数字化技术在内河航道建设和运行中的应用研究

王浩 中交第四航务工程勘察设计院有限公司

徐洪波 中交第四航务工程勘察设计院有限公司

徐靖国 上海师范大学

1.前言

近年来，数字化技术在各行各业的应用快速推进，交通基础设施的数字化升级和数字化赋能也逐渐成为交通运输行业的关注焦点。

航运是一个古老的行业，历史悠久。内河航道是内河航运的核心要素，是提高水运基础设施供给能力和服务品质的核心载体。推进数字化技术在内河航道“建管养运”全生命周期的应用，是提高内河航道设计和施工质量的重要抓手，是助力行政主管部门提高管理效能、为社会提供高品质智慧交通服务的必然要求，是实现“智慧航运”愿景的重要依托和基础工程。本文从内河航道“建管养运”全生命周期的视角，对各阶段的数字化应用点做一简述，以期为内河航道全生命周期的数字化应用、信息化系统建设提供方向性和框架性参考。

2.航道建设阶段

近年来，在内河航道的工程建设阶段，常用的数字化技术有GIS、BIM、虚拟仿真技术、多专业协同设计、施工协同管理等，以及以上技术的集成融合应用。数字化技术在内河航道工程建设阶段的核心应用价值，是提升基础设施设计和施工的供给效率和质量，提高项目各参建方的协作效率、降低管理和沟通成本。

在项目前期和方案阶段，可基于BIM、GIS、虚拟仿真技术，以航道水域和两侧条带状陆域为范围，集成设计模型和实景模型，形成三维场景。并集成码头、桥梁、管线、取排水口等临河、跨河、拦河建筑物，标示生态保护红线、水源地保护区、水利防洪规划线位等重要线位。基于三维场景，可方便建设单位、设计单位、政府行政主管部门、各类专家基于三维可视化进行沟通；航道工程为典型的线性工程，地理空间尺度大，实地踏勘工作量大，使用虚拟三维场景可快速观察调研航道周边情况，一定程度上减小现场踏勘工作量；针对航道总体设计方案和航标布设方案，在三维场景中进行虚拟船舶驾驶，对航道总体设计方案进行验证、优化航标布设方案。

内河航道工程传统的设计手段为CAD 设计手段，而基于BIM技术的航道设计工作流为提高设计效率和质量提供了途径和手段。近年来，行业内专家和设计人员基于Autodesk Civil 3D进行了内河航道设计实践，在疏浚工程和护岸工程的横断面参数化设计、快速工程量计算、批量出图等方面展现出明显优势。但是，Civil 3D为通用型基础设施设计软件，对于航道工程设计针对性有限，在实际应用中常需要一定的二次开发。中交第四航务工程勘察设计院另辟蹊径，自主研发了航道工程三维辅助疏浚设计系统。除实现参数化智能建模、开挖工程量自动统计、批量生成开挖断面图等功能外，还良好支持三维地质模型，从而实现根据不同土质选择不同开挖边坡坡比、不同超深超宽参数自动生成设计断面，分航段、分土类统计开挖工程量、超深工程量、超宽工程量，大幅度提高了设计效率和质量。

在施工阶段，对于建设单位和EPC总承包方，可将BIM技术、物联网技术与网络协同管理平台相结合，进行辅助项目管理，助力管理提质增效。可将安全、质量、进度、计量、支付、档案等核心管理要素和环节进行一定程度的数字化替代，减轻管理强度、减少协调工作，并显著增强管理过程数据的可追溯性。由于航道工程施工的特殊性，数字化技术在航道工程中的整治工程、通航建筑物工程甚至跨河桥梁重建等建构筑物上的应用较为成熟，对于疏浚工程的应用还有待进一步深入探索。

3.航道运行阶段

3.1 综述

我国内河航道建设事业经过多年发展，已形成以长江干线、西江干线为主干的内河高等级航道网，内河航运事业取得了长足的进步。但是，不可否认的是，部分内河航道在运行阶段“管养运”过程中仍存在一些痛点，如基于人工观测的手段的航道通航运行条件观测，其变化掌控不及时，基于人工调度的航道维护管理效能低；如航道信息服务的互联网化还未达到非常成熟，造成提供的面向社会公众的服务便利性有限、体验不佳。

数字化技术的发展和应用，为以上问题的解决提供了可能。近年来，数字化技术在航道方面的应用已有了众多实践。在“十三五”期间，长江航道基本实现了数字航道初步建设。江苏省、浙江省等在航道运行管理、船闸运行管理、港口物流生产的数字化转型方面取得了成功实践。2022年初，《内河数字航道工程建设技术规范》《内河数字航道建设工程质量检验标准》正式颁布与实施，更为数字航道建设指明了方向和指引。

总结数字化技术在内河航道运行阶段的应用，其价值主张主要体现在两个方面：面向行业行政主管部门，提供基础数据，并基于数据提供辅助管理和辅助决策，提供减少人力成本、管理提质增效的工具和手段；面向社会大众尤其是航运相关商事主体，提供“一张图”式的数据集成展示服务，增强社会大众对“智慧交通服务”的体验感和获得感。

3.2 为行政管理赋能

鉴于我国水运行业行政管理现状，对于内河航道，虽然其管理业务主要由航道行政管理部门承担，但也涉及港口行政、海事行政、水路运政等部门的业务数据和管理范畴。在部分省，其省级政府交通主管部门建立了各种统建系统，各地市水运港航主管部门也建设了面向不同业务的专用管理系统，但由于缺乏统筹规划，各系统一定程度上存在着功能重合，在数据整合和融合应用方面都存在着提升空间。

理想情况下，“数字航道”系统应该是集成融合各部门业务数据的系统。不考虑行政管理口径、仅从技术角度，内河数字航道系统为行政管理赋能的相关功能可分为“航道养护管理”“航道通航条件监测”“航道相关设施信息”和“应急管理”四个方面。

1）航道养护管理：长期以来，保障航道尺度（水深、航宽、弯曲半径）和通航净空满足既定的通航要求、航标正常发挥航道助航效能是我国内河航道管理部门的首要任务。新技术的应用，包括基于无人船的水下地形测绘，基于大数据的航道冲淤变化形势预测，基于无人机/无人船的航道智能巡检和航标智能巡检等，为航道养护的升级提供了手段。

2）航道通航条件监测：该方面主要指通过各种物联感知设备，从水陆空天各个角度对航道相关要素进行实时监控。包括气象条件监测，如风速、降水等；水文条件监测，如水位、流速等；通航条件指标，如水深、桥梁通航净高；航道视频监控；船舶相关信息，包括船舶流量、船舶位置、船舶概要信息，航道拥堵情况等；水上交通相关信息，如水上水下活动信息、航行通告、航行警告、交通管制信息、助航信息、航行规则，以及基于视频监控或激光扫描技术的船舶行为监测、船舶禁停监测等。航道相关要素带来的数据积累，如船舶交通流量数据，将为航道运行管理提供数据支撑，为管理决策提供助力。

3）航道相关设施信息：该方面主要指与航道相关的设施数据和信息。包括锚地相关信息，如锚地锚位占用情况、锚泊船舶动态监测，以及锚地调度管理等；船闸等通航建筑物相关信息，如船闸拥堵情况、船舶待闸动态查询、船闸公告信息，以及梯级船闸集中统一调度管理等；港口码头相关信息，如码头名称、靠泊等级等；其他跨河、临河建构筑物相关信息，如桥梁、隧道、管线、取排水口等信息；航运相关社会服务信息，如引航、拖轮、燃料、废油回收、修造船服务和设施信息等。

4）应急管理：该方面主要指提供统一应急通信沟通渠道，为海事、港口行政、航道行政、水路运政、交通运输综合执法提供统一沟通平台，为水运行政执法、水运紧急事件应急响应提供快速沟通联动渠道。

值得注意的是，鉴于我国水运行政管理现状，对于内河航道，主要是航道管理部门的管理范畴，但也涉及港口行政、海事行政、水路运政、交通综合执法部门的业务范围，甚至涉及水行政主管部门、通航建筑物运营企业等其他主体。数字航道的建设，宜力求实现多部门的数据集成，在上下级、不同管理口径的部门之间，分级分类共享应急、物流、海事、航道等方面的可开放信息，打通内河航道数据资源共享瓶颈，并充分考虑与已有AIS系统、VTS系统等的数据融合，才能释放数据互联互通红利，充分发挥数字化助力管理效能提升的效果，促进水运行业发展。

3.3 为社会提供智慧服务

航道提供社会服务的对象主要是船员、船公司、航运物流企业等，近些年多采用“一张图”的形式，即在电子航道图的基础上，集成了航道相关的基础信息和专题信息，通过网站和APP提供服务。其主要价值目标是方便船员掌控航行水域情况，助力安全航行；为航行相关服务设施信息查询和检索提供统一入口，方便船舶在船闸过闸、锚地锚泊、码头靠泊，便利船员使用航运服务设施。

数字航道面向社会公众提供的信息和服务可分为基础信息及服务、专题信息及服务两个主要方面。

1）基础信息主要指航道、助航标志、水文/气象、船舶、桥梁、船闸、港口的基本属性信息，航道相关元素基础信息的动态更新、全局展示、实时检索查询是提供社会化航运服务的基本前提。

2）专题信息则面向船舶航行的不同场景提供针对性的服务。对于航行船舶，提供水上交通安全类信息，如航行通告/警告、水上水下活动信息、交通管制信息、航行规则、限制性航道/航段信息、航道拥堵情况等。对于需要通过船闸等通航建筑物的船舶，提供在线过闸申请、过闸报到、船闸调度动态查询、船闸过闸调度规则、船闸公告信息、船闸开关时间等信息和服务。对于需要在锚地锚泊的船舶，提供锚地信息查询、在线申报锚泊计划等服务。对于靠泊码头的船舶，提供引航服务、拖轮服务、燃料补给服务、废油回收服务、船舶设备和修理设施等信息服务。另外，对于船公司和航运物流公司，提供船舶跟踪、船队跟踪等服务。

4.关键技术

数字化技术在内河航道的应用是众多技术的集成应用，主要涉及以下关键技术。

（1）GIS技术和新一代测绘技术。水深监测是航行保障的重要任务之一，无人船和自动化多波束测深装置的出现，为自动化的航道水深监测提供了高效手段。无人机的使用，为航道巡检、航标巡检提供了更为经济高效的手段，大大减少了人为巡检的工作量。

（2）多源异构数据融合技术。数字航道是基于数据集成的技术，数据来源有自动监测和人工填报，既有结构化数据也有非结构化数据，数据来源分为航政、港政、海事、运政等不同部门，海量异构数据的收集、清洗、治理、展示是数字航道实现的关键技术之一。

（3）三维时空展示和数字孪生技术。基于三维时空展示和数字孪生技术建立航道、船闸、码头和周边自然地理环境的实景模型，并将三维模型和传感器数据融合为三维场景，将航道、船闸、码头实时状态映射到数字空间。更进一步，可在船闸等建构筑物上布设监测点和传感器，实时监测应力等数据，实现基于数字孪生的结构安全监测。

5.展望

数字化技术在内河航道的应用方兴未艾，并有望成为“十四五”期间智慧水运交通的焦点，本文展望如下。

（1）内河航道的数字化技术将逐步实现由“单要素模拟”向“全要素数字孪生”演进，真正实现在数字空间对内河航道的完整模拟和再造，为航道环境模拟、船舶交通模拟、管理辅助决策等场景提供更加完善的解决方案。

（2）数字化航道将向智慧化航道发展，并逐渐与船舶智能化、无人驾驶船舶、船岸协同等技术进行融合，从而为“智慧航运”总体愿景的实现提供基础，并为智慧综合立体交通运输体系的早日实现提供重要支持。