數(shù)字化技術(shù)在內(nèi)河航道建設(shè)和運行中的應(yīng)用研究

王浩 中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司

徐洪波 中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司

徐靖國 上海師范大學(xué)

1.前言

近年來，數(shù)字化技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用快速推進，交通基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化升級和數(shù)字化賦能也逐漸成為交通運輸行業(yè)的關(guān)注焦點。

航運是一個古老的行業(yè)，歷史悠久。內(nèi)河航道是內(nèi)河航運的核心要素，是提高水運基礎(chǔ)設(shè)施供給能力和服務(wù)品質(zhì)的核心載體。推進數(shù)字化技術(shù)在內(nèi)河航道“建管養(yǎng)運”全生命周期的應(yīng)用，是提高內(nèi)河航道設(shè)計和施工質(zhì)量的重要抓手，是助力行政主管部門提高管理效能、為社會提供高品質(zhì)智慧交通服務(wù)的必然要求，是實現(xiàn)“智慧航運”愿景的重要依托和基礎(chǔ)工程。本文從內(nèi)河航道“建管養(yǎng)運”全生命周期的視角，對各階段的數(shù)字化應(yīng)用點做一簡述，以期為內(nèi)河航道全生命周期的數(shù)字化應(yīng)用、信息化系統(tǒng)建設(shè)提供方向性和框架性參考。

2.航道建設(shè)階段

近年來，在內(nèi)河航道的工程建設(shè)階段，常用的數(shù)字化技術(shù)有GIS、BIM、虛擬仿真技術(shù)、多專業(yè)協(xié)同設(shè)計、施工協(xié)同管理等，以及以上技術(shù)的集成融合應(yīng)用。數(shù)字化技術(shù)在內(nèi)河航道工程建設(shè)階段的核心應(yīng)用價值，是提升基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計和施工的供給效率和質(zhì)量，提高項目各參建方的協(xié)作效率、降低管理和溝通成本。

在項目前期和方案階段，可基于BIM、GIS、虛擬仿真技術(shù)，以航道水域和兩側(cè)條帶狀陸域為范圍，集成設(shè)計模型和實景模型，形成三維場景。并集成碼頭、橋梁、管線、取排水口等臨河、跨河、攔河建筑物，標(biāo)示生態(tài)保護紅線、水源地保護區(qū)、水利防洪規(guī)劃線位等重要線位?；谌S場景，可方便建設(shè)單位、設(shè)計單位、政府行政主管部門、各類專家基于三維可視化進行溝通；航道工程為典型的線性工程，地理空間尺度大，實地踏勘工作量大，使用虛擬三維場景可快速觀察調(diào)研航道周邊情況，一定程度上減小現(xiàn)場踏勘工作量；針對航道總體設(shè)計方案和航標(biāo)布設(shè)方案，在三維場景中進行虛擬船舶駕駛，對航道總體設(shè)計方案進行驗證、優(yōu)化航標(biāo)布設(shè)方案。

內(nèi)河航道工程傳統(tǒng)的設(shè)計手段為CAD 設(shè)計手段，而基于BIM技術(shù)的航道設(shè)計工作流為提高設(shè)計效率和質(zhì)量提供了途徑和手段。近年來，行業(yè)內(nèi)專家和設(shè)計人員基于Autodesk Civil 3D進行了內(nèi)河航道設(shè)計實踐，在疏浚工程和護岸工程的橫斷面參數(shù)化設(shè)計、快速工程量計算、批量出圖等方面展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。但是，Civil 3D為通用型基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計軟件，對于航道工程設(shè)計針對性有限，在實際應(yīng)用中常需要一定的二次開發(fā)。中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院另辟蹊徑，自主研發(fā)了航道工程三維輔助疏浚設(shè)計系統(tǒng)。除實現(xiàn)參數(shù)化智能建模、開挖工程量自動統(tǒng)計、批量生成開挖斷面圖等功能外，還良好支持三維地質(zhì)模型，從而實現(xiàn)根據(jù)不同土質(zhì)選擇不同開挖邊坡坡比、不同超深超寬參數(shù)自動生成設(shè)計斷面，分航段、分土類統(tǒng)計開挖工程量、超深工程量、超寬工程量，大幅度提高了設(shè)計效率和質(zhì)量。

在施工階段，對于建設(shè)單位和EPC總承包方，可將BIM技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)同管理平臺相結(jié)合，進行輔助項目管理，助力管理提質(zhì)增效?？蓪踩?、質(zhì)量、進度、計量、支付、檔案等核心管理要素和環(huán)節(jié)進行一定程度的數(shù)字化替代，減輕管理強度、減少協(xié)調(diào)工作，并顯著增強管理過程數(shù)據(jù)的可追溯性。由于航道工程施工的特殊性，數(shù)字化技術(shù)在航道工程中的整治工程、通航建筑物工程甚至跨河橋梁重建等建構(gòu)筑物上的應(yīng)用較為成熟，對于疏浚工程的應(yīng)用還有待進一步深入探索。

3.航道運行階段

3.1 綜述

我國內(nèi)河航道建設(shè)事業(yè)經(jīng)過多年發(fā)展，已形成以長江干線、西江干線為主干的內(nèi)河高等級航道網(wǎng)，內(nèi)河航運事業(yè)取得了長足的進步。但是，不可否認(rèn)的是，部分內(nèi)河航道在運行階段“管養(yǎng)運”過程中仍存在一些痛點，如基于人工觀測的手段的航道通航運行條件觀測，其變化掌控不及時，基于人工調(diào)度的航道維護管理效能低；如航道信息服務(wù)的互聯(lián)網(wǎng)化還未達到非常成熟，造成提供的面向社會公眾的服務(wù)便利性有限、體驗不佳。

數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，為以上問題的解決提供了可能。近年來，數(shù)字化技術(shù)在航道方面的應(yīng)用已有了眾多實踐。在“十三五”期間，長江航道基本實現(xiàn)了數(shù)字航道初步建設(shè)。江蘇省、浙江省等在航道運行管理、船閘運行管理、港口物流生產(chǎn)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型方面取得了成功實踐。2022年初，《內(nèi)河數(shù)字航道工程建設(shè)技術(shù)規(guī)范》《內(nèi)河數(shù)字航道建設(shè)工程質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)》正式頒布與實施，更為數(shù)字航道建設(shè)指明了方向和指引。

總結(jié)數(shù)字化技術(shù)在內(nèi)河航道運行階段的應(yīng)用，其價值主張主要體現(xiàn)在兩個方面：面向行業(yè)行政主管部門，提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并基于數(shù)據(jù)提供輔助管理和輔助決策，提供減少人力成本、管理提質(zhì)增效的工具和手段；面向社會大眾尤其是航運相關(guān)商事主體，提供“一張圖”式的數(shù)據(jù)集成展示服務(wù)，增強社會大眾對“智慧交通服務(wù)”的體驗感和獲得感。

3.2 為行政管理賦能

鑒于我國水運行業(yè)行政管理現(xiàn)狀，對于內(nèi)河航道，雖然其管理業(yè)務(wù)主要由航道行政管理部門承擔(dān)，但也涉及港口行政、海事行政、水路運政等部門的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和管理范疇。在部分省，其省級政府交通主管部門建立了各種統(tǒng)建系統(tǒng)，各地市水運港航主管部門也建設(shè)了面向不同業(yè)務(wù)的專用管理系統(tǒng)，但由于缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃，各系統(tǒng)一定程度上存在著功能重合，在數(shù)據(jù)整合和融合應(yīng)用方面都存在著提升空間。

理想情況下，“數(shù)字航道”系統(tǒng)應(yīng)該是集成融合各部門業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。不考慮行政管理口徑、僅從技術(shù)角度，內(nèi)河數(shù)字航道系統(tǒng)為行政管理賦能的相關(guān)功能可分為“航道養(yǎng)護管理”“航道通航條件監(jiān)測”“航道相關(guān)設(shè)施信息”和“應(yīng)急管理”四個方面。

1）航道養(yǎng)護管理：長期以來，保障航道尺度（水深、航寬、彎曲半徑）和通航凈空滿足既定的通航要求、航標(biāo)正常發(fā)揮航道助航效能是我國內(nèi)河航道管理部門的首要任務(wù)。新技術(shù)的應(yīng)用，包括基于無人船的水下地形測繪，基于大數(shù)據(jù)的航道沖淤變化形勢預(yù)測，基于無人機/無人船的航道智能巡檢和航標(biāo)智能巡檢等，為航道養(yǎng)護的升級提供了手段。

2）航道通航條件監(jiān)測：該方面主要指通過各種物聯(lián)感知設(shè)備，從水陸空天各個角度對航道相關(guān)要素進行實時監(jiān)控。包括氣象條件監(jiān)測，如風(fēng)速、降水等；水文條件監(jiān)測，如水位、流速等；通航條件指標(biāo)，如水深、橋梁通航凈高；航道視頻監(jiān)控；船舶相關(guān)信息，包括船舶流量、船舶位置、船舶概要信息，航道擁堵情況等；水上交通相關(guān)信息，如水上水下活動信息、航行通告、航行警告、交通管制信息、助航信息、航行規(guī)則，以及基于視頻監(jiān)控或激光掃描技術(shù)的船舶行為監(jiān)測、船舶禁停監(jiān)測等。航道相關(guān)要素帶來的數(shù)據(jù)積累，如船舶交通流量數(shù)據(jù)，將為航道運行管理提供數(shù)據(jù)支撐，為管理決策提供助力。

3）航道相關(guān)設(shè)施信息：該方面主要指與航道相關(guān)的設(shè)施數(shù)據(jù)和信息。包括錨地相關(guān)信息，如錨地錨位占用情況、錨泊船舶動態(tài)監(jiān)測，以及錨地調(diào)度管理等；船閘等通航建筑物相關(guān)信息，如船閘擁堵情況、船舶待閘動態(tài)查詢、船閘公告信息，以及梯級船閘集中統(tǒng)一調(diào)度管理等；港口碼頭相關(guān)信息，如碼頭名稱、靠泊等級等；其他跨河、臨河建構(gòu)筑物相關(guān)信息，如橋梁、隧道、管線、取排水口等信息；航運相關(guān)社會服務(wù)信息，如引航、拖輪、燃料、廢油回收、修造船服務(wù)和設(shè)施信息等。

4）應(yīng)急管理：該方面主要指提供統(tǒng)一應(yīng)急通信溝通渠道，為海事、港口行政、航道行政、水路運政、交通運輸綜合執(zhí)法提供統(tǒng)一溝通平臺，為水運行政執(zhí)法、水運緊急事件應(yīng)急響應(yīng)提供快速溝通聯(lián)動渠道。

值得注意的是，鑒于我國水運行政管理現(xiàn)狀，對于內(nèi)河航道，主要是航道管理部門的管理范疇，但也涉及港口行政、海事行政、水路運政、交通綜合執(zhí)法部門的業(yè)務(wù)范圍，甚至涉及水行政主管部門、通航建筑物運營企業(yè)等其他主體。數(shù)字航道的建設(shè)，宜力求實現(xiàn)多部門的數(shù)據(jù)集成，在上下級、不同管理口徑的部門之間，分級分類共享應(yīng)急、物流、海事、航道等方面的可開放信息，打通內(nèi)河航道數(shù)據(jù)資源共享瓶頸，并充分考慮與已有AIS系統(tǒng)、VTS系統(tǒng)等的數(shù)據(jù)融合，才能釋放數(shù)據(jù)互聯(lián)互通紅利，充分發(fā)揮數(shù)字化助力管理效能提升的效果，促進水運行業(yè)發(fā)展。

3.3 為社會提供智慧服務(wù)

航道提供社會服務(wù)的對象主要是船員、船公司、航運物流企業(yè)等，近些年多采用“一張圖”的形式，即在電子航道圖的基礎(chǔ)上，集成了航道相關(guān)的基礎(chǔ)信息和專題信息，通過網(wǎng)站和APP提供服務(wù)。其主要價值目標(biāo)是方便船員掌控航行水域情況，助力安全航行；為航行相關(guān)服務(wù)設(shè)施信息查詢和檢索提供統(tǒng)一入口，方便船舶在船閘過閘、錨地錨泊、碼頭靠泊，便利船員使用航運服務(wù)設(shè)施。

數(shù)字航道面向社會公眾提供的信息和服務(wù)可分為基礎(chǔ)信息及服務(wù)、專題信息及服務(wù)兩個主要方面。

1）基礎(chǔ)信息主要指航道、助航標(biāo)志、水文/氣象、船舶、橋梁、船閘、港口的基本屬性信息，航道相關(guān)元素基礎(chǔ)信息的動態(tài)更新、全局展示、實時檢索查詢是提供社會化航運服務(wù)的基本前提。

2）專題信息則面向船舶航行的不同場景提供針對性的服務(wù)。對于航行船舶，提供水上交通安全類信息，如航行通告/警告、水上水下活動信息、交通管制信息、航行規(guī)則、限制性航道/航段信息、航道擁堵情況等。對于需要通過船閘等通航建筑物的船舶，提供在線過閘申請、過閘報到、船閘調(diào)度動態(tài)查詢、船閘過閘調(diào)度規(guī)則、船閘公告信息、船閘開關(guān)時間等信息和服務(wù)。對于需要在錨地錨泊的船舶，提供錨地信息查詢、在線申報錨泊計劃等服務(wù)。對于靠泊碼頭的船舶，提供引航服務(wù)、拖輪服務(wù)、燃料補給服務(wù)、廢油回收服務(wù)、船舶設(shè)備和修理設(shè)施等信息服務(wù)。另外，對于船公司和航運物流公司，提供船舶跟蹤、船隊跟蹤等服務(wù)。

4.關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字化技術(shù)在內(nèi)河航道的應(yīng)用是眾多技術(shù)的集成應(yīng)用，主要涉及以下關(guān)鍵技術(shù)。

（1）GIS技術(shù)和新一代測繪技術(shù)。水深監(jiān)測是航行保障的重要任務(wù)之一，無人船和自動化多波束測深裝置的出現(xiàn)，為自動化的航道水深監(jiān)測提供了高效手段。無人機的使用，為航道巡檢、航標(biāo)巡檢提供了更為經(jīng)濟高效的手段，大大減少了人為巡檢的工作量。

（2）多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)。數(shù)字航道是基于數(shù)據(jù)集成的技術(shù)，數(shù)據(jù)來源有自動監(jiān)測和人工填報，既有結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)也有非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源分為航政、港政、海事、運政等不同部門，海量異構(gòu)數(shù)據(jù)的收集、清洗、治理、展示是數(shù)字航道實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

（3）三維時空展示和數(shù)字孿生技術(shù)?；谌S時空展示和數(shù)字孿生技術(shù)建立航道、船閘、碼頭和周邊自然地理環(huán)境的實景模型，并將三維模型和傳感器數(shù)據(jù)融合為三維場景，將航道、船閘、碼頭實時狀態(tài)映射到數(shù)字空間。更進一步，可在船閘等建構(gòu)筑物上布設(shè)監(jiān)測點和傳感器，實時監(jiān)測應(yīng)力等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)基于數(shù)字孿生的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測。

5.展望

數(shù)字化技術(shù)在內(nèi)河航道的應(yīng)用方興未艾，并有望成為“十四五”期間智慧水運交通的焦點，本文展望如下。

（1）內(nèi)河航道的數(shù)字化技術(shù)將逐步實現(xiàn)由“單要素模擬”向“全要素數(shù)字孿生”演進，真正實現(xiàn)在數(shù)字空間對內(nèi)河航道的完整模擬和再造，為航道環(huán)境模擬、船舶交通模擬、管理輔助決策等場景提供更加完善的解決方案。

（2）數(shù)字化航道將向智慧化航道發(fā)展，并逐漸與船舶智能化、無人駕駛船舶、船岸協(xié)同等技術(shù)進行融合，從而為“智慧航運”總體愿景的實現(xiàn)提供基礎(chǔ)，并為智慧綜合立體交通運輸體系的早日實現(xiàn)提供重要支持。