基于電子航道圖的長江上游山區(qū)航道助航技術(shù)研究與應(yīng)用

段原昌

(長江瀘州航道局，瀘州 646000)

長江上游地區(qū)資源豐富，蘊藏著投資與開發(fā)的巨大潛力，是長江經(jīng)濟帶建設(shè)的重點區(qū)域之一。充分發(fā)揮長江上游山區(qū)航道航運潛力，是實現(xiàn)長江經(jīng)濟帶發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)的迫切需要。長江上游山區(qū)航道日益繁忙，船舶流量明顯增大，航道水位變動頻繁、漲落幅度大，霧情復(fù)雜，受限的控制河段多，導(dǎo)致在航船舶對航道助航服務(wù)要求高。因此，解決長江上游山區(qū)航道助航服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)，建立航道助航綜合服務(wù)系統(tǒng)，引導(dǎo)船舶高效安全航行具有重要現(xiàn)實意義。

2013年，長江航道局建成了長江干線電子航道圖系統(tǒng)，把各類用戶關(guān)心的航道動態(tài)信息集成到電子航道圖上，從而形成一個為長江水運各支持保障單位、港航企業(yè)與從業(yè)人員、航行船舶提供服務(wù)的公共性、基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)平臺。面向營運船舶的電子航道圖導(dǎo)助航服務(wù)是長江干線電子航道圖系統(tǒng)3.0版新增的業(yè)務(wù)形式[1]。依托電子航道圖船舶終端為船舶用戶提供形象、直觀、高效、精確的導(dǎo)航、助航功能和便捷的通信功能，并通過網(wǎng)絡(luò)，對船舶終端上的電子航道圖自動更新。在基于長江電子航道圖助航服務(wù)研究中，彭文等研究了水深要素、航標(biāo)要素和其他要素的更新方法、數(shù)據(jù)處理算法，構(gòu)建各類航道要素的更新模型；李學(xué)祥等利用長江在航營運船舶終端數(shù)據(jù)，提出了測深電子航道圖要素信息技術(shù)方案；吳關(guān)勝等針對雙控制河段缺乏有效船舶通行指揮方法的現(xiàn)狀，結(jié)合長江電子航道系統(tǒng)設(shè)計了一種基于智能控制算法的雙控制河段船舶通行指揮系統(tǒng)[2]。鐘麗等針對內(nèi)河山區(qū)航道霧情多發(fā)，提出了一種基于圖像分析的能見度評估算法[3]；李莉等針對長江電子航道圖應(yīng)用服務(wù)需求，提出了基于Web Service技術(shù)的長江電子航道圖信息集成助航服務(wù)體系建設(shè)方案。從上述文獻(xiàn)可以看出，航道要素采集、計算建模以及集成應(yīng)用是長江電子航道圖系統(tǒng)助航的關(guān)鍵。為此，本文在研究長江上游山區(qū)航道水位預(yù)測、能見度探測、控制河段交通狀態(tài)感知等關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)上，開展基于長江電子航道圖的山區(qū)航道助航服務(wù)集成應(yīng)用系統(tǒng)，為提升長江上游山區(qū)航道助航服務(wù)水平提供技術(shù)支撐[4]。

1 長江山區(qū)天然航道水位預(yù)測方法

圖1 長江上游水位短期預(yù)測流程Fig.1 Short term prediction process of water level in the upstream of the Yangtze River

水位是內(nèi)河電子航道圖基本要素之一，提供長江山區(qū)航道沿程實時準(zhǔn)確的水位信息是長江電子航道圖助航服務(wù)的基礎(chǔ)。目前，預(yù)報方法主要有物理成因分析法、數(shù)理統(tǒng)計法、智能方法和綜合預(yù)報法四大類。物理成因分析法主要是利用大氣等宏觀因子進行中長期水文預(yù)報，雖然方法可信度較高，但實施難度較大。而智能方法主要用于年徑流、洪水的預(yù)報，且模型建立時間較長，收集資料(降雨、大氣、流域情況等)較多，難以短時間實施。綜合預(yù)報法主要用于天氣預(yù)報，對具體站來流預(yù)測很少涉及。因此，根據(jù)上游流量變化的特點，采用移動平均法對流量進行預(yù)測。上游水位短期預(yù)測的思路(圖1)為：首先對年徑流量進行預(yù)測，了解是豐水年還是枯水年。在預(yù)測年徑流量的基礎(chǔ)上，根據(jù)統(tǒng)計規(guī)律對月徑流量進行分配。其次，采用移動平均法對水位站、支流控制站進行預(yù)測，并采用合流法、考慮流量傳播特性，對主要站進行流量預(yù)測。最后，按水位流量關(guān)系，對主要站進行水位預(yù)測，并通過相關(guān)關(guān)系對長江上游沿線主要水位進行預(yù)測。

1.1 流量預(yù)測方法

(1)進口流量預(yù)測方法

采用預(yù)測學(xué)中的移動平均法。設(shè)時間序列y1，y2，…，yn，按數(shù)據(jù)點的順序逐點推移求出N個數(shù)的平均數(shù)，即可得到一次移動平均數(shù)

Mt(1)=(y1+yt-1+…+yt-N-1)/N=Mt-1(1)+(yt+1-yt-N)/N

(1)

式中：Mt(1)為第t周期的一次移動平均數(shù);y1為第t周期的觀測值;N為移動平均的項數(shù)。金沙江屏山站、及主要支流岷江高場站、橫江站、沱江富順站、嘉陵江北碚站、烏江武隆站等用此方法預(yù)測。

(2)匯合流量預(yù)測方法

兩江匯合后，受兩江來流的影響，其流量為主流和支流之和，但要考慮主流及支流的傳播時間。

Q=Q主流t1+Q支流t2

(2)

式中：傳播時間t=L/V，L為預(yù)測水尺之間的距離，m；V為傳播速度，m/s。

1.2 寸灘站水位預(yù)測算例

寸灘位于三峽大壩變動回水區(qū)，該站的水位不僅受上游來流的影響，還受到三峽大壩壩前水位的影響，因三峽從2008年開始175 m試驗性蓄水，所以選取2008～2011年的水文資料。分以下幾種情況進行討論：

(1)當(dāng)壩前水位小于等于158 m時，壩前水位對寸灘站水位流量過程影響較小，所以可以以上游來流為參數(shù)直接點繪該站的水位流量關(guān)系(圖2)。

(2)當(dāng)壩前水位大于158 m，且流量大于15 000 m3/s時，寸灘水位主要受流量影響，因此，可以用寸灘流量為參數(shù)，建立寸灘水位和寸灘流量之間的關(guān)系(表1)。

(3)當(dāng)壩前水位大于158 m，且流量小于15 000 m3/s時，寸灘水位主要受壩前水位影響，因此，建立寸灘水位和壩前水位之間的關(guān)系(圖2)。

(4)當(dāng)壩前水位大于163 m，且流量小于等于8 000 m3/s時，壩前水位對寸灘站的影響占主要地位，寸灘水位與壩前水位之差較小，最大為0.54 m，所以此時，可以近似的認(rèn)為寸灘水位等于壩前水位。

圖2 寸灘站水位流量關(guān)系曲線Fig.2 Relation curve of water level and discharge at Cuntan station

情況條件擬合公式①Z0≤158且Q0≤10000Z寸灘=-3×10-8Q20+0．0011Q0+156．08Z0≤158且1000030000Z寸灘=-3×10-9Q20+0．0006Q0+158．80②Z0>158且Q0≤15000Z寸灘=-10-9Q20+0．0005Q0+161．03Z0>158且10000163m且Q0≤8000Z寸灘=Z0

備注：Z寸灘為寸灘水位，m；Z0為壩前水位，m；Q0為寸灘流量，m3/s。

由圖3可知，經(jīng)驗公式與實測數(shù)據(jù)擬合較好，具體的公式見表1。表2為寸灘站2013年2月10日、2013年5月10日、2013年8月17日、2013年9月19日、及2013年11月18日預(yù)測水位值與實測值之間的對比，最小差0.14 m，最大差0.72 m，枯期精度較高，洪水期精度稍差。

圖3 寸灘水位與壩前水位之差(Z0≥163 m 且 Q0<8 000 m3/s)Fig.3 Difference between the Cuntan water level and the dam front water level of Three Gorges (Z0≥163 m and Q0<8 000 m3/s))

時間流量(m3/s)壩前水位(m)實測水位(m)預(yù)測水位(m)差值(m)2013-02-104580170．2170．34170．20．142013-05-105690154．78160．98160．820．162013-06-1710100145．72163．56163．95-0．392013-08-1730900152．34174．18174．9-0．722013-09-1926400160．92171．86171．440．422013-11-1812300174．93176．19174．69-0．5

2 長江山區(qū)航道能見度自動監(jiān)測技術(shù)

長江山區(qū)航道地處亞熱帶季風(fēng)氣候，地形比較復(fù)雜，相對高差大，氣候垂直變化顯著，氣候有冬暖、春旱、夏熱、伏旱、秋雨及全年光照少、云霧多、霜雪少的特點。尤其是云霧多這個特點給長江山區(qū)航運安全帶來了很大影響。因此建設(shè)長江山區(qū)航道能見度監(jiān)測系統(tǒng)，并實現(xiàn)長江山區(qū)航道能見度信息的實時、準(zhǔn)確數(shù)字化采集、處理與服務(wù)，便可依托長江電子航道圖服務(wù)，為各類用戶提供實時、精細(xì)化的能見度信息，航行船舶可以充分利用這些實時可靠的信息，高效引導(dǎo)船舶安全航行。航道能見度信息采集需要解決能見度儀的布設(shè)以及數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計等問題。

2.1 能見度自動監(jiān)測站布設(shè)

圖4 長壽航道碼頭自動霧情監(jiān)測站Fig.4 The automatic fog monitoring station of the Changshou waterway wharf

考慮設(shè)備的布設(shè)條件及維護的便利性，本文選擇長江長壽段航道作為試點，在騎馬橋、小石溪、羊角堡、蓮子磧、瓦罐窯、黃草峽霧情觀測站和長壽區(qū)航道碼頭7處建立能見度自動監(jiān)測站點。七個站點全部分布在涪陵航道管理處轄區(qū)內(nèi)，其中，騎馬橋、小石溪、長壽區(qū)航道碼頭分布在長壽水道，羊角堡、蓮子磧、瓦罐窯、黃草峽分布在黃草峽水道。其中騎馬橋、小石溪、羊角堡、黃草峽站點設(shè)置在信號站，有人值守，而蓮子磧、瓦罐窯兩個站點為無人值守站點。自動監(jiān)測站選用四種不同廠家的能見度檢測設(shè)備，均為在道路及機場環(huán)境中使用較為成熟的前向反饋式能見度監(jiān)測儀，各站點設(shè)置了供電子系統(tǒng)(部分采用太陽能及風(fēng)能供電)，采用基于3G的無線通訊方式將實時能見度數(shù)據(jù)向數(shù)據(jù)中心服務(wù)器傳送。其中長壽航道碼頭自動霧情監(jiān)測站布設(shè)如圖4所示，包括能見度儀、供電系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。

2.2 能見度監(jiān)測軟件系統(tǒng)設(shè)計

圖5 長江山區(qū)航道能見度監(jiān)測系統(tǒng)的組成Fig.5 Composition of visibility monitoring system in mountainous waterway of Yangtze River

能見度監(jiān)測軟件系統(tǒng)包括：采集及保存單元、評價單元、報警單元以及通信單元等部分，如圖5所示。該軟件系統(tǒng)計算周期為1 min，采用較短的計算周期可以發(fā)現(xiàn)霧情的脈動趨勢，及時發(fā)現(xiàn)霧情的增消。霧情變化信息通過網(wǎng)絡(luò)通信的方式及時發(fā)布給長江航道監(jiān)控中心，為長江航道航行安全提供實時預(yù)警信息。

2.3 能見度自動監(jiān)測站有效性分析

為檢驗自動能見度監(jiān)測站能見度采集的有效性，本文收集了有人值守長江航道信號站(包括騎馬橋、小石溪、羊角堡、黃草峽站點)的近半年的人工霧情記錄。同時整理的能見度自動采集系統(tǒng)對應(yīng)的霧情數(shù)據(jù)，對各自動能見度監(jiān)測站點進行對比分析，結(jié)果見表3和表4。

表3 長壽段霧情監(jiān)測誤報率分析2015-09-23～2016-03-22Tab.3 2015-09-23～2016-03-22 false alarm rate analysis of fog monitoring in the Changshou waterway

表4 月長壽段霧情監(jiān)測系統(tǒng)漏報率分析2015-09-23～2016-03-22Tab.4 2015-09-23～2016-03-22 missing report rate analysis of fog monitoring system in the Changshou waterway

通過上述統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出4套能見度監(jiān)測系統(tǒng)的誤報率均小于10%，而實際測量值與人工觀察值在趨勢上較為接近，每次漏報的能見度監(jiān)測值與人工測量值能見度小于200 m，能見度監(jiān)測基本能滿足能見度預(yù)警的要求。漏報率方面，羊角堡、小石溪、騎馬橋都具有良好表現(xiàn)，而黃草峽的漏報率較高，經(jīng)進一步分析調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該站點設(shè)置處受地形和人類活動的影響，容易產(chǎn)生誤報。

3 控制河段航道通航信息集成系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)

長江上游山區(qū)航道控制河段水位變化劇烈，航道狹長，AIS信號可靠性較低。因此，實時獲取精確的航道通航環(huán)境信息對于控制河段船舶通行指揮非常必要。因此本文設(shè)計了控制河段航道通航信息感知系統(tǒng)。整個系統(tǒng)由監(jiān)控服務(wù)器、航標(biāo)遙測遙控終端、水深遙測遙報終端、AIS船臺、雷達(dá)系統(tǒng)、CCTV系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)組成。

監(jiān)控服務(wù)器負(fù)責(zé)航標(biāo)遙測遙控終端、水深遙測遙報終端、AIS船臺等各種信息收集、雷達(dá)數(shù)據(jù)處理以及控制河段視頻數(shù)據(jù)采集等；可通過圖形化人機界面，監(jiān)視、查詢、分析設(shè)備運行信息；監(jiān)控服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)與系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享，并可以為上級監(jiān)測系統(tǒng)提供航道設(shè)備運行信息?？蛻舳丝梢酝ㄟ^網(wǎng)絡(luò)查詢、顯示航標(biāo)、航道、工作船舶等信息。智能航道監(jiān)控平臺負(fù)責(zé)整合監(jiān)控服務(wù)器中的各種數(shù)據(jù)資源，包括航標(biāo)數(shù)據(jù)、航道水深數(shù)據(jù)和船舶數(shù)據(jù)等。航標(biāo)遙測遙控終端是航標(biāo)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集平臺，負(fù)責(zé)采集、控制并發(fā)送航標(biāo)設(shè)備的運行參數(shù)，執(zhí)行監(jiān)控服務(wù)器下達(dá)的遙控指令。水深遙測遙報終端負(fù)責(zé)采集并發(fā)送水深數(shù)據(jù)，執(zhí)行監(jiān)控服務(wù)器下達(dá)的遙控指令。通信系統(tǒng)由ZigBee岸基、AIS岸基以及光纖網(wǎng)絡(luò)組成，負(fù)責(zé)傳輸航標(biāo)運行參數(shù)及控制航標(biāo)指令數(shù)據(jù)。本文采用ZigBee和有線網(wǎng)絡(luò)等多種網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的通信系統(tǒng)，充分發(fā)揮各通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢，為整個系統(tǒng)提供一個運行安全、可靠、經(jīng)濟的通信系統(tǒng)。同時，根據(jù)安裝的實際情況以及通信結(jié)構(gòu)可以靈活改變，以滿足內(nèi)河航道狹窄、彎曲的特點。

除了硬件系統(tǒng)之外，本文設(shè)計了控制河段航道通行指揮軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)具體功能包括：控制河段航道內(nèi)船舶24 h動態(tài)監(jiān)管、船舶進入上下指揮斷面時提示報警、尚未進入上指揮斷面的船舶誤報船位監(jiān)管、違章進漕船舶進行取證、通行指揮內(nèi)容記錄、控制河段航道內(nèi)船舶流量統(tǒng)計、控制航道通行指揮多級監(jiān)管。所有功能都以電子航道圖/電子地圖作為系統(tǒng)的顯示平臺，可綜合顯示航道相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息等，并在此平臺上整合其他應(yīng)用子系統(tǒng)，如航標(biāo)信息等。

4 基于電子航道圖的長江山區(qū)航道助航技術(shù)集成應(yīng)用

6-a 航道信息服務(wù) 6-b 航道助航服務(wù)

6-c 可視距離與流速區(qū)服務(wù) 6-d 導(dǎo)航服務(wù)圖6 長江航道助導(dǎo)航集成應(yīng)用系統(tǒng)Fig.6 Integrated navigation and navigation application system for the Yangtze River waterway

在解決了長江山區(qū)航道水位預(yù)測、能見度信息采集以及控制河段通航信息采集技術(shù)的基礎(chǔ)上，為提高航道助航效率，本文開發(fā)了基于電子航道圖的長江航道助航集成應(yīng)用系統(tǒng)，實現(xiàn)了AIS信號接入、GPS信號接入、測深儀信號接入、數(shù)字雷達(dá)信息集成應(yīng)用、航道圖更新、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)檢索、本船信息顯示、電子航道圖快速顯示及顯示方式選擇、航道要素查詢、計劃維護水深顯示、船舶定線制顯示、安全航行預(yù)警、航線管理及軌跡回放、山區(qū)重點河段可視距離應(yīng)用、控制河段通行信號集成應(yīng)用、虛擬航標(biāo)顯示應(yīng)用、手工標(biāo)繪和日志記錄、當(dāng)日水位及未來7 d水位預(yù)測顯示、不同水深航道顯示、港區(qū)圖顯示、流速流向信息應(yīng)用等功能。其中重要的導(dǎo)航功能如圖6所示。

(1)安全航行預(yù)警。安全航行預(yù)警功能開啟后，根據(jù)用戶輸入的安全報警距離，可對淺區(qū)、不良流態(tài)、橋梁凈空高度、控制河段、逆向航行、穿越航道中線、接近(駛離)航道、穿越安全等深線、危險物避讓、航標(biāo)避讓、船舶安全區(qū)、錨地、警戒區(qū)等進行報警，可為船舶安全航行提供參考。

(2)山區(qū)重點河段可視距離。山區(qū)重點河段可視距離應(yīng)用能夠顯示山區(qū)可視距離觀測站、觀測數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)發(fā)布時間；當(dāng)船舶航行前方一定范圍內(nèi)的可視距離小于規(guī)定時，可提前向用戶發(fā)出報警提示。

(3)控制河段通行信號集成應(yīng)用?？刂坪佣瓮ㄐ行盘柤蓱?yīng)用功能可通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)查詢各個控制河段通行信息；當(dāng)船舶即將進入控制河段時，能夠接收公共服務(wù)平臺推送過來的通行信號。

5 結(jié)束語

長江上游山區(qū)航道通航環(huán)境復(fù)雜，船舶航行安全壓力大。本文針對長江上游山區(qū)航道助航服務(wù)能力需求，開展了解決長江上游山區(qū)航道助航服務(wù)的技術(shù)與應(yīng)用研究，取得的主要成果如下：

(1)建立了長江上游山區(qū)航道水位移動平均預(yù)測模型，實例證明該模型預(yù)測精度較好，可以滿足電子航道圖助航服務(wù)的基本要求；

(2)擬定了山區(qū)航道能見度采集傳感器布設(shè)方案并提出信息采集管理方法，設(shè)計了控制河段航道助航信息采集系統(tǒng)。

(3)開發(fā)了基于電子航道圖的長江山區(qū)航道助航集成應(yīng)用系統(tǒng)，實現(xiàn)了山區(qū)航道安全航行與可視距離預(yù)警以及控制河段通行指揮等功能，提高了山區(qū)航道助航服務(wù)的水平。

在未來研究中，將探索基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的長江山區(qū)航道服務(wù)技術(shù)，推動長江智能航道技術(shù)的進步。

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