曹樹青++舒曉明++梁向棋++張寶瑞

摘 要：通過對大數(shù)據(jù)基本概念的介紹及基本特征的闡釋，深入分析大數(shù)據(jù)的本質(zhì)，并簡要介紹了智能航道的概念、框架及關(guān)鍵技術(shù)，探討大數(shù)據(jù)在智能航道應(yīng)用上的優(yōu)勢，分析智能航道建設(shè)中大數(shù)據(jù)平臺搭建應(yīng)注意的方面。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù) 智能航道 數(shù)據(jù)挖掘

近兩年，“大數(shù)據(jù)”一詞備受人們關(guān)注。大數(shù)據(jù)本質(zhì)究竟是什么，它在智能航道的建設(shè)中充當(dāng)什么角色，能給智能航道的建設(shè)帶來什么優(yōu)勢，進(jìn)而給智能航道的建設(shè)帶來什么啟示，智能航道中大數(shù)據(jù)平臺該如何架構(gòu)？下面談?wù)勥@方面的看法。

大數(shù)據(jù)的定義及特征

1、大數(shù)據(jù)定義

什么是大數(shù)據(jù)？高德納咨詢公司的定義是：大數(shù)據(jù)是大量、高速、多變的信息資產(chǎn)，它需要新型的處理方式去促成更強(qiáng)的決策能力、洞察力與優(yōu)化處理。維基百科的定義是：大數(shù)據(jù)由巨型數(shù)據(jù)集組成，這些數(shù)據(jù)集大小常超出人類在可接受時間下的收集、使用、管理和處理能力。各機(jī)構(gòu)定義雖然不同，但都有一個共識：大數(shù)據(jù)是一個數(shù)據(jù)集的集合，這個集合如此龐大而復(fù)雜，以至于它無法通過傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理工具來進(jìn)行處理，從各種類型的大量數(shù)據(jù)中，快速獲取有價值信息的能力，就是大數(shù)據(jù)技術(shù)，它不是一種特定的技術(shù)，而是一類技術(shù)的統(tǒng)稱。

2、大數(shù)據(jù)特征

大數(shù)據(jù)有四個特征（4V）：①數(shù)據(jù)量大（Volume）。數(shù)據(jù)量從GB級別躍升到TB乃至PB級別。②數(shù)據(jù)類型繁多（Variety）。包括文檔、圖片、音視頻、地理位置及傳感器等數(shù)據(jù)，不僅包括傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，也包括半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。③流動速度快（Velocity）。數(shù)據(jù)是動態(tài)產(chǎn)生的流式數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)流動速度快到難以用傳統(tǒng)的模式去處理。④價值密度低（Value）。數(shù)據(jù)量呈指數(shù)增長，而隱藏在數(shù)據(jù)中的有價值信息卻沒有相應(yīng)的呈指數(shù)增長，但其應(yīng)用價值極高。大數(shù)據(jù)有幾個關(guān)鍵點，首先，其數(shù)據(jù)來源不是小范圍的樣本，而是所有數(shù)據(jù)，其允許不精確的數(shù)據(jù)，混雜的數(shù)據(jù)反而會帶來更有價值的信息。其次，它放棄對因果關(guān)系的渴求，而取而代之關(guān)注相關(guān)關(guān)系。也就是說只要知道“是什么”，而不需要知道“為什么”?？偠灾髷?shù)據(jù)的核心就是預(yù)測趨勢，就是洞見未來。

大數(shù)據(jù)與智能航道

1、智能航道定義

“智能航道”（Intelligent Waterway）是指在數(shù)字航道基礎(chǔ)上，利用智能傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、自動控制、人工智能等技術(shù)，自動獲取航道系統(tǒng)要素信息，通過融合處理與深度挖掘，實現(xiàn)航道規(guī)劃科學(xué)化、建養(yǎng)智能化、管理現(xiàn)代化，為水路運輸高效、安全、節(jié)能提供實時、精確、便捷的航道服務(wù)。

2、大數(shù)據(jù)與智能航道關(guān)系

從智能航道的定義中可以看出，航道數(shù)字化僅僅是基礎(chǔ)，智能航道其核心是從全面數(shù)據(jù)化后的航道中，對所獲得的關(guān)于航道的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行專業(yè)化的數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘，進(jìn)而實現(xiàn)從數(shù)據(jù)到信息、從信息到知識、從知識到洞察力的過程，洞察力才是“智能”二字的具體體現(xiàn)。而大數(shù)據(jù)，正是從海量數(shù)據(jù)中挖掘出知識，進(jìn)而幫助決策和洞見未來的一類技術(shù)。大數(shù)據(jù)，正是實現(xiàn)“智能”二字的核心，是智能航道發(fā)展的引擎。

大數(shù)據(jù)在智能航道應(yīng)用上的優(yōu)勢

1、改進(jìn)傳統(tǒng)的航道河床演變研究

傳統(tǒng)的航道河床研究是基于所測得的航道水文（流速、流量、泥沙）、水深、岸線等相關(guān)要素數(shù)據(jù)，依據(jù)水流泥沙運動規(guī)律，結(jié)合該航道的歷史河床結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，構(gòu)建相應(yīng)的物理模型和數(shù)學(xué)模型來對航道河床的演變進(jìn)行分析，其數(shù)據(jù)來源是小量具有典型特征的數(shù)據(jù)。而在智能航道中，航道的水文、水深、岸線等要素數(shù)據(jù)，是實時監(jiān)測和實時獲取的，其數(shù)據(jù)量不是小部分?jǐn)?shù)據(jù)，而是所有數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)的核心，其數(shù)據(jù)分析面對的是全部數(shù)據(jù)。依據(jù)所獲得的實時全部數(shù)據(jù)，可以對航道河床演變的趨勢進(jìn)行分析和預(yù)測。如可依據(jù)實時獲取的水文和岸線數(shù)據(jù)，結(jié)合水流泥沙運動規(guī)律以及崩塌臨界值，可以預(yù)測岸線的變化及崩塌情況。依據(jù)實時獲取的水深數(shù)據(jù)，結(jié)合水流泥沙運動規(guī)律，可預(yù)測水下地形地貌變化的趨勢，進(jìn)而分析河床的演變。這正是航道河床演變中“洞察力”的具體體現(xiàn)，依據(jù)河床的演變趨勢的預(yù)測，航道管理部門可以采取相應(yīng)的措施來對航道進(jìn)行維護(hù)整治，進(jìn)而穩(wěn)定航槽。

2、完善航道整治建筑物預(yù)警機(jī)制

航道整治建筑物主要有各種壩（丁壩、順壩、潛壩等）、魚嘴、護(hù)灘帶、護(hù)坡護(hù)岸等，由于水流作用，航道整治建筑物會發(fā)生水毀情況，而目前對建筑物的水毀情況難以監(jiān)控。而在智能航道中，通過安裝在航道整治建筑物上的水流傳感器等各類傳感器獲取的全部實時數(shù)據(jù)，結(jié)合壩體結(jié)構(gòu)及受力情況，通過大數(shù)據(jù)所構(gòu)建的數(shù)據(jù)挖掘模型對航道整治建筑物的結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性進(jìn)行綜合模糊評判，可以預(yù)測航道整治建筑物發(fā)生水毀情況的趨勢，主管部門可以結(jié)合判定結(jié)果采取相關(guān)措施來對航道整治建筑物進(jìn)行加固或是修補(bǔ)等，進(jìn)而形成完善的航道整治建筑物維護(hù)預(yù)警機(jī)制。

3、提高航運效率

傳統(tǒng)的船舶航行中，航行路線的選擇更多的依賴于航標(biāo)和駕駛員的經(jīng)驗，具有一定的隨意性。智能航道中，大數(shù)據(jù)能依據(jù)各型各類傳感器實時獲取的航道流速流態(tài)等流場數(shù)據(jù)，上水航行時選取水流流速較小的水域，下水航行時選取水流流速較大的水域，進(jìn)而規(guī)劃出船舶航行最佳路徑，并依據(jù)航道流場的實時變化，實時修正船舶導(dǎo)航路徑，這樣既節(jié)約了航行時間，又降低了航行的經(jīng)濟(jì)成本，還能減少油耗帶來的污染。

4、提高航運安全水平

航運安全是航道管理中重要的一部分，航行船舶的碰撞或是船舶自身故障導(dǎo)致的沉船帶來的損失是慘重的，其自身可控性和主動應(yīng)急救援能力相對陸路是較弱的。而大數(shù)據(jù)的實時性和可預(yù)測性有助于提高航運安全水平。在船舶駕駛員監(jiān)測方面，酒精探測傳感器、駕駛員疲勞監(jiān)測系統(tǒng)等船載檢測裝置通過提取駕駛員的身體特征、面部特征、眼部特性、頭部運動特性、操作行為特性等數(shù)據(jù)，綜合評判駕駛員的駕駛狀態(tài)，并進(jìn)行報警提示甚至采取相應(yīng)措施來控制船舶的航行。同時，依據(jù)航道上船舶自身的定位裝置及船舶的航速、航向等數(shù)據(jù)，分析船舶的運動軌跡，大數(shù)據(jù)快速整合航道上每艘船傳感器所傳回的數(shù)據(jù)，分析航行路線的安全性，當(dāng)兩艘船的航行軌跡超出安全距離或是船舶航行在航道管理部門規(guī)定的航道外后，及時發(fā)出預(yù)警提示。大數(shù)據(jù)以其快速反應(yīng)時間和綜合決策模型，能有效的減少船舶航行安全事故，提高航運安全水平。endprint

以上幾方面都是談到大數(shù)據(jù)在智能航道中的預(yù)測趨勢和洞見未來的能力，顯然，大數(shù)據(jù)在智能航道上的應(yīng)用優(yōu)勢遠(yuǎn)不止以上幾方面?？梢哉f，只有想不到的，沒有做不到的。當(dāng)前國家正在逐步推進(jìn)全流域長江黃金水道的建設(shè)，長江經(jīng)濟(jì)帶的建設(shè)已經(jīng)上升為國家戰(zhàn)略層面，當(dāng)長江航運再次復(fù)興時，依據(jù)長江上船舶航行路線和沿江港口城市的貨運吞吐量，甚至挖掘出船舶航行與沿江港口城市的經(jīng)濟(jì)健康狀況的相關(guān)性也不是沒有可能。大數(shù)據(jù)技術(shù)，它只需要能夠分析出二者的相關(guān)性就足以幫助洞見趨勢，而不需要分析經(jīng)濟(jì)健康與否背后的原因。依據(jù)沿江港口城市經(jīng)濟(jì)健康狀況，又可挖掘出其與國家東部產(chǎn)業(yè)向西轉(zhuǎn)移狀況的相關(guān)性，進(jìn)而在戰(zhàn)略層面上給國家提供數(shù)據(jù)分析。這就正如谷歌公司的流感趨勢預(yù)測速度比美國疾控中心還要快一樣，甚至能比國家統(tǒng)計局的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析速度還要快。

大數(shù)據(jù)給智能航道建設(shè)的啟示

1、加強(qiáng)數(shù)據(jù)感知與獲取

大數(shù)據(jù)強(qiáng)調(diào)的是海量數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)。所以智能航道建設(shè)中，航道河床數(shù)據(jù)、航標(biāo)數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)、整治建筑物數(shù)據(jù)、船舶數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、用戶行為等數(shù)據(jù)都要納入考慮，并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。與航道相關(guān)的文檔數(shù)據(jù)、圖片數(shù)據(jù)、音視頻數(shù)據(jù)等結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)都要錄入航道數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)的全面性非常重要，只有感知了全部數(shù)據(jù)，才可能掌控航道狀態(tài)，洞見航道狀態(tài)和發(fā)展趨勢。

2、做好數(shù)據(jù)庫頂層設(shè)計

良好的頂層設(shè)計有助于數(shù)據(jù)的存儲、融合、提取、分析以及挖掘。智能航道中的大數(shù)據(jù)分析平臺可由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)挖掘?qū)?、終端發(fā)布層組成?；A(chǔ)數(shù)據(jù)層對所獲得的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，融合成航道要素數(shù)據(jù)庫、航運要素數(shù)據(jù)庫、氣象環(huán)境數(shù)據(jù)庫等?；A(chǔ)設(shè)施層通過建立云計算平臺，將各類基礎(chǔ)IT設(shè)施虛擬化為設(shè)備資源服務(wù)，為大數(shù)據(jù)分析所需要的計算能力提供基礎(chǔ)支撐。數(shù)據(jù)挖掘?qū)油ㄟ^對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)的分析和挖掘，結(jié)合各類專家數(shù)學(xué)模型，對所獲得的航道要素、航運要素、氣象環(huán)境等數(shù)據(jù)進(jìn)行實時分析和處理，實現(xiàn)航道演變趨勢預(yù)測、航運通航狀態(tài)預(yù)測等一系列洞見未來的行為。終端發(fā)布層采用云計算服務(wù)，將航道的狀態(tài)、船舶通航狀態(tài)、天氣氣象狀態(tài)等信息通過多終端（PC、平板電腦、智能手機(jī)等）、多類型（文字、音視頻等）發(fā)布給管理者和一般用戶。管理者可以根據(jù)大數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行綜合評判，一般用戶可以實時感知和獲取自己需要的數(shù)據(jù)，同時反過來用戶狀態(tài)、行為所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)又可反饋回基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)給一般用戶提供個性化的定制服務(wù)提供數(shù)據(jù)分析依據(jù)。

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（作者單位：長江航道測量中心）endprint