京杭运河智慧航运建设方案研究

童 剑

(京杭运河江苏省交通运输厅苏北航务管理处，淮安 223002)

京杭运河北起北京，南至杭州，全长1 797 km，是国家水运主通道之一；全年通航里程877 km，其中江苏段687 km，占全线通航里程的78%。以长江为界，京杭运河江苏段分为苏北运河和苏南运河两段，其中苏北运河里程475 km，全线为二级航道，共有船闸11座、跨河桥梁114座；苏南运河里程212 km，全线为三级航道，共有船闸1座、跨航桥梁141座。

内河航运是江苏省经济发展的重要支柱，内河货运量约占全省综合货运量的1/3，货运周转量约占全省综合货运周转量的一半。近年来，京杭运河江北段先后开展了多项信息化应用技术研究，如《苏北运河绿色现代航运示范区建设(智慧运河-智慧航道项目)设计》《京杭运河智能航运建设技术研究及应用示范》等，在一定程度上提升了京杭运河的信息化建设水平与航务管理效率，保障了京杭运河的通航安全。但是，京杭运河信息化建设缺乏统筹规划，导致江苏省交通运输厅港航中心、航务管理处、海事执法等多部门重复建设，各单位或部门之间数据不能共享，形成数据孤岛，成为限制京杭运河高质量发展的短板。因此，为推进京杭运河高质量发展，急需对其信息化建设进行统筹考虑，加强顶层规划，明确智慧航运的建设目标与建设计划，有序推进京杭运河现代化、智慧化建设步伐。

1 航运信息化发展现状

1.1 京杭运河信息化建设成效

随着“云大物移智” (云计算、大数据、物联网、移动互联网、智慧城市)等先进技术的发展应用及船舶大型化发展趋势，京杭运河的船闸通行效率、船舶船民服务、船闸运行安全急需进一步提升。为此，京杭运河加快推进信息化、智慧化建设步伐，依托于苏北运河航道“三改二”信息化工程，完成了沿线光缆铺设、光传输网络和数据中心建设，建成了苏北运河航闸智能运行系统，开发了“船讯通”软件；全面推行智能调度，实现对苏北运河航道、船闸、船舶全过程、全方位、及时准确的动态监管，并在内河水运领域率先开启了“互联网+航运”过闸新模式，提升了船闸通行能力和服务水平。同时，建立了养护管理信息化系统，实现由传统人工巡检向计算机智能诊断发展，为加快推进京杭运河航道现代化建设提供了有力支撑。

1.2 京杭运河信息化存在的不足

与长江、珠江等内河航道相比，京杭运河存在数字化程度不高、船闸智慧化程度不强、服务保障手段不足、信息化共享水平不高等问题。长江航道与珠江航道已经完成了全线电子航道图建设，而京杭运河航道尚未形成完整的电子航道图系统，面对内河航运高质量发展带来的重大变化和转型升级时，在一定程度上成为制约发展的“短板”。因此，京杭运河迫切需要紧跟内河航道信息化、数字化发展形势，大力推进“智慧航道”建设。

1.3 航运信息化建设发展形势

为加快现代信息、人工智能等高新技术与航运要素的深度融合，交通运输部等各部委先后发布了《智能航运发展指导意见》《数字交通发展规划纲要》《推进综合交通运输大数据发展行动纲要(2020—2025年)》等，不仅为智能航运发展指明了方向，而且明确了智能航运的建设目标与发展重点[1]。结合国家政策与行业发展要求，2020年4月，江苏省委、省政府印发的《交通强国江苏方案》中提出打造航运特色鲜明的大运河文化带样板；重点建设京杭大运河绿色航运示范区是交通强国建设江苏十大样板之一。

国家层面与江苏省层面的上位政策为智慧航运发展提供了良好的机遇，京杭运河应紧抓时代发展机遇，依托于智慧运河项目建设，以智能航运发展意见为指导，积极落实上位政策要求，将京杭运河打造成绿色、高效、人文、智慧的现代化运河。

2 数字航道与智慧航运

2.1 数字航道

数字航道将利用新一代的感知-传输-分析-应用技术体系，运用物联网、大数据、云计算等现代技术手段，促进航道业务职能和运输服务功能数字化、信息化、智能化，全面提升航道设施建设、维护、管理及运输服务能力[2]。

2.2 智能航运

智能航运基于数字航道建设，通过航道全要素数字化、智能化管理平台和航道要素感知采集系统对航道生产任务、航道维护的相关物资、航道维护人员、工作船舶等进行管理，实现航运活动的智慧化[3]。

数字航道与智能航运相辅相成、相互支撑，数字航道建设是基础，智能航运是目标。通过业务融合、共建共享、综合应用，实现基础设施数字化，数据采集、管控、服务类大数据应用能力持续提升，人工智能、移动互联网应用与行业业务深度融合，基本实现京杭运河船闸智慧化运行、航闸智能化养护、公众智慧化服务，使得行业管理效能显著改善，公众服务品质大幅提升[4]。

3 智慧航运总体框架

3.1 智能航运建设总体思路

通过对“十三五”期间京杭运河航道信息化、数字化建设成果的总结，以及对目前存在的业务问题及原因的分析，把握京杭运河智慧航道设计的现状条件，在此基础上分析京杭运河智慧航道建设的实际需求，梳理形成总体设计方案。通过对建设任务的逐层分解，按照“3+1”的总体架构，对智慧船闸、数字航道、服务决策和支撑平台分别开展分项设计。其中，包含应用系统功能、相关数据及对应终端系统的设计，通过调研准确收集需求，面对业务问题提出有针对性的解决方案，并将5G、北斗卫星导航系统及无人机等应用场景设计融入应用系统方案中[5]。

3.2 智能航运建设总体框架

本文围绕京杭运河具体业务，结合未来发展趋势，提出京杭运河智慧航运总体架构[6]，总体可分为6个层次，归并为4大类建设内容，京杭运河智慧航运总体架构示意如图1所示，图中，AIS为船舶自动识别系统，VHF为甚高频无线电波。

图1 京杭运河智慧航运总体架构示意

(1) 终端设备感知层。终端设备感知层包括用于感知监测航道水位、水文、气象、船闸设备健康状况、机电设备、AIS基站、导助航、便民生活以及用于多种用途的视频监控终端、无人机终端等。

(2) 基础支撑层。基础支撑层包括用于部署和支持应用支撑层、数据支撑层、应用支撑层运行的软硬件基础设施，如计算机资源、存储资源、备份资源、光纤通信网、4G/5G移动公网等网络系统、安全系统。

(3) 数据支撑层。数据支撑层主要由系统运行所需要的数据资源，以及对数据资源进行全面管理的数据交换平台组成。

(4) 应用支撑层。应用支撑层由多个应用系统都需要的基础性、通用性软件组成，主要是电子航道图服务、三维全景服务。

(5) 业务应用层。业务应用层根据功能需求分析，搭建智慧船闸运行平台、数字航道管理平台、服务决策分析平台，为实现船舶快速安全过闸、船闸自动控制与远程集中控制、管理者科学决策提供支撑。

(6) 展现层。展现层负责各类业务应用系统最终的展现，需要支持多种展现方式，包括PC(个人计算机)端统一门户、App移动端展示、公众号信息发布、调度指挥显示大屏，手持调度终端等多种形式的数据展现。

4 智慧航运建设方案

4.1 智慧航运建设原则

为保证智慧航运建设方案能够指导后期建设及满足应用软件开发要求，需要遵循需求引领、注重服务、适度超前，打造标杆、整合资源，规范有序的原则。总体建设方案应针对当前京杭运河在船闸调度、航道运行监测与养护、公共信息服务和辅助决策支持等方面存在的实际业务问题，紧贴业务需求，满足船民船企对航道安全、畅通的基本需求。同时充分考虑当前新技术的发展方向，将北斗卫星导航系统、5G通信、BIM(建筑信息模型)、人工智能、区块链等技术手段与船闸控制系统、航标、船载设备、岸基终端、业务应用系统等进行深入融合，形成创新性的亮点应用场景[7]。此外，为确保智慧航运建设方案各项建设内容之间顺利衔接，需整合现有的资源，充分考虑已有系统升级改造、新建或新系统开发，做到融合共建。

4.2 智慧船闸建设方案

4.2.1 优化船闸联动调度管理

优化梯级船闸调度，实现区域调度和干支联动，进一步提升运河通行能力：①进行京杭运河航闸智能运行系统升级，对船闸调度核心算法进行优化，使得船闸调度更科学、更智慧；②通过与支线船闸的数据共享，实行京杭运河干支线船闸调度联动，实现船舶航线规划区域分流，提高干支线航道利用率;③结合事业机构改革，进行管理机制和运行模式创新，实行区域集中调度，通过“流程再造”实现一次申报、集中调度、统一服务，从“放闸”到“管河”理念上进行转变，加强船闸间协同性，提升整体通行能力；④进行“江河海”联运模式的研究，通过手机导航与智能系统无缝对接实现过闸时间精准化服务，实行限期过闸，开启水路转运新模式。

4.2.2 船闸控制系统升级改造

完善船闸控制系统，通过精准控制和数据感知，实现船闸少人值守智慧化运行。结合刘老涧智慧船闸建设经验，按照统一模式、统一标准对京杭运河船闸控制系统进行全面改造和完善，通过水位计、流速仪等感知设备参与运行控制，实现船闸运行精准控制，提高运行效率，同时采用视频分析技术，实现视频联动与控制系统关联，确保现场运行安全；在此基础上，进行船闸运行数据的感知和汇聚，进行船闸运行在线监测和预警，增强船闸运行感知能力，实现船闸在人工微干预下自动运行，为区域集中调度做支撑。

4.3 数字航道建设方案

4.3.1 拓展电子航道图应用

依托电子航道图建设，实现航道数字化管理，为行业应用提供可视化展现平台。继续推进京杭运河电子航道图建设，按照《江苏省内河航道电子航道生产建设项目说明标准》，完成京杭运河扬州段电子航道图制作，实现电子航道图与GIS(地理信息系统)、影像、实景、BIM融合和展现，实现“一张图”综合管理，同时，深化电子航道图应用，根据行业应用需求用京杭运河电子航道图生成航闸养护、综合服务、船舶助航服务专题“三张图”，为航道、船舶智慧化管理提供支撑，为公众提供服务[8]。

4.3.2 实现航道全要素感知

提升航道感知能力，加强数据分析利用，实现航道、船舶智慧化管理。推进航道感知网建设，加强对航道、船舶感知数据综合利用，通过对船舶位置信息分析，实现船舶停靠的智慧化管理，实现航道密度分析和待闸预测，为船闸智能调度提供支撑，提高通航保畅的能力；通过航道要素感知和汇聚，实现航闸设施在线监测和预警，提高航道保障能力；利用水下地形数据实时再现河床断面演变情况，通过冲淤决策分析为航道养护决策提供数据支撑，提高航道养护能力，全面提升航道、船舶智慧化管理水平。

4.4 服务决策建设方案

4.4.1 提升船民船期服务

开展手机导航研究，实现船舶过闸精确导航，为船民提供智慧化过闸服务。继续完善船讯通服务功能，从传统的数据、文字向图形、语音方面转变，以京杭运河电子航道图为支撑，开展船舶过闸手机导航研究，实现船舶全航程可视化辅助航行，提供待闸区、锚地、禁停区域等智慧管理服务，提供船舶偏离航道、接近危险点等航行预警服务，提供基于船闸智能调度面向船舶过闸全过程的交互式智慧导航服务，进一步提升京杭运河船舶航行的智慧化水平。

4.4.2 推进航运大数据治理

信息化驱动业务管理，大数据助推决策服务，全面提升智慧化服务水平。通过服务窗口前移，将现有航闸业务由线下转移到线上运行，提供公平、透明、便捷的服务环境，并通过应用系统业务数据的积累、感知数据的汇聚，利用大数据分析，为管理者提供宏观层面的科学决策和集中展示，提供船闸现场调度指挥、航道拥堵疏通指挥、突发情况的应急指挥等多种管理模式，为船员提供过闸、航行及水运相关的信息服务，向涉水企业、社会公众公开船闸运行信息，为政府及上级部门提供相应数据报表，为地方经济发展提供参考依据。

4.5 支撑平台建设方案

在原有一网、一图、一库基础上，继续推进基础平台升级，围绕业务需求，实施京杭运河光传输网改造，进行数据库整合与规划完善，实现行业数据共享，进一步加强信息安全和网络安全建设，为业务系统运行和使用提供所需的支撑和保障。

5 结语

京杭运河智慧航运是一项复杂的系统工程，涉及外场施工、系统集成、软件开发等实施内容。一方面，智慧船闸、数字航道、决策服务、支撑平台的建设方案要形成一个整体，既要满足业务功能要求，又要实现相关业务协同和综合展现；另一方面，也要避免分块实施带来缺项漏项或重复建设的风险，因此，需要对京杭运河智慧航运系统工程进行专项设计，统筹建设内容，确保实现目标一致和建设有序。