三峽通航智能監(jiān)管決策應(yīng)用需求研究

◎ 代鑫 汪健 劉森洋 長江三峽通航管理局

1.研究背景

三峽河段船舶通航情況復(fù)雜，但總體趨于平穩(wěn)。為貫徹落實(shí)習(xí)近平總書記關(guān)于統(tǒng)籌發(fā)展和安全重要部署，更好適應(yīng)新形勢下、新發(fā)展階段的新要求，提高安全風(fēng)險(xiǎn)防控與防范化解重大風(fēng)險(xiǎn)的能力，開展三峽通航智能預(yù)警、智能決策等綜合監(jiān)管需求研究，加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、防控機(jī)制和能力建設(shè)，實(shí)現(xiàn)三峽通航全天候、全覆蓋、全過程的智能化安全監(jiān)管已成為一項(xiàng)新的時(shí)代任務(wù)，而做好三峽通航智能決策應(yīng)用需求研究便是其中不可或缺的關(guān)鍵一環(huán)。

2.三峽通航數(shù)據(jù)采集及應(yīng)用現(xiàn)狀

三峽通航數(shù)據(jù)涵蓋船舶流量、水情、氣象、航道信息、船舶航行動態(tài)、船舶險(xiǎn)情事故、通航基礎(chǔ)設(shè)施及船舶待閘情況等相關(guān)數(shù)據(jù)，做好對通航數(shù)據(jù)的采集與分析預(yù)測是進(jìn)行智能決策的基礎(chǔ)。目前，三峽通航在數(shù)據(jù)采集及應(yīng)用現(xiàn)狀如下：

（1）數(shù)據(jù)感知方面。目前三峽壩區(qū)的通航數(shù)據(jù)采集體系主要是基于AIS、VTS、CCTV、雷達(dá)系統(tǒng)、安全檢測系統(tǒng)、船舶調(diào)度系統(tǒng)等常規(guī)手段，全方位、全要素、全過程數(shù)字化采集體系尚需進(jìn)一步完善。一是可全方位采集航道及通航基礎(chǔ)設(shè)施、通航環(huán)境、維護(hù)資源、航道生態(tài)環(huán)境等全要素的傳感器、激光掃描儀等多種先進(jìn)監(jiān)測手段，強(qiáng)化對各通航要素的全過程的數(shù)字化感知和動態(tài)監(jiān)測，全面實(shí)現(xiàn)對航道及通航基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)、航道通過能力演化態(tài)勢等進(jìn)行持續(xù)跟蹤；二是覆蓋三峽壩區(qū)重點(diǎn)航段、重點(diǎn)水域以及橋梁、船閘等重要節(jié)點(diǎn)的全方位感知網(wǎng)絡(luò)仍需繼續(xù)投入建設(shè)，對于通航船舶的立體化監(jiān)測感知和精準(zhǔn)管控能力有待提升，對各類通航突發(fā)事件、行為、特征進(jìn)行精準(zhǔn)描述與刻畫能力還需進(jìn)一步加強(qiáng)。同時(shí)現(xiàn)有的傳統(tǒng)采集手段，如CCTV系統(tǒng)，智能化應(yīng)用水平還可繼續(xù)優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)對通航船舶的跟蹤檢測、目標(biāo)識別、事故告警、輔助決策等智能化功能應(yīng)用。

（2）數(shù)據(jù)應(yīng)用方面。經(jīng)過多年的建設(shè)和發(fā)展，三峽通航信息化應(yīng)用得到初步整合，形成了調(diào)度系統(tǒng)、安檢系統(tǒng)、GPS遠(yuǎn)程申報(bào)系統(tǒng)等核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)對多個(gè)部門的業(yè)務(wù)覆蓋，使得安全監(jiān)管、交通組織、通航保障等能力得到了顯著增強(qiáng)，并積累了豐富的通航數(shù)據(jù)資源。但是對數(shù)據(jù)資源基于業(yè)務(wù)場景的深度整合相對缺乏，大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用程度仍可提高，基于數(shù)據(jù)資源深度整合的部門間、區(qū)域間、環(huán)節(jié)間業(yè)務(wù)協(xié)同和智能化應(yīng)用水平都有待進(jìn)一步提高。需加強(qiáng)與長航系統(tǒng)其它單位、地方港航管理單位、氣象局等的數(shù)據(jù)共享與整合，提升跨單位、跨區(qū)域、跨運(yùn)輸方式的業(yè)務(wù)協(xié)同開展效率和融合發(fā)展水平。

3.三峽通航智能決策需求分析

三峽通航智能決策作為三峽智能監(jiān)管平臺的重要功能，其決策能力高低與監(jiān)管智能化水平關(guān)系密切，而決策的有效性離不開對未來發(fā)展的準(zhǔn)確預(yù)測。為保障三峽通航智能決策需要，應(yīng)主要從以下四個(gè)方面著手，充分采集并分析相關(guān)通航數(shù)據(jù)，挖掘提煉有效信息進(jìn)行相關(guān)預(yù)測，以進(jìn)一步提升監(jiān)管智能化水平。

3.1 船舶流量趨勢預(yù)測

三峽河段船舶流量是影響通航安全的一個(gè)重要因素，船舶流量的科學(xué)研究有助于規(guī)范化管理航道，優(yōu)化計(jì)劃執(zhí)行，保障船舶航行安全。傳統(tǒng)的船舶流量統(tǒng)計(jì)分析方法是對船舶種類，船舶大小，船舶速度等要素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以反映某一區(qū)域船舶流量種類和大小等基本流量狀況。而三峽河段船舶流量受限于兩座船閘，船舶大小差別不大，用單位時(shí)間內(nèi)通過船舶數(shù)量去表示兩壩間船舶交通流比較合適。

根據(jù)圖1可以看出每年的汛期和春節(jié)期間船舶流量明顯低于其它月份，其他時(shí)間船舶流量比較均衡。船舶交通流量的調(diào)查研究是船舶交通規(guī)劃中的重要組成部分，掌握實(shí)時(shí)的交通流量數(shù)據(jù)信息，才能更準(zhǔn)確地對未來的交通流進(jìn)行預(yù)測，為船舶交通流規(guī)劃設(shè)計(jì)與調(diào)度管理提供實(shí)時(shí)有效的依據(jù)。船舶交通流具有動態(tài)性與趨同性，它的預(yù)測一般有直覺法、因果法、外推法等基本方法。同時(shí)預(yù)測方法為一般的統(tǒng)計(jì)預(yù)測方法，即定性和定量預(yù)測。

圖1 近五年每月船舶艘次圖

定性預(yù)測主要依靠經(jīng)驗(yàn)判斷，精度不高，但在實(shí)際運(yùn)用中又比較快速。例如，三峽河段，發(fā)生大霧或大風(fēng)天氣，值班員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷船舶交通流量會明顯降低。定量預(yù)測方法則是將多種預(yù)測方式相結(jié)合，綜合各個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)，具有克服單一方法局限性的優(yōu)勢，能實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確的船舶交通流量預(yù)測，為船舶交通管控提供合理的信息來源、數(shù)據(jù)支撐及理論分析，以提高智能監(jiān)管水平。

3.2 水文氣象趨勢預(yù)測

三峽—葛洲壩水利樞紐的交通組織不僅與樞紐通航設(shè)施、船閘設(shè)備的運(yùn)行狀況有關(guān)，還與樞紐通航的配套設(shè)備、水庫調(diào)度運(yùn)用息息相關(guān)，更與水文、氣象等影響通航安全的因素緊密相連。對于在航船舶，航行條件的好壞取決于航道環(huán)境因素，其中水文、氣象要素是影響航行條件的主要因素。對于三峽河段，流量、水位、風(fēng)力及能見度是影響其船舶通航安全的主要因素。

1）流量及水位預(yù)測。三峽工程建成后，三峽—葛洲壩樞紐之間的兩壩間河段采取三峽梯級調(diào)度、葛洲壩水庫反調(diào)節(jié)的聯(lián)合梯調(diào)運(yùn)行方式，以改善兩壩間及葛洲壩壩下的水流條件，從而保障航運(yùn)安全。其中，三峽出庫流量的變化直接影響著轄區(qū)水域船舶通航條件，在枯水期，流量的變化直接關(guān)系到廟嘴水位大小，根據(jù)三江吃水控制標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)廟嘴水位低于40.2m時(shí)，三江將實(shí)行動態(tài)吃水控制，允許通過船舶的吃水將受限制；而在汛期時(shí)，當(dāng)三峽出庫流量超過25000m3/s時(shí)，允許通過船舶的貨物裝載量及主機(jī)功率大小將受到限制。

圖2是近五年來，三峽全年出庫流量超過25000m3/s及廟嘴水位低于40.2m的天數(shù)。

圖2 2016—2020年流量（＞25000m3/s），水位（＜40.2m）

其中明顯看出2020年汛期持續(xù)時(shí)間最長，且枯水期廟嘴水位低于40.2m的天數(shù)明顯低于其他年份，三江實(shí)施動態(tài)吃水控制天數(shù)相對比較均衡。

三峽電站是一個(gè)具有一定調(diào)節(jié)庫容的大型水電站，在電力系統(tǒng)中主要承擔(dān)調(diào)峰、調(diào)頻任務(wù)，而葛洲壩水電站是一座徑流式水電站，沒有調(diào)節(jié)能力。為了緩解發(fā)電和航運(yùn)的矛盾，葛洲壩水庫對三峽水庫進(jìn)行反調(diào)節(jié)調(diào)度，通過反調(diào)節(jié)作用來改善三峽大壩以下兩壩間河段的水流條件。流量控制在一定程度上根據(jù)三峽梯調(diào)中心的規(guī)劃進(jìn)行，而水位則隨著葛洲壩出庫流量的變化而受到直接影響。

目前，關(guān)于流量、水位數(shù)據(jù)的分析研究仍然停留在人工研究階段，其對航運(yùn)的影響也局限在經(jīng)驗(yàn)層面。進(jìn)一步加強(qiáng)對流量、水位數(shù)據(jù)的智能分析研究，對轄區(qū)船舶過閘安排、錨地錨泊、通航安全、應(yīng)急預(yù)案、聯(lián)動控制、以及航運(yùn)企業(yè)管理方面有著重要的指導(dǎo)作用。

2）風(fēng)情及霧情預(yù)測。三峽庫區(qū)河段航道屬于山區(qū)航道，復(fù)雜地形造成了庫區(qū)航道風(fēng)霧頻發(fā)的氣候特征。三峽成庫后航道等級提高，庫區(qū)航運(yùn)量不斷增加，航道風(fēng)情、霧情對航運(yùn)的影響愈加明顯。

表1 錨地容量規(guī)定

如今，降水、氣溫、風(fēng)、濕度、總云量、能見度觀測已經(jīng)比較精確，三維云量、天氣現(xiàn)象、地表氣壓、水表溫度的收集也相對比較簡單，有效收集數(shù)據(jù)并基于數(shù)據(jù)分析進(jìn)行智能化預(yù)測轄區(qū)風(fēng)霧天氣的可行性愈來愈高。對于葛洲壩—三峽河段復(fù)雜天氣預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)，若聯(lián)合多種傳感器運(yùn)行，進(jìn)一步提升觀測能力，同時(shí)在深度挖掘氣象歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，融合多源天氣資料，將有能力實(shí)現(xiàn)對轄區(qū)復(fù)雜危險(xiǎn)天氣的監(jiān)測與預(yù)報(bào)預(yù)警，及時(shí)向指揮中心、海事、船閘、錨地、船方等提供預(yù)報(bào)預(yù)警信息，進(jìn)而提升轄區(qū)安全運(yùn)行保障和綜合效率。

3.3 通航安全形勢預(yù)測

以2019年為例，該年度共通過葛洲壩—三峽河段船舶交通流量47058萬艘次，同比↑10.5%，環(huán)比↑11.9%。通過對全年度轄區(qū)水域船舶事故險(xiǎn)情進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其特點(diǎn)表現(xiàn)為：

一是險(xiǎn)情種類比較集中，主要是船舶擦碰、機(jī)器故障。其中船舶擦碰類發(fā)生在錨地占比38%、閘室（含升船機(jī)）占比33%、靠船墩導(dǎo)航墻占比29%；機(jī)器故障類發(fā)生在航道占比46%、閘室（含導(dǎo)航墻）占比54%。二是發(fā)生時(shí)間相對明顯，從發(fā)生險(xiǎn)情的時(shí)間上看，其中發(fā)生在夜間（21：00—06:00）占比27%，發(fā)生在白天（06:00—21:00）占比73%。三是汛期發(fā)生機(jī)器故障頻率最高，機(jī)器故障發(fā)生時(shí)間集中在7、8月份，發(fā)生次數(shù)明顯高于其他時(shí)段。四是絕大多數(shù)事故險(xiǎn)情的發(fā)生都直接或間接影響到通航效率。

由此可見，三峽河段船舶事故險(xiǎn)情的發(fā)生在某種程度上具有一定的規(guī)律性及可預(yù)測性，通過基于大量歷史船舶事故險(xiǎn)情數(shù)據(jù)的總結(jié)分析，不斷提高對船舶通航安全風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測能力，將為后續(xù)的智能監(jiān)管與決策提供重要依據(jù)。

3.4 待閘船舶動態(tài)預(yù)測

目前，三峽待閘錨地管理手段主要由駐守錨躉的錨地管理人員通過甚高頻通信聯(lián)絡(luò)、查詢等方式進(jìn)行錨地管理、錨位指泊和錨地秩序維護(hù)。隨著過閘船舶需求持續(xù)居高不下，三峽壩上錨地高強(qiáng)度、滿容量運(yùn)行成常態(tài)化，使得壩上船舶待閘安全形勢愈發(fā)嚴(yán)峻，對錨地、航道安全形成了較大威脅。在當(dāng)前形勢下，三峽待閘錨地管理需逐步走向精準(zhǔn)化，對不同類型的船舶在數(shù)量、錨泊區(qū)域等實(shí)施精準(zhǔn)控制。而三峽待閘錨地目前在信息化建設(shè)方面仍有較大提升潛力，現(xiàn)有監(jiān)管手段需進(jìn)一步優(yōu)化升級，一線值班人員在實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)度上仍存在難度。

而要想實(shí)現(xiàn)對錨地的智能化、信息化的管理，需應(yīng)用相關(guān)技術(shù)對大量歷史船舶待閘數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)分析，得出不同錨地在不同時(shí)段下的待閘數(shù)量規(guī)律，從而有效預(yù)測未來時(shí)段不同錨地的船舶待閘狀態(tài)，并在相關(guān)預(yù)測的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)規(guī)定與待閘需求做出相應(yīng)的智能決策，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對各錨地待閘船舶的精細(xì)化管控，提升三峽待閘錨地智能監(jiān)管水平。

4.應(yīng)用前景

通過對三峽通航歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，強(qiáng)化對現(xiàn)有科技手段的運(yùn)用及相關(guān)信息資源的融合，充分利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息化技術(shù)，及時(shí)獲取準(zhǔn)確、有效的通航信息，做好相關(guān)信息共享及分析，可預(yù)測出某航段內(nèi)的通航流量數(shù)據(jù)、船舶航行動態(tài)、船舶違章、船舶過壩、應(yīng)急疏散、錨泊分布等特征，進(jìn)一步提升對三峽通航船舶流量趨勢、水文氣象趨勢、通航安全形勢、船舶待閘動態(tài)的分析、預(yù)判及決策能力，并以數(shù)據(jù)表格、折線圖、GIS航道熱力圖等多種表現(xiàn)形式進(jìn)行直觀展示，從而不斷優(yōu)化安全監(jiān)管策略，充分發(fā)揮三峽監(jiān)管智能平臺的綜合優(yōu)勢。

未來，可進(jìn)一步通過綜合設(shè)計(jì)將風(fēng)險(xiǎn)分析、敏感性分析、隨機(jī)模擬、統(tǒng)計(jì)概率等一系列管理技術(shù)，按照通航場景的類別預(yù)先設(shè)計(jì)到不同的場景中，利用分布式的超大計(jì)算機(jī)集群，并通過云計(jì)算技術(shù)的強(qiáng)大計(jì)算能力對通航數(shù)據(jù)進(jìn)行快速分析決策，實(shí)現(xiàn)針對不同情景，自動調(diào)用解決方法，使得智能決策水平邁上新的高度。