基于大數據的三峽庫區航標布設分析平臺

曾科偉　毛熊磊　金健靈　廖江花

摘 要：在當前航標管理維護手段較為落后的情況下，結合長江航道養護管理向智能化轉型發展的大趨勢，以及大數據、人工智能等前沿技術，開展基于河床地形、水深、航標歷史布設位置等復雜外部條件下的航標布設智能分析技術研究。通過航道水位、地形、維護尺度等邊界條件，結合航標布設歷史坐標數據，完成航道適航區域劃分與航標布設點位的輸出，并基于Mysql數據庫和Matlab GUI開發平臺，構建了適應于三峽庫區航標布設的分析系統平臺。

關鍵詞：航標布設;大數據;數據庫

中圖分類號：U644? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）10-0072-03

當今航運產業正處于尋求創新突破的發展跨越期，航運科技創新和服務創新能力的提升是長江航運科學發展的重要組成部分，也是推動長江航運可持續發展的關鍵動力。圍繞當前國際形勢和服務國家發展戰略，深度融合物聯網、云計算、大數據管理、新一代移動通信等現代信息技術，促進航運產業的集成化創新應用，并推進航運規劃管理的智能化轉型已經成為航運產業的主要發展方向。

目前，我國在航運智能化發展方面仍處于核心技術研發階段，大量實際生產環節仍然存在數字化水平偏低、智能化程度不高的現象，要實現真正的數字化航道以及智能航道，還有大量工作亟待開展。其中，航標作為服務于保障水上活動安全的助航設施，是內河航運安全的最根本保障，航道設施的信息化、航標布設及管理維護的智能化是航運智能化發展的重要支撐。但當前內河航標規劃布設及管理維護的智能化水平不高，如數字航道一般只能反映航標信息的動態特性，難以直接指導航標的布設。由于航標布設的影響因素過多，包括河床水位波動、不同河段不同時段的維護尺度存在差異等，均難以通過傳統數學模型進行分析，實際生產中航標的布設仍然采用傳統的經驗判斷和人為布置為主的方式進行。在此基礎上，航標布設的準確性與合理性主要依賴于現場設標人員或者技術人員的經驗判斷，并在移設標現場或者辦公場所通過數字航道平臺校核設標位置的準確性及合理性，存在工作效率低下和科學性不足等問題，制約了內河航道智能化水平及航運產業的發展，航標布設的智能化轉型升級亟待展開。

1 數據庫的構建

由于航標布設的影響因素復雜多樣，包括河床水位波動、水流情況復雜、不同河段不同時段的維護尺度存在差異等情況，本文基于水位、地形、航標布設歷史位置等航標布設必須考慮的邊界數據，構建航標布設平臺的數據庫。

基于MySQL數據庫，導入典型河段的地形、航道灘險分布、河段水位、流量、航道現狀、歷史航標布設位置點等基礎數據資料。

2 航標布設分析平臺構建

2.1基于matlab 的分析平臺搭建

（1）分析平臺總體架構。采用Matlab GUI平臺，本研究基于地理信息技術搭建了長江上游車亭磧至烏木樁水道的二維數字航道系統平臺。根據用戶需求與平臺的核心功能，系統總體架構包括數據感知、智慧層以及應用服務層3個層級。系統總體架構如圖2所示。

2.2航道沿程水深計算

航道沿程水深分布數據是確定航標布設方案的基礎，直接決定了航標布設的準確性及科學性。本研究針對轄區河段構建二維數學水流模型，結合河段具體的地形、流量、水位等數據計算河道沿程水深及速度場分布，豐富航標布設數據庫，為航標布設工作提供更為準確的邊界條件。

2.2.1建立平面二維水流數學模型

模型基本方程為：

2.2.2求解方法

本模型結合了水面縱橫向流速方程，并在橫向流速分布中考慮彎道曲率導致的二次流，為提高模型計算效率，在確保模型計算精度的前提下忽略次生二次流。模型水流模塊采用ADI法對控制方程有限差分法離散，除了連續方程中水位對時間偏導數項采用向前差分、以及動量方程中對流項采用一階迎風和中心差分格式組合外（QUICK格式），其余各項采用中心差分。

2.3航標布設方案輸出及自主校核

航標布設方案分析及輸出是本平臺的核心功能，該功能的實現主要基于航道沿程水深數據及相應維護水深，本研究通過開發不同河段、不同維護水深下的航道邊界快速生成算法得到任意維護水深下的有效航道邊界，進一步結合歷史航標配布里程數據和當前航標布設GPS坐標數據，完成具體河段航標布設坐標信息的自主輸出和自主校核，綜合考慮對當前航標的處理方式（保留、移位等）。

2.3.1不同維護水深下的航道邊界生成方法

為避免直接通過全河段航道等深線確定適航航道區域進而提取航道邊界的方式存在的適航區域不連通和離散的缺點。本研究在航道沿程水深分布計算的基礎上，進一步結合具體航道維護尺度提出了不同維護水深下的航道邊界生成方法。

該方法的主要思路是基于航道中心基準線和彎曲半徑等反映河道形態變化復雜程度的航道要素，沿中心線方向對河道進行河道形態自適應的橫斷面剖分（對轉彎半徑較大河段的劃分密度相應提高，提升程度與河道曲率呈正相關），進而得到各斷面河底形態。航道中心基準線的來源可通過船舶航行定位數據獲取，對于中短河段也可人工勾選錄入。通過計算維護水深線與河斷面交點和對計算得到的交點進行有效性判別，確定各斷面的有效航寬及邊界點，最終得到全河段的航道邊界離散結果。進一步，在計算得到沿程航道邊界離散點的基礎上，采用與航道中心基線提取相同方法，通過參數方程下的三次樣條插值得到有效航道邊界線和適航區連通域。本研究示范河段車亭磧——烏木樁水道的航道沿程水深分布、航道沿程自適應斷面劃分輸出如下圖所示：

2.3.2基于歷史航標數據的布設方案分析及校核方法

通過航道沿程水深計算和特定維護水深下的航道適航邊界提取，可以得到目標河段在該維護水深下的適航連通區域。在此基礎之上，結合航標歷史布設數據和水位信息，以當日實測水位為主要指標，通過分析平臺與航標布設數據庫的連接可以快速匹配提取對應水位下航標配布數量及其對應的具體航道里程，并以此作為分析平臺輸出方案中的設標里程。進一步結合該航道里程處的斷面地形、維護水深、當地水位，計算該里程斷面的具體設標位置，結果以GPS坐標形式進行輸出。

3 航標布設平臺功能

3.1全河段水深分布計算

勾選【要素計算】模塊下的【水深分布】復選框，主圖框會顯示研究河段的水深分布云圖。首先運用Delaunay三角剖分算法，將水深散點處理為非結構化三角網格。然后計算三角網格邊長，采用界定范圍的方法刪掉邊長太長的不合理網格，最后采用trisurf函數顯示水深分布云圖。

3.2河面流場計算

系統設置了河段速度場計算及顯示模塊，基于二維水流數學模型，將計算結果顯示到主圖框中。在【要素計算】面板中，勾選【流場分布】復選框，主圖框中會顯示流速矢量分布圖，流速最大值見左上角圖例。點擊【輸出】按鈕，系統將流場數據存儲在系統默認路徑（或者用戶自定義路徑）的‘流場數據.xls中。在主圖框中，單擊鼠標左鍵可查詢任意點位置的屬性信息，即位置X、Y，水深和流速。在鍵盤上按Esc鍵，可清除繪制的點，關閉屬性信息的顯示。

3.3標間最小連線水深計算

系統設置了標間最小連線水深計算模塊，采用Inpolygon函數判別多邊形區域邊緣內部或邊緣上的點的方法，實現目標區域的航標間縱向區間最小水深計算，檢驗航標布設的合理性。點擊【要素計算】模塊下的【繪制計算區域】按鍵，可在主圖框中單擊鼠標繪制目標計算區域，如圖中所示青色線段。勾選【最小水深】復選框，繪制目標區域的左右航標縱斷面水深分布圖，如圖8所示，以紅色圓點的形式顯示兩航標間最小水深。點擊【最小水深】右側的【輸出】按鈕，系統會以數據文件的形式存儲計算數據。

3.4目標區域最小彎曲半徑計算

在本系統中具體操作方式為：勾選【要素計算】模塊下的【最小彎曲半徑】復選框，主圖框會繪制目標區域內的航道中心線，并在右側文本框中顯示計算的區域最小彎曲半徑。

4 結論

本文基于航道智能化發展趨勢，結合三峽庫區航標布設工作實際需求，開展基于河床地形、水深、航標歷史布設位置等復雜外部條件下的航標布設智能分析技術研究，開發基于大數據的航標布設數據庫及分析平臺，實現航標布設方案的智能分析、輸出、存儲，對促進航標布設工作由經驗化向理論化的發展有積極作用。