京杭運河智慧航運建設方案研究

童 劍

(京杭運河江蘇省交通運輸廳蘇北航務管理處，淮安 223002)

京杭運河北起北京，南至杭州，全長1 797 km，是國家水運主通道之一；全年通航里程877 km，其中江蘇段687 km，占全線通航里程的78%。以長江為界，京杭運河江蘇段分為蘇北運河和蘇南運河兩段，其中蘇北運河里程475 km，全線為二級航道，共有船閘11座、跨河橋梁114座；蘇南運河里程212 km，全線為三級航道，共有船閘1座、跨航橋梁141座。

內河航運是江蘇省經濟發展的重要支柱，內河貨運量約占全省綜合貨運量的1/3，貨運周轉量約占全省綜合貨運周轉量的一半。近年來，京杭運河江北段先后開展了多項信息化應用技術研究，如《蘇北運河綠色現代航運示范區建設(智慧運河-智慧航道項目)設計》《京杭運河智能航運建設技術研究及應用示范》等，在一定程度上提升了京杭運河的信息化建設水平與航務管理效率，保障了京杭運河的通航安全。但是，京杭運河信息化建設缺乏統籌規劃，導致江蘇省交通運輸廳港航中心、航務管理處、海事執法等多部門重復建設，各單位或部門之間數據不能共享，形成數據孤島，成為限制京杭運河高質量發展的短板。因此，為推進京杭運河高質量發展，急需對其信息化建設進行統籌考慮，加強頂層規劃，明確智慧航運的建設目標與建設計劃，有序推進京杭運河現代化、智慧化建設步伐。

1 航運信息化發展現狀

1.1 京杭運河信息化建設成效

隨著“云大物移智” (云計算、大數據、物聯網、移動互聯網、智慧城市)等先進技術的發展應用及船舶大型化發展趨勢，京杭運河的船閘通行效率、船舶船民服務、船閘運行安全急需進一步提升。為此，京杭運河加快推進信息化、智慧化建設步伐，依托于蘇北運河航道“三改二”信息化工程，完成了沿線光纜鋪設、光傳輸網絡和數據中心建設，建成了蘇北運河航閘智能運行系統，開發了“船訊通”軟件；全面推行智能調度，實現對蘇北運河航道、船閘、船舶全過程、全方位、及時準確的動態監管，并在內河水運領域率先開啟了“互聯網+航運”過閘新模式，提升了船閘通行能力和服務水平。同時，建立了養護管理信息化系統，實現由傳統人工巡檢向計算機智能診斷發展，為加快推進京杭運河航道現代化建設提供了有力支撐。

1.2 京杭運河信息化存在的不足

與長江、珠江等內河航道相比，京杭運河存在數字化程度不高、船閘智慧化程度不強、服務保障手段不足、信息化共享水平不高等問題。長江航道與珠江航道已經完成了全線電子航道圖建設，而京杭運河航道尚未形成完整的電子航道圖系統，面對內河航運高質量發展帶來的重大變化和轉型升級時，在一定程度上成為制約發展的“短板”。因此，京杭運河迫切需要緊跟內河航道信息化、數字化發展形勢，大力推進“智慧航道”建設。

1.3 航運信息化建設發展形勢

為加快現代信息、人工智能等高新技術與航運要素的深度融合，交通運輸部等各部委先后發布了《智能航運發展指導意見》《數字交通發展規劃綱要》《推進綜合交通運輸大數據發展行動綱要(2020—2025年)》等，不僅為智能航運發展指明了方向，而且明確了智能航運的建設目標與發展重點[1]。結合國家政策與行業發展要求，2020年4月，江蘇省委、省政府印發的《交通強國江蘇方案》中提出打造航運特色鮮明的大運河文化帶樣板；重點建設京杭大運河綠色航運示范區是交通強國建設江蘇十大樣板之一。

國家層面與江蘇省層面的上位政策為智慧航運發展提供了良好的機遇，京杭運河應緊抓時代發展機遇，依托于智慧運河項目建設，以智能航運發展意見為指導，積極落實上位政策要求，將京杭運河打造成綠色、高效、人文、智慧的現代化運河。

2 數字航道與智慧航運

2.1 數字航道

數字航道將利用新一代的感知-傳輸-分析-應用技術體系，運用物聯網、大數據、云計算等現代技術手段，促進航道業務職能和運輸服務功能數字化、信息化、智能化，全面提升航道設施建設、維護、管理及運輸服務能力[2]。

2.2 智能航運

智能航運基于數字航道建設，通過航道全要素數字化、智能化管理平臺和航道要素感知采集系統對航道生產任務、航道維護的相關物資、航道維護人員、工作船舶等進行管理，實現航運活動的智慧化[3]。

數字航道與智能航運相輔相成、相互支撐，數字航道建設是基礎，智能航運是目標。通過業務融合、共建共享、綜合應用，實現基礎設施數字化，數據采集、管控、服務類大數據應用能力持續提升，人工智能、移動互聯網應用與行業業務深度融合，基本實現京杭運河船閘智慧化運行、航閘智能化養護、公眾智慧化服務，使得行業管理效能顯著改善，公眾服務品質大幅提升[4]。

3 智慧航運總體框架

3.1 智能航運建設總體思路

通過對“十三五”期間京杭運河航道信息化、數字化建設成果的總結，以及對目前存在的業務問題及原因的分析，把握京杭運河智慧航道設計的現狀條件，在此基礎上分析京杭運河智慧航道建設的實際需求，梳理形成總體設計方案。通過對建設任務的逐層分解，按照“3+1”的總體架構，對智慧船閘、數字航道、服務決策和支撐平臺分別開展分項設計。其中，包含應用系統功能、相關數據及對應終端系統的設計，通過調研準確收集需求，面對業務問題提出有針對性的解決方案，并將5G、北斗衛星導航系統及無人機等應用場景設計融入應用系統方案中[5]。

3.2 智能航運建設總體框架

本文圍繞京杭運河具體業務，結合未來發展趨勢，提出京杭運河智慧航運總體架構[6]，總體可分為6個層次，歸并為4大類建設內容，京杭運河智慧航運總體架構示意如圖1所示，圖中，AIS為船舶自動識別系統，VHF為甚高頻無線電波。

圖1 京杭運河智慧航運總體架構示意

(1) 終端設備感知層。終端設備感知層包括用于感知監測航道水位、水文、氣象、船閘設備健康狀況、機電設備、AIS基站、導助航、便民生活以及用于多種用途的視頻監控終端、無人機終端等。

(2) 基礎支撐層。基礎支撐層包括用于部署和支持應用支撐層、數據支撐層、應用支撐層運行的軟硬件基礎設施，如計算機資源、存儲資源、備份資源、光纖通信網、4G/5G移動公網等網絡系統、安全系統。

(3) 數據支撐層。數據支撐層主要由系統運行所需要的數據資源，以及對數據資源進行全面管理的數據交換平臺組成。

(4) 應用支撐層。應用支撐層由多個應用系統都需要的基礎性、通用性軟件組成，主要是電子航道圖服務、三維全景服務。

(5) 業務應用層。業務應用層根據功能需求分析，搭建智慧船閘運行平臺、數字航道管理平臺、服務決策分析平臺，為實現船舶快速安全過閘、船閘自動控制與遠程集中控制、管理者科學決策提供支撐。

(6) 展現層。展現層負責各類業務應用系統最終的展現，需要支持多種展現方式，包括PC(個人計算機)端統一門戶、App移動端展示、公眾號信息發布、調度指揮顯示大屏，手持調度終端等多種形式的數據展現。

4 智慧航運建設方案

4.1 智慧航運建設原則

為保證智慧航運建設方案能夠指導后期建設及滿足應用軟件開發要求，需要遵循需求引領、注重服務、適度超前，打造標桿、整合資源，規范有序的原則。總體建設方案應針對當前京杭運河在船閘調度、航道運行監測與養護、公共信息服務和輔助決策支持等方面存在的實際業務問題，緊貼業務需求，滿足船民船企對航道安全、暢通的基本需求。同時充分考慮當前新技術的發展方向，將北斗衛星導航系統、5G通信、BIM(建筑信息模型)、人工智能、區塊鏈等技術手段與船閘控制系統、航標、船載設備、岸基終端、業務應用系統等進行深入融合，形成創新性的亮點應用場景[7]。此外，為確保智慧航運建設方案各項建設內容之間順利銜接，需整合現有的資源，充分考慮已有系統升級改造、新建或新系統開發，做到融合共建。

4.2 智慧船閘建設方案

4.2.1 優化船閘聯動調度管理

優化梯級船閘調度，實現區域調度和干支聯動，進一步提升運河通行能力：①進行京杭運河航閘智能運行系統升級，對船閘調度核心算法進行優化，使得船閘調度更科學、更智慧；②通過與支線船閘的數據共享，實行京杭運河干支線船閘調度聯動，實現船舶航線規劃區域分流，提高干支線航道利用率;③結合事業機構改革，進行管理機制和運行模式創新，實行區域集中調度，通過“流程再造”實現一次申報、集中調度、統一服務，從“放閘”到“管河”理念上進行轉變，加強船閘間協同性，提升整體通行能力；④進行“江河海”聯運模式的研究，通過手機導航與智能系統無縫對接實現過閘時間精準化服務，實行限期過閘，開啟水路轉運新模式。

4.2.2 船閘控制系統升級改造

完善船閘控制系統，通過精準控制和數據感知，實現船閘少人值守智慧化運行。結合劉老澗智慧船閘建設經驗，按照統一模式、統一標準對京杭運河船閘控制系統進行全面改造和完善，通過水位計、流速儀等感知設備參與運行控制，實現船閘運行精準控制，提高運行效率，同時采用視頻分析技術，實現視頻聯動與控制系統關聯，確保現場運行安全；在此基礎上，進行船閘運行數據的感知和匯聚，進行船閘運行在線監測和預警，增強船閘運行感知能力，實現船閘在人工微干預下自動運行，為區域集中調度做支撐。

4.3 數字航道建設方案

4.3.1 拓展電子航道圖應用

依托電子航道圖建設，實現航道數字化管理，為行業應用提供可視化展現平臺。繼續推進京杭運河電子航道圖建設，按照《江蘇省內河航道電子航道生產建設項目說明標準》，完成京杭運河揚州段電子航道圖制作，實現電子航道圖與GIS(地理信息系統)、影像、實景、BIM融合和展現，實現“一張圖”綜合管理，同時，深化電子航道圖應用，根據行業應用需求用京杭運河電子航道圖生成航閘養護、綜合服務、船舶助航服務專題“三張圖”，為航道、船舶智慧化管理提供支撐，為公眾提供服務[8]。

4.3.2 實現航道全要素感知

提升航道感知能力，加強數據分析利用，實現航道、船舶智慧化管理。推進航道感知網建設，加強對航道、船舶感知數據綜合利用，通過對船舶位置信息分析，實現船舶停靠的智慧化管理，實現航道密度分析和待閘預測，為船閘智能調度提供支撐，提高通航保暢的能力；通過航道要素感知和匯聚，實現航閘設施在線監測和預警，提高航道保障能力；利用水下地形數據實時再現河床斷面演變情況，通過沖淤決策分析為航道養護決策提供數據支撐，提高航道養護能力，全面提升航道、船舶智慧化管理水平。

4.4 服務決策建設方案

4.4.1 提升船民船期服務

開展手機導航研究，實現船舶過閘精確導航，為船民提供智慧化過閘服務。繼續完善船訊通服務功能，從傳統的數據、文字向圖形、語音方面轉變，以京杭運河電子航道圖為支撐，開展船舶過閘手機導航研究，實現船舶全航程可視化輔助航行，提供待閘區、錨地、禁停區域等智慧管理服務，提供船舶偏離航道、接近危險點等航行預警服務，提供基于船閘智能調度面向船舶過閘全過程的交互式智慧導航服務，進一步提升京杭運河船舶航行的智慧化水平。

4.4.2 推進航運大數據治理

信息化驅動業務管理，大數據助推決策服務，全面提升智慧化服務水平。通過服務窗口前移，將現有航閘業務由線下轉移到線上運行，提供公平、透明、便捷的服務環境，并通過應用系統業務數據的積累、感知數據的匯聚，利用大數據分析，為管理者提供宏觀層面的科學決策和集中展示，提供船閘現場調度指揮、航道擁堵疏通指揮、突發情況的應急指揮等多種管理模式，為船員提供過閘、航行及水運相關的信息服務，向涉水企業、社會公眾公開船閘運行信息，為政府及上級部門提供相應數據報表，為地方經濟發展提供參考依據。

4.5 支撐平臺建設方案

在原有一網、一圖、一庫基礎上，繼續推進基礎平臺升級，圍繞業務需求，實施京杭運河光傳輸網改造，進行數據庫整合與規劃完善，實現行業數據共享，進一步加強信息安全和網絡安全建設，為業務系統運行和使用提供所需的支撐和保障。

5 結語

京杭運河智慧航運是一項復雜的系統工程，涉及外場施工、系統集成、軟件開發等實施內容。一方面，智慧船閘、數字航道、決策服務、支撐平臺的建設方案要形成一個整體，既要滿足業務功能要求，又要實現相關業務協同和綜合展現；另一方面，也要避免分塊實施帶來缺項漏項或重復建設的風險，因此，需要對京杭運河智慧航運系統工程進行專項設計，統籌建設內容，確保實現目標一致和建設有序。