内河智慧航道发展研究

2023-05-10李学祥

中国水运 2023年4期

李学祥

（长江航道局，湖北武汉430010）

1 前言

内河航道是我国综合立体交通运输体系的重要组成部分，在内河水运发展中具有基础性、先导性、服务性作用。截止2021年底，全国内河航道通航里程12.76万公里，已成为实施“一带一路”、交通强国、长江经济带等国家战略实施的重要依托。近年来，交通运输部加速推进现代信息技术与内河航道业务融合发展，已明确将智慧航道建设与应用作为下一步内河航道高质量发展的重点方向。2020年8月，《交通运输部关于推动交通运输领域新型基础设施建设的指导意见》首次提出了智慧航道建设发展任务；2021年8月，交通运输部印发的《交通运输领域新型基础设施建设行动方案（2021—2025年）》提出，将从提升航道运行保障、协同监管、综合服务等能力方面推进智慧航道发展，并依托长江干线等高等级航道开展智慧航道建设；2021年11月，《交通运输部关于加强“十四五”期全国航道养护与管理工作的意见》提出加快北斗系统、5G、大数据、人工智能、区块链等信息技术与航道管养、通航建筑物运行调度等深度融合，逐步建立智慧航道服务体系。

顺应智慧交通发展趋势，按照“四横四纵两网”国家内河高等级航道网建设的总体要求，紧紧抓住信息技术飞速发展和内河水运高质量发展的历史机遇，进一步厘清内河智慧航道的概念和内涵，梳理并研发内河智慧航道关键技术，对于加快推动内河数字航道更新换代、助推新一代航运系统发展具有重要意义。

2 主要发展进展及趋势分析

2.1 主要发展进展

“十一五”期末，长江航道局启动了长江南京至浏河口段数字航道与智能航运建设示范工程建设，拉开了全国内河数字航道发展的大幕。“十二五”期，长江航道局提出了“远程看、坐着管、走着用”的数字航道发展理念和“一图在手、畅行长江”、“手掌上的航道、指尖上的服务”的电子航道图发展理念，制定了“一图一站三平台一主六分七中心”的长江干线数字航道总体架构和实施方案。通过连续的技术研发、工程实践、应用检验、成效评估，研建了生产业务系统、综合业务系统、电子航道图生产与服务系统、航道信息公共服务平台等，构建了由门户网站、广播电台、航行参考图、航道直通车、长江航道在线、船舶终端、电子航道图APP、微信、微博、服务接口等构成的多模式航道信息服务体系，长江数字航道实现了全线贯通、联通运行、全面应用的跨越发展，完成了长江航道业务应用和公共服务的数字化转型，长江营运船舶步入移动导航时代。下一步将从感知增强、数据赋能、业务协同、品质提升等方面推进智慧航道建设。除了长江干线以外，全国其他主要内河航道信息化也正蓬勃发展。

广东省将按照“一中心、两网络、三平台、N 可扩展的运调管养服场景”总体架构构建“智慧航道”，即建设一个航道大数据中心，完善航道感知终端网和通信网两个网络，构建电子航道图支撑平台、航道综合运行监测平台、航道通一体化服务平台等三大平台，重点建设船闸联合调度系统、桥梁净高监测及防撞预警系统等N 应用系统，并根据工作实际不断扩展运调管养服场景。

京杭运河无锡段启动了绿色现代航运综合整治工程，其中的智慧航道工程将以航道外场感知设备、数据中台、外场感知云、电子航道图等为支撑，建设航道运行调度与监测服务系统；京杭运河江苏段绿色现代航运综合整治工程（江北段）智慧运河工程引入“长江方案”，按照长江电子航道图统一标准建设苏北运河全线475 公里电子航道图，国内其他内河如赣江、信江、汉江、黑龙江等也在积极推进以电子航道图为主体的航道信息化建设与应用。

上海市提出运用先进技术手段，建立航道河床、航标、水文、船舶流量等数据的收集、分析系统和公共服务平台，并与其他相关部门实现航道、水文、气象等相关数据的共享，与港政、航政等管理工作相结合，形成统一的航运信息化服务系统，以此来推进智慧航道建设。

浙江省交通运输厅印发了《内河智慧航道建设导则（暂行）》，成为全国首个地方性内河智慧航道建设技术指导性文件，提出了航道管控决策科学化、精准化和服务管理人本化、特色化的发展理念和数字航道一张图、视频监控一幅画、感知设施一张网、智慧服务多应用的发展目标，以此推进全省智慧航道建设。

江苏省交通运输厅发布了《江苏省智慧航道外场感知设施建设技术指南（试行）》，成为国内首个智慧航道外场感知设施建设的指导性文件，聚焦航道外场设施智能感知框架和感知设施分级分类，对航道水面感知设施、航道水下感知设施、航道空中感知设施等干线航道外场立体空间智能感知体系各类感知设施的技术要求进行了规定。

江西省高等级航道事务中心将按照航道基础设施数字化、航道管理精细化、航道养护专业化、航道运行高效化、航道服务优质化的目标理念，推进全省高等级航道高质量发展。

黑龙江省交通运输厅启动了《黑龙江省智慧航道发展研究》，旨在探索黑龙江省智慧航道建设的总体思路、发展原则、发展路径，研究提出集航道监测、辅助决策、个性服务为一体的黑龙江省智慧航道系统的体系架构。

厦门港2022年整合了互联网、物联网、北斗定位、GIS 等技术研建了启用智慧疏浚系统，远程对航道疏浚施工全过程“实时采集、即时回放、适时分析、全时管控”，实现了全方位、全天候、无死角的高效监管，进一步助力航道疏浚维护向“精准化”迈进；南方智能提出立足“数字孪生”理念，融合北斗、三维GIS 等技术手段，建立三维智慧航道，促进航道智慧化发展。

2.2 发展趋势分析

从当前长江干线、西江干线、京杭大运河等主要内河以及浙江省、江苏省、广东省、上海市、江西省等主要区域内河航道信息化发展案例及其进展，可以看出：

（1）从发展分布来看，目前智慧航道的研究和实践探索主要集中在我国中东部水网发达地区，这些地区分布有世界上通航条件最复杂、运量最大、运输最繁忙的高等级航道网，数字航道建设与应用比较成熟，具备发展智慧航道的客观条件。

（2）从发展内容来看，因河流航道条件、自身发展基础、航道业务职能等因素的不同，现有的实践探索案例在具体内容、指标要求、支撑技术等方面也存在差异，但总体来看仍以多样化的航道相关要素动静态信息感知、电子航道图建设与应用、航道养护管理业务数字化和航道信息服务平台化为主体。

（3）从发展支撑来看，现有的实践探索案例支撑技术主要有现代测绘技术、物联网/互联网技术以及大数据、云计算等地理信息技术，重点在航道条件数据获取、航道数据组织管理、航道业务数字化应用和航道信息对外服务。

（4）从发展态势来看，受信息技术飞速发展、内河水运绿色比较优势、国家有关战略政策规划支持、内河航道高质量发展现实需要等内外有利因素影响，深入推进内河航道数字化、网络化、智慧化、绿色化，既是系列国家战略实施的必然要求，也是行业发展的必然趋势，智慧航道发展是其中的应有之意、发展态势迅猛。

（5）从发展趋势来看，智慧航道代表了当前内河航道信息化发展的趋势，是数字航道的高级发展阶段，是内河水运发展高质量发展的现实需要，更耦合的总体架构、更透彻的航道感知、更丰富的数据利用、更便捷的业务应用、更高效的信息服务、更可靠的技术支撑、更健全的标准规范、更完备的运行机制仍是智慧航道发展主要的攻关方向。

（6）从发展成熟度来看，目前尚未有成熟、完整、被广泛认可的内河智慧航道工程实践案例，智慧航道也缺乏统一的概念和内涵认识，智慧航道研究与工程实践仍处于探索阶段，如何更好发挥数据赋能航道业务、如何更好促进航道业务协同应用、如何更好打造高品质航道公共服务对接新一代航运系统发展需要等仍需深入研究。

3 概念内涵和技术架构

全面总结全国内河数字航道发展历程和建设、运行、应用的经验，梳理总结全国主要河流智慧航道实践探索的基本情况，参照交通运输领域其他行业信息化发展的阶段特征和内河航道信息化发展的趋势，按照“服务为本、数据赋能、协同应用、智能服务”的原则，初步提出内河智慧航道发展的概念内涵和技术架构。

3.1 概念

内河智慧航道是智慧地球在水路交通运输领域的延伸和发展，顺应内河智慧航运协同化、一体化、服务化发展趋势，面向航道基础设施数字化、航道建设生态化、航道运行高效化、航道养护精细化、航道管理便捷化、航道服务优质化目标方向，综合运用数字孪生、北斗、互联网、大数据、云计算、区块链、人工智能等技术和数字航道建设及应用成果，打造的新一代航道信息基础设施、数据资源群和应用服务平台系统，具有航道运行监测、研判决策、养护调度、综合管理、公共服务等功能，充分发挥数据赋能航道高质量发展的作用，既为航道规划决策、建设管理、运行监测、分析研判、养护调度、综合管理、水上应急救助、控制河段船舶通行指挥、综合服务等航道业务提供网络化、平台化、协同化智能应用，又为营运船舶等涉航涉水服务对象提供多样化、便捷化、一体化的高品质航道服务。

3.2 内涵

（1）全面感知：综合运用遥感、北斗等现代测绘技术和先进的物联传感网络设施设备及水下探摸探测装备，推进利用在航船舶动态感知信息，打造物联化、空天地水立体航道感知网，实现对航标、水位、水流、水深、航道地形、洲滩岸线、整治建筑物、桥梁净空尺度、航道维护船舶、控制河段船舶交通流等航道相关要素全要素、全天候、全周期的信息感知。

（2）可靠计算：综合运用地理要素建模、异构通信网络、数学模型、大数据等技术，打造多维多功能电子航道图和广泛互联、同步映射、在线管控的数字孪生航道，实现多源异构海量航道相关要素数据即时处理、高效融合、快速整合、动态集成、可视呈现。

（3）智能决策：综合运用水力学方法、数据挖掘、模式识别等技术，打造航道运行动态研判和预测预报预警平台，实现航道运行动态变化过程可展现、可预测、可推演、可调控，以及航道养护调度、应急处置方案的自动生成。

（4）便捷应用：综合运用移动网络、移动终端、人工智能等技术，打造一体化、集成化的航道综合业务应用平台系统，实现泛在、全覆盖、全协同、全迭代的航道规划决策、建设管理、运行监测、分析研判、养护调度、综合管理、水上应急救助、控制河段船舶通行指挥等业务应用。

（5）智慧服务：综合运用地理信息服务、人工智能等技术，打造一体化、集成化的航道公共服务平台，实现多端兼容、个性定制、自动匹配、精准高效的航道服务。

（6）机制完善：建立健全覆盖内河智慧航道建设、运行、维护的标准规范、业务流程、规章制度和管理组织体系，实现智慧航道系统的稳定可靠运行和跨水系、跨区域、跨单位的互联互通和动态集成。

3.3 技术架构

由内河智慧航道的内涵衍生出其关键技术方法主要有：面向数字孪生的内河航道要素全息信息建模方法、内河航道全要素空天地水立体感知技术、内河航道大数据快速处理与融合集成技术、内河航道运行状态动态研判与预测预报预警技术、多维多功能内河电子航道图生产与服务技术、内河航道业务应用和公共服务平台构建技术、内河智慧航道运行成效评估方法与指标体系等。

内河智慧航道的总体架构可概括为一个立体感知网、一个大数据平台、一张航道全息图、一个数字孪生航道、一组智慧服务应用集（按需配置）及标准规范和政策制度体系、信息网络和网络安全体系、组织机构和运维保障体系、基础设施和配套设备体系，总体架构图如图1所示：

图1 内河智慧航道总体架构（服务应用场景和形式按需配置）

4 主要发展任务

4.1 完成内河智慧航道顶层设计

面向以“岸基驾控为主、船端值守为辅”为特征的新一代航运系统，深化内河智慧航道关键技术研发，研究设施装备系统自主化和标准化的技术方案，建立内河智慧航道技术标准体系；优化航道地理信息模型、航道业务模型和航道公共服务模型和运行维护管理机制，重塑航道职业内涵；升级数字航道总体架构，提出内河智慧航道的数据资源总体规划、通信网络总体规划、网络安全总体规划、平台系统总体规划等；建立内河智慧航道的成效评估方法和评估指标体系。

4.2 建成内河航道全要素立体感知网

深化水位、河床地形、航道尺度等要素时空演变规律认识；加快高精度北斗位置服务、星载/机载/船载/车载摄影测量与高清遥感、激光扫描、无人机、无人船等现代化测绘技术装备的推广应用；加快水文、工作船舶等内河航道要素数字化、物联化改造，打造集信息感知、远程监控、远程诊断、外场服务等于一体的新型内河航道基础设施，加快航标模块化、数字化、物联化、虚拟化建设；加快在航船舶感知等众筹众包技术推广应用；在广覆盖的基础上加快传统内外层通信网络的功能性能改造；完善以在线监测为主的内河航道全要素立体感知网，兼具立航道基础设施长期性能科学观测能力。

4.3 建立内河航道大数据平台

建立适用于云网交互的内河航道大数据平台，全面整理和整合航道历史数据，动态整合航道在线数据和预测预报数据；强化航道地理对象多维模型数据生产和组织管理；按需动态集成船舶动态、沿江气象、河流水文、河床地质、水资源、水生态、水环境等涉航涉水对象数据；实现基于时空数据库的高效组织、有效管理、交换共享、安全应用，增强各层级航道大数据平台交换共享的稳定性、可扩展性。

4.4 研建内河航道运行监测与预测预报预警平台

基于内河航道多维数学模型和大数据分析方法，充分考虑内河航道条件的差异性，建立强大、完善、可靠的航道条件演变分析模型；充分利用内河航道全要素立体感知网和航道大数据平台，研建内河航道运行监测与预测预报预警平台，实现航道条件多维可视化、在线监测、动态研判、趋势预测、自动预警等功能，并具备“交通运输部、管理单位、一线单位”联动能力，全面提升航道养护的预见性和航道服务的可靠性。

4.5 打造基于新一代电子航道图的数字孪生航道

研建具备语音交换、服务定制、二三维联动、水陆兼容、干支联动、江海联通、江湖贯通、多端兼容等功能的新一代电子航道图，建设电子航道图生产与服务系统；基于内河航道全要素立体感知网、多维多功能电子航道图、航道条件演变分析模型等，构建面向航道规划决策、建设管理、运行监测、分析研判、养护调度、综合管理、水上应急救助、控制河段船舶通行指挥等不同应用场景的数字孪生航道。

4.6 构建航道“互联网+云服务”智慧应用生态

强化业务应用系统的集成整合，按需打造“互联网+”航道规划决策、建设管理、运行监测、分析研判、养护调度、综合管理、水上应急救助、控制河段船舶通行指挥等的协同应用环境，建立内容丰富、信息准确、模式多样、方式灵活、全线统一、柔性响应的航道综合服务新格局，面向港航企业、航运船舶、港航管理单位等内河涉航涉水相关单位提供及时、丰富、多样化、可靠、高效的可定制智能航道服务。