yù)警進(jìn)行智能的優(yōu)化，提供強(qiáng)大的高級應(yīng)用功能。充分發(fā)揮流域集中管控的優(yōu)勢，探索和實現(xiàn)安全防護(hù)、信息通信、視頻監(jiān)控、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、梯級集控、水庫調(diào)度、狀態(tài)監(jiān)測、專家決策等船閘生產(chǎn)運(yùn)行管理的各個環(huán)節(jié)的智能一體化功能[1]。

基于iP9000 的船閘管控一體化系統(tǒng)，充分挖掘了iP9000 統(tǒng)一、開放等特色架構(gòu)的潛力，設(shè)計了包括船閘監(jiān)控系統(tǒng)、通航管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)交互中間庫、網(wǎng)絡(luò)通信隔離和數(shù)據(jù)同步工具在內(nèi)各個服務(wù)模塊；通過各個服務(wù)模塊將分別建設(shè)的船閘監(jiān)控系統(tǒng)和通航管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動有機(jī)交互，實現(xiàn)了航運(yùn)樞紐通行船舶排檔信息的自動下達(dá)到船閘監(jiān)控系統(tǒng)，同時船閘監(jiān)控系統(tǒng)將船舶通行信息自動實時上送給通航管理系統(tǒng)，避免人為干預(yù)通航流程帶來的風(fēng)險，同時也提高了船閘運(yùn)行效率。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 船閘監(jiān)控系統(tǒng)

船閘監(jiān)控系統(tǒng)用于集中監(jiān)視閥門、閘門狀態(tài)及閘室水位信息等，及進(jìn)行船閘的閥門、閘門及船閘輔助設(shè)備的啟閉等控制操作，以完成船舶實際過閘航行的目標(biāo)。

1.2 通航管理系統(tǒng)

通航管理系統(tǒng)主要用于航運(yùn)通行、船舶過閘的信息管理，包括船閘聯(lián)合調(diào)度、船舶過閘登記、船舶智能排檔、水位及氣象數(shù)據(jù)記錄及其他輔助通行管理功能。

1.3 數(shù)據(jù)交互中間庫

數(shù)據(jù)交互中間庫用于通航管理系統(tǒng)和船閘監(jiān)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換的中間件。比如通航管理系統(tǒng)根據(jù)所有登記過閘的船舶，按一定規(guī)則將新編排生成的船舶排檔信息寫入到中間庫，船閘監(jiān)控系統(tǒng)定時讀取該中間庫，發(fā)現(xiàn)有新的船舶排檔信息則進(jìn)行讀取操作，并設(shè)置已讀取標(biāo)志。根據(jù)兩個系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息交互的實際需要，中間數(shù)據(jù)庫內(nèi)設(shè)計了船舶排檔信息表、排檔鎖定信息表、船舶過閘信息表、設(shè)備狀態(tài)信息表等，用于雙方寫入或讀取相應(yīng)交互數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)交互中間庫部署在通航管理系統(tǒng)側(cè)。

1.4 網(wǎng)絡(luò)通信隔離裝置

通常船閘自動化監(jiān)控系統(tǒng)作為生成現(xiàn)場系統(tǒng)部署在安全一區(qū)，而通航管理系統(tǒng)作為信息管理系統(tǒng)部署在安全三區(qū)，為了兩個系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交互的安全性，需要引入網(wǎng)絡(luò)通信隔離裝置。即船閘監(jiān)控系統(tǒng)通過反向隔離裝置，獲取部署在安全三區(qū)的數(shù)據(jù)交互中間庫內(nèi)通航管理系統(tǒng)生成的船舶排檔等信息；再通過正向隔離裝置將排檔鎖定信息、閘門等設(shè)備狀態(tài)、船舶實際過閘過程等實時操作情況提交到通航管理系統(tǒng)。

1.5 數(shù)據(jù)同步工具

數(shù)據(jù)同步工具用于檢測數(shù)據(jù)交互中間庫及跨網(wǎng)絡(luò)通信隔離裝置的數(shù)據(jù)傳輸，即定時監(jiān)視中間數(shù)據(jù)庫的變化，讀取通航管理系統(tǒng)排檔信息等變化數(shù)據(jù)后寫入監(jiān)控系統(tǒng)部署在安全三區(qū)的專用數(shù)據(jù)庫表中，再利用監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)置的跨隔離反向數(shù)據(jù)傳輸功能，同步該變化數(shù)據(jù)到監(jiān)控系統(tǒng)安全一區(qū)數(shù)據(jù)庫，供人機(jī)界面程序查詢并展示排檔信息。

同時對于監(jiān)控系統(tǒng)鎖定排檔、操作控制船閘設(shè)備的動作結(jié)果數(shù)據(jù)，監(jiān)控系統(tǒng)先寫入安全一區(qū)數(shù)據(jù)庫，再利用監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)置的跨隔離正向數(shù)據(jù)傳輸功能，同步該數(shù)據(jù)到監(jiān)控系統(tǒng)安全三區(qū)數(shù)據(jù)庫，最后由數(shù)據(jù)同步工具將數(shù)據(jù)由監(jiān)控系統(tǒng)安全三區(qū)數(shù)據(jù)庫同步到數(shù)據(jù)交互中間庫，供通航管理系統(tǒng)查詢并動態(tài)展示船舶過閘情況。

2 數(shù)據(jù)交互方案

2.1 iP9000 系統(tǒng)數(shù)據(jù)組織

iP9000 系統(tǒng)采用了徹底的面向?qū)ο笏季S進(jìn)行設(shè)計，數(shù)據(jù)、報警等均采用面向?qū)ο蟮慕M織形式。數(shù)據(jù)建模采用設(shè)備對象樹的形式進(jìn)行構(gòu)建，同時采用面向?qū)ο蟮姆椒ńM織整合實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報警、調(diào)節(jié)與控制操作，通過對象可索引得到該對象的數(shù)據(jù)屬性、操作屬性和報警狀態(tài)等。實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫也均支持對象類型數(shù)據(jù)的存儲與訪問[2]。

iP9000 平臺實時庫常駐內(nèi)存，保存所有對象當(dāng)前的實時值。包含模擬量采集對象比較關(guān)心的值，更新時間等；開關(guān)量采集對象比較關(guān)心的單點(diǎn)狀態(tài)，綜合狀態(tài)，更新時間等（以上更新時間均為采集對象上送時標(biāo)）。

iP9000 平臺歷史庫為第三方商業(yè)數(shù)據(jù)庫，支持MongoDB、Oracle、MySQL、達(dá)夢等多種數(shù)據(jù)庫。存儲的歷史數(shù)據(jù)包括秒級數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)（分鐘數(shù)據(jù)、小時數(shù)據(jù)、日數(shù)據(jù)）、歷史事件等。所有歷史數(shù)據(jù)均支持通過對象名進(jìn)行數(shù)據(jù)的訪問。

2.2 數(shù)據(jù)交互過程

基于iP9000 的船閘管控一體化系統(tǒng)其數(shù)據(jù)交互分為以下6 個步驟：

（1）首先通過通航管理系統(tǒng)，進(jìn)行船舶智能排檔；船舶排檔信息寫入數(shù)據(jù)交互中間庫，生成排檔信息表；

（2）數(shù)據(jù)同步工具定時監(jiān)視數(shù)據(jù)交互中間庫的變化，讀取通航管理系統(tǒng)排檔信息等變化數(shù)據(jù)；

（3）當(dāng)步驟（2）監(jiān)視到有新排檔信息時，通過網(wǎng)絡(luò)通信隔離裝置，進(jìn)行一三區(qū)反向隔離，寫入船閘監(jiān)控系統(tǒng)部署在安全三區(qū)的專用數(shù)據(jù)庫表中，讀取數(shù)據(jù)，監(jiān)控系統(tǒng)先寫入安全一區(qū)數(shù)據(jù)庫，讀取排檔信息表后，供人機(jī)界面程序查詢并展示當(dāng)前排檔信息；

（4）根據(jù)選擇的過閘排檔信息，開啟閘門，調(diào)整水位，監(jiān)視閘門及水位狀態(tài)，等待船舶通過后關(guān)閉閘門；

（5）將步驟（4）的排檔鎖定信息、閘門等設(shè)備狀態(tài)、船舶實際過閘過程等實時操作情況通過網(wǎng)絡(luò)通信隔離裝置，進(jìn)行一三區(qū)正向隔離，寫入監(jiān)視三區(qū)隔離單元中，讀取是否產(chǎn)生新數(shù)據(jù)；若未產(chǎn)生新數(shù)據(jù)，則繼續(xù)讀取正向隔離數(shù)據(jù)；若產(chǎn)生新數(shù)據(jù)，提交選擇的過閘排檔，生成排檔鎖定信息表；提交過閘開始、結(jié)束時間，生成船舶過閘信息表；提交閘門及水位狀態(tài)，生成設(shè)備狀態(tài)信息表；

（6）讀取中間庫數(shù)據(jù)并存儲及展示，包括排檔鎖定信息表、船舶過閘信息表、設(shè)備狀態(tài)信息表；得到船舶過閘狀態(tài)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、水位計數(shù)據(jù)；實現(xiàn)船閘管控一體化功能。

3 功能實現(xiàn)

3.1 iP9000 人機(jī)界面開發(fā)

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互方案

iP9000 系統(tǒng)平臺軟件引入了全新的交互式組態(tài)控件，打破了傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)畫面中僅有靜態(tài)圖形元素和模擬量、狀態(tài)量、設(shè)備圖元等動態(tài)元素的現(xiàn)狀，增加了編輯框、復(fù)選框、列表框、下拉框、時間選擇器、二維表格、ECharts 圖表等交互式控件，并無縫集成了JavaScript 腳本功能；極大地豐富了監(jiān)控畫面的展示效果、增強(qiáng)了交互操作功能。

圖3 iP9000 人機(jī)界面開發(fā)

3.2 交互接口定義

船閘監(jiān)控系統(tǒng)和船閘通航管理系統(tǒng)[3，4]作為兩個獨(dú)立的系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)交互需要遵循一定的規(guī)則。根據(jù)實際的業(yè)務(wù)流程，通航管理系統(tǒng)提供船舶過閘排檔信息給控制系統(tǒng)，相應(yīng)的操作人員選擇排檔計劃操作閘門、控制船的進(jìn)入，閘門打開后操作人員可以通過視頻或其他方式對比進(jìn)入船閘的船舶數(shù)量及船舶信息等。

同時船舶過閘后控制系統(tǒng)將該排檔計劃過閘時間和狀態(tài)反饋到管理系統(tǒng)，以便使得整個排檔計劃形成一個閉環(huán)。

控制系統(tǒng)需要提交導(dǎo)助航設(shè)施、啟閉機(jī)、水位計和閘門信息到通航管理系統(tǒng)進(jìn)行記錄展示；也將除水位計、導(dǎo)助航設(shè)施、啟閉機(jī)外的故障報警信息提交到管理系統(tǒng)。

另外，船閘監(jiān)控系統(tǒng)在操作排檔過閘時，須發(fā)送指令到通航管理系統(tǒng)，管理系統(tǒng)據(jù)此鎖定排檔信息不允許再進(jìn)行編輯修改，以防止發(fā)生數(shù)據(jù)信息不一致情況。

3.3 系統(tǒng)整體效果

基于iP9000 的船閘管控一體化系統(tǒng)成功應(yīng)用于江西省信江八字嘴航運(yùn)樞紐，成為江西省信江八字嘴智慧樞紐監(jiān)控運(yùn)維一體化管理平臺的關(guān)鍵組成部分。

4 結(jié)語

基于iP9000 的船閘管控一體化設(shè)計及實現(xiàn)方法，成功將分別建設(shè)的船閘監(jiān)控系統(tǒng)和通航管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動有機(jī)交互，實現(xiàn)了航運(yùn)樞紐通行船舶排檔信息的自動下達(dá)到船閘監(jiān)控系統(tǒng)，同時船閘監(jiān)控系統(tǒng)將船舶通行信息自動實時上送給通航管理系統(tǒng)?；趇P9000 實現(xiàn)的船閘管控一體化系統(tǒng)，將相關(guān)數(shù)據(jù)自動有機(jī)交互，避免人為干預(yù)通航流程帶來的風(fēng)險，同時也提高了航運(yùn)樞紐船閘運(yùn)行效率。