基于一體化運行管理的航道數字化建設方案研究

張楊，陳冬

（1.宿遷市港航事業發展中心，江蘇 宿遷 223800；2.華設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014）

1 概述

在新型交通基礎設施建設的背景下，國家對交通基礎設施發展提出明確的現代化、高質量要求，對航道基礎設施而言，一方面針對航道“運、管、養”等業務，提出了一體化運行管理的建設目標；另一方面結合新時代下交通強國國家戰略及智慧航運發展要求，提出了業務智能化的建設需求。實現基于一體化運行管理的智慧航道，首先需要解決的就是航道的數字化問題，即根據航道一體化運行管理功能需求，形成航道全要素動態感知網絡，讓航道“啞設施”具備多維監測、智能網聯、精準管控、協同服務能力；同時建設三維可視化平臺，實現對物理設施的三維數字化呈現，以數字化支撐一體化、智能化的航道運行管理業務。

2 航道一體化運行管理功能需求

根據航閘管理單位保障航運安全、提高航運效率、提升服務質量、增強應急處置能力、提高運維養護效率的職責，航道一體化運行管理需求主要包括航道動態監測管理、智能化運行調度、智能過閘安全管理、船閘遠程集中控制、智能設備設施管理及智能運行分析決策。

（1）航道動態監測。航道動態監測是在航道水文、氣象環境、航標、船舶運行狀態感知的基礎上，通過可視化、智能化的技術手段，對航道、待泊區以及助航設施進行監測管理，營造安全有序的通航環境。

（2）智能化調度。智能化調度主要是對船舶從來閘報到到船舶出閘整個過程進行科學合理的安排，包括對船舶實施管制、安排船舶登記繳費、安排船舶分隊進閘、確定過閘船舶組合、安排船舶進閘、安排船舶出閘等。

（3）智能過閘安全監管。智能過閘安全監管是利用人工智能技術實現船舶過閘安全管理的智能化提升，包括船舶身份尺寸稽查復核、危化品船舶檢測、船舶超高檢測、吃水超限檢測、超船閘安全警戒線檢測、系纜安全檢測、閘門對中檢測、閘門上方行人檢測等。

（4）船閘遠程集中控制。船閘遠程集中控制是在運調中心對全部船閘進行遠程實時監測、監視和控制，實現在運調中心對各船閘相關設備的遠程集中控制。

（5）智能設備設施管理。智能設備設施管理是對航閘設施運行情況進行在線監測，對設備設施故障問題能夠自動發現和預警，提供分析決策服務；對航閘歷史運行數據開展大數據分析，建立相應模型，實現航閘關鍵設備設施的預防性養護。

（6）智能運行分析決策。智能運行分析決策針對航閘運行建立分析指標，開展航道運行態勢分析、過閘船舶分析、船閘調度分析、設備設施運行分析，建立待閘船舶數量、過閘時間等預測模型，為航道養護、船閘調度等業務提供決策支持。

圖1 航道一體化運行管理功能模塊

3 航道全要素動態感知方案

根據航道智能安全管理、智能調度、智能養護管理等功能需求，智慧航道感知對象主要分為三類，即航閘設施設備的信息、航道環境的信息及船舶動態的信息。

3.1 航閘設施設備的信息

閘、閥門狀態需要感知的內容包括閘閥門設備狀態數據，包括閘門振動、閘門開度、閘門對中情況、閥門開度等；啟閉機設備狀態需要感知的內容包括啟閉機油溫、液位、壓力、流量、電流、電壓、閥件等運行狀態；電氣控制設備狀態需要感知的內容主要包括工業控制網絡狀態、PLC 設備運行狀態等。

助航設施狀態需要感知的內容包括航標狀態及預警信息等。

3.2 航道環境的信息

對航道水文的感知內容包括閘室內外水位、流速等信息；對航道氣象的感知內容包括氣壓、氣溫、相對濕度、風向、風速、降水量等信息。

3.3 船舶的信息

對船舶動態的感知內容主要包括船舶身份、船舶位置等信息進行識別等信息；對船舶安全狀態的感知主要包括船舶尺寸、船舶超高、船舶吃水、船舶速度、船舶超警戒線、船舶系纜安全等信息。

圖2 航道一體化運行管理感知體系

對于外場終端傳輸方式，船閘啟閉機、AIS、視頻監控等設備主要通過有線方式采集；水位感知終端、流速流向感知終端、環境氣象監測終端、船舶超高等監測終端等感知設備，采用4G/5G 等無線通信技術采集數據，通過向運營商租用專線鏈路方式來實現終端無線數據的接入。

4 航道可視化平臺構建方案

4.1 三維可視化平臺構建流程

圖3 三維可視化平臺構建流程

航道三維可視化平臺通過對設備設施的孿生、環境的孿生、船舶的孿生等，為船閘展示、分析及全過程管理提供可視化、一體化信息支撐。構建流程包括：場景地形建模、BIM 模型輕量化、航道船閘BIM 模型融合、動態水面建模、船舶建模等內容。

4.2 三維可視化平臺構建關鍵技術

（1）場景地形建模。場景地形建模主要應用傾斜攝影技術，在航測數據采集后，通過POS 數據整合、空間三角測量計算、三維重建計算，形成高質量、高精度的三維GIS 模型。其中，POS 數據整合主要針對后處理不需要、不符合格式要求的信息進行篩選、分類處理；空間三角測量主要應用Context Capture，添加影像數據及對應的POS 數據，將POS 數據作為其初始方位元素，采用多基線多特征匹配技術生成大量的連接點，再通過區域網平差，完成空中三角測量；三維重建計算主要對模型進行精修重建，使地物要素完整，重建步驟包括三維重建模型、補充影像采集、局部分離編輯、精細化修編重建、更新合并等內容。

（2）BIM 模型輕量化。BIM 模型輕量化處理又叫重新拓撲，是將高分辨率模型轉換成可以用于動畫的較小模型的過程，處理過程主要包括數模分離及三維幾何數據輕量化處理。其中，數模分離主要通過WebGL 輕量化BIM 引擎將幾何數據和非幾何數據進行拆分，將原始BIM 模型文件中約20%～50%的非幾何數據剝離，輸出為數據文件供BIM 應用開發使用。

（3）場景地形與BIM 模型融合。BIM 模型與實景三維模型融合的重點在于BIM 模型到3DTiles 模型的轉換與融合，過程主要包括重構模型、幾何信息轉化、空間位置配準、語義映射等步驟。其中，BIM 模型重構是將一個整體的BIM 模型分解為多個子組件的BIM 模型，并采用IFC 文件存儲其幾何和空間信息；幾何信息轉化是針對IFC 格式無法直接轉換為3DTiles 數據格式，選取obj 格式作為中間交換格式，將obj 格式轉換為實景三維模型中的glTF 格式，再將glTF 格式轉換為b3dm格式，通過b3dm 文件，建立3DTiles 中的tile 文件，實現模型幾何信息轉換；空間位置匹配是將IFC 模型中的局部坐標系匹配至全局坐標系；語義映射是將子組件的json 語義信息映射為實景三維模型中的語義屬性信息，并將每個子組件的語義信息與glTF 幾何圖形文件一一對應，在此基礎上得到轉化后的b3dm 文件，最終與實景三維模型中的說明性文件整合為3DTiles 文件。

（4）動態水面建模。動態水面建模重點提升水面反射、折射渲染效果。反射處理時，對于景物完全處于水面以上的，將整個景物進行鏡像渲染；對于景物部分在水面以上、部分在水面以下的，在整個景物鏡像處理后，剔除水面以上的鏡像，剩余部分則需要渲染反射紋理。

（5）船舶建模技術。船舶建模采用曲面建模法，創建內容包括船底分段建模模塊，舷側分段建模模塊，甲板分段建模模塊，艙壁分段建模模塊，上層建筑分段建模模塊等5 個模塊。

5 結語

針對航道“運、管、養”一體化建設目標及業務智能化建設需求，本次在航道運行管理功能分析的基礎上，提出了航道全要素動態感知方案及可視化平臺構建方案，解決了智慧航道業務應用協同統一的核心問題，為基于一體化的航道運行管理提供了全要素數字化支撐，為智慧航道建設提供了建設思路。