長江航道關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)進展綜述

李學(xué)祥，劉懷漢

（長江航道局，湖北 武漢 430010）

內(nèi)河水運作為我國綜合立體交通運輸體系重要組成部分，具有綠色屬性、占地少、能耗小、運力大等特性，有著無可比擬的比較優(yōu)勢，符合綠色可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求。長江干線航道作為承東啟西、輻輳南北的黃金水道，是我們黨執(zhí)政興國的重要物質(zhì)基礎(chǔ)、我國內(nèi)河水運的重要基礎(chǔ)設(shè)施，在長江水運發(fā)展中具有基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性、服務(wù)性作用，是建設(shè)沿江綜合立體交通走廊和綠色生態(tài)廊道的重要依托，在國民經(jīng)濟和區(qū)域發(fā)展總體格局中具有重要戰(zhàn)略地位。

航道科技創(chuàng)新是推動航道高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵驅(qū)動力，通常指面向航道規(guī)劃、建設(shè)、運行、養(yǎng)護和水上應(yīng)急救助等全過程，創(chuàng)造和應(yīng)用新理論、新技術(shù)、新材料、新裝備、新系統(tǒng)、新結(jié)構(gòu)、新工藝等而開展的科技研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)制定、推廣應(yīng)用、科普交流等活動，一般以應(yīng)用為目的、人才為支撐、技術(shù)為核心、成果為載體、平臺為依托、機制為保障?！笆舜蟆币詠?，特別是“十三五”期，長江航道局秉承“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”發(fā)展理念，緊密圍繞長江經(jīng)濟帶建設(shè)等國家戰(zhàn)略實施要求，緊跟現(xiàn)代科技發(fā)展前沿，聚焦航道公共服務(wù)能力水平提升，大力實施了“科技引航、科技興航、科技強航”戰(zhàn)略，航道科技得到了長足發(fā)展，推動了長江航道公共服務(wù)技術(shù)進步，有效發(fā)揮了科技創(chuàng)新支撐和引領(lǐng)長江航道轉(zhuǎn)型發(fā)展的使能器作用。

1 主要技術(shù)進展

聚焦長江航道發(fā)展重大性、關(guān)鍵性、前瞻性難題，依托系列國家科技項目、交通運輸部專項及有關(guān)科技成果推廣、示范應(yīng)用、重點航道建設(shè)工程等持續(xù)研發(fā)，初步形成了以數(shù)字航道、生態(tài)航道、高效養(yǎng)護為主體長江航道技術(shù)體系。

1.1 數(shù)字航道技術(shù)進展

1.1.1 數(shù)字航道頂層設(shè)計

（1）參考借鑒數(shù)字地球、數(shù)字城市發(fā)展理念，明確了數(shù)字航道概念和內(nèi)涵，結(jié)合航道基本屬性和業(yè)務(wù)內(nèi)容研究提出了“遠程看、精細管、走著用”長江數(shù)字航道發(fā)展理念。

（2）運用自頂向下方法設(shè)計了“一主六分七中心一圖一站三平臺”長江數(shù)字航道總體架構(gòu)，提出了由基礎(chǔ)設(shè)施層、信息感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)資源層、支撐平臺層、應(yīng)用服務(wù)層等構(gòu)成的長江數(shù)字航道總體技術(shù)框架。

（3）結(jié)合長江航道業(yè)務(wù)特點完成了航道數(shù)據(jù)資源總體規(guī)劃，結(jié)合長江航道組織機構(gòu)及分布特點完成了航道通信網(wǎng)絡(luò)總體規(guī)劃，參考信息系統(tǒng)評價模型初步提出了數(shù)字航道應(yīng)用成效評估方法和關(guān)鍵指標(biāo)。

1.1.2 航道要素感知技術(shù)

（1）研發(fā)了基于現(xiàn)代測繪的航道要素變化快速測量技術(shù)，構(gòu)建了空天地水立體航道測繪技術(shù)體系，解決了大范圍航道要素變化信息快速獲取的問題。

（2）研發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)的航道典型要素異動實時監(jiān)測技術(shù)，開發(fā)了航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)、水位遙測遙報系統(tǒng)、多功能航標(biāo)系統(tǒng)、航道視頻監(jiān)控系統(tǒng)等，解決了主要航道要素運行狀態(tài)在線感知的問題。

（3）制定了基于在航船舶的航道水深信息感知方法和實施方案，研發(fā)了多功能船舶終端系統(tǒng)，初步彌補了傳統(tǒng)航道河床地形測繪模式導(dǎo)致航道感知能力不足的問題。

1.1.3 航道數(shù)據(jù)治理技術(shù)

（1）提出了水位等主要航道要素空間擬合方法，建立了航道地理信息模型和航道要素分層分級轉(zhuǎn)換模板，研發(fā)了基于模板匹配和自定義規(guī)則的多源異構(gòu)航道數(shù)據(jù)技術(shù)，初步實現(xiàn)了多時態(tài)、多尺度、異構(gòu)航道數(shù)據(jù)快速融合。

（2）提出了基于層次結(jié)構(gòu)的航道核心數(shù)據(jù)元素識別方法，設(shè)計了適用于云網(wǎng)交互的航道大數(shù)據(jù)技術(shù)體系及構(gòu)建方案，研發(fā)了基于云網(wǎng)交互的航道數(shù)據(jù)資源構(gòu)建技術(shù)，初步解決了海量航道數(shù)據(jù)資源的組織管理問題。

（3）提出了不同水文期航標(biāo)、水位、水深等關(guān)鍵要素的更新頻率，制定了航道數(shù)據(jù)更新和質(zhì)量控制策略，研發(fā)了基于地理模型的要素自動聯(lián)動處理技術(shù)和多源異構(gòu)航道數(shù)據(jù)動態(tài)更新技術(shù)，實現(xiàn)了要素級航道數(shù)據(jù)動態(tài)更新。

（4）提出了航道信息資源目錄體系的概念模型和組織結(jié)構(gòu)，制定了面向服務(wù)的航道動態(tài)數(shù)據(jù)共享策略，提出了基于公共服務(wù)平臺和標(biāo)準(zhǔn)接口的數(shù)據(jù)交換共享方法，實現(xiàn)了不同層級、不同粒度的航道信息交換共享。

1.1.4 航道應(yīng)用服務(wù)技術(shù)

（1）建立了航道養(yǎng)護管理業(yè)務(wù)模型，開發(fā)了航道動態(tài)監(jiān)測平臺、航道維護管理平臺和維護輔助決策分析系統(tǒng)，研發(fā)了基于流程與數(shù)據(jù)驅(qū)動的航道養(yǎng)護管理協(xié)同應(yīng)用技術(shù)，解決了不同層級航道養(yǎng)護業(yè)務(wù)數(shù)字化協(xié)同應(yīng)用問題。

（2）提出了航道信息服務(wù)“六階段”需求辨識方法，構(gòu)建了可定量化描述各類場景用戶需求的航道信息服務(wù)需求度模型和需求矩陣，攻克了信息服務(wù)需求辨識技術(shù)難題。

（3）明確了長江電子航道圖概念，提出了“一圖在手、暢行長江”發(fā)展理念，研發(fā)了基于數(shù)據(jù)庫的電子航道圖成套技術(shù)，開發(fā)了生產(chǎn)編輯系統(tǒng)、APP 及若干數(shù)據(jù)處理輔助工具，打造了“手掌上的航道”，提供了“指尖上的服務(wù)”。

（4）設(shè)計了滿足航道信息服務(wù)特征的信息服務(wù)平臺“4S”技術(shù)架構(gòu)，研發(fā)了航道綜合信息服務(wù)系統(tǒng)，具備了普適化和個性化航道信息、助航導(dǎo)航、輔助決策、監(jiān)控管理等主要服務(wù)功能。

1.2 生態(tài)航道技術(shù)進展

1.2.1 生態(tài)航道頂層設(shè)計

（1）創(chuàng)建了黃金航道識別方法和可持續(xù)發(fā)展?jié)摿C合評價體系，建立了多目標(biāo)協(xié)同下長江航道承載力評價模型，判明了長江干線航道承載力和可提升潛力，為長江航道可持續(xù)發(fā)展提供了決策依據(jù)。

（2）提出了生態(tài)航道概念內(nèi)涵和評價方法，基本明晰了守護、筑壩、炸礁、疏浚等各類治理工程對水生物群落及生境的影響機理，提出了目標(biāo)物種-生境對航道整治響應(yīng)程度的量化判別方法，為航道生態(tài)化建設(shè)提供了必要條件。

1.2.2 航道生態(tài)整治技術(shù)

（1）初步揭示了多庫聯(lián)調(diào)條件下山區(qū)航道非恒定流傳播、變動回水區(qū)卵石推移質(zhì)輸移、常年庫區(qū)航道粉砂輸移等規(guī)律，研發(fā)了山區(qū)河流順直型、彎曲型及彎曲分汊型等三類卵石灘險整治、卵石灘群航槽控導(dǎo)、常年庫區(qū)懸沙淤積礙航治理技術(shù)，開發(fā)了10 余類航道整治建筑物新結(jié)構(gòu)，形成了山區(qū)河流復(fù)雜水動力變化卵石灘群聯(lián)動整治技術(shù)。

（2）初步解決了復(fù)雜條件下長河段演變及治理的高效、精細化長河段灘槽聯(lián)動模擬技術(shù)，初步揭示了三峽水庫運行后中游水沙條件的時空變化規(guī)律、灘槽沖淤調(diào)整機理以及不同類型淺灘的礙航特性與變化趨勢，發(fā)展了中下游“守、調(diào)、疏”相結(jié)合的航道整治方法，研發(fā)了強沖刷條件下中下游徑流河段灘體塑造和航道灘槽調(diào)控技術(shù)，開發(fā)了“雙絞格網(wǎng)網(wǎng)墊和網(wǎng)箱”等具有適應(yīng)河床變形能力、加強結(jié)構(gòu)強度、促進淤積等航道整治建筑物新結(jié)構(gòu)，形成了大型樞紐運行后防洪-通航協(xié)同下中游強沖刷長河段航道整治技術(shù)。

（3）初步揭示了多分汊潮汐河段潮波傳播、潮流運動及泥沙輸移特性、灘槽水沙交換模式及演變規(guī)律，提出了復(fù)雜多分汊航道上下游河勢聯(lián)動及汊道相對穩(wěn)定性評價方法，研發(fā)了大型沖積河流心灘、邊灘守護技術(shù)和徑潮流作用下多分汊長河段洲灘控導(dǎo)技術(shù)，開發(fā)了鏈?zhǔn)降榷喾N適用于徑潮流河段的透水消能固灘結(jié)構(gòu)和促進水生生態(tài)修復(fù)的整治結(jié)構(gòu)，形成了徑潮流共同作用下復(fù)雜多分汊河段灘槽調(diào)控技術(shù)。

（4）初步揭示了長江口水沙運動及河床演變規(guī)律、攔門沙河段泥沙回淤機理和淺灘礙航機制，提出了下游徑潮流共同作用的感潮河段航道關(guān)鍵性活動邊灘控導(dǎo)方法，制定了采用中水位整治及寬間距雙導(dǎo)堤加長丁壩群布置型式、結(jié)合疏浚工程的總體治理方案，拓展了長江口深水航道減淤方法和技術(shù)，開發(fā)了大型河口航道整治的新結(jié)構(gòu)，形成長江巨型河口深水航道協(xié)調(diào)治理技術(shù)。

1.2.3 航道生態(tài)修復(fù)技術(shù)

（1）提出了事前、事中、事后的生態(tài)保護和修復(fù)技術(shù)措施，實踐了生境避讓、生境再造、生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)建設(shè)、異地保護、增殖放流、驅(qū)趕攔截等多種水生生物保護措施。

（2）研發(fā)了生態(tài)友好型護灘、護底、筑壩技術(shù)，研發(fā)了生態(tài)排體等數(shù)十種增強棲息地多樣性的整治新型結(jié)構(gòu)。

（3）發(fā)展了長江航道演變與水沙條件的響應(yīng)理論，發(fā)明了整治建筑物的可靠度及設(shè)計使用年限計算方法，開發(fā)了長江航道整治軟體排設(shè)計與施工成套技術(shù)。

（4）研制了水下銑挖環(huán)保型清礁、航道浚測一體化、耙吸挖泥船高效節(jié)能疏浚等整治與疏浚裝備，構(gòu)建了航道整治工程BIM 技術(shù)體系，新開工項目BIM 覆蓋率達到100%。

1.3 高效養(yǎng)護技術(shù)進展

1.3.1 航標(biāo)及養(yǎng)護技術(shù)

從提升航標(biāo)養(yǎng)護效率和改善助航效果的角度，加強了新材料的應(yīng)用，研制了橡膠、高分子PE 等新材料標(biāo)志船；研發(fā)了AIS 航標(biāo)并進行了規(guī)?；瘧?yīng)用；研發(fā)了磁吸式航標(biāo)等為代表的裝配式航標(biāo)，開發(fā)了自航式航標(biāo)和多功能機械手等，推進航標(biāo)養(yǎng)護機械化；開發(fā)了航標(biāo)專用芯片和北斗定位模塊，推進了航標(biāo)國產(chǎn)化替代；試驗了燈帶等多種水上航標(biāo)輔助增強技術(shù)方案，推動解決夜間復(fù)雜燈光背景下航標(biāo)辨識效果不良的問題；探索了AIS 和視頻監(jiān)控信息融合下船舶動態(tài)跟蹤技術(shù)和LED 通行信號標(biāo)應(yīng)用，研發(fā)了遠程控制、無人值守智能信號臺，優(yōu)化了信號揭示的主動服務(wù)模式。

1.3.2 航道疏浚維護技術(shù)

深化和推廣了重點河段航道跟蹤觀測分析機制，初步研發(fā)了數(shù)物模與大數(shù)據(jù)融合分析技術(shù)，服務(wù)了航道整治成效發(fā)揮和日常航道條件中短期預(yù)測預(yù)報；闡明了梯級樞紐調(diào)蓄和人為活動影響新水沙條件下典型淺灘河段沖淤特性及疏浚維護態(tài)勢，探明了航道疏浚維護時機影響因素，提出了太平口等典型灘段的合理疏浚時機；提出了航道疏浚維護關(guān)鍵參數(shù)確定方法，制定了各重點礙航淺灘疏浚維護思路及方案。

1.3.3 航道維護船舶技術(shù)

提出了新航道維護船舶體系，優(yōu)化設(shè)計了體系內(nèi)各類船舶船型、功能布局、裝備配備和外觀形象；研制并示范應(yīng)用了純電動航道維護快艇，改裝應(yīng)用了機械作業(yè)系統(tǒng)；融合應(yīng)用了智能綠色船舶技術(shù)，推廣應(yīng)用了船舶污水處理系統(tǒng)等。

2 主要應(yīng)用成效

通過數(shù)字航道、生態(tài)航道、高效養(yǎng)護等技術(shù)在長江航道系列建設(shè)工程和養(yǎng)護管理中的應(yīng)用，航道公共服務(wù)能力水平得到了顯著提升，2021 年長江干線港口完成貨物吞吐量超35 億噸，連續(xù)17 年位居世界第一，船東滿意度測評九連升，全面達到90 分以上優(yōu)秀等級，突出表現(xiàn)在以下方面：

2.1 數(shù)字航道技術(shù)成效

建成了“一主六分七中心”長江數(shù)字航道系統(tǒng)格局，實現(xiàn)從全線貫通到聯(lián)通運行再到全面應(yīng)用的突破，航標(biāo)等要素實現(xiàn)在線監(jiān)測，初步完成了數(shù)字化革命；建立了電子航道圖APP 等多模式航道服務(wù)體系，營運船舶步入移動導(dǎo)航時代。

2.2 生態(tài)航道技術(shù)成效

上游“瓶頸”制約初步緩解，中游“梗阻”問題逐漸緩解，下游“卡脖子”問題基本解決，航道整治護岸綠化率已達80%以上，航道服務(wù)更加綠色、順暢。

2.3 高效養(yǎng)護技術(shù)成效

干線航標(biāo)全面淘汰干電池、全面實現(xiàn)遙測遙控，浮具全部集中上岸保養(yǎng)，全線5000 余座航標(biāo)實現(xiàn)明亮化、大型化；神背嘴等4 座信號臺實現(xiàn)無人值守和通行信號遠程控制，開啟了控制河段信號智能新時代，航道職工幸福感和智能助航服務(wù)水平極大提升；建造應(yīng)用了純電動“長江航道電001”航道維護快艇、13800 方自航耙吸挖泥船等，顯著提升船舶裝備技術(shù)水平，航道保安全暢通能力水平顯著提高。

3 展望

隨著交通強國建設(shè)深入推進，建設(shè)“暢通、高效、安全、智慧、美麗”現(xiàn)代化新航道對長江航道科技必然提出新需求，下一步需從打造更高水平航道公共服務(wù)、重塑航道職業(yè)內(nèi)涵、支撐長江航道高質(zhì)量發(fā)展、引領(lǐng)“四縱四橫兩網(wǎng)”國家內(nèi)河高等級航道角度謀劃和推進航道技術(shù)研發(fā)。