京杭運(yùn)河智慧航運(yùn)建設(shè)方案研究

童 劍

(京杭運(yùn)河江蘇省交通運(yùn)輸廳蘇北航務(wù)管理處，淮安 223002)

京杭運(yùn)河北起北京，南至杭州，全長1 797 km，是國家水運(yùn)主通道之一；全年通航里程877 km，其中江蘇段687 km，占全線通航里程的78%。以長江為界，京杭運(yùn)河江蘇段分為蘇北運(yùn)河和蘇南運(yùn)河兩段，其中蘇北運(yùn)河里程475 km，全線為二級航道，共有船閘11座、跨河橋梁114座；蘇南運(yùn)河里程212 km，全線為三級航道，共有船閘1座、跨航橋梁141座。

內(nèi)河航運(yùn)是江蘇省經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱，內(nèi)河貨運(yùn)量約占全省綜合貨運(yùn)量的1/3，貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量約占全省綜合貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量的一半。近年來，京杭運(yùn)河江北段先后開展了多項(xiàng)信息化應(yīng)用技術(shù)研究，如《蘇北運(yùn)河綠色現(xiàn)代航運(yùn)示范區(qū)建設(shè)(智慧運(yùn)河-智慧航道項(xiàng)目)設(shè)計(jì)》《京杭運(yùn)河智能航運(yùn)建設(shè)技術(shù)研究及應(yīng)用示范》等，在一定程度上提升了京杭運(yùn)河的信息化建設(shè)水平與航務(wù)管理效率，保障了京杭運(yùn)河的通航安全。但是，京杭運(yùn)河信息化建設(shè)缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃，導(dǎo)致江蘇省交通運(yùn)輸廳港航中心、航務(wù)管理處、海事執(zhí)法等多部門重復(fù)建設(shè)，各單位或部門之間數(shù)據(jù)不能共享，形成數(shù)據(jù)孤島，成為限制京杭運(yùn)河高質(zhì)量發(fā)展的短板。因此，為推進(jìn)京杭運(yùn)河高質(zhì)量發(fā)展，急需對其信息化建設(shè)進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，加強(qiáng)頂層規(guī)劃，明確智慧航運(yùn)的建設(shè)目標(biāo)與建設(shè)計(jì)劃，有序推進(jìn)京杭運(yùn)河現(xiàn)代化、智慧化建設(shè)步伐。

1 航運(yùn)信息化發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 京杭運(yùn)河信息化建設(shè)成效

隨著“云大物移智” (云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、智慧城市)等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用及船舶大型化發(fā)展趨勢，京杭運(yùn)河的船閘通行效率、船舶船民服務(wù)、船閘運(yùn)行安全急需進(jìn)一步提升。為此，京杭運(yùn)河加快推進(jìn)信息化、智慧化建設(shè)步伐，依托于蘇北運(yùn)河航道“三改二”信息化工程，完成了沿線光纜鋪設(shè)、光傳輸網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心建設(shè)，建成了蘇北運(yùn)河航閘智能運(yùn)行系統(tǒng)，開發(fā)了“船訊通”軟件；全面推行智能調(diào)度，實(shí)現(xiàn)對蘇北運(yùn)河航道、船閘、船舶全過程、全方位、及時準(zhǔn)確的動態(tài)監(jiān)管，并在內(nèi)河水運(yùn)領(lǐng)域率先開啟了“互聯(lián)網(wǎng)+航運(yùn)”過閘新模式，提升了船閘通行能力和服務(wù)水平。同時，建立了養(yǎng)護(hù)管理信息化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)人工巡檢向計(jì)算機(jī)智能診斷發(fā)展，為加快推進(jìn)京杭運(yùn)河航道現(xiàn)代化建設(shè)提供了有力支撐。

1.2 京杭運(yùn)河信息化存在的不足

與長江、珠江等內(nèi)河航道相比，京杭運(yùn)河存在數(shù)字化程度不高、船閘智慧化程度不強(qiáng)、服務(wù)保障手段不足、信息化共享水平不高等問題。長江航道與珠江航道已經(jīng)完成了全線電子航道圖建設(shè)，而京杭運(yùn)河航道尚未形成完整的電子航道圖系統(tǒng)，面對內(nèi)河航運(yùn)高質(zhì)量發(fā)展帶來的重大變化和轉(zhuǎn)型升級時，在一定程度上成為制約發(fā)展的“短板”。因此，京杭運(yùn)河迫切需要緊跟內(nèi)河航道信息化、數(shù)字化發(fā)展形勢，大力推進(jìn)“智慧航道”建設(shè)。

1.3 航運(yùn)信息化建設(shè)發(fā)展形勢

為加快現(xiàn)代信息、人工智能等高新技術(shù)與航運(yùn)要素的深度融合，交通運(yùn)輸部等各部委先后發(fā)布了《智能航運(yùn)發(fā)展指導(dǎo)意見》《數(shù)字交通發(fā)展規(guī)劃綱要》《推進(jìn)綜合交通運(yùn)輸大數(shù)據(jù)發(fā)展行動綱要(2020—2025年)》等，不僅為智能航運(yùn)發(fā)展指明了方向，而且明確了智能航運(yùn)的建設(shè)目標(biāo)與發(fā)展重點(diǎn)[1]。結(jié)合國家政策與行業(yè)發(fā)展要求，2020年4月，江蘇省委、省政府印發(fā)的《交通強(qiáng)國江蘇方案》中提出打造航運(yùn)特色鮮明的大運(yùn)河文化帶樣板；重點(diǎn)建設(shè)京杭大運(yùn)河綠色航運(yùn)示范區(qū)是交通強(qiáng)國建設(shè)江蘇十大樣板之一。

國家層面與江蘇省層面的上位政策為智慧航運(yùn)發(fā)展提供了良好的機(jī)遇，京杭運(yùn)河應(yīng)緊抓時代發(fā)展機(jī)遇，依托于智慧運(yùn)河項(xiàng)目建設(shè)，以智能航運(yùn)發(fā)展意見為指導(dǎo)，積極落實(shí)上位政策要求，將京杭運(yùn)河打造成綠色、高效、人文、智慧的現(xiàn)代化運(yùn)河。

2 數(shù)字航道與智慧航運(yùn)

2.1 數(shù)字航道

數(shù)字航道將利用新一代的感知-傳輸-分析-應(yīng)用技術(shù)體系，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等現(xiàn)代技術(shù)手段，促進(jìn)航道業(yè)務(wù)職能和運(yùn)輸服務(wù)功能數(shù)字化、信息化、智能化，全面提升航道設(shè)施建設(shè)、維護(hù)、管理及運(yùn)輸服務(wù)能力[2]。

2.2 智能航運(yùn)

智能航運(yùn)基于數(shù)字航道建設(shè)，通過航道全要素?cái)?shù)字化、智能化管理平臺和航道要素感知采集系統(tǒng)對航道生產(chǎn)任務(wù)、航道維護(hù)的相關(guān)物資、航道維護(hù)人員、工作船舶等進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)航運(yùn)活動的智慧化[3]。

數(shù)字航道與智能航運(yùn)相輔相成、相互支撐，數(shù)字航道建設(shè)是基礎(chǔ)，智能航運(yùn)是目標(biāo)。通過業(yè)務(wù)融合、共建共享、綜合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化，數(shù)據(jù)采集、管控、服務(wù)類大數(shù)據(jù)應(yīng)用能力持續(xù)提升，人工智能、移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與行業(yè)業(yè)務(wù)深度融合，基本實(shí)現(xiàn)京杭運(yùn)河船閘智慧化運(yùn)行、航閘智能化養(yǎng)護(hù)、公眾智慧化服務(wù)，使得行業(yè)管理效能顯著改善，公眾服務(wù)品質(zhì)大幅提升[4]。

3 智慧航運(yùn)總體框架

3.1 智能航運(yùn)建設(shè)總體思路

通過對“十三五”期間京杭運(yùn)河航道信息化、數(shù)字化建設(shè)成果的總結(jié)，以及對目前存在的業(yè)務(wù)問題及原因的分析，把握京杭運(yùn)河智慧航道設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀條件，在此基礎(chǔ)上分析京杭運(yùn)河智慧航道建設(shè)的實(shí)際需求，梳理形成總體設(shè)計(jì)方案。通過對建設(shè)任務(wù)的逐層分解，按照“3+1”的總體架構(gòu)，對智慧船閘、數(shù)字航道、服務(wù)決策和支撐平臺分別開展分項(xiàng)設(shè)計(jì)。其中，包含應(yīng)用系統(tǒng)功能、相關(guān)數(shù)據(jù)及對應(yīng)終端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過調(diào)研準(zhǔn)確收集需求，面對業(yè)務(wù)問題提出有針對性的解決方案，并將5G、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及無人機(jī)等應(yīng)用場景設(shè)計(jì)融入應(yīng)用系統(tǒng)方案中[5]。

3.2 智能航運(yùn)建設(shè)總體框架

本文圍繞京杭運(yùn)河具體業(yè)務(wù)，結(jié)合未來發(fā)展趨勢，提出京杭運(yùn)河智慧航運(yùn)總體架構(gòu)[6]，總體可分為6個層次，歸并為4大類建設(shè)內(nèi)容，京杭運(yùn)河智慧航運(yùn)總體架構(gòu)示意如圖1所示，圖中，AIS為船舶自動識別系統(tǒng)，VHF為甚高頻無線電波。

圖1 京杭運(yùn)河智慧航運(yùn)總體架構(gòu)示意

(1) 終端設(shè)備感知層。終端設(shè)備感知層包括用于感知監(jiān)測航道水位、水文、氣象、船閘設(shè)備健康狀況、機(jī)電設(shè)備、AIS基站、導(dǎo)助航、便民生活以及用于多種用途的視頻監(jiān)控終端、無人機(jī)終端等。

(2) 基礎(chǔ)支撐層?；A(chǔ)支撐層包括用于部署和支持應(yīng)用支撐層、數(shù)據(jù)支撐層、應(yīng)用支撐層運(yùn)行的軟硬件基礎(chǔ)設(shè)施，如計(jì)算機(jī)資源、存儲資源、備份資源、光纖通信網(wǎng)、4G/5G移動公網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、安全系統(tǒng)。

(3) 數(shù)據(jù)支撐層。數(shù)據(jù)支撐層主要由系統(tǒng)運(yùn)行所需要的數(shù)據(jù)資源，以及對數(shù)據(jù)資源進(jìn)行全面管理的數(shù)據(jù)交換平臺組成。

(4) 應(yīng)用支撐層。應(yīng)用支撐層由多個應(yīng)用系統(tǒng)都需要的基礎(chǔ)性、通用性軟件組成，主要是電子航道圖服務(wù)、三維全景服務(wù)。

(5) 業(yè)務(wù)應(yīng)用層。業(yè)務(wù)應(yīng)用層根據(jù)功能需求分析，搭建智慧船閘運(yùn)行平臺、數(shù)字航道管理平臺、服務(wù)決策分析平臺，為實(shí)現(xiàn)船舶快速安全過閘、船閘自動控制與遠(yuǎn)程集中控制、管理者科學(xué)決策提供支撐。

(6) 展現(xiàn)層。展現(xiàn)層負(fù)責(zé)各類業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)最終的展現(xiàn)，需要支持多種展現(xiàn)方式，包括PC(個人計(jì)算機(jī))端統(tǒng)一門戶、App移動端展示、公眾號信息發(fā)布、調(diào)度指揮顯示大屏，手持調(diào)度終端等多種形式的數(shù)據(jù)展現(xiàn)。

4 智慧航運(yùn)建設(shè)方案

4.1 智慧航運(yùn)建設(shè)原則

為保證智慧航運(yùn)建設(shè)方案能夠指導(dǎo)后期建設(shè)及滿足應(yīng)用軟件開發(fā)要求，需要遵循需求引領(lǐng)、注重服務(wù)、適度超前，打造標(biāo)桿、整合資源，規(guī)范有序的原則。總體建設(shè)方案應(yīng)針對當(dāng)前京杭運(yùn)河在船閘調(diào)度、航道運(yùn)行監(jiān)測與養(yǎng)護(hù)、公共信息服務(wù)和輔助決策支持等方面存在的實(shí)際業(yè)務(wù)問題，緊貼業(yè)務(wù)需求，滿足船民船企對航道安全、暢通的基本需求。同時充分考慮當(dāng)前新技術(shù)的發(fā)展方向，將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、5G通信、BIM(建筑信息模型)、人工智能、區(qū)塊鏈等技術(shù)手段與船閘控制系統(tǒng)、航標(biāo)、船載設(shè)備、岸基終端、業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)等進(jìn)行深入融合，形成創(chuàng)新性的亮點(diǎn)應(yīng)用場景[7]。此外，為確保智慧航運(yùn)建設(shè)方案各項(xiàng)建設(shè)內(nèi)容之間順利銜接，需整合現(xiàn)有的資源，充分考慮已有系統(tǒng)升級改造、新建或新系統(tǒng)開發(fā)，做到融合共建。

4.2 智慧船閘建設(shè)方案

4.2.1 優(yōu)化船閘聯(lián)動調(diào)度管理

優(yōu)化梯級船閘調(diào)度，實(shí)現(xiàn)區(qū)域調(diào)度和干支聯(lián)動，進(jìn)一步提升運(yùn)河通行能力：①進(jìn)行京杭運(yùn)河航閘智能運(yùn)行系統(tǒng)升級，對船閘調(diào)度核心算法進(jìn)行優(yōu)化，使得船閘調(diào)度更科學(xué)、更智慧；②通過與支線船閘的數(shù)據(jù)共享，實(shí)行京杭運(yùn)河干支線船閘調(diào)度聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)船舶航線規(guī)劃區(qū)域分流，提高干支線航道利用率;③結(jié)合事業(yè)機(jī)構(gòu)改革，進(jìn)行管理機(jī)制和運(yùn)行模式創(chuàng)新，實(shí)行區(qū)域集中調(diào)度，通過“流程再造”實(shí)現(xiàn)一次申報(bào)、集中調(diào)度、統(tǒng)一服務(wù)，從“放閘”到“管河”理念上進(jìn)行轉(zhuǎn)變，加強(qiáng)船閘間協(xié)同性，提升整體通行能力；④進(jìn)行“江河?！甭?lián)運(yùn)模式的研究，通過手機(jī)導(dǎo)航與智能系統(tǒng)無縫對接實(shí)現(xiàn)過閘時間精準(zhǔn)化服務(wù)，實(shí)行限期過閘，開啟水路轉(zhuǎn)運(yùn)新模式。

4.2.2 船閘控制系統(tǒng)升級改造

完善船閘控制系統(tǒng)，通過精準(zhǔn)控制和數(shù)據(jù)感知，實(shí)現(xiàn)船閘少人值守智慧化運(yùn)行。結(jié)合劉老澗智慧船閘建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，按照統(tǒng)一模式、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)對京杭運(yùn)河船閘控制系統(tǒng)進(jìn)行全面改造和完善，通過水位計(jì)、流速儀等感知設(shè)備參與運(yùn)行控制，實(shí)現(xiàn)船閘運(yùn)行精準(zhǔn)控制，提高運(yùn)行效率，同時采用視頻分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)視頻聯(lián)動與控制系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，確?，F(xiàn)場運(yùn)行安全；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行船閘運(yùn)行數(shù)據(jù)的感知和匯聚，進(jìn)行船閘運(yùn)行在線監(jiān)測和預(yù)警，增強(qiáng)船閘運(yùn)行感知能力，實(shí)現(xiàn)船閘在人工微干預(yù)下自動運(yùn)行，為區(qū)域集中調(diào)度做支撐。

4.3 數(shù)字航道建設(shè)方案

4.3.1 拓展電子航道圖應(yīng)用

依托電子航道圖建設(shè)，實(shí)現(xiàn)航道數(shù)字化管理，為行業(yè)應(yīng)用提供可視化展現(xiàn)平臺。繼續(xù)推進(jìn)京杭運(yùn)河電子航道圖建設(shè)，按照《江蘇省內(nèi)河航道電子航道生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目說明標(biāo)準(zhǔn)》，完成京杭運(yùn)河揚(yáng)州段電子航道圖制作，實(shí)現(xiàn)電子航道圖與GIS(地理信息系統(tǒng))、影像、實(shí)景、BIM融合和展現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)“一張圖”綜合管理，同時，深化電子航道圖應(yīng)用，根據(jù)行業(yè)應(yīng)用需求用京杭運(yùn)河電子航道圖生成航閘養(yǎng)護(hù)、綜合服務(wù)、船舶助航服務(wù)專題“三張圖”，為航道、船舶智慧化管理提供支撐，為公眾提供服務(wù)[8]。

4.3.2 實(shí)現(xiàn)航道全要素感知

提升航道感知能力，加強(qiáng)數(shù)據(jù)分析利用，實(shí)現(xiàn)航道、船舶智慧化管理。推進(jìn)航道感知網(wǎng)建設(shè)，加強(qiáng)對航道、船舶感知數(shù)據(jù)綜合利用，通過對船舶位置信息分析，實(shí)現(xiàn)船舶?？康闹腔刍芾?，實(shí)現(xiàn)航道密度分析和待閘預(yù)測，為船閘智能調(diào)度提供支撐，提高通航保暢的能力；通過航道要素感知和匯聚，實(shí)現(xiàn)航閘設(shè)施在線監(jiān)測和預(yù)警，提高航道保障能力；利用水下地形數(shù)據(jù)實(shí)時再現(xiàn)河床斷面演變情況，通過沖淤決策分析為航道養(yǎng)護(hù)決策提供數(shù)據(jù)支撐，提高航道養(yǎng)護(hù)能力，全面提升航道、船舶智慧化管理水平。

4.4 服務(wù)決策建設(shè)方案

4.4.1 提升船民船期服務(wù)

開展手機(jī)導(dǎo)航研究，實(shí)現(xiàn)船舶過閘精確導(dǎo)航，為船民提供智慧化過閘服務(wù)。繼續(xù)完善船訊通服務(wù)功能，從傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)、文字向圖形、語音方面轉(zhuǎn)變，以京杭運(yùn)河電子航道圖為支撐，開展船舶過閘手機(jī)導(dǎo)航研究，實(shí)現(xiàn)船舶全航程可視化輔助航行，提供待閘區(qū)、錨地、禁停區(qū)域等智慧管理服務(wù)，提供船舶偏離航道、接近危險點(diǎn)等航行預(yù)警服務(wù)，提供基于船閘智能調(diào)度面向船舶過閘全過程的交互式智慧導(dǎo)航服務(wù)，進(jìn)一步提升京杭運(yùn)河船舶航行的智慧化水平。

4.4.2 推進(jìn)航運(yùn)大數(shù)據(jù)治理

信息化驅(qū)動業(yè)務(wù)管理，大數(shù)據(jù)助推決策服務(wù)，全面提升智慧化服務(wù)水平。通過服務(wù)窗口前移，將現(xiàn)有航閘業(yè)務(wù)由線下轉(zhuǎn)移到線上運(yùn)行，提供公平、透明、便捷的服務(wù)環(huán)境，并通過應(yīng)用系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的積累、感知數(shù)據(jù)的匯聚，利用大數(shù)據(jù)分析，為管理者提供宏觀層面的科學(xué)決策和集中展示，提供船閘現(xiàn)場調(diào)度指揮、航道擁堵疏通指揮、突發(fā)情況的應(yīng)急指揮等多種管理模式，為船員提供過閘、航行及水運(yùn)相關(guān)的信息服務(wù)，向涉水企業(yè)、社會公眾公開船閘運(yùn)行信息，為政府及上級部門提供相應(yīng)數(shù)據(jù)報(bào)表，為地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供參考依據(jù)。

4.5 支撐平臺建設(shè)方案

在原有一網(wǎng)、一圖、一庫基礎(chǔ)上，繼續(xù)推進(jìn)基礎(chǔ)平臺升級，圍繞業(yè)務(wù)需求，實(shí)施京杭運(yùn)河光傳輸網(wǎng)改造，進(jìn)行數(shù)據(jù)庫整合與規(guī)劃完善，實(shí)現(xiàn)行業(yè)數(shù)據(jù)共享，進(jìn)一步加強(qiáng)信息安全和網(wǎng)絡(luò)安全建設(shè)，為業(yè)務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行和使用提供所需的支撐和保障。

5 結(jié)語

京杭運(yùn)河智慧航運(yùn)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及外場施工、系統(tǒng)集成、軟件開發(fā)等實(shí)施內(nèi)容。一方面，智慧船閘、數(shù)字航道、決策服務(wù)、支撐平臺的建設(shè)方案要形成一個整體，既要滿足業(yè)務(wù)功能要求，又要實(shí)現(xiàn)相關(guān)業(yè)務(wù)協(xié)同和綜合展現(xiàn)；另一方面，也要避免分塊實(shí)施帶來缺項(xiàng)漏項(xiàng)或重復(fù)建設(shè)的風(fēng)險，因此，需要對京杭運(yùn)河智慧航運(yùn)系統(tǒng)工程進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)，統(tǒng)籌建設(shè)內(nèi)容，確保實(shí)現(xiàn)目標(biāo)一致和建設(shè)有序。