內(nèi)河船舶智能航行與智慧航道建設(shè)

吳紅光，張曼雨，翟振剛，王展鵬，周夢(mèng)甜

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所，浙江 嘉興 314001）

0 引言

內(nèi)河水運(yùn)具有運(yùn)能大、占地少、能耗低等優(yōu)勢(shì)。2017年全國(guó)內(nèi)河航道通航里程12.70萬(wàn)千米，內(nèi)河運(yùn)輸完成貨運(yùn)量37.05億噸，略高于同年度鐵路運(yùn)輸貨運(yùn)量。但是不同于鐵路建設(shè)的如火如荼，內(nèi)河航道通航里程近年來(lái)增勢(shì)平緩，甚至出現(xiàn)回落，運(yùn)輸船舶數(shù)量也由2013年的17.26萬(wàn)艘減少到了2017年的14.49萬(wàn)艘。近年來(lái)，國(guó)家為了加快我國(guó)航運(yùn)建設(shè)，促進(jìn)內(nèi)河航運(yùn)快速發(fā)展，大力開(kāi)展內(nèi)河航運(yùn)的信息化、自動(dòng)化建設(shè)，其中航道的信息化是重要的組成部分，也是智能船舶與信息化管理的基礎(chǔ)。2011年3月1日，交通運(yùn)輸部出臺(tái)《關(guān)于貫徹〈國(guó)務(wù)院關(guān)于加快長(zhǎng)江等內(nèi)河水運(yùn)發(fā)展的意見(jiàn)〉的實(shí)施意見(jiàn)》，明確指出“加快建設(shè)長(zhǎng)江、珠江和京杭運(yùn)河綜合信息服務(wù)系統(tǒng)，推進(jìn)數(shù)字航道建設(shè)工作”。

為了實(shí)現(xiàn)船舶智能航行以及航道、船舶的信息化管理，需要在航道沿岸布設(shè)各類傳感器，包括RFID讀卡器、攝像頭、激光雷達(dá)、微波雷達(dá)、AIS基站等，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)在管理平臺(tái)與這些傳感器通信與交換數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)對(duì)航道的實(shí)時(shí)監(jiān)控與信息發(fā)布，推動(dòng)船舶標(biāo)準(zhǔn)化、船聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，提升對(duì)船舶的動(dòng)態(tài)監(jiān)控能力，實(shí)現(xiàn)船舶的智能航行。

1 船聯(lián)網(wǎng)建設(shè)與船舶智能航行研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)家船聯(lián)網(wǎng)示范工程

交通運(yùn)輸部組織開(kāi)展了長(zhǎng)三角航道網(wǎng)及京杭運(yùn)河水系智能航運(yùn)信息服務(wù)（船聯(lián)網(wǎng)）應(yīng)用示范工程，由長(zhǎng)三角江浙滬兩省一市共同實(shí)施。該工程旨在全面推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在內(nèi)河智能航運(yùn)服務(wù)中的深化應(yīng)用，提升內(nèi)河航運(yùn)綜合信息服務(wù)能力，提高內(nèi)河航運(yùn)的通行效率，減少內(nèi)河航運(yùn)安全隱患，并對(duì)國(guó)家物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到拉動(dòng)作用。

以浙江省為例，浙江省積極推進(jìn)“一張感知網(wǎng)，四類應(yīng)用平臺(tái)，一個(gè)數(shù)據(jù)中心，四大保障體系”建設(shè)，力求實(shí)現(xiàn)浙江省內(nèi)河航運(yùn)“通航監(jiān)測(cè)智能化、行業(yè)監(jiān)管聯(lián)動(dòng)化、公共服務(wù)便捷化、內(nèi)河物流產(chǎn)業(yè)化”。目前，浙江省已完成了 RFID、AIS、GPS、CCTV、雷達(dá)、航標(biāo)遙測(cè)遙控終端、激光流量觀測(cè)儀等多種感知設(shè)備的試點(diǎn)建設(shè)，并通過(guò)多途徑將數(shù)據(jù)接入感知平臺(tái)，建成浙江港航智能感知“一張網(wǎng)”，有力提升了港航智能管理和服務(wù)水平。

江蘇省也在建設(shè)內(nèi)河水路交通感知網(wǎng)絡(luò)，在開(kāi)展物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究及攻關(guān)的同時(shí)，制定了《內(nèi)河船舶射頻識(shí)別（RFID）設(shè)備系列標(biāo)準(zhǔn)》、《智能船載終端》、《內(nèi)河航運(yùn)信息安全及用戶隱私防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)》等一系列標(biāo)準(zhǔn)；建立船聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與應(yīng)用架構(gòu)，滿足海量數(shù)據(jù)的管理與區(qū)域化應(yīng)用，充分保證了船聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行效率與數(shù)據(jù)安全。

國(guó)家船聯(lián)網(wǎng)示范工程，核心建設(shè)內(nèi)容在于水路交通感知和智能航運(yùn)信息服務(wù)，側(cè)重于加強(qiáng)政府對(duì)航運(yùn)的監(jiān)管和治理，改善船戶對(duì)信息服務(wù)的滿意度。

1.2 國(guó)內(nèi)外船舶智能航行現(xiàn)狀

2018年，全球第一家無(wú)人船航運(yùn)公司Massterly在歐洲挪威誕生并投入運(yùn)營(yíng)，標(biāo)志著全球航運(yùn)業(yè)開(kāi)始正式進(jìn)入“無(wú)人船”時(shí)代。這艘無(wú)人集裝箱船取名叫“Yara Birkeland”，船長(zhǎng) 80 米、寬 15 米，能夠裝載120個(gè)標(biāo)準(zhǔn)集裝箱，正常航速6節(jié)，用于挪威南部一條37英里的固定近海航線。這艘無(wú)人船集裝箱沒(méi)有傳統(tǒng)的橋樓和駕駛艙，利用自身安裝的全球定位系統(tǒng)、雷達(dá)、攝像機(jī)和傳感器等，能夠在航道中自動(dòng)避讓其他船舶。另外，船上還配有一套自動(dòng)系泊系統(tǒng)，停泊和起航都無(wú)需人力介入，并在到達(dá)終點(diǎn)時(shí)實(shí)現(xiàn)自行?？?。

2017年，勞斯萊斯在芬蘭建立了“高級(jí)自動(dòng)水運(yùn)應(yīng)用”合作項(xiàng)目，希望能在十年內(nèi)研發(fā)出在沿海區(qū)域航行的遙控船或全自動(dòng)船。第一艘可以自動(dòng)導(dǎo)航的商用船可能是港口拖船或者渡船，它們可以裝載汽車短距離行駛，越過(guò)河口和峽灣。按照預(yù)測(cè)，在未來(lái)10年至15年，將研制出無(wú)人自動(dòng)駕駛遠(yuǎn)洋貨輪。

2016年3月，中國(guó)船級(jí)社編制的《智能船舶規(guī)范》正式生效，這代表著中國(guó)智能船舶和無(wú)人駕駛時(shí)代的來(lái)臨。2017年底，我國(guó)研制的全球第一艘智能船舶正式交付使用。這艘名為大智號(hào)的散貨智能船舶，總長(zhǎng)179米、船寬32米、深15米，載重量3.88萬(wàn)噸，由中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)研制。該智能船舶最大的亮點(diǎn)在于內(nèi)置的智能航行系統(tǒng)可以獲取船舶自身以及海洋洋流等方面的信息和數(shù)據(jù)，進(jìn)而提供省時(shí)、省油、舒適和低綜合成本的航線規(guī)劃。與同等噸位的普通散貨船相比，其推進(jìn)效率提高了3%，而相同航速日均油耗降低了6%。

綜上所述，國(guó)際國(guó)內(nèi)的智能船舶研究主要瞄準(zhǔn)近海及遠(yuǎn)洋運(yùn)輸市場(chǎng)，而內(nèi)河運(yùn)輸市場(chǎng)基本上還沒(méi)有深入研究。這其中的原因包括內(nèi)河航道狹窄、橋梁多、水深較淺、船舶操控性差、船舶種類多而雜、運(yùn)輸企業(yè)規(guī)模過(guò)小等。

2 內(nèi)河智慧航道的建設(shè)

在具有諸多限制的內(nèi)河航道開(kāi)展智能航行，需要進(jìn)行智慧航道、智能船舶的建設(shè)，并在云端建立數(shù)據(jù)中心與相關(guān)服務(wù)平臺(tái)，將這些資源進(jìn)行有機(jī)的整合。如圖1所示，為智慧航道的數(shù)據(jù)輸入與輸出。

2.1 建立內(nèi)河水路導(dǎo)航圖

通過(guò)對(duì)航道河床、過(guò)河礙航物（如橋梁）、兩岸航運(yùn)設(shè)施進(jìn)行數(shù)字測(cè)繪，建立一張航道網(wǎng)的數(shù)字導(dǎo)航圖，供船舶導(dǎo)航使用，并作為智慧航道系統(tǒng)的靜態(tài)數(shù)據(jù)接入。

2.2 岸基物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)

圖1 智慧航道的數(shù)據(jù)輸入與輸出

通過(guò)在航道沿岸、橋梁及水中布設(shè)傳感器，如攝像頭、雷達(dá)、激光、水質(zhì)傳感器等，實(shí)時(shí)獲取航道數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)航道的動(dòng)態(tài)感知，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)，將信息實(shí)時(shí)上傳作為智慧航道系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)輸入。

2.3 建立數(shù)字航道數(shù)據(jù)中心

建立數(shù)字航道數(shù)據(jù)中心作為后臺(tái)，構(gòu)建地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)；從港航管理部門收集與航行安全相關(guān)的各種信息，建立安全助航實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，供船舶導(dǎo)航時(shí)調(diào)用。調(diào)用途徑可通過(guò)移動(dòng)公網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)類型包括橋梁的凈空高度、航道水深、潮汐、施工及周圍船舶信息等。

2.4 服務(wù)平臺(tái)與終端

作為整體架構(gòu)中的應(yīng)用層與顯示層，從數(shù)據(jù)中心獲取數(shù)據(jù)，由前臺(tái)、終端以交互的方式獲取需求，通過(guò)數(shù)據(jù)分析、處理，返回查詢結(jié)果。平臺(tái)應(yīng)具有自主報(bào)警功能，可以自主進(jìn)行一些數(shù)據(jù)預(yù)處理與數(shù)據(jù)分析。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)與WebGIS的內(nèi)河船舶智能航行服務(wù)發(fā)布體系

地理信息系統(tǒng)（GIS）是對(duì)地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、管理、分析、顯示的信息系統(tǒng)。近年來(lái)，隨著WebGIS的迅速發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域都開(kāi)始將自己的定制服務(wù)與定位服務(wù)結(jié)合，通過(guò)WebGIS客戶端進(jìn)行服務(wù)發(fā)布。WebGIS的架構(gòu)模型可以通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)與物聯(lián)網(wǎng)相連，構(gòu)成一個(gè)軟硬件結(jié)合的系統(tǒng)。該系統(tǒng)涵蓋從數(shù)據(jù)獲取到服務(wù)發(fā)布的每個(gè)流程，同時(shí)還具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性。

二維平面地圖可以滿足以導(dǎo)航、定位為目的的用戶的需求，但對(duì)于以監(jiān)管為目的的管理人員而言，三維GIS是更好的選擇。傳統(tǒng)的電子航道難以對(duì)船舶的狀態(tài)進(jìn)行判斷，原因在于既沒(méi)有捕捉船舶狀態(tài)的傳感器，也沒(méi)有渲染船舶狀態(tài)的引擎。物聯(lián)網(wǎng)與三維GIS結(jié)合的模式可以通過(guò)激光雷達(dá)對(duì)船只建模，從而實(shí)時(shí)調(diào)用岸基設(shè)備獲取的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)船只狀態(tài)的監(jiān)控，判斷其是否超載以及是否排放污水。

如圖2所示為WebGIS與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合架構(gòu)。一個(gè)完整的智能航道框架分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層、顯示層。其中傳感器所在的感知層以及其背后的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議都可算作物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)容，而應(yīng)用層及展示層可以通過(guò)WebGIS的形式實(shí)現(xiàn)。二者以數(shù)據(jù)庫(kù)作為連接，構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)。

圖2 WebGIS與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合架構(gòu)

以船舶流量的發(fā)布為例，首先需要在橋梁上安裝激光雷達(dá)，正對(duì)水面，輔以在航道兩側(cè)、指向航道中心的攝像機(jī)構(gòu)成了感知層。激光雷達(dá)按一定頻率定期掃描，當(dāng)掃描到船通過(guò)時(shí)，與兩側(cè)攝像機(jī)進(jìn)行通信，攝像機(jī)對(duì)船舶進(jìn)行拍照，激光雷達(dá)生成船舶的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、時(shí)間、位置信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)入數(shù)據(jù)層。當(dāng)WebGIS客戶端發(fā)出某個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)、某個(gè)時(shí)間段的交通量查詢請(qǐng)求時(shí)，位于應(yīng)用層的服務(wù)器從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)取符合條件的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，獲取統(tǒng)計(jì)結(jié)果，首先在顯示層，也就是WebGIS的客戶端上顯示統(tǒng)計(jì)結(jié)果。同時(shí)開(kāi)始緩存船只的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)，以提升用戶后續(xù)查詢的加載速度，也可以結(jié)合AIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，對(duì)船舶的軌跡進(jìn)行跟蹤。

各類岸基設(shè)備，如RFID讀卡器、AIS基站、攝像機(jī)所獲取的數(shù)據(jù)，均可以用此方法進(jìn)行分發(fā)。擬采用的WebGIS結(jié)構(gòu)，將地理信息數(shù)據(jù)與算法放入客戶端，服務(wù)器端主要負(fù)責(zé)解讀客戶端的請(qǐng)求，分發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)。多源數(shù)據(jù)的綜合分析均在客戶端完成，實(shí)現(xiàn)對(duì)航道及過(guò)往船只的實(shí)時(shí)監(jiān)管。

三維GIS可以使岸基設(shè)備的管理變得簡(jiǎn)易化。由于三維GIS的需求，傳感器的高度作為傳感器的重要參數(shù)被導(dǎo)入系統(tǒng)?？紤]到部署、通訊成本，以及三維GIS對(duì)數(shù)據(jù)的需求，多個(gè)岸基傳感器可能同時(shí)安裝在一個(gè)“智慧桿”的不同部位。這種集約化部署方式與基于三維GIS的管理平臺(tái)所具有岸基設(shè)備的管理權(quán)限、岸基設(shè)備具有的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)警功能相結(jié)合，簡(jiǎn)化了維修管理的工作。以激光雷達(dá)為例，其具有的配套組件用于監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)的狀態(tài)，例如溫度、功率、工作頻率、激光的波長(zhǎng)（頻率）等，這些信息一并傳至基于三維GIS的管理平臺(tái)供管理人員查看。當(dāng)傳感器發(fā)生工作異常，服務(wù)器接收到異常數(shù)據(jù)時(shí)，可以改變顯示層的狀態(tài)，如設(shè)備圖標(biāo)顏色改變、語(yǔ)音通報(bào)等，告知設(shè)備的異常狀態(tài)。此時(shí)，管理平臺(tái)可以令傳感器執(zhí)行停止工作，并采取相應(yīng)的措施，如進(jìn)行人工維護(hù)。

基于物聯(lián)網(wǎng)與WebGIS的服務(wù)發(fā)布體系，可同時(shí)滿足導(dǎo)航助航、動(dòng)態(tài)監(jiān)管、設(shè)備管理的功能，是船舶智能航行的監(jiān)管者，亦是信息的發(fā)布者。

4 內(nèi)河限制級(jí)航道智能航行的展望

信息化、自動(dòng)化一直以來(lái)都是交通行業(yè)發(fā)展的目標(biāo)，其中在信息化程度上，等級(jí)道路及注冊(cè)車輛的管理已經(jīng)較為成熟。城市交通大數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)大腦建設(shè)也如火如荼，管理的自動(dòng)化程度不斷提高。近年來(lái)，自動(dòng)駕駛概念火熱、技術(shù)趨于成熟，有著新一輪自下而上的信息化、自動(dòng)化程度提高的趨勢(shì)。相比之下，水上交通的“雙化”程度遠(yuǎn)不及路上交通，其中又有內(nèi)河航運(yùn)不及海運(yùn)、小船不及大船的現(xiàn)象。在內(nèi)河限制級(jí)航道進(jìn)行智能航行的推廣，可謂任重道遠(yuǎn)，目標(biāo)明確卻存在諸多難點(diǎn)。

4.1 船舶與航道標(biāo)準(zhǔn)化

2014年12月交通部通過(guò)《內(nèi)河運(yùn)輸船舶標(biāo)準(zhǔn)化管理規(guī)定》，大力推動(dòng)內(nèi)河船舶標(biāo)準(zhǔn)化。船舶標(biāo)準(zhǔn)化可以提升運(yùn)輸效能、裝卸效率，降低管理成本。航道的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)與管理，可以降低數(shù)字化航道的成本與工作量，有利于信息的推送與數(shù)據(jù)的更新。內(nèi)河限制性航道一般河床比較平坦，邊坡比較規(guī)范，船舶航行時(shí)只要以岸堤作基線，離開(kāi)一定距離沿著航道方向就可安全航行，不存在天然航道的暗礁、淺灘等情況，這就為智能船舶駕駛帶來(lái)可能。利用船舶高精度定位以及高精度導(dǎo)航圖，就可以自動(dòng)修正船舶的航向，在無(wú)其他船舶、無(wú)橋梁航段時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛。

4.2 智能船舶的研究與建設(shè)

智能航行除了智慧航道的建設(shè)，還包括智能船舶的研制，通過(guò)提升船舶的感知與自感知能力，輔助決策。較窄的航道對(duì)定位要求較高，傳統(tǒng)的AIS系統(tǒng)難以滿足內(nèi)河航運(yùn)需求，需要使用亞米級(jí)的高精度定位方法。內(nèi)河航道相較于江海水運(yùn)，需要更多地考慮通航問(wèn)題，比如較淺的水深、較窄的河道以及規(guī)格不一的橋梁均會(huì)產(chǎn)生影響。內(nèi)河船舶空載與滿載吃水深度差別很大，當(dāng)空載時(shí)，主要受航道過(guò)河礙航物凈空尺寸限制，必要時(shí)，需要壓艙水來(lái)控制船舶的水上高度，避免船舶撞橋；當(dāng)滿載時(shí)，需要考慮觸底風(fēng)險(xiǎn)。因此，船舶必須具有自動(dòng)檢測(cè)吃水深度的功能。通過(guò)增強(qiáng)船舶的感知與自感知的能力，可以使航行更加順暢，使船舶更易于管理。

4.3 自主預(yù)警體系的構(gòu)建

結(jié)合航道靜態(tài)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、船舶信息，對(duì)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，建立數(shù)據(jù)模型。在應(yīng)用層自主地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，對(duì)于出現(xiàn)的異常，在顯示層提醒管理人員，減少人工數(shù)據(jù)查看與篩選，提高船舶航行的智能程度。當(dāng)船舶經(jīng)過(guò)橋梁時(shí)，導(dǎo)航圖自動(dòng)預(yù)先安全提醒；當(dāng)其他船舶靠近時(shí)，船載智能終端的導(dǎo)航軟件自動(dòng)告警；在避碰雷達(dá)探測(cè)到來(lái)船時(shí)，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)告警，提醒駕駛員將自動(dòng)駕駛切換成手動(dòng)駕駛，以進(jìn)行避碰手動(dòng)操作。當(dāng)兩個(gè)連續(xù)的時(shí)段同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)的船舶流量大幅減少，或者同一時(shí)段兩個(gè)相鄰監(jiān)測(cè)點(diǎn)的船舶流量差距較大，應(yīng)發(fā)出航道擁堵預(yù)警。管理人員通過(guò)查看該區(qū)域其他傳感器數(shù)據(jù)、AIS數(shù)據(jù)等，對(duì)該信息進(jìn)行核實(shí)。核實(shí)完畢后，若發(fā)生擁堵，調(diào)用岸基廣播系統(tǒng)進(jìn)行廣播。此時(shí)段使用導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)，也應(yīng)繞過(guò)擁堵區(qū)域。

5 結(jié)語(yǔ)

內(nèi)河航道運(yùn)輸?shù)男畔⒒⒆詣?dòng)化程度較低，推動(dòng)內(nèi)河船舶智能航行和智慧航道建設(shè)勢(shì)在必行。

（1）使內(nèi)河船舶航行安全性進(jìn)一步提高，各類船舶事故率進(jìn)一步下降。通過(guò)將原有的依靠人工進(jìn)行判斷改進(jìn)到通過(guò)智能航行有關(guān)系統(tǒng)自動(dòng)判斷或輔助告警，提升了可靠性。

（2）有利于降低船員的勞動(dòng)強(qiáng)度。從原來(lái)的全程手動(dòng)操控改成部分航段自動(dòng)駕駛；從原來(lái)的全程肉眼觀察改成肉眼觀察加助航語(yǔ)音提醒，使船舶駕駛舒適性得以提高。

（3）可吸引高學(xué)歷的年輕人充實(shí)到船員隊(duì)伍，促進(jìn)水上運(yùn)輸從業(yè)人員結(jié)構(gòu)調(diào)整。

（4）通過(guò)內(nèi)河智能航行可充分發(fā)揮智慧航道的快捷性與經(jīng)濟(jì)性，科學(xué)地規(guī)劃線路、自主駕駛、安全助航，在安全可控范圍內(nèi)以最大航速、最經(jīng)濟(jì)航線駕駛，從而提高航道的整體運(yùn)輸能力和降低運(yùn)輸成本。