基于数字航道技术的内河航道管理应用探究

◎ 邓远经 广东省航运规划设计院有限公司

内河航道是我国内河航运发展的关键所在，管理内河航道已成为一项重要工作，完善内河航道的管理可以促进全社会的交通运输发展[1]。然而，目前国内的内河运输发展状况并不理想，目前我国的内河航道管理面临的众多问题，严重影响了我国的经济社会发展[2]。一方面是因为国家资金投入较少，难以满足航道建设的耗费情况；另一方面的原因在于航道路线网络不够完善，路线设计复杂，从而造成内河航道管理困难。数字航道是一项综合性技术，该技术集GIS、虚拟仿真、宽带网络、遥感系统、多媒体等技术于一体，具有较强的综合性，因而在功能上也更为完备，将数字航道技术运用到内河航道的管理中，可以使作业人员的管理效率得到有效提升，是航道行业规范化管理的核心手段[3]。本文介绍了数字航道技术的基本概念，在分析目前国内河道管理状况的前提下，建立了数字航道体系架构，并对其工作流程进行梳理，对该技术在我国的实际运用进行简要阐述，期望对航道运行过程进行动态管理，以此来提高航运效率。

1.数字航道技术的概念

数字航线源自于“数字地球”这一概念，它的目标是呈现真实航线，在地理位置及空间坐标的基础上，通过多维度、多尺度、多分辨率的方式，由计算机、遥感数据、多维数据等技术，实现航道的规划设计、建设维护、航道管理及其他综合运用[4]。建设数字航道技术的关键点在于：

（1）航道服务管理系统主要负责管理航道信息、对航道位置及空间坐标呈现可视化展示，将该系统进行数字化升级。在航道管理系统的基础上，利用数字化航道所得到的数据资源，结合航道养护管理的实际需求，实现全天候、全方位的数字化、可视化航道管理，以此极大地提高了船舶运输的经济效益和社会效益。

（2）对航道信息资源进行数字化处理。处理内容包括河床位置及距离、航道的演变过程、区域水文信息、其他航标辅助设备、自动采集、分析处理后的水位变化数字建模等，这些内容都是建设数字航道系统的基础支撑[5]。

2.当前内河航道管理痛点

当前，国内河道资源利用效率低下的主要原因是规划不合理。与发达国家比较，国内的内河航道总体设计水平与国外设计水平有较大差距。有关部门没有及时投入相应的人力物力，没有对国内的许多内河项目进行统一规划便盲目仿效国外的做法，这就使得各个河流之间的交通功能难以得到最大程度的发挥。同时，我国的设计管理人员专业度有待提高，设计方案有一定进展空间，设计不合理导致工作效率受到影响。

国内内河航道发展速度较为缓慢，目前我国对内河航运建设的主要注重点在于航道建设，忽视了航道的养护管理，一定程度上无法保障船舶运输的准时性，无法保障船舶运输的正常供给，从而导致内河航道的运输效率下降。尤其是当河道布局不均衡时，因为条件不同的情况下进行非统一船舶投资建设，导致一些内河航运发展滞后；同时，受河道上下游之间人员流动较大、物流量较少、运输流程不稳定等因素的影响，使内河航道的发展遇到瓶颈。

由于我国地域广阔、地质结构复杂，不同地区的地域地貌有很大差别，区域间经济发展存在一定差异，因而在内河航道的设计与管理上出现了较为严重的差异化现象[6]。在众多区域中，东部地区地位比较突出，经济发展比较迅速，所以，内陆河道的管理水平要比西部高得多。特别是西南地区，重庆港建设了以朝天门港口中心区局域网为主节点，覆盖全港七大生产经营公司的计算机网络；长江航务管理局下属单位完成了“DGPS手持机在航标定位上的应用”“长江下游航道电子海图自动测绘和生成系统”等课题。

由于经济发展水平较高，在人力、物力方面存在明显差距，西部沿海地区的航道建设水平略微缓慢。我国长江南京河段建立了数字航道系统，实现了“电子航道图数字化”“航标监测自动化”“信息服务网络话”。东部沿海地区的内河航道建设步伐明显加快，质量也在逐步提高，既能满足运输需求，又能保证区域经济的发展。而由于经济、位置等因素造成的内河航道发展的不平衡，成为目前我国内河航道管理工作的一个重要课题。随着内河航道的发展，水体环境质量将会受到严重的影响，其他交通工具的快速发展也会对内河航道产生一定影响；而航道管理部门的管理设施陈旧、管理方法落后等问题，在短期内难以进行更新，我国的内河航道建设应当紧密结合地区水体环境特点，才能保证内河航道的健康、可持续发展。

3.数字航道系统的体系结构和工作流程

3.1 体系结构

数字航道技术需将航道内的水文地质信息、航行情况、航道演变过程、航道设施状态等数据综合起来，通过利用现代信息技术、网络技术和遥感技术，实现对内河航道的多维度、多角度、多层次的综合管理，实现对内河航道的数字化模拟。本文中的数字航道系统体系结构主要由航道管理中心、网络系统和信息采集系统组成，具体如图1所示。

图1 数字航道系统体系结构

其中，以航标遥测、航路扫描、航路综合探测、航线综合规划等技术为关键点；数字航道管理中心是整个系统的核心，是整个系统应用与服务应用的重要组成部分。

3.2 工作流程

数据收集、资料处理、数据管理及资料使用为数字航道管理系统工作过程中的四大部分。①数据收集：利用多波束扫测、航标遥测遥控、自动报备水文信息、气象信息监测、其他航道信息采集和各类人工测量工作，完成对河床信息、航道尺度及演变过程、水文气象情况、助航设施置备、水位变化数值等航道基础信息的前端采集工作。②资料处理：将前端收集到的资料，利用应用系统或处理软件，自动与人工收集资料相结合，剔除不良及无效资料，将有效资料透过网络设备传送到数字航道管理中心。③数据管理：收集各类航道数据，并在交换平台上统一实现转换共享，集中存储在航道数据库中，为所需部门提供全面且准确的数据信息，这样更加方便管理。④资料使用：在平台上分享内河航道数据，促进各部门之间的资料共享，提供用户所需的电子航线资料，并对用户进行审查，在安全机制的保障下，用户可以利用现有资料对其他的业务进行管理，并使用基于数字航道的内河管理实时服务系统进行管理信息的发布。

4.数字航道技术在内河航道管理中的应用

4.1 三维显示内河航道

三维可视化技术是指在2D屏幕上显示出一个真实的立体图像。为获得立体的3D影像，需要经过一系列的计算机绘制，如坐标变换、投影变换、视区变换等步骤，最后在二维荧光屏上呈现3D影像绘制结果。为了提高影像的逼真度，对光照、阴影、纹理的消隐必不可少，上述各步骤的处理效果，将直接影响到整个三维可视化航道的实时度及精确度。在利用三维可视化技术进行数字航迹建模时，必须要确立统一的坐标，保证数据的精确，但由于各种途径采集到的地形影像、山脉高程、国界位置、国内省县边界、公路地图等信息的精度与坐标体系不同，因此需要根据模型要求的精度选取显示信息，并依据统一的坐标系统对所选数据进行处理，以达到内河航道的建模要求。实际工程中，坐标系的选择要依据特定仿真的三维数字航道模式来决定，而在实际应用中，往往要将坐标系统与后期的三维数字航道模型进行匹配。

航道三维动态显示系统可以在电脑中模拟出真实的三维环境，既可以真实地重现航道的立体地貌，又可以根据不同的资料，对不同的三维显示进行不同的分析与应用。该系统采用三维可视化技术，实现了三维立体航道的交互操作和动态浏览；采用3D引擎的场景渲染功能使图像更加真实，同时通过各种技术加速场景的绘制，即使是在非常复杂的场景中，也能保持25帧/秒的刷新率，确保使用者的实时操作和动态浏览。此外，航道三维动态显示系统可以根据历史资料，为航道岸线、岛屿岸线演变、海底近岸回淤等情况进行可视化呈现。该技术对航运管理、疏浚整治、工程设计、水情分析等工作都有着重要的作用。

内河航道三维显示技术是一种综合运用多种计算机技术，在三维立体显示中进行交互操作的方法，能够很好地再现河流场景，并能实时获取船舶运输数据。采用数据文件三维显示内河航道，将航道的基本数据模型计算结果保存起来，并在三维可视化平台上展示了数据文件，对流场、适航区、航迹、动力分布等内容进行直观的展示，同时还能对各个断面的流速、水深等资料进行查询，并运用地形模拟工具，实现了对内河航道部分区域的三维剖面情况展示。内河航道的三维显示技术可以在电脑上实现内河航道信息整体剖析，有效地管理和分析河道数据，并可以与其余工作人员在线上展开实时讨论。

4.2 电子航道信息处理系统

电子航道地图系统以GIS技术为基础，呈现电子化地图，利用网上管理的方式处理信息。该系统主要由航路生成、路线分析、路线模拟演示三部分组成，能够有效处理数据信息，并实时传输数据内容。同时，该系统可利用二维矢量化技术，为内河航道管理系统提供可视化窗口，以此来实现电子航道的展示界面。电子账台系统可以实现对电子文件的快速查询，在科学的管理下实现信息共享，将现代科技应用于内河航道的管理中。利用信息采集系统对基本数据进行管理，通过统一高效的实时信息处理，对基础的动态数据进行分类和剖析，形成一个综合性的内河航道信息处理中心。因此，建立健全的内河航道管理制度，是促进我国航运事业迅速发展的重要举措。例如，国外电子航道信息处理系统的应用情况有法国的内河航运信息网络系统（VNF2000系统）、德国的航程及货运报关的航运信息系统（MIB/MOVES系统）；国内长江部分大型航运企业实现了基于GPS定位的船舶监控系统、综合物流系统和财务管理系统等，部分航运企业还实现了与通航管理部门的信息互联。

4.3 管理内河航道设施

内河航道设施是船舶安全运行的关键环节，所以相关部门必须利用各类数字化技术，对内河航道中出现的各种问题进行及时的监测和修复。同时要做到实时监测整个内河航道中的设备，如果出现任何异常，都要立即进行维修，以保证航道的安全。目前，新能源、新材料不断地被运用到内河航道管理中，这将进一步完善内河航道中的各项设施，促进航道维护水平。同时，也要根据具体的实际情况，及时制定相关的法律和制度，加强对横道内各个企业的安全管理。基于此，航空保障设备管理系统以利川航标遥测遥控系统为基础，对导标、浮标等设备的基本信息进行采集，监控导标、浮标的位置状态，对航保设施进行信息管理，并进行设备维护提醒和安全预警。例如，国外奥地利的航运信息系统（DoRIS系统），匈牙利的航运信息服务及紧急呼救系统(DISR系统)就有管理内河航道设施的部分；而国内长江航务管理局下属单位对“航道站船实时动态管理系统”“计算机过坝优化调度辅助决策系统”和“长江三峡工程船闸引航道河床信息系统”的构建中，也涉及到管理内河航道设施的内容，可见其重要性不容小觑。

5.结语

随着现代技术的进步，内河航道的规划设计不断优化，具有减轻城市交通压力的现实意义及日益提高航道管理的经济价值。本文介绍数字航道技术的基本概念，分析目前国内河道管理的状况，建立数字航道体系架构，对其工作流程进行梳理，并对该技术在我国的实际运用进行简要阐述。期望通过健全管理制度，运用现代科技手段，可以确保内河航道运行安全，逐步提高我国航运行业的经济效益和社会效益。