黄骅港7万吨级航道双向通航智能调度系统研究与应用.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 129 黄骅港 7 万吨级航道双向通航智能调度系统研究与应用 刘 健 国能黄骅港务有限责任公司，河北 沧州 061113 摘要：摘要：近年来，能源受到了越来越多重视，是一个国家民生基础，更是国家竞争的核心。针对黄骅港煤炭港区 7万吨级航道双向通航风险，基于电子海图、AIS 数据和水文气象等数据，建立船舶双向通航规则，并基于航行特征进行定量化表达，进而完成对通航规则的信息化表达。同时，构建船舶进出港通航行为特征，建立船舶航行风险识别模型，实现通航安全智能化预警，辅助监管人员决策。关键词关键词：黄骅港；双向通航；跨域计算 中图分类号：中图分类号：U695.2 作为我国重要的能源运输枢纽，黄骅港煤炭港区（以下简称“港区”）近年来发展迅速，2018 年港区完成货物吞吐量 2.09 亿吨，到港船舶总艘次为 4493 次，5 万吨级及以上船舶艘次达到 2399 次，艘次比、承运比大幅增加分别达到 53.4%、66.2%，船舶大型化趋势明显，5 万吨级及以上船舶以成为煤炭运输主力船型。现有通航规则仅允许 3.5 万吨级及以下散货船、5 万吨级与2万吨级散货船双向通航，制约了航道通航效率，船舶在港停时大幅增加，5 万吨级、7 万吨级及以上船舶在港平均停时分别达到约 154 小时、173 小时，平均等航道时间近 3 小时，对港口服务水平产生较大影响1,2。为了适应港区煤炭吞吐量不断增长、船舶大型化的发展需要，降低港区自然环境对航道通航条件的不利影响，支撑黄骅港煤炭港区矿、路、港、电一体化发展战略，提高市场竞争力，港口部门在现有航道基础上进行了疏浚和拓宽，将现有 5 万吨级双向航道升级为7 万吨级双向航道，航道局部水域和港池交通流量会有明显提升，船舶的航行风险也会相应提高，为了协调航道船舶的交通秩序，利用计算机技术和优化算法建设黄骅港通航智能调度系统，对进出港船舶的周密计划和合理调度，实现港口管理规范化、港口业务一体化、港口服务智能化，扩大港口的生产能力，提高港口的生产效率和保障港口船舶的航行安全3,4。1 系统设计 1.1 总体设计 系统面向于港区7万吨级航道双向通航安全需求，着力于全面提升船舶监控、导航、生产调度和培训评估业务水平，力争实现港务管理规范化、港务业务一体化、港务服务智能化，扩大煤炭港区的生产能力，提高泊位的生产效率，保障船舶进出港安全。系统主要是基于 AIS 数据、水文气象数据来实现对于船舶通航安全的监管和审批，辅助港口调度中心和海事局指挥中心来对双向通航船舶通航安全进行管理和审批，包括 5 个应用系统，分别为电子海图指挥监控系统、电子海图船舶导航系统（PPU）、移动信息平台、应急响应与处置决策系统、培训与评估系统）和 1个数据处理中心，如图 1 所示。图 1 智能调度系统结构图 图 2 智能调度系统拓扑图 AIS解码服务器电子海图指挥监控系统移动信息平台移动信息平台电子海图导航系统电子海图导航系统港口航行船舶AIS接收设备通讯服务器海事局AIS数据数据库服务器应用程序服务器通航规则船舶轨迹报警数据气象海况潮汐数据其他数据数据处理中心应急响应与处置决策系统培训与评估系统中国科技期刊数据库 工业 A 130 1.2 系统架构设计 智能调度系统是一个典型的分布式跨域应用平台，不仅涉及到船-岸、岸-岸、船-船之间的多场景交互，还涉及到港口、海事、航保、气象等多个网段之间数据和信息的交互。为实现资源管理、计算管理、数据管理、任务管理的一致性，需要解决跨域环境下计算资源、计算环境的异构性问题，搭建全局一致的跨域计算环境5。跨域计算平台作为分布式虚拟操作系统能很好的解决上述问题，是整个系统运行的基础组件，能够高效调度计算任务，对计算资源动态管理，实时响应计算资源。从系统逻辑架构的角度来看，跨域计算平台位于整个平台的中间层，对下层它负责对船，岸，云三端计算资源进行统一管理，实时监测计算资源的使用状况；对上层它需要提供统一的计算任务请求接口，并负责实时、准确地处理各业务子系统的计算任务，合理的分配计算资源，保证计算任务能够快速地被调度及稳定地运行，在计算运行过程中。系统平台基于分布式架构，以跨域计算平台为基础，面向不同业务场景，构建基于微服务的业务子系统，实现内部业务数据实现共享交换，各子系统之间的关联应采用松耦合的方式；子系统提供标准数据访问接口服务，其他子系统通过接口服务获取需要的数据，实现系统对接、数据共享，并明确功能边界。各子系统要求数据独立，不同功能子系统生成的数据不相互直接修改，各功能子系统之间独立运作。同时，平台采用独立式设计理念，实现任何子系统的“可插拔”，缺省任何子系统后，主平台均能以缺省该子系统的模式正常运行 1.3 功能架构设计 智能调度系统是面向于黄骅港 7 万吨级双向通航监管业务，包含 5 个主要功能模块，如图 3 所示。电子海图指挥监控系统整合所有资源，直观显示在海图及 GIS 地图上，同时电子海图指挥监控系统作为其他管理和船舶调度的入口及主要业务操作界面；电子海图船舶导航系统是船舶进出港作业的智能化终端，为进出港船舶提供安全助航以及与平台实时沟通的手段；移动信息平台是港务信息发布、推送与查询的移动平台，涉及到的信息包括通航规则、港口地理信息、气象水文等信息；应急响应与处置决策系统为各系统提供应急事情的预案、知识库和应急指挥管理；培训与评估系统是对港务相关内容的学习及评估系统；补充并完善用户已有数据中心相应的数据接口。图 3 系统功能架构图 2 系统功能 2.1 电子海图指挥监控系统 电子海图指挥监控系统整合动态监控和业务管理各种生产要素数据，建立统一的监控、调度和管理界面，打造一张立体、动态、交互监控全息图。电子海图指挥监控系统建设以电子海图为基础信息载体，在上面叠加 AIS 船舶数据、船舶调度业务数据、船舶间通信数据、潮汐数据、气象部门的气象数据，底图可以选用电子海图和陆地遥感地图的叠加。以实现在一张图上即可实现完整的业务监控功能，且能够向电子海图船舶导航系统发送通知通告等信息。地图数据应定期更新。叠加的信息可选择性的显示或隐藏，支持相关信息的查询统计显示。图 4 电子海图指挥监控系统主要功能示意图 2.2 电子海图船舶导航系统 电子海图船舶导航系统包括导助航软件、显示终端等。电子海图船舶导航系统主要提供专业简洁的导助航功能，支持标准的 S57 电子海图格式，通过船舶运动矢量传感器接收船舶 AIS 数据、GPS 数据等信息显示在电子海图上，设定、标注和记录船舶航行过程，为海图数据要求数据显示要求基本操作要求标绘功能船舶监控功能报警功能回放功能信息查询通信功能智能推演电子海图指挥监控系统船舶调度功能中国科技期刊数据库 工业 A 131 船舶驾驶员提供完备的助航数据和直观的图像显示。同时电子海图船舶导航系统可查询气象信息、潮汐信息、港口通航规则等船舶安全航行相关信息。电子海图船舶导航系统可以与电子海图指挥监控系统进行数据交换，为船舶安全航行提供必要的辅助信息，让船舶驾驶员了解本港船舶动态及通航规则6。图 5 电子海图船舶导航系统主要功能示意图 2.3 移动信息平台 移动信息平台的主要功能是信息的发布、查询与推送。涉及到的信息包括进出港计划、气象、潮汐潮流、培训评估等用户要求的信息。发布、查询与推送的渠道包括手机 App、微信小程序、微信公众号等，系统响应时间应不超过 1 秒。2.4 应急响应与处置决策系统 应急响应与处置决策模块主要包括应急知识库建设、应急管理、应急处理和应急事故事后评估四个部分组成。其中应急管理包括应急资源管理、应急预案管理和应急事件管理。本模块主要功能的实现可以满足黄骅港煤炭港区常态下的应急日常管理工作和非常态下的应急处理工作需求，实现黄骅港煤炭港区高效智能的“资源集中、统一指挥、协同联动”7。图 6 应急响应与处置决策系统主要功能示意图 2.5 培训与评估系统 系统应满足服务对象全要素、零延时安全评估、深度智能化、事前督促事后追踪和无接触碎片化时间学习的要求。并分别为管理员和用户提供不同的系统工具或登录入口，满足其分别管理和使用各自功能的需求，并应兼顾培训对象和隶属单位等多类型用户对系统功能的个性化需求，还应便于系统的部署和实施。2.6 数据处理中心 为了满足智能调度系统功能可扩展性和系统处理能力可扩展的要求，数据处理中心将会按照数据中台的思想进行设计，它具备数据汇聚整合、数据提纯加工和数据服务可视化三种核心能力。数据的汇聚整合多样数据源的接入能力，平台需提供丰富的数据接入接口收集 APP，Web 端，AIS 等设备上传的业务数据，也能从诸如 GNS 系统、雷达、摄像头等感知设备主动获取监测数据；数据提纯加工能力强调对数据资产化保存的能力，利用系统提供的大数据实时分析功能，对数据进行清洗、萃取、保存，它的特点是能够对海量数据进行存储，并提供联机分析处理的能力，供其他业务子系统使用；数据的服务可视化能力强调了数据资产服务化能力，系统会提供丰富的数据分析功能，以及友好的数据可视化服务，方便业务管理人员开发数据应用，并为其他业务子系统提供实时流数据分析、预测分析、机器学习等高级服务。依托于数据中台思想设计的数据处理中心，使智能调度系统摆脱了传统的以业务为核心的构建思想，转而使数据成为整个平台的核心资产，利于多系统业务的扩展，围绕数据打造新的业务，使整个平台真正做到高内聚、低耦合。3 推广价值 3.1 港口通航安全管理水平及生产效率的提升 黄骅港煤炭港区 7 万吨级航道双向通航智能调度系统，实现对进出港船舶的周密计划、合理调度和实时监控，对船舶偏离预定航线、船间距过小等港口通航规则执行情况进行实时监控并报警，及时提醒调度人员进行管控，保障了港口生产效率的提升和船舶通行安全，泊位利用率较正常生产组织降低约 4.5%，为设备维护提供时间保障。3.2 船舶在港停时费用节约 7 万吨级航道双向通航智能调度系统的应用将大大缩短船舶在港停时，带来船舶费用的节约。经测算，电子海图要求船舶监控功能航线设计功能试操船功能进出港模拟操纵历史数据回放信息查询功能通信功能电子海图船舶导航系统（PPU）报警功能应急响应与处置应急响应与处置决策决策应急知识库建设应急知识库建设应急管理应急管理应急处理应急处理应急事故事后评应急事故事后评估估法法律律法法规规库库事事件件知知识识库库案案例例库库防防灾灾避避险险常常识识应应急急资资源源管管理理应应急急预预案案智智能能管管理理应应急急事事件件管管理理辅辅助助决决策策视视频频会会议议与与方方案案制制定定指指挥挥调调度度中国科技期刊数据库 工业 A 132 双向通航组织可将单船平均等航道时间缩短约1小时，加快船舶周转，为船方节约费用约 1500 万/年，对促进港口服务水平提升提供了良好的支撑。3.3 港口与海事调度协同平台 7 万吨级航道双向通航智能调度系统包含港口生产调度系统与海事部门指挥调度系统的调度协同平台，包含港区船舶状态监控、船舶进出港申请及审批等政企办公平台，可实现港方船舶动态申请等无纸化、数字化办公，且在 2023 年中国航海日主体活动周中进行了全面展示，得到了业界的一致好评，在同行业有极大的推广价值。4 后续研究重点 针对本项目，后续将重点从船岸信息化系统、水陆协同生产智能组织系统、水上交通生产组织智能编排与推演系统、锚地及航道状态监控系统、港作拖轮监测系统等为核心的一体化管理系统开展研究，以集团自有船舶为试点打造船岸信息化系统，通过信息化、数字化手段实现船船、船岸、岸岸的信息互通，实时掌握相关信息；水陆协同生产智能组织系统，通过信息化手段发布船舶动态、预靠泊位等相关信息，实现调度指令的接收、反馈数字化；水上交通生产组织智能编排与推演系统，根据船舶位置、进出港时间等实现船舶进出港动态自动编排，其主要包括备车、起锚、上线点、上线指令、减速、加速、会遇点控制、拖船协助点、靠泊估算、离泊估算、禁止会遇点和段控制、多船协同控制等，并对测算的船舶进出港时间进行推演及持续优化；锚地及航道状态监控系统，通过信息化、数字化手段将船方监控信息传输到港方，实现对锚地、航道等状态的实时监控；港作拖轮监测系统，将港区拖 轮全部纳入智能调度系统平台，实现对港作拖轮的状态监控、工作派遣等的信息化管控；持续优化现有水文气象实时监测预警模块，提高气象及水文信息的准确性、实时性及预警水平；持续优化培训与评估系统，丰富相关课程内容，为客户提供丰富的培训资源。5 结语 本文面向黄骅港煤炭港区 7 万吨级航道双向通航需求，基于电子海图、AIS、水文气象等数据，集约化展示通航大数据，实现了船舶进出港口可视化管理，并建立双向通航航行规则，构建航道航行行为特征及规则，实现船舶双向通航的信息化和智能化管理，减少航道通航安全风险，提高航道通行效率，达到优化船舶进出港的调度目的。参考文献 1李洪军.黄骅港煤炭港区港航系统能力影响因素分析及优化措施J.水运工程,2022(8):69-73+84.2张新宇,王志强,邓志鹏.黄骅港限制性双向航道船舶交通组织优化J.中国航海,2020,43(04):1-7.3靳彪.考虑优先级的限制双向航道船舶交通组织研究D.大连:大连海事大学,2022.4刘国威.双向航道水域船舶调度和泊位分配集成优化D.大连:大连海事大学,2022.5邱志明,孟祥尧,马焱,等.海上无人系统发展及关键技术研究J.中国工程科学,2023,25(3):74-83.6杨炳栋.关于黄骅港长航道的乘潮研究C/中国引航协会,中国航海学会引航专业委员会.中国引航论文集 2017.上海浦江教育出版社,2018.7吴洪文,赵娜.黄骅港船舶失控海事安全监管研究J.交通企业管理,2020,35(6):90-92.作者简介：作者简介：刘健（1983），男，经济师、工程师。