馬強(qiáng)華 ，陳水龍 ，王 強(qiáng)

（1.浙江數(shù)智交院科技股份有限公司，浙江 杭州 310030；2.杭州灣上虞經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)管理委員會，浙江 紹興 312369；3.杭州市公路與港航管理服務(wù)中心，浙江 杭州 310005）

0 引言

錢塘江流域是浙江北部經(jīng)濟(jì)最為發(fā)達(dá)的地區(qū)，水運(yùn)貨運(yùn)需求旺盛，建設(shè)出海通道的意愿強(qiáng)烈，但受錢塘江口獨(dú)特的水文泥沙條件限制，尚未有建設(shè)常規(guī)型作業(yè)碼頭的成功案例。碼頭前沿的水深、進(jìn)出港航道、碼頭作業(yè)方式這三要素，是錢塘江南岸碼頭建設(shè)必須解決的難題。本文通過研究水文監(jiān)測預(yù)報(bào)、航道水深地形測量和更新等技術(shù)，利用智慧化方式，提高通航保證率，增強(qiáng)船舶安全保障，為工程建設(shè)和運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

1 研究背景

紹興港上虞杭州灣港區(qū)位于錢塘江河口尖山河灣南岸上虞、余姚交界處，系典型的游蕩型河流[1]，工程水域潮強(qiáng)流急，涌潮洶涌且河勢復(fù)雜、灘槽擺動較為頻繁，給船舶通航及作業(yè)安全帶來了極大的挑戰(zhàn)?；谇捌趯こ虆^(qū)域潮汐、潮流、涌潮和航道穩(wěn)定性的研究分析，影響上虞杭州灣港區(qū)船舶通航和碼頭調(diào)度作業(yè)的主要問題包括潮差大，水深不穩(wěn)定，涌潮洶涌、流態(tài)復(fù)雜，涌潮初期流速大，航槽擺動頻繁等。

(1)高潮差。錢塘江河口是著名的強(qiáng)潮水域，澉浦實(shí)測最大潮差達(dá)9.15m（2018 年8 月13 日），多年平均潮差達(dá)5.66m。2019 年上虞港年平均潮差6.07m，平均高潮位4.05m，平均低潮位2.02m。以2019 年10 月1 日大潮為例，高潮位6.26m，低潮位僅-1.63m，潮差達(dá)到7.89m。

(2)水域涌浪大、流態(tài)復(fù)雜。隨著錢塘江河口治理的推進(jìn)，河口逐漸下移，涌潮起潮點(diǎn)也在下移。當(dāng)前尖山河段南岸涌潮強(qiáng)潮逐漸增強(qiáng)，工程水域是錢塘江涌潮的形成和發(fā)展區(qū)，在該水域的涌潮高度可達(dá)1～2m。大潮期，涌潮洶涌，碼頭局部水域涌浪大。涌潮遇到碼頭樁基等構(gòu)筑物，會形成反射，造成局部水域涌浪大、流態(tài)復(fù)雜，船舶泊穩(wěn)難度大，易走錨傾覆，安全作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高。

(3)水流流速大。工程水域潮流強(qiáng)勁，涌潮過后即為快水，多年10 月平均漲、落潮最大流速分別為2.78m/s 和2.35m/s，2010 年10 月實(shí)測最大垂線平均流速達(dá)4.44m/s。高流速下，尤其是局部航段有大橫流的情況下會導(dǎo)致船舶航行和作業(yè)難度大，風(fēng)險(xiǎn)高。

航槽擺動頻繁。錢塘江河口河床沖淤幅度大，主槽擺動頻繁，深泓線游蕩頻繁，如圖1 所示，難以選擇固定航道。同時(shí)，由于錢塘江河口含沙量高，水域疏浚后回淤迅速，難以通過疏浚來維護(hù)航道水深。

2 碼頭運(yùn)營模式

針對上虞杭州灣港區(qū)船舶航行和作業(yè)主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，結(jié)合以往研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定上虞液體化工碼頭作業(yè)原則為“三乘、三避”[2-3]，即“乘潮進(jìn)港、乘潮作業(yè)、乘潮出港，避涌潮、避快水、避低潮位”。此外，為保障船舶通航作業(yè)安全，提高通航保證率和碼頭作業(yè)效率，確定“三固定、三為主”的運(yùn)營方式，即“固定航線、相對固定的船舶、相對固定的船員，以卸為主、以自卸為主、以液體散貨重件等貨源為主”。其中，固定航線主要為嘉興港—上虞港、鎮(zhèn)海港—上虞港、舟山港—上虞港。

結(jié)合碼頭“三乘、三避”的原則和“三固定、三為主”的運(yùn)營方式，對船舶安全及智慧航道建設(shè)的主要功能需求包括：水深地形監(jiān)測、更新與數(shù)字化；航道航行條件的安全監(jiān)控管理；船舶航行過程中的安全助航；港區(qū)調(diào)度與安全生產(chǎn)管理以及綜合智慧化管控平臺建設(shè)等。

3 建設(shè)方案總體架構(gòu)

本工程基于“監(jiān)測-預(yù)報(bào)-決策-管理”一體化思路，實(shí)現(xiàn)紹興港上虞杭州灣港區(qū)船舶安全及智慧航道建設(shè)的“信息感知-信息處理-決策-調(diào)度管理”。本系統(tǒng)自下而上分為設(shè)施層、感知層、數(shù)據(jù)層、支撐層、應(yīng)用層、展現(xiàn)層、用戶層，總體框架如圖2 所示。通過水文、氣象、地形觀測以及港口、船舶、作業(yè)等物聯(lián)網(wǎng)感知體系，結(jié)合潮位、涌潮、風(fēng)浪和風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)預(yù)警體系，智慧航道和船舶作業(yè)調(diào)度數(shù)字化體系，再結(jié)合制度保障體系，提高船舶通航保證率和應(yīng)急處理能力，保障船舶通航和作業(yè)安全。

（1）設(shè)施層包括主機(jī)及存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備、防雷接地設(shè)備等，并對資源進(jìn)行有效監(jiān)控，提供彈性計(jì)算、負(fù)載均衡、動態(tài)遷移、按需供給、自動化部署等功能。

（2）感知層包括全景攝像機(jī)、遠(yuǎn)程瞭望攝像、AIS、VHF、雷達(dá)、水位站、流速儀、氣象站等外場感知設(shè)備，實(shí)現(xiàn)航道全要素智能立體感知。

（3）數(shù)據(jù)資源層包括業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、地理信息數(shù)據(jù)庫、視頻數(shù)據(jù)庫、元數(shù)據(jù)庫、日志數(shù)據(jù)庫，并基于基礎(chǔ)設(shè)施層提供的基礎(chǔ)軟硬件支撐，提供數(shù)據(jù)采集、處理、標(biāo)準(zhǔn)化、聚合并最終形成數(shù)據(jù)服務(wù)。

（4）支撐層包括電子航道圖系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)平臺、數(shù)字孿生基礎(chǔ)平臺、視頻管理平臺、船舶智能導(dǎo)航模型、無人船、無人機(jī)管理平臺，基于基礎(chǔ)設(shè)施層提供統(tǒng)一的平臺化系統(tǒng)軟件支撐及數(shù)據(jù)資源層提供數(shù)據(jù)處理服務(wù)。

（5）應(yīng)用層包括船舶導(dǎo)助航系統(tǒng)、航道與船舶安全智能管控系統(tǒng)、數(shù)字孿生航道系統(tǒng)，船舶導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)航道圖基本顯示及定位，航次作業(yè)管理、船舶航行管理、用戶信息管理；航道與船舶安全智能管控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通航環(huán)境管理、視頻監(jiān)控、船舶航行管理、船舶調(diào)度管理、碼頭作業(yè)管理、港航運(yùn)行態(tài)勢分析；數(shù)字孿生航道系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)航道要素監(jiān)測、船舶航行動態(tài)仿真、港區(qū)作業(yè)動態(tài)仿真、錢塘江涌潮動態(tài)仿真功能。

（6）展現(xiàn)層是用戶通過手機(jī)、電腦、大屏等終端進(jìn)入智慧航道及導(dǎo)航應(yīng)用等系統(tǒng)入口。

（7）用戶層包括港航管理部門、海事執(zhí)法部門、港區(qū)調(diào)度、管理人員、固定航線船舶船員等。

4 應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

4.1 電子航道圖系統(tǒng)

4.1.1 數(shù)據(jù)采集對象

本系統(tǒng)針對航道水下地形與水位頻繁變化及更新需求，擬定了通過多種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采用雷達(dá)、無人機(jī)、水情監(jiān)測、智能無人船、巡邏艇等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)航道地形、水位的動態(tài)采集。

（1）雷達(dá)遙測

充分利用工程水域潮差大、低水位低的水文特點(diǎn)，研究雷達(dá)等技術(shù)低潮位掃測灘涂水面線，通過遙感圖層影影疊加，實(shí)現(xiàn)淺灘范圍注記。

（2）無人機(jī)觀測

本系統(tǒng)擬采用無人機(jī)技術(shù)，在低水位時(shí)對航道要素進(jìn)行空中采集，以及時(shí)對洲灘、礙航物等易導(dǎo)致船舶擱淺要素進(jìn)行注記標(biāo)記，預(yù)警提示，無人機(jī)監(jiān)測頻率暫定為每天一次。

收集無人機(jī)巡檢拍攝的洲灘視頻、正射影像圖、照片等，形成洲灘生成720 度全景照片。建立洲灘邊界、面積分析模型，正射影像圖通過地圖坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將洲灘信息及時(shí)更新到電子海圖系統(tǒng)中，利用洲灘歷史正射影像圖和現(xiàn)實(shí)正射影像圖進(jìn)行比對分析，實(shí)現(xiàn)洲灘監(jiān)測報(bào)警。

通過洲灘要素電子海圖顯示、洲灘點(diǎn)位位置列表形式（儲存洲灘名稱、發(fā)現(xiàn)時(shí)間、位置、面積等）為航道輔助規(guī)劃、船舶安全導(dǎo)航提供支持。

（3）無人船巡檢

利用無人船技術(shù)實(shí)現(xiàn)對航道水下地形等航道要素進(jìn)行監(jiān)測，重點(diǎn)是對進(jìn)出港航道深槽演變監(jiān)測。

利用無人船對航道水下地形進(jìn)行測量，收集水深離散點(diǎn)數(shù)據(jù)，生成航道水下地形監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)航道水下地形監(jiān)測。獲取航道水深數(shù)據(jù)后，通過電子航道圖發(fā)布更新航槽水深信息。

（4）巡邏船巡查

采用巡邏船巡查方式，工作人員定期在固定航線上巡查，標(biāo)注淺灘、礙航物等異常信息，通過電子海圖編輯發(fā)布異常信息。

4.1.2 航道圖更新維護(hù)

為達(dá)到航道圖及時(shí)更新要求，擬通過以下手段實(shí)現(xiàn)電子航道圖的及時(shí)更新：

（1）通過向航海保障和海圖發(fā)行部門申請，可進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)海圖的修正，本方案設(shè)計(jì)在每次常規(guī)測量后，向有關(guān)部門申請航道地形在電子海圖上的更新。發(fā)現(xiàn)淺灘、礙航物等異常狀況時(shí)，及時(shí)向航海保障和海圖發(fā)行部門申請進(jìn)行海圖修正。

（2）同步采用自行研發(fā)的船載智能導(dǎo)助航系統(tǒng)及工程區(qū)域電子航道圖系統(tǒng)，自行及時(shí)更新電子航道圖系統(tǒng)航道地形數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)更新規(guī)劃

1)電子航道圖系統(tǒng)更新

對于常規(guī)方式采集的航道水深數(shù)據(jù)，通過電子海圖系統(tǒng)進(jìn)行每日更新，發(fā)布到船舶智能導(dǎo)助航系統(tǒng)和航道、船舶安全智能管控系統(tǒng)等。

2)公開電子海圖更新

以月度為周期，測量固定航線水深數(shù)據(jù)。經(jīng)編輯處理，提交海事相關(guān)部門，對公開發(fā)行電子航道圖進(jìn)行改正。本項(xiàng)目方案對固定航線全線進(jìn)行測量，寬度不小于航道設(shè)計(jì)寬度。

3)數(shù)據(jù)更新頻率

依據(jù)長期航道觀測資料，總結(jié)分析年內(nèi)航道變遷規(guī)律，運(yùn)營過程中，依據(jù)航行需求適當(dāng)調(diào)整常規(guī)航道水深監(jiān)測頻率。同時(shí)制定航道應(yīng)急測量方案，在大洪水、風(fēng)暴潮或航道突變時(shí)期進(jìn)行應(yīng)急測量。

4.2 航道與船舶安全智能管控系統(tǒng)

基于業(yè)務(wù)需求，利用上述技術(shù)，航道與船舶安全智能管控系統(tǒng)建設(shè)主要實(shí)現(xiàn)的功能包括通航環(huán)境管理、視頻監(jiān)控管理、船舶航行、調(diào)度、碼頭作業(yè)管理、港航運(yùn)行態(tài)勢分析功能。

系統(tǒng)接入電子航道圖、航線、碼頭、船舶、潮汐預(yù)報(bào)、潮位及潮流監(jiān)測、碼頭作業(yè)等數(shù)據(jù)，通過后臺計(jì)算，提供以下具體功能：

（1）提供精確的潮汐、涌潮、波浪預(yù)報(bào)結(jié)果，高、低潮位時(shí)間精度0.5h，涌潮潮到時(shí)間精度±10min；潮位和波高精度誤差10%以內(nèi)。

（2）提供精確的作業(yè)時(shí)間窗口，時(shí)間精度±10min，提供每次作業(yè)時(shí)間倒計(jì)時(shí)，每個倒計(jì)整點(diǎn)時(shí)刻，發(fā)出提示信息，倒計(jì)時(shí)30min 發(fā)出預(yù)警。

（3）提供精確的氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、降水、氣壓、能見度。

（4）為每一次船舶航行提供最佳航線推薦（原理是根據(jù)及時(shí)更新的航道圖和潮汐、潮位、氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時(shí)修正航線）。

4.3 船舶智能導(dǎo)助航系統(tǒng)

船舶智能導(dǎo)助航系統(tǒng)以手機(jī)App 應(yīng)用形式，面向本港區(qū)固定航線船舶用戶提供航道導(dǎo)航安全服務(wù)，其主要功能包括基礎(chǔ)服務(wù)、航次作業(yè)管理、導(dǎo)航功能和用戶管理相關(guān)功能。

設(shè)備外接或內(nèi)置AIS/GPS、數(shù)字雷達(dá)模塊，能夠接收及顯示數(shù)字雷達(dá)、AIS 信號，實(shí)現(xiàn)周圍船舶監(jiān)控和船舶避碰報(bào)警；利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)航標(biāo)、水位、可視距離、可航水深、航道動態(tài)信息的接收以及電子航道圖數(shù)據(jù)更新下載；支持聯(lián)網(wǎng)/脫網(wǎng)模式。

4.4 數(shù)字孿生航道系統(tǒng)

數(shù)字孿生航道系統(tǒng)是在網(wǎng)絡(luò)數(shù)字空間再造一個與現(xiàn)實(shí)物理航道匹配對應(yīng)的數(shù)字航道，通過構(gòu)建物理航道與數(shù)字航道一一對應(yīng)、協(xié)同交互、智能操控的復(fù)雜系統(tǒng)，使其與物理航道平行運(yùn)轉(zhuǎn)，通過虛擬服務(wù)現(xiàn)實(shí)，數(shù)據(jù)驅(qū)動治理，智能定義一切等運(yùn)行機(jī)制，實(shí)現(xiàn)航道全要素?cái)?shù)字化和虛擬化、全狀態(tài)實(shí)時(shí)化和可視化、運(yùn)營管理協(xié)同化和智能化，形成物理維度上的實(shí)體世界和信息維度上的虛擬世界同生共存、虛實(shí)交融的智慧航道發(fā)展新模式。

數(shù)據(jù)孿生航道系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）建立航道及周邊地形地貌、環(huán)境特征、航道要素、船舶數(shù)字孿生體，為船舶賦予實(shí)時(shí)的時(shí)空位置和運(yùn)動姿態(tài)。

（2）航道全周期整體運(yùn)行態(tài)勢仿真，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動航道整體運(yùn)行態(tài)勢秒級調(diào)度還原。

（3）航道全體量監(jiān)測設(shè)備態(tài)勢感知，接入各類監(jiān)測、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)處理及可視化。

5 結(jié)語

智慧航道方案實(shí)施后，紹興港上虞杭州灣港區(qū)可實(shí)現(xiàn)航道要素全面數(shù)字化、航道運(yùn)行全面感知、船岸之間高效通訊和船舶安全智能導(dǎo)航助航，助力紹興上虞杭州灣港區(qū)打造成為現(xiàn)代化智慧型港口[4-5]，生產(chǎn)運(yùn)行效率和安全管控水平得到全面提升。