內河智慧航道發展研究

李學祥

（長江航道局，湖北 武漢430010）

1 前言

內河航道是我國綜合立體交通運輸體系的重要組成部分，在內河水運發展中具有基礎性、先導性、服務性作用。截止2021年底，全國內河航道通航里程12.76萬公里，已成為實施“一帶一路”、交通強國、長江經濟帶等國家戰略實施的重要依托。近年來，交通運輸部加速推進現代信息技術與內河航道業務融合發展，已明確將智慧航道建設與應用作為下一步內河航道高質量發展的重點方向。2020年8月，《交通運輸部關于推動交通運輸領域新型基礎設施建設的指導意見》首次提出了智慧航道建設發展任務；2021年8月，交通運輸部印發的《交通運輸領域新型基礎設施建設行動方案（2021—2025年）》提出，將從提升航道運行保障、協同監管、綜合服務等能力方面推進智慧航道發展，并依托長江干線等高等級航道開展智慧航道建設；2021年11月，《交通運輸部關于加強“十四五”期全國航道養護與管理工作的意見》提出加快北斗系統、5G、大數據、人工智能、區塊鏈等信息技術與航道管養、通航建筑物運行調度等深度融合，逐步建立智慧航道服務體系。

順應智慧交通發展趨勢，按照“四橫四縱兩網”國家內河高等級航道網建設的總體要求，緊緊抓住信息技術飛速發展和內河水運高質量發展的歷史機遇，進一步厘清內河智慧航道的概念和內涵，梳理并研發內河智慧航道關鍵技術，對于加快推動內河數字航道更新換代、助推新一代航運系統發展具有重要意義。

2 主要發展進展及趨勢分析

2.1 主要發展進展

“十一五”期末，長江航道局啟動了長江南京至瀏河口段數字航道與智能航運建設示范工程建設，拉開了全國內河數字航道發展的大幕。“十二五”期，長江航道局提出了“遠程看、坐著管、走著用”的數字航道發展理念和“一圖在手、暢行長江”、“手掌上的航道、指尖上的服務”的電子航道圖發展理念，制定了“一圖一站三平臺一主六分七中心”的長江干線數字航道總體架構和實施方案。通過連續的技術研發、工程實踐、應用檢驗、成效評估，研建了生產業務系統、綜合業務系統、電子航道圖生產與服務系統、航道信息公共服務平臺等，構建了由門戶網站、廣播電臺、航行參考圖、航道直通車、長江航道在線、船舶終端、電子航道圖APP、微信、微博、服務接口等構成的多模式航道信息服務體系，長江數字航道實現了全線貫通、聯通運行、全面應用的跨越發展，完成了長江航道業務應用和公共服務的數字化轉型，長江營運船舶步入移動導航時代。下一步將從感知增強、數據賦能、業務協同、品質提升等方面推進智慧航道建設。除了長江干線以外，全國其他主要內河航道信息化也正蓬勃發展。

廣東省將按照“一中心、兩網絡、三平臺、N 可擴展的運調管養服場景”總體架構構建“智慧航道”，即建設一個航道大數據中心，完善航道感知終端網和通信網兩個網絡，構建電子航道圖支撐平臺、航道綜合運行監測平臺、航道通一體化服務平臺等三大平臺，重點建設船閘聯合調度系統、橋梁凈高監測及防撞預警系統等N 應用系統，并根據工作實際不斷擴展運調管養服場景。

京杭運河無錫段啟動了綠色現代航運綜合整治工程，其中的智慧航道工程將以航道外場感知設備、數據中臺、外場感知云、電子航道圖等為支撐，建設航道運行調度與監測服務系統；京杭運河江蘇段綠色現代航運綜合整治工程（江北段）智慧運河工程引入“長江方案”，按照長江電子航道圖統一標準建設蘇北運河全線475 公里電子航道圖，國內其他內河如贛江、信江、漢江、黑龍江等也在積極推進以電子航道圖為主體的航道信息化建設與應用。

上海市提出運用先進技術手段，建立航道河床、航標、水文、船舶流量等數據的收集、分析系統和公共服務平臺，并與其他相關部門實現航道、水文、氣象等相關數據的共享，與港政、航政等管理工作相結合，形成統一的航運信息化服務系統，以此來推進智慧航道建設。

浙江省交通運輸廳印發了《內河智慧航道建設導則（暫行）》，成為全國首個地方性內河智慧航道建設技術指導性文件，提出了航道管控決策科學化、精準化和服務管理人本化、特色化的發展理念和數字航道一張圖、視頻監控一幅畫、感知設施一張網、智慧服務多應用的發展目標，以此推進全省智慧航道建設。

江蘇省交通運輸廳發布了《江蘇省智慧航道外場感知設施建設技術指南（試行）》，成為國內首個智慧航道外場感知設施建設的指導性文件，聚焦航道外場設施智能感知框架和感知設施分級分類，對航道水面感知設施、航道水下感知設施、航道空中感知設施等干線航道外場立體空間智能感知體系各類感知設施的技術要求進行了規定。

江西省高等級航道事務中心將按照航道基礎設施數字化、航道管理精細化、航道養護專業化、航道運行高效化、航道服務優質化的目標理念，推進全省高等級航道高質量發展。

黑龍江省交通運輸廳啟動了《黑龍江省智慧航道發展研究》，旨在探索黑龍江省智慧航道建設的總體思路、發展原則、發展路徑，研究提出集航道監測、輔助決策、個性服務為一體的黑龍江省智慧航道系統的體系架構。

廈門港2022年整合了互聯網、物聯網、北斗定位、GIS 等技術研建了啟用智慧疏浚系統，遠程對航道疏浚施工全過程“實時采集、即時回放、適時分析、全時管控”，實現了全方位、全天候、無死角的高效監管，進一步助力航道疏浚維護向“精準化”邁進；南方智能提出立足“數字孿生”理念，融合北斗、三維GIS 等技術手段，建立三維智慧航道，促進航道智慧化發展。

2.2 發展趨勢分析

從當前長江干線、西江干線、京杭大運河等主要內河以及浙江省、江蘇省、廣東省、上海市、江西省等主要區域內河航道信息化發展案例及其進展，可以看出：

（1）從發展分布來看，目前智慧航道的研究和實踐探索主要集中在我國中東部水網發達地區，這些地區分布有世界上通航條件最復雜、運量最大、運輸最繁忙的高等級航道網，數字航道建設與應用比較成熟，具備發展智慧航道的客觀條件。

（2）從發展內容來看，因河流航道條件、自身發展基礎、航道業務職能等因素的不同，現有的實踐探索案例在具體內容、指標要求、支撐技術等方面也存在差異，但總體來看仍以多樣化的航道相關要素動靜態信息感知、電子航道圖建設與應用、航道養護管理業務數字化和航道信息服務平臺化為主體。

（3）從發展支撐來看，現有的實踐探索案例支撐技術主要有現代測繪技術、物聯網/互聯網技術以及大數據、云計算等地理信息技術，重點在航道條件數據獲取、航道數據組織管理、航道業務數字化應用和航道信息對外服務。

（4）從發展態勢來看，受信息技術飛速發展、內河水運綠色比較優勢、國家有關戰略政策規劃支持、內河航道高質量發展現實需要等內外有利因素影響，深入推進內河航道數字化、網絡化、智慧化、綠色化，既是系列國家戰略實施的必然要求，也是行業發展的必然趨勢，智慧航道發展是其中的應有之意、發展態勢迅猛。

（5）從發展趨勢來看，智慧航道代表了當前內河航道信息化發展的趨勢，是數字航道的高級發展階段，是內河水運發展高質量發展的現實需要，更耦合的總體架構、更透徹的航道感知、更豐富的數據利用、更便捷的業務應用、更高效的信息服務、更可靠的技術支撐、更健全的標準規范、更完備的運行機制仍是智慧航道發展主要的攻關方向。

（6）從發展成熟度來看，目前尚未有成熟、完整、被廣泛認可的內河智慧航道工程實踐案例，智慧航道也缺乏統一的概念和內涵認識，智慧航道研究與工程實踐仍處于探索階段，如何更好發揮數據賦能航道業務、如何更好促進航道業務協同應用、如何更好打造高品質航道公共服務對接新一代航運系統發展需要等仍需深入研究。

3 概念內涵和技術架構

全面總結全國內河數字航道發展歷程和建設、運行、應用的經驗，梳理總結全國主要河流智慧航道實踐探索的基本情況，參照交通運輸領域其他行業信息化發展的階段特征和內河航道信息化發展的趨勢，按照“服務為本、數據賦能、協同應用、智能服務”的原則，初步提出內河智慧航道發展的概念內涵和技術架構。

3.1 概念

內河智慧航道是智慧地球在水路交通運輸領域的延伸和發展，順應內河智慧航運協同化、一體化、服務化發展趨勢，面向航道基礎設施數字化、航道建設生態化、航道運行高效化、航道養護精細化、航道管理便捷化、航道服務優質化目標方向，綜合運用數字孿生、北斗、互聯網、大數據、云計算、區塊鏈、人工智能等技術和數字航道建設及應用成果，打造的新一代航道信息基礎設施、數據資源群和應用服務平臺系統，具有航道運行監測、研判決策、養護調度、綜合管理、公共服務等功能，充分發揮數據賦能航道高質量發展的作用，既為航道規劃決策、建設管理、運行監測、分析研判、養護調度、綜合管理、水上應急救助、控制河段船舶通行指揮、綜合服務等航道業務提供網絡化、平臺化、協同化智能應用，又為營運船舶等涉航涉水服務對象提供多樣化、便捷化、一體化的高品質航道服務。

3.2 內涵

（1）全面感知：綜合運用遙感、北斗等現代測繪技術和先進的物聯傳感網絡設施設備及水下探摸探測裝備，推進利用在航船舶動態感知信息，打造物聯化、空天地水立體航道感知網，實現對航標、水位、水流、水深、航道地形、洲灘岸線、整治建筑物、橋梁凈空尺度、航道維護船舶、控制河段船舶交通流等航道相關要素全要素、全天候、全周期的信息感知。

（2）可靠計算：綜合運用地理要素建模、異構通信網絡、數學模型、大數據等技術，打造多維多功能電子航道圖和廣泛互聯、同步映射、在線管控的數字孿生航道，實現多源異構海量航道相關要素數據即時處理、高效融合、快速整合、動態集成、可視呈現。

（3）智能決策：綜合運用水力學方法、數據挖掘、模式識別等技術，打造航道運行動態研判和預測預報預警平臺，實現航道運行動態變化過程可展現、可預測、可推演、可調控，以及航道養護調度、應急處置方案的自動生成。

（4）便捷應用：綜合運用移動網絡、移動終端、人工智能等技術，打造一體化、集成化的航道綜合業務應用平臺系統，實現泛在、全覆蓋、全協同、全迭代的航道規劃決策、建設管理、運行監測、分析研判、養護調度、綜合管理、水上應急救助、控制河段船舶通行指揮等業務應用。

（5）智慧服務：綜合運用地理信息服務、人工智能等技術，打造一體化、集成化的航道公共服務平臺，實現多端兼容、個性定制、自動匹配、精準高效的航道服務。

（6）機制完善：建立健全覆蓋內河智慧航道建設、運行、維護的標準規范、業務流程、規章制度和管理組織體系，實現智慧航道系統的穩定可靠運行和跨水系、跨區域、跨單位的互聯互通和動態集成。

3.3 技術架構

由內河智慧航道的內涵衍生出其關鍵技術方法主要有：面向數字孿生的內河航道要素全息信息建模方法、內河航道全要素空天地水立體感知技術、內河航道大數據快速處理與融合集成技術、內河航道運行狀態動態研判與預測預報預警技術、多維多功能內河電子航道圖生產與服務技術、內河航道業務應用和公共服務平臺構建技術、內河智慧航道運行成效評估方法與指標體系等。

內河智慧航道的總體架構可概括為一個立體感知網、一個大數據平臺、一張航道全息圖、一個數字孿生航道、一組智慧服務應用集（按需配置）及標準規范和政策制度體系、信息網絡和網絡安全體系、組織機構和運維保障體系、基礎設施和配套設備體系，總體架構圖如圖1所示：

圖1 內河智慧航道總體架構（服務應用場景和形式按需配置）

4 主要發展任務

4.1 完成內河智慧航道頂層設計

面向以“岸基駕控為主、船端值守為輔”為特征的新一代航運系統，深化內河智慧航道關鍵技術研發，研究設施裝備系統自主化和標準化的技術方案，建立內河智慧航道技術標準體系；優化航道地理信息模型、航道業務模型和航道公共服務模型和運行維護管理機制，重塑航道職業內涵；升級數字航道總體架構，提出內河智慧航道的數據資源總體規劃、通信網絡總體規劃、網絡安全總體規劃、平臺系統總體規劃等；建立內河智慧航道的成效評估方法和評估指標體系。

4.2 建成內河航道全要素立體感知網

深化水位、河床地形、航道尺度等要素時空演變規律認識；加快高精度北斗位置服務、星載/機載/船載/車載攝影測量與高清遙感、激光掃描、無人機、無人船等現代化測繪技術裝備的推廣應用；加快水文、工作船舶等內河航道要素數字化、物聯化改造，打造集信息感知、遠程監控、遠程診斷、外場服務等于一體的新型內河航道基礎設施，加快航標模塊化、數字化、物聯化、虛擬化建設；加快在航船舶感知等眾籌眾包技術推廣應用；在廣覆蓋的基礎上加快傳統內外層通信網絡的功能性能改造；完善以在線監測為主的內河航道全要素立體感知網，兼具立航道基礎設施長期性能科學觀測能力。

4.3 建立內河航道大數據平臺

建立適用于云網交互的內河航道大數據平臺，全面整理和整合航道歷史數據，動態整合航道在線數據和預測預報數據；強化航道地理對象多維模型數據生產和組織管理；按需動態集成船舶動態、沿江氣象、河流水文、河床地質、水資源、水生態、水環境等涉航涉水對象數據；實現基于時空數據庫的高效組織、有效管理、交換共享、安全應用，增強各層級航道大數據平臺交換共享的穩定性、可擴展性。

4.4 研建內河航道運行監測與預測預報預警平臺

基于內河航道多維數學模型和大數據分析方法，充分考慮內河航道條件的差異性，建立強大、完善、可靠的航道條件演變分析模型；充分利用內河航道全要素立體感知網和航道大數據平臺，研建內河航道運行監測與預測預報預警平臺，實現航道條件多維可視化、在線監測、動態研判、趨勢預測、自動預警等功能，并具備“交通運輸部、管理單位、一線單位”聯動能力，全面提升航道養護的預見性和航道服務的可靠性。

4.5 打造基于新一代電子航道圖的數字孿生航道

研建具備語音交換、服務定制、二三維聯動、水陸兼容、干支聯動、江海聯通、江湖貫通、多端兼容等功能的新一代電子航道圖，建設電子航道圖生產與服務系統；基于內河航道全要素立體感知網、多維多功能電子航道圖、航道條件演變分析模型等，構建面向航道規劃決策、建設管理、運行監測、分析研判、養護調度、綜合管理、水上應急救助、控制河段船舶通行指揮等不同應用場景的數字孿生航道。

4.6 構建航道“互聯網+云服務”智慧應用生態

強化業務應用系統的集成整合，按需打造“互聯網+”航道規劃決策、建設管理、運行監測、分析研判、養護調度、綜合管理、水上應急救助、控制河段船舶通行指揮等的協同應用環境，建立內容豐富、信息準確、模式多樣、方式靈活、全線統一、柔性響應的航道綜合服務新格局，面向港航企業、航運船舶、港航管理單位等內河涉航涉水相關單位提供及時、豐富、多樣化、可靠、高效的可定制智能航道服務。

5 研究展望

內河智慧航道的發展應按照循序漸進的過程，在實施路徑上應充分發揮政府引導、行業主推、院所主攻、市場主擔的作用。

（1）水路交通運輸主管部門應站在新一代航運系統整體發展的高度，堅定智慧航道的發展方向與趨勢，統籌考慮航道與船舶、港口、海事等的協同發展，加強政策規劃、技術研發、工程示范引導。

（2）各地航道養護管理單位應結合地域區位、資源稟賦、基礎條件、水運發展需求等實際，因地制宜制定智慧航道發展策略和應用場景內容，避免盲目趕超、貪大求全、低水平重復建設等。

（3）有關高等院校、科研事業單位和高新企業應形成產學研用合力，加快智慧航道關鍵技術的突破。

（4）長江干線等水運發達的高等級航道所在區域應先行先試、率先發展，以點帶面，及時開展有關技術成果融合應用和總結工程實踐經驗，發揮示范引領作用推動全國內河航道整體技術水平的穩步提升。