紹興港上虞杭州灣港區智慧航道建設方案探析

馬強華 ，陳水龍 ，王 強

（1.浙江數智交院科技股份有限公司，浙江 杭州 310030；2.杭州灣上虞經濟技術開發區管理委員會，浙江 紹興 312369；3.杭州市公路與港航管理服務中心，浙江 杭州 310005）

0 引言

錢塘江流域是浙江北部經濟最為發達的地區，水運貨運需求旺盛，建設出海通道的意愿強烈，但受錢塘江口獨特的水文泥沙條件限制，尚未有建設常規型作業碼頭的成功案例。碼頭前沿的水深、進出港航道、碼頭作業方式這三要素，是錢塘江南岸碼頭建設必須解決的難題。本文通過研究水文監測預報、航道水深地形測量和更新等技術，利用智慧化方式，提高通航保證率，增強船舶安全保障，為工程建設和運行提供技術支撐。

1 研究背景

紹興港上虞杭州灣港區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]，工程水域潮強流急，涌潮洶涌且河勢復雜、灘槽擺動較為頻繁，給船舶通航及作業安全帶來了極大的挑戰?；谇捌趯こ虆^域潮汐、潮流、涌潮和航道穩定性的研究分析，影響上虞杭州灣港區船舶通航和碼頭調度作業的主要問題包括潮差大，水深不穩定，涌潮洶涌、流態復雜，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潮水域，澉浦實測最大潮差達9.15m（2018 年8 月13 日），多年平均潮差達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，潮差達到7.89m。

(2)水域涌浪大、流態復雜。隨著錢塘江河口治理的推進，河口逐漸下移，涌潮起潮點也在下移。當前尖山河段南岸涌潮強潮逐漸增強，工程水域是錢塘江涌潮的形成和發展區，在該水域的涌潮高度可達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筑物，會形成反射，造成局部水域涌浪大、流態復雜，船舶泊穩難度大，易走錨傾覆，安全作業風險高。

(3)水流流速大。工程水域潮流強勁，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 月實測最大垂線平均流速達4.44m/s。高流速下，尤其是局部航段有大橫流的情況下會導致船舶航行和作業難度大，風險高。

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，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航道水深。

2 碼頭運營模式

針對上虞杭州灣港區船舶航行和作業主要風險點，結合以往研究成果和實踐經驗，確定上虞液體化工碼頭作業原則為“三乘、三避”[2-3]，即“乘潮進港、乘潮作業、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安全，提高通航保證率和碼頭作業效率，確定“三固定、三為主”的運營方式，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、鎮海港—上虞港、舟山港—上虞港。

結合碼頭“三乘、三避”的原則和“三固定、三為主”的運營方式，對船舶安全及智慧航道建設的主要功能需求包括：水深地形監測、更新與數字化；航道航行條件的安全監控管理；船舶航行過程中的安全助航；港區調度與安全生產管理以及綜合智慧化管控平臺建設等。

3 建設方案總體架構

本工程基于“監測-預報-決策-管理”一體化思路，實現紹興港上虞杭州灣港區船舶安全及智慧航道建設的“信息感知-信息處理-決策-調度管理”。本系統自下而上分為設施層、感知層、數據層、支撐層、應用層、展現層、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、作業等物聯網感知體系，結合潮位、涌潮、風浪和風暴潮預報預警體系，智慧航道和船舶作業調度數字化體系，再結合制度保障體系，提高船舶通航保證率和應急處理能力，保障船舶通航和作業安全。

（1）設施層包括主機及存儲設備、網絡安全設備、防雷接地設備等，并對資源進行有效監控，提供彈性計算、負載均衡、動態遷移、按需供給、自動化部署等功能。

（2）感知層包括全景攝像機、遠程瞭望攝像、AIS、VHF、雷達、水位站、流速儀、氣象站等外場感知設備，實現航道全要素智能立體感知。

（3）數據資源層包括業務數據庫、基礎數據庫、地理信息數據庫、視頻數據庫、元數據庫、日志數據庫，并基于基礎設施層提供的基礎軟硬件支撐，提供數據采集、處理、標準化、聚合并最終形成數據服務。

（4）支撐層包括電子航道圖系統、地理信息系統平臺、數字孿生基礎平臺、視頻管理平臺、船舶智能導航模型、無人船、無人機管理平臺，基于基礎設施層提供統一的平臺化系統軟件支撐及數據資源層提供數據處理服務。

（5）應用層包括船舶導助航系統、航道與船舶安全智能管控系統、數字孿生航道系統，船舶導航系統實現航道圖基本顯示及定位，航次作業管理、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實現通航環境管理、視頻監控、船舶航行管理、船舶調度管理、碼頭作業管理、港航運行態勢分析；數字孿生航道系統實現航道要素監測、船舶航行動態仿真、港區作業動態仿真、錢塘江涌潮動態仿真功能。

（6）展現層是用戶通過手機、電腦、大屏等終端進入智慧航道及導航應用等系統入口。

（7）用戶層包括港航管理部門、海事執法部門、港區調度、管理人員、固定航線船舶船員等。

4 應用系統設計方案

4.1 電子航道圖系統

4.1.1 數據采集對象

本系統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行數據采集。采用雷達、無人機、水情監測、智能無人船、巡邏艇等技術手段實現航道地形、水位的動態采集。

（1）雷達遙測

充分利用工程水域潮差大、低水位低的水文特點，研究雷達等技術低潮位掃測灘涂水面線，通過遙感圖層影影疊加，實現淺灘范圍注記。

（2）無人機觀測

本系統擬采用無人機技術，在低水位時對航道要素進行空中采集，以及時對洲灘、礙航物等易導致船舶擱淺要素進行注記標記，預警提示，無人機監測頻率暫定為每天一次。

收集無人機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轉換，將洲灘信息及時更新到電子海圖系統中，利用洲灘歷史正射影像圖和現實正射影像圖進行比對分析，實現洲灘監測報警。

通過洲灘要素電子海圖顯示、洲灘點位位置列表形式（儲存洲灘名稱、發現時間、位置、面積等）為航道輔助規劃、船舶安全導航提供支持。

（3）無人船巡檢

利用無人船技術實現對航道水下地形等航道要素進行監測，重點是對進出港航道深槽演變監測。

利用無人船對航道水下地形進行測量，收集水深離散點數據，生成航道水下地形監測數據，實現航道水下地形監測。獲取航道水深數據后，通過電子航道圖發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，標注淺灘、礙航物等異常信息，通過電子海圖編輯發布異常信息。

4.1.2 航道圖更新維護

為達到航道圖及時更新要求，擬通過以下手段實現電子航道圖的及時更新：

（1）通過向航海保障和海圖發行部門申請，可進行標準海圖的修正，本方案設計在每次常規測量后，向有關部門申請航道地形在電子海圖上的更新。發現淺灘、礙航物等異常狀況時，及時向航海保障和海圖發行部門申請進行海圖修正。

（2）同步采用自行研發的船載智能導助航系統及工程區域電子航道圖系統，自行及時更新電子航道圖系統航道地形數據。

（3）數據更新規劃

1)電子航道圖系統更新

對于常規方式采集的航道水深數據，通過電子海圖系統進行每日更新，發布到船舶智能導助航系統和航道、船舶安全智能管控系統等。

2)公開電子海圖更新

以月度為周期，測量固定航線水深數據。經編輯處理，提交海事相關部門，對公開發行電子航道圖進行改正。本項目方案對固定航線全線進行測量，寬度不小于航道設計寬度。

3)數據更新頻率

依據長期航道觀測資料，總結分析年內航道變遷規律，運營過程中，依據航行需求適當調整常規航道水深監測頻率。同時制定航道應急測量方案，在大洪水、風暴潮或航道突變時期進行應急測量。

4.2 航道與船舶安全智能管控系統

基于業務需求，利用上述技術，航道與船舶安全智能管控系統建設主要實現的功能包括通航環境管理、視頻監控管理、船舶航行、調度、碼頭作業管理、港航運行態勢分析功能。

系統接入電子航道圖、航線、碼頭、船舶、潮汐預報、潮位及潮流監測、碼頭作業等數據，通過后臺計算，提供以下具體功能：

（1）提供精確的潮汐、涌潮、波浪預報結果，高、低潮位時間精度0.5h，涌潮潮到時間精度±10min；潮位和波高精度誤差10%以內。

（2）提供精確的作業時間窗口，時間精度±10min，提供每次作業時間倒計時，每個倒計整點時刻，發出提示信息，倒計時30min 發出預警。

（3）提供精確的氣象監測數據，包括溫度、濕度、風速、風向、降水、氣壓、能見度。

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

4.3 船舶智能導助航系統

船舶智能導助航系統以手機App 應用形式，面向本港區固定航線船舶用戶提供航道導航安全服務，其主要功能包括基礎服務、航次作業管理、導航功能和用戶管理相關功能。

設備外接或內置AIS/GPS、數字雷達模塊，能夠接收及顯示數字雷達、AIS 信號，實現周圍船舶監控和船舶避碰報警；利用網絡技術實現航標、水位、可視距離、可航水深、航道動態信息的接收以及電子航道圖數據更新下載；支持聯網/脫網模式。

4.4 數字孿生航道系統

數字孿生航道系統是在網絡數字空間再造一個與現實物理航道匹配對應的數字航道，通過構建物理航道與數字航道一一對應、協同交互、智能操控的復雜系統，使其與物理航道平行運轉，通過虛擬服務現實，數據驅動治理，智能定義一切等運行機制，實現航道全要素數字化和虛擬化、全狀態實時化和可視化、運營管理協同化和智能化，形成物理維度上的實體世界和信息維度上的虛擬世界同生共存、虛實交融的智慧航道發展新模式。

數據孿生航道系統可實現以下功能：

（1）建立航道及周邊地形地貌、環境特征、航道要素、船舶數字孿生體，為船舶賦予實時的時空位置和運動姿態。

（2）航道全周期整體運行態勢仿真，實時數據驅動航道整體運行態勢秒級調度還原。

（3）航道全體量監測設備態勢感知，接入各類監測、監控數據，實現大數據處理及可視化。

5 結語

智慧航道方案實施后，紹興港上虞杭州灣港區可實現航道要素全面數字化、航道運行全面感知、船岸之間高效通訊和船舶安全智能導航助航，助力紹興上虞杭州灣港區打造成為現代化智慧型港口[4-5]，生產運行效率和安全管控水平得到全面提升。