基于數(shù)字航道技術(shù)的內(nèi)河航道管理應用探究

◎ 鄧遠經(jīng) 廣東省航運規(guī)劃設(shè)計院有限公司

內(nèi)河航道是我國內(nèi)河航運發(fā)展的關(guān)鍵所在，管理內(nèi)河航道已成為一項重要工作，完善內(nèi)河航道的管理可以促進全社會的交通運輸發(fā)展[1]。然而，目前國內(nèi)的內(nèi)河運輸發(fā)展狀況并不理想，目前我國的內(nèi)河航道管理面臨的眾多問題，嚴重影響了我國的經(jīng)濟社會發(fā)展[2]。一方面是因為國家資金投入較少，難以滿足航道建設(shè)的耗費情況；另一方面的原因在于航道路線網(wǎng)絡(luò)不夠完善，路線設(shè)計復雜，從而造成內(nèi)河航道管理困難。數(shù)字航道是一項綜合性技術(shù)，該技術(shù)集GIS、虛擬仿真、寬帶網(wǎng)絡(luò)、遙感系統(tǒng)、多媒體等技術(shù)于一體，具有較強的綜合性，因而在功能上也更為完備，將數(shù)字航道技術(shù)運用到內(nèi)河航道的管理中，可以使作業(yè)人員的管理效率得到有效提升，是航道行業(yè)規(guī)范化管理的核心手段[3]。本文介紹了數(shù)字航道技術(shù)的基本概念，在分析目前國內(nèi)河道管理狀況的前提下，建立了數(shù)字航道體系架構(gòu)，并對其工作流程進行梳理，對該技術(shù)在我國的實際運用進行簡要闡述，期望對航道運行過程進行動態(tài)管理，以此來提高航運效率。

1.數(shù)字航道技術(shù)的概念

數(shù)字航線源自于“數(shù)字地球”這一概念，它的目標是呈現(xiàn)真實航線，在地理位置及空間坐標的基礎(chǔ)上，通過多維度、多尺度、多分辨率的方式，由計算機、遙感數(shù)據(jù)、多維數(shù)據(jù)等技術(shù)，實現(xiàn)航道的規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)維護、航道管理及其他綜合運用[4]。建設(shè)數(shù)字航道技術(shù)的關(guān)鍵點在于：

（1）航道服務(wù)管理系統(tǒng)主要負責管理航道信息、對航道位置及空間坐標呈現(xiàn)可視化展示，將該系統(tǒng)進行數(shù)字化升級。在航道管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用數(shù)字化航道所得到的數(shù)據(jù)資源，結(jié)合航道養(yǎng)護管理的實際需求，實現(xiàn)全天候、全方位的數(shù)字化、可視化航道管理，以此極大地提高了船舶運輸?shù)慕?jīng)濟效益和社會效益。

（2）對航道信息資源進行數(shù)字化處理。處理內(nèi)容包括河床位置及距離、航道的演變過程、區(qū)域水文信息、其他航標輔助設(shè)備、自動采集、分析處理后的水位變化數(shù)字建模等，這些內(nèi)容都是建設(shè)數(shù)字航道系統(tǒng)的基礎(chǔ)支撐[5]。

2.當前內(nèi)河航道管理痛點

當前，國內(nèi)河道資源利用效率低下的主要原因是規(guī)劃不合理。與發(fā)達國家比較，國內(nèi)的內(nèi)河航道總體設(shè)計水平與國外設(shè)計水平有較大差距。有關(guān)部門沒有及時投入相應的人力物力，沒有對國內(nèi)的許多內(nèi)河項目進行統(tǒng)一規(guī)劃便盲目仿效國外的做法，這就使得各個河流之間的交通功能難以得到最大程度的發(fā)揮。同時，我國的設(shè)計管理人員專業(yè)度有待提高，設(shè)計方案有一定進展空間，設(shè)計不合理導致工作效率受到影響。

國內(nèi)內(nèi)河航道發(fā)展速度較為緩慢，目前我國對內(nèi)河航運建設(shè)的主要注重點在于航道建設(shè)，忽視了航道的養(yǎng)護管理，一定程度上無法保障船舶運輸?shù)臏蕰r性，無法保障船舶運輸?shù)恼９┙o，從而導致內(nèi)河航道的運輸效率下降。尤其是當河道布局不均衡時，因為條件不同的情況下進行非統(tǒng)一船舶投資建設(shè)，導致一些內(nèi)河航運發(fā)展滯后；同時，受河道上下游之間人員流動較大、物流量較少、運輸流程不穩(wěn)定等因素的影響，使內(nèi)河航道的發(fā)展遇到瓶頸。

由于我國地域廣闊、地質(zhì)結(jié)構(gòu)復雜，不同地區(qū)的地域地貌有很大差別，區(qū)域間經(jīng)濟發(fā)展存在一定差異，因而在內(nèi)河航道的設(shè)計與管理上出現(xiàn)了較為嚴重的差異化現(xiàn)象[6]。在眾多區(qū)域中，東部地區(qū)地位比較突出，經(jīng)濟發(fā)展比較迅速，所以，內(nèi)陸河道的管理水平要比西部高得多。特別是西南地區(qū)，重慶港建設(shè)了以朝天門港口中心區(qū)局域網(wǎng)為主節(jié)點，覆蓋全港七大生產(chǎn)經(jīng)營公司的計算機網(wǎng)絡(luò)；長江航務(wù)管理局下屬單位完成了“DGPS手持機在航標定位上的應用”“長江下游航道電子海圖自動測繪和生成系統(tǒng)”等課題。

由于經(jīng)濟發(fā)展水平較高，在人力、物力方面存在明顯差距，西部沿海地區(qū)的航道建設(shè)水平略微緩慢。我國長江南京河段建立了數(shù)字航道系統(tǒng)，實現(xiàn)了“電子航道圖數(shù)字化”“航標監(jiān)測自動化”“信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)話”。東部沿海地區(qū)的內(nèi)河航道建設(shè)步伐明顯加快，質(zhì)量也在逐步提高，既能滿足運輸需求，又能保證區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展。而由于經(jīng)濟、位置等因素造成的內(nèi)河航道發(fā)展的不平衡，成為目前我國內(nèi)河航道管理工作的一個重要課題。隨著內(nèi)河航道的發(fā)展，水體環(huán)境質(zhì)量將會受到嚴重的影響，其他交通工具的快速發(fā)展也會對內(nèi)河航道產(chǎn)生一定影響；而航道管理部門的管理設(shè)施陳舊、管理方法落后等問題，在短期內(nèi)難以進行更新，我國的內(nèi)河航道建設(shè)應當緊密結(jié)合地區(qū)水體環(huán)境特點，才能保證內(nèi)河航道的健康、可持續(xù)發(fā)展。

3.數(shù)字航道系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和工作流程

3.1 體系結(jié)構(gòu)

數(shù)字航道技術(shù)需將航道內(nèi)的水文地質(zhì)信息、航行情況、航道演變過程、航道設(shè)施狀態(tài)等數(shù)據(jù)綜合起來，通過利用現(xiàn)代信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和遙感技術(shù)，實現(xiàn)對內(nèi)河航道的多維度、多角度、多層次的綜合管理，實現(xiàn)對內(nèi)河航道的數(shù)字化模擬。本文中的數(shù)字航道系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)主要由航道管理中心、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和信息采集系統(tǒng)組成，具體如圖1所示。

圖1 數(shù)字航道系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

其中，以航標遙測、航路掃描、航路綜合探測、航線綜合規(guī)劃等技術(shù)為關(guān)鍵點；數(shù)字航道管理中心是整個系統(tǒng)的核心，是整個系統(tǒng)應用與服務(wù)應用的重要組成部分。

3.2 工作流程

數(shù)據(jù)收集、資料處理、數(shù)據(jù)管理及資料使用為數(shù)字航道管理系統(tǒng)工作過程中的四大部分。①數(shù)據(jù)收集：利用多波束掃測、航標遙測遙控、自動報備水文信息、氣象信息監(jiān)測、其他航道信息采集和各類人工測量工作，完成對河床信息、航道尺度及演變過程、水文氣象情況、助航設(shè)施置備、水位變化數(shù)值等航道基礎(chǔ)信息的前端采集工作。②資料處理：將前端收集到的資料，利用應用系統(tǒng)或處理軟件，自動與人工收集資料相結(jié)合，剔除不良及無效資料，將有效資料透過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備傳送到數(shù)字航道管理中心。③數(shù)據(jù)管理：收集各類航道數(shù)據(jù)，并在交換平臺上統(tǒng)一實現(xiàn)轉(zhuǎn)換共享，集中存儲在航道數(shù)據(jù)庫中，為所需部門提供全面且準確的數(shù)據(jù)信息，這樣更加方便管理。④資料使用：在平臺上分享內(nèi)河航道數(shù)據(jù)，促進各部門之間的資料共享，提供用戶所需的電子航線資料，并對用戶進行審查，在安全機制的保障下，用戶可以利用現(xiàn)有資料對其他的業(yè)務(wù)進行管理，并使用基于數(shù)字航道的內(nèi)河管理實時服務(wù)系統(tǒng)進行管理信息的發(fā)布。

4.數(shù)字航道技術(shù)在內(nèi)河航道管理中的應用

4.1 三維顯示內(nèi)河航道

三維可視化技術(shù)是指在2D屏幕上顯示出一個真實的立體圖像。為獲得立體的3D影像，需要經(jīng)過一系列的計算機繪制，如坐標變換、投影變換、視區(qū)變換等步驟，最后在二維熒光屏上呈現(xiàn)3D影像繪制結(jié)果。為了提高影像的逼真度，對光照、陰影、紋理的消隱必不可少，上述各步驟的處理效果，將直接影響到整個三維可視化航道的實時度及精確度。在利用三維可視化技術(shù)進行數(shù)字航跡建模時，必須要確立統(tǒng)一的坐標，保證數(shù)據(jù)的精確，但由于各種途徑采集到的地形影像、山脈高程、國界位置、國內(nèi)省縣邊界、公路地圖等信息的精度與坐標體系不同，因此需要根據(jù)模型要求的精度選取顯示信息，并依據(jù)統(tǒng)一的坐標系統(tǒng)對所選數(shù)據(jù)進行處理，以達到內(nèi)河航道的建模要求。實際工程中，坐標系的選擇要依據(jù)特定仿真的三維數(shù)字航道模式來決定，而在實際應用中，往往要將坐標系統(tǒng)與后期的三維數(shù)字航道模型進行匹配。

航道三維動態(tài)顯示系統(tǒng)可以在電腦中模擬出真實的三維環(huán)境，既可以真實地重現(xiàn)航道的立體地貌，又可以根據(jù)不同的資料，對不同的三維顯示進行不同的分析與應用。該系統(tǒng)采用三維可視化技術(shù)，實現(xiàn)了三維立體航道的交互操作和動態(tài)瀏覽；采用3D引擎的場景渲染功能使圖像更加真實，同時通過各種技術(shù)加速場景的繪制，即使是在非常復雜的場景中，也能保持25幀/秒的刷新率，確保使用者的實時操作和動態(tài)瀏覽。此外，航道三維動態(tài)顯示系統(tǒng)可以根據(jù)歷史資料，為航道岸線、島嶼岸線演變、海底近岸回淤等情況進行可視化呈現(xiàn)。該技術(shù)對航運管理、疏浚整治、工程設(shè)計、水情分析等工作都有著重要的作用。

內(nèi)河航道三維顯示技術(shù)是一種綜合運用多種計算機技術(shù)，在三維立體顯示中進行交互操作的方法，能夠很好地再現(xiàn)河流場景，并能實時獲取船舶運輸數(shù)據(jù)。采用數(shù)據(jù)文件三維顯示內(nèi)河航道，將航道的基本數(shù)據(jù)模型計算結(jié)果保存起來，并在三維可視化平臺上展示了數(shù)據(jù)文件，對流場、適航區(qū)、航跡、動力分布等內(nèi)容進行直觀的展示，同時還能對各個斷面的流速、水深等資料進行查詢，并運用地形模擬工具，實現(xiàn)了對內(nèi)河航道部分區(qū)域的三維剖面情況展示。內(nèi)河航道的三維顯示技術(shù)可以在電腦上實現(xiàn)內(nèi)河航道信息整體剖析，有效地管理和分析河道數(shù)據(jù)，并可以與其余工作人員在線上展開實時討論。

4.2 電子航道信息處理系統(tǒng)

電子航道地圖系統(tǒng)以GIS技術(shù)為基礎(chǔ)，呈現(xiàn)電子化地圖，利用網(wǎng)上管理的方式處理信息。該系統(tǒng)主要由航路生成、路線分析、路線模擬演示三部分組成，能夠有效處理數(shù)據(jù)信息，并實時傳輸數(shù)據(jù)內(nèi)容。同時，該系統(tǒng)可利用二維矢量化技術(shù)，為內(nèi)河航道管理系統(tǒng)提供可視化窗口，以此來實現(xiàn)電子航道的展示界面。電子賬臺系統(tǒng)可以實現(xiàn)對電子文件的快速查詢，在科學的管理下實現(xiàn)信息共享，將現(xiàn)代科技應用于內(nèi)河航道的管理中。利用信息采集系統(tǒng)對基本數(shù)據(jù)進行管理，通過統(tǒng)一高效的實時信息處理，對基礎(chǔ)的動態(tài)數(shù)據(jù)進行分類和剖析，形成一個綜合性的內(nèi)河航道信息處理中心。因此，建立健全的內(nèi)河航道管理制度，是促進我國航運事業(yè)迅速發(fā)展的重要舉措。例如，國外電子航道信息處理系統(tǒng)的應用情況有法國的內(nèi)河航運信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（VNF2000系統(tǒng)）、德國的航程及貨運報關(guān)的航運信息系統(tǒng)（MIB/MOVES系統(tǒng)）；國內(nèi)長江部分大型航運企業(yè)實現(xiàn)了基于GPS定位的船舶監(jiān)控系統(tǒng)、綜合物流系統(tǒng)和財務(wù)管理系統(tǒng)等，部分航運企業(yè)還實現(xiàn)了與通航管理部門的信息互聯(lián)。

4.3 管理內(nèi)河航道設(shè)施

內(nèi)河航道設(shè)施是船舶安全運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，所以相關(guān)部門必須利用各類數(shù)字化技術(shù)，對內(nèi)河航道中出現(xiàn)的各種問題進行及時的監(jiān)測和修復。同時要做到實時監(jiān)測整個內(nèi)河航道中的設(shè)備，如果出現(xiàn)任何異常，都要立即進行維修，以保證航道的安全。目前，新能源、新材料不斷地被運用到內(nèi)河航道管理中，這將進一步完善內(nèi)河航道中的各項設(shè)施，促進航道維護水平。同時，也要根據(jù)具體的實際情況，及時制定相關(guān)的法律和制度，加強對橫道內(nèi)各個企業(yè)的安全管理?；诖?，航空保障設(shè)備管理系統(tǒng)以利川航標遙測遙控系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對導標、浮標等設(shè)備的基本信息進行采集，監(jiān)控導標、浮標的位置狀態(tài)，對航保設(shè)施進行信息管理，并進行設(shè)備維護提醒和安全預警。例如，國外奧地利的航運信息系統(tǒng)（DoRIS系統(tǒng)），匈牙利的航運信息服務(wù)及緊急呼救系統(tǒng)(DISR系統(tǒng))就有管理內(nèi)河航道設(shè)施的部分；而國內(nèi)長江航務(wù)管理局下屬單位對“航道站船實時動態(tài)管理系統(tǒng)”“計算機過壩優(yōu)化調(diào)度輔助決策系統(tǒng)”和“長江三峽工程船閘引航道河床信息系統(tǒng)”的構(gòu)建中，也涉及到管理內(nèi)河航道設(shè)施的內(nèi)容，可見其重要性不容小覷。

5.結(jié)語

隨著現(xiàn)代技術(shù)的進步，內(nèi)河航道的規(guī)劃設(shè)計不斷優(yōu)化，具有減輕城市交通壓力的現(xiàn)實意義及日益提高航道管理的經(jīng)濟價值。本文介紹數(shù)字航道技術(shù)的基本概念，分析目前國內(nèi)河道管理的狀況，建立數(shù)字航道體系架構(gòu)，對其工作流程進行梳理，并對該技術(shù)在我國的實際運用進行簡要闡述。期望通過健全管理制度，運用現(xiàn)代科技手段，可以確保內(nèi)河航道運行安全，逐步提高我國航運行業(yè)的經(jīng)濟效益和社會效益。