绍兴港上虞杭州湾港区智慧航道建设方案探析

马强华 ，陈水龙 ，王 强

（1.浙江数智交院科技股份有限公司，浙江 杭州 310030；2.杭州湾上虞经济技术开发区管理委员会，浙江 绍兴 312369；3.杭州市公路与港航管理服务中心，浙江 杭州 310005）

0 引言

钱塘江流域是浙江北部经济最为发达的地区，水运货运需求旺盛，建设出海通道的意愿强烈，但受钱塘江口独特的水文泥沙条件限制，尚未有建设常规型作业码头的成功案例。码头前沿的水深、进出港航道、码头作业方式这三要素，是钱塘江南岸码头建设必须解决的难题。本文通过研究水文监测预报、航道水深地形测量和更新等技术，利用智慧化方式，提高通航保证率，增强船舶安全保障，为工程建设和运行提供技术支撑。

1 研究背景

绍兴港上虞杭州湾港区位于钱塘江河口尖山河湾南岸上虞、余姚交界处，系典型的游荡型河流[1]，工程水域潮强流急，涌潮汹涌且河势复杂、滩槽摆动较为频繁，给船舶通航及作业安全带来了极大的挑战。基于前期对工程区域潮汐、潮流、涌潮和航道稳定性的研究分析，影响上虞杭州湾港区船舶通航和码头调度作业的主要问题包括潮差大，水深不稳定，涌潮汹涌、流态复杂，涌潮初期流速大，航槽摆动频繁等。

(1)高潮差。钱塘江河口是著名的强潮水域，澉浦实测最大潮差达9.15m（2018 年8 月13 日），多年平均潮差达5.66m。2019 年上虞港年平均潮差6.07m，平均高潮位4.05m，平均低潮位2.02m。以2019 年10 月1 日大潮为例，高潮位6.26m，低潮位仅-1.63m，潮差达到7.89m。

(2)水域涌浪大、流态复杂。随着钱塘江河口治理的推进，河口逐渐下移，涌潮起潮点也在下移。当前尖山河段南岸涌潮强潮逐渐增强，工程水域是钱塘江涌潮的形成和发展区，在该水域的涌潮高度可达1～2m。大潮期，涌潮汹涌，码头局部水域涌浪大。涌潮遇到码头桩基等构筑物，会形成反射，造成局部水域涌浪大、流态复杂，船舶泊稳难度大，易走锚倾覆，安全作业风险高。

(3)水流流速大。工程水域潮流强劲，涌潮过后即为快水，多年10 月平均涨、落潮最大流速分别为2.78m/s 和2.35m/s，2010 年10 月实测最大垂线平均流速达4.44m/s。高流速下，尤其是局部航段有大横流的情况下会导致船舶航行和作业难度大，风险高。

航槽摆动频繁。钱塘江河口河床冲淤幅度大，主槽摆动频繁，深泓线游荡频繁，如图1 所示，难以选择固定航道。同时，由于钱塘江河口含沙量高，水域疏浚后回淤迅速，难以通过疏浚来维护航道水深。

2 码头运营模式

针对上虞杭州湾港区船舶航行和作业主要风险点，结合以往研究成果和实践经验，确定上虞液体化工码头作业原则为“三乘、三避”[2-3]，即“乘潮进港、乘潮作业、乘潮出港，避涌潮、避快水、避低潮位”。此外，为保障船舶通航作业安全，提高通航保证率和码头作业效率，确定“三固定、三为主”的运营方式，即“固定航线、相对固定的船舶、相对固定的船员，以卸为主、以自卸为主、以液体散货重件等货源为主”。其中，固定航线主要为嘉兴港—上虞港、镇海港—上虞港、舟山港—上虞港。

结合码头“三乘、三避”的原则和“三固定、三为主”的运营方式，对船舶安全及智慧航道建设的主要功能需求包括：水深地形监测、更新与数字化；航道航行条件的安全监控管理；船舶航行过程中的安全助航；港区调度与安全生产管理以及综合智慧化管控平台建设等。

3 建设方案总体架构

本工程基于“监测-预报-决策-管理”一体化思路，实现绍兴港上虞杭州湾港区船舶安全及智慧航道建设的“信息感知-信息处理-决策-调度管理”。本系统自下而上分为设施层、感知层、数据层、支撑层、应用层、展现层、用户层，总体框架如图2 所示。通过水文、气象、地形观测以及港口、船舶、作业等物联网感知体系，结合潮位、涌潮、风浪和风暴潮预报预警体系，智慧航道和船舶作业调度数字化体系，再结合制度保障体系，提高船舶通航保证率和应急处理能力，保障船舶通航和作业安全。

（1）设施层包括主机及存储设备、网络安全设备、防雷接地设备等，并对资源进行有效监控，提供弹性计算、负载均衡、动态迁移、按需供给、自动化部署等功能。

（2）感知层包括全景摄像机、远程瞭望摄像、AIS、VHF、雷达、水位站、流速仪、气象站等外场感知设备，实现航道全要素智能立体感知。

（3）数据资源层包括业务数据库、基础数据库、地理信息数据库、视频数据库、元数据库、日志数据库，并基于基础设施层提供的基础软硬件支撑，提供数据采集、处理、标准化、聚合并最终形成数据服务。

（4）支撑层包括电子航道图系统、地理信息系统平台、数字孪生基础平台、视频管理平台、船舶智能导航模型、无人船、无人机管理平台，基于基础设施层提供统一的平台化系统软件支撑及数据资源层提供数据处理服务。

（5）应用层包括船舶导助航系统、航道与船舶安全智能管控系统、数字孪生航道系统，船舶导航系统实现航道图基本显示及定位，航次作业管理、船舶航行管理、用户信息管理；航道与船舶安全智能管控系统实现通航环境管理、视频监控、船舶航行管理、船舶调度管理、码头作业管理、港航运行态势分析；数字孪生航道系统实现航道要素监测、船舶航行动态仿真、港区作业动态仿真、钱塘江涌潮动态仿真功能。

（6）展现层是用户通过手机、电脑、大屏等终端进入智慧航道及导航应用等系统入口。

（7）用户层包括港航管理部门、海事执法部门、港区调度、管理人员、固定航线船舶船员等。

4 应用系统设计方案

4.1 电子航道图系统

4.1.1 数据采集对象

本系统针对航道水下地形与水位频繁变化及更新需求，拟定了通过多种方式进行数据采集。采用雷达、无人机、水情监测、智能无人船、巡逻艇等技术手段实现航道地形、水位的动态采集。

（1）雷达遥测

充分利用工程水域潮差大、低水位低的水文特点，研究雷达等技术低潮位扫测滩涂水面线，通过遥感图层影影叠加，实现浅滩范围注记。

（2）无人机观测

本系统拟采用无人机技术，在低水位时对航道要素进行空中采集，以及时对洲滩、碍航物等易导致船舶搁浅要素进行注记标记，预警提示，无人机监测频率暂定为每天一次。

收集无人机巡检拍摄的洲滩视频、正射影像图、照片等，形成洲滩生成720 度全景照片。建立洲滩边界、面积分析模型，正射影像图通过地图坐标转换，将洲滩信息及时更新到电子海图系统中，利用洲滩历史正射影像图和现实正射影像图进行比对分析，实现洲滩监测报警。

通过洲滩要素电子海图显示、洲滩点位位置列表形式（储存洲滩名称、发现时间、位置、面积等）为航道辅助规划、船舶安全导航提供支持。

（3）无人船巡检

利用无人船技术实现对航道水下地形等航道要素进行监测，重点是对进出港航道深槽演变监测。

利用无人船对航道水下地形进行测量，收集水深离散点数据，生成航道水下地形监测数据，实现航道水下地形监测。获取航道水深数据后，通过电子航道图发布更新航槽水深信息。

（4）巡逻船巡查

采用巡逻船巡查方式，工作人员定期在固定航线上巡查，标注浅滩、碍航物等异常信息，通过电子海图编辑发布异常信息。

4.1.2 航道图更新维护

为达到航道图及时更新要求，拟通过以下手段实现电子航道图的及时更新：

（1）通过向航海保障和海图发行部门申请，可进行标准海图的修正，本方案设计在每次常规测量后，向有关部门申请航道地形在电子海图上的更新。发现浅滩、碍航物等异常状况时，及时向航海保障和海图发行部门申请进行海图修正。

（2）同步采用自行研发的船载智能导助航系统及工程区域电子航道图系统，自行及时更新电子航道图系统航道地形数据。

（3）数据更新规划

1)电子航道图系统更新

对于常规方式采集的航道水深数据，通过电子海图系统进行每日更新，发布到船舶智能导助航系统和航道、船舶安全智能管控系统等。

2)公开电子海图更新

以月度为周期，测量固定航线水深数据。经编辑处理，提交海事相关部门，对公开发行电子航道图进行改正。本项目方案对固定航线全线进行测量，宽度不小于航道设计宽度。

3)数据更新频率

依据长期航道观测资料，总结分析年内航道变迁规律，运营过程中，依据航行需求适当调整常规航道水深监测频率。同时制定航道应急测量方案，在大洪水、风暴潮或航道突变时期进行应急测量。

4.2 航道与船舶安全智能管控系统

基于业务需求，利用上述技术，航道与船舶安全智能管控系统建设主要实现的功能包括通航环境管理、视频监控管理、船舶航行、调度、码头作业管理、港航运行态势分析功能。

系统接入电子航道图、航线、码头、船舶、潮汐预报、潮位及潮流监测、码头作业等数据，通过后台计算，提供以下具体功能：

（1）提供精确的潮汐、涌潮、波浪预报结果，高、低潮位时间精度0.5h，涌潮潮到时间精度±10min；潮位和波高精度误差10%以内。

（2）提供精确的作业时间窗口，时间精度±10min，提供每次作业时间倒计时，每个倒计整点时刻，发出提示信息，倒计时30min 发出预警。

（3）提供精确的气象监测数据，包括温度、湿度、风速、风向、降水、气压、能见度。

（4）为每一次船舶航行提供最佳航线推荐（原理是根据及时更新的航道图和潮汐、潮位、气象监测数据，及时修正航线）。

4.3 船舶智能导助航系统

船舶智能导助航系统以手机App 应用形式，面向本港区固定航线船舶用户提供航道导航安全服务，其主要功能包括基础服务、航次作业管理、导航功能和用户管理相关功能。

设备外接或内置AIS/GPS、数字雷达模块，能够接收及显示数字雷达、AIS 信号，实现周围船舶监控和船舶避碰报警；利用网络技术实现航标、水位、可视距离、可航水深、航道动态信息的接收以及电子航道图数据更新下载；支持联网/脱网模式。

4.4 数字孪生航道系统

数字孪生航道系统是在网络数字空间再造一个与现实物理航道匹配对应的数字航道，通过构建物理航道与数字航道一一对应、协同交互、智能操控的复杂系统，使其与物理航道平行运转，通过虚拟服务现实，数据驱动治理，智能定义一切等运行机制，实现航道全要素数字化和虚拟化、全状态实时化和可视化、运营管理协同化和智能化，形成物理维度上的实体世界和信息维度上的虚拟世界同生共存、虚实交融的智慧航道发展新模式。

数据孪生航道系统可实现以下功能：

（1）建立航道及周边地形地貌、环境特征、航道要素、船舶数字孪生体，为船舶赋予实时的时空位置和运动姿态。

（2）航道全周期整体运行态势仿真，实时数据驱动航道整体运行态势秒级调度还原。

（3）航道全体量监测设备态势感知，接入各类监测、监控数据，实现大数据处理及可视化。

5 结语

智慧航道方案实施后，绍兴港上虞杭州湾港区可实现航道要素全面数字化、航道运行全面感知、船岸之间高效通讯和船舶安全智能导航助航，助力绍兴上虞杭州湾港区打造成为现代化智慧型港口[4-5]，生产运行效率和安全管控水平得到全面提升。