内河船舶智能航行与智慧航道建设

吴红光，张曼雨，翟振刚，王展鹏，周梦甜

（中国电子科技集团公司第三十六研究所，浙江 嘉兴 314001）

0 引言

内河水运具有运能大、占地少、能耗低等优势。2017年全国内河航道通航里程12.70万千米，内河运输完成货运量37.05亿吨，略高于同年度铁路运输货运量。但是不同于铁路建设的如火如荼，内河航道通航里程近年来增势平缓，甚至出现回落，运输船舶数量也由2013年的17.26万艘减少到了2017年的14.49万艘。近年来，国家为了加快我国航运建设，促进内河航运快速发展，大力开展内河航运的信息化、自动化建设，其中航道的信息化是重要的组成部分，也是智能船舶与信息化管理的基础。2011年3月1日，交通运输部出台《关于贯彻〈国务院关于加快长江等内河水运发展的意见〉的实施意见》，明确指出“加快建设长江、珠江和京杭运河综合信息服务系统，推进数字航道建设工作”。

为了实现船舶智能航行以及航道、船舶的信息化管理，需要在航道沿岸布设各类传感器，包括RFID读卡器、摄像头、激光雷达、微波雷达、AIS基站等，通过物联网在管理平台与这些传感器通信与交换数据，远程实现对航道的实时监控与信息发布，推动船舶标准化、船联网建设，提升对船舶的动态监控能力，实现船舶的智能航行。

1 船联网建设与船舶智能航行研究现状

1.1 国家船联网示范工程

交通运输部组织开展了长三角航道网及京杭运河水系智能航运信息服务（船联网）应用示范工程，由长三角江浙沪两省一市共同实施。该工程旨在全面推进物联网技术在内河智能航运服务中的深化应用，提升内河航运综合信息服务能力，提高内河航运的通行效率，减少内河航运安全隐患，并对国家物联网技术研发和产业发展起到拉动作用。

以浙江省为例，浙江省积极推进“一张感知网，四类应用平台，一个数据中心，四大保障体系”建设，力求实现浙江省内河航运“通航监测智能化、行业监管联动化、公共服务便捷化、内河物流产业化”。目前，浙江省已完成了 RFID、AIS、GPS、CCTV、雷达、航标遥测遥控终端、激光流量观测仪等多种感知设备的试点建设，并通过多途径将数据接入感知平台，建成浙江港航智能感知“一张网”，有力提升了港航智能管理和服务水平。

江苏省也在建设内河水路交通感知网络，在开展物联网关键技术研究及攻关的同时，制定了《内河船舶射频识别（RFID）设备系列标准》、《智能船载终端》、《内河航运信息安全及用户隐私防护标准》等一系列标准；建立船联网数据存储与应用架构，满足海量数据的管理与区域化应用，充分保证了船联网的运行效率与数据安全。

国家船联网示范工程，核心建设内容在于水路交通感知和智能航运信息服务，侧重于加强政府对航运的监管和治理，改善船户对信息服务的满意度。

1.2 国内外船舶智能航行现状

2018年，全球第一家无人船航运公司Massterly在欧洲挪威诞生并投入运营，标志着全球航运业开始正式进入“无人船”时代。这艘无人集装箱船取名叫“Yara Birkeland”，船长 80 米、宽 15 米，能够装载120个标准集装箱，正常航速6节，用于挪威南部一条37英里的固定近海航线。这艘无人船集装箱没有传统的桥楼和驾驶舱，利用自身安装的全球定位系统、雷达、摄像机和传感器等，能够在航道中自动避让其他船舶。另外，船上还配有一套自动系泊系统，停泊和起航都无需人力介入，并在到达终点时实现自行停靠。

2017年，劳斯莱斯在芬兰建立了“高级自动水运应用”合作项目，希望能在十年内研发出在沿海区域航行的遥控船或全自动船。第一艘可以自动导航的商用船可能是港口拖船或者渡船，它们可以装载汽车短距离行驶，越过河口和峡湾。按照预测，在未来10年至15年，将研制出无人自动驾驶远洋货轮。

2016年3月，中国船级社编制的《智能船舶规范》正式生效，这代表着中国智能船舶和无人驾驶时代的来临。2017年底，我国研制的全球第一艘智能船舶正式交付使用。这艘名为大智号的散货智能船舶，总长179米、船宽32米、深15米，载重量3.88万吨，由中国船舶工业集团研制。该智能船舶最大的亮点在于内置的智能航行系统可以获取船舶自身以及海洋洋流等方面的信息和数据，进而提供省时、省油、舒适和低综合成本的航线规划。与同等吨位的普通散货船相比，其推进效率提高了3%，而相同航速日均油耗降低了6%。

综上所述，国际国内的智能船舶研究主要瞄准近海及远洋运输市场，而内河运输市场基本上还没有深入研究。这其中的原因包括内河航道狭窄、桥梁多、水深较浅、船舶操控性差、船舶种类多而杂、运输企业规模过小等。

2 内河智慧航道的建设

在具有诸多限制的内河航道开展智能航行，需要进行智慧航道、智能船舶的建设，并在云端建立数据中心与相关服务平台，将这些资源进行有机的整合。如图1所示，为智慧航道的数据输入与输出。

2.1 建立内河水路导航图

通过对航道河床、过河碍航物（如桥梁）、两岸航运设施进行数字测绘，建立一张航道网的数字导航图，供船舶导航使用，并作为智慧航道系统的静态数据接入。

2.2 岸基物联网的建设

图1 智慧航道的数据输入与输出

通过在航道沿岸、桥梁及水中布设传感器，如摄像头、雷达、激光、水质传感器等，实时获取航道数据，实现对航道的动态感知，通过物联网，将信息实时上传作为智慧航道系统的动态数据输入。

2.3 建立数字航道数据中心

建立数字航道数据中心作为后台，构建地理信息数据库与动态数据库；从港航管理部门收集与航行安全相关的各种信息，建立安全助航实时数据库，供船舶导航时调用。调用途径可通过移动公网实现，数据类型包括桥梁的净空高度、航道水深、潮汐、施工及周围船舶信息等。

2.4 服务平台与终端

作为整体架构中的应用层与显示层，从数据中心获取数据，由前台、终端以交互的方式获取需求，通过数据分析、处理，返回查询结果。平台应具有自主报警功能，可以自主进行一些数据预处理与数据分析。

3 基于物联网与WebGIS的内河船舶智能航行服务发布体系

地理信息系统（GIS）是对地理空间数据进行采集、存储、管理、分析、显示的信息系统。近年来，随着WebGIS的迅速发展，各个领域都开始将自己的定制服务与定位服务结合，通过WebGIS客户端进行服务发布。WebGIS的架构模型可以通过数据库与物联网相连，构成一个软硬件结合的系统。该系统涵盖从数据获取到服务发布的每个流程，同时还具有较强的可扩展性。

二维平面地图可以满足以导航、定位为目的的用户的需求，但对于以监管为目的的管理人员而言，三维GIS是更好的选择。传统的电子航道难以对船舶的状态进行判断，原因在于既没有捕捉船舶状态的传感器，也没有渲染船舶状态的引擎。物联网与三维GIS结合的模式可以通过激光雷达对船只建模，从而实时调用岸基设备获取的数据，实现对船只状态的监控，判断其是否超载以及是否排放污水。

如图2所示为WebGIS与物联网结合架构。一个完整的智能航道框架分为感知层、网络层、数据层、应用层、显示层。其中传感器所在的感知层以及其背后的网络通信协议都可算作物联网的内容，而应用层及展示层可以通过WebGIS的形式实现。二者以数据库作为连接，构成一个完整的系统。

图2 WebGIS与物联网结合架构

以船舶流量的发布为例，首先需要在桥梁上安装激光雷达，正对水面，辅以在航道两侧、指向航道中心的摄像机构成了感知层。激光雷达按一定频率定期扫描，当扫描到船通过时，与两侧摄像机进行通信，摄像机对船舶进行拍照，激光雷达生成船舶的点云数据。通过网络层，将点云数据、影像数据、时间、位置信息传输到数据库，进入数据层。当WebGIS客户端发出某个监测点、某个时间段的交通量查询请求时，位于应用层的服务器从数据库中调取符合条件的监测数据，获取统计结果，首先在显示层，也就是WebGIS的客户端上显示统计结果。同时开始缓存船只的点云数据、影像数据，以提升用户后续查询的加载速度，也可以结合AIS系统的数据，对船舶的轨迹进行跟踪。

各类岸基设备，如RFID读卡器、AIS基站、摄像机所获取的数据，均可以用此方法进行分发。拟采用的WebGIS结构，将地理信息数据与算法放入客户端，服务器端主要负责解读客户端的请求，分发相应的数据。多源数据的综合分析均在客户端完成，实现对航道及过往船只的实时监管。

三维GIS可以使岸基设备的管理变得简易化。由于三维GIS的需求，传感器的高度作为传感器的重要参数被导入系统。考虑到部署、通讯成本，以及三维GIS对数据的需求，多个岸基传感器可能同时安装在一个“智慧杆”的不同部位。这种集约化部署方式与基于三维GIS的管理平台所具有岸基设备的管理权限、岸基设备具有的状态监测与预警功能相结合，简化了维修管理的工作。以激光雷达为例，其具有的配套组件用于监测激光雷达的状态，例如温度、功率、工作频率、激光的波长（频率）等，这些信息一并传至基于三维GIS的管理平台供管理人员查看。当传感器发生工作异常，服务器接收到异常数据时，可以改变显示层的状态，如设备图标颜色改变、语音通报等，告知设备的异常状态。此时，管理平台可以令传感器执行停止工作，并采取相应的措施，如进行人工维护。

基于物联网与WebGIS的服务发布体系，可同时满足导航助航、动态监管、设备管理的功能，是船舶智能航行的监管者，亦是信息的发布者。

4 内河限制级航道智能航行的展望

信息化、自动化一直以来都是交通行业发展的目标，其中在信息化程度上，等级道路及注册车辆的管理已经较为成熟。城市交通大数据中心、数据大脑建设也如火如荼，管理的自动化程度不断提高。近年来，自动驾驶概念火热、技术趋于成熟，有着新一轮自下而上的信息化、自动化程度提高的趋势。相比之下，水上交通的“双化”程度远不及路上交通，其中又有内河航运不及海运、小船不及大船的现象。在内河限制级航道进行智能航行的推广，可谓任重道远，目标明确却存在诸多难点。

4.1 船舶与航道标准化

2014年12月交通部通过《内河运输船舶标准化管理规定》，大力推动内河船舶标准化。船舶标准化可以提升运输效能、装卸效率，降低管理成本。航道的标准化建设与管理，可以降低数字化航道的成本与工作量，有利于信息的推送与数据的更新。内河限制性航道一般河床比较平坦，边坡比较规范，船舶航行时只要以岸堤作基线，离开一定距离沿着航道方向就可安全航行，不存在天然航道的暗礁、浅滩等情况，这就为智能船舶驾驶带来可能。利用船舶高精度定位以及高精度导航图，就可以自动修正船舶的航向，在无其他船舶、无桥梁航段时实现自动驾驶。

4.2 智能船舶的研究与建设

智能航行除了智慧航道的建设，还包括智能船舶的研制，通过提升船舶的感知与自感知能力，辅助决策。较窄的航道对定位要求较高，传统的AIS系统难以满足内河航运需求，需要使用亚米级的高精度定位方法。内河航道相较于江海水运，需要更多地考虑通航问题，比如较浅的水深、较窄的河道以及规格不一的桥梁均会产生影响。内河船舶空载与满载吃水深度差别很大，当空载时，主要受航道过河碍航物净空尺寸限制，必要时，需要压舱水来控制船舶的水上高度，避免船舶撞桥；当满载时，需要考虑触底风险。因此，船舶必须具有自动检测吃水深度的功能。通过增强船舶的感知与自感知的能力，可以使航行更加顺畅，使船舶更易于管理。

4.3 自主预警体系的构建

结合航道静态数据、动态数据、船舶信息，对多源数据进行融合，建立数据模型。在应用层自主地进行数据分析，对于出现的异常，在显示层提醒管理人员，减少人工数据查看与筛选，提高船舶航行的智能程度。当船舶经过桥梁时，导航图自动预先安全提醒；当其他船舶靠近时，船载智能终端的导航软件自动告警；在避碰雷达探测到来船时，实现主动告警，提醒驾驶员将自动驾驶切换成手动驾驶，以进行避碰手动操作。当两个连续的时段同一监测点的船舶流量大幅减少，或者同一时段两个相邻监测点的船舶流量差距较大，应发出航道拥堵预警。管理人员通过查看该区域其他传感器数据、AIS数据等，对该信息进行核实。核实完毕后，若发生拥堵，调用岸基广播系统进行广播。此时段使用导航系统时，也应绕过拥堵区域。

5 结语

内河航道运输的信息化、自动化程度较低，推动内河船舶智能航行和智慧航道建设势在必行。

（1）使内河船舶航行安全性进一步提高，各类船舶事故率进一步下降。通过将原有的依靠人工进行判断改进到通过智能航行有关系统自动判断或辅助告警，提升了可靠性。

（2）有利于降低船员的劳动强度。从原来的全程手动操控改成部分航段自动驾驶；从原来的全程肉眼观察改成肉眼观察加助航语音提醒，使船舶驾驶舒适性得以提高。

（3）可吸引高学历的年轻人充实到船员队伍，促进水上运输从业人员结构调整。

（4）通过内河智能航行可充分发挥智慧航道的快捷性与经济性，科学地规划线路、自主驾驶、安全助航，在安全可控范围内以最大航速、最经济航线驾驶，从而提高航道的整体运输能力和降低运输成本。