曾科偉　毛熊磊　金健靈　廖江花

摘 要：在當(dāng)前航標(biāo)管理維護(hù)手段較為落后的情況下，結(jié)合長江航道養(yǎng)護(hù)管理向智能化轉(zhuǎn)型發(fā)展的大趨勢，以及大數(shù)據(jù)、人工智能等前沿技術(shù)，開展基于河床地形、水深、航標(biāo)歷史布設(shè)位置等復(fù)雜外部條件下的航標(biāo)布設(shè)智能分析技術(shù)研究。通過航道水位、地形、維護(hù)尺度等邊界條件，結(jié)合航標(biāo)布設(shè)歷史坐標(biāo)數(shù)據(jù)，完成航道適航區(qū)域劃分與航標(biāo)布設(shè)點(diǎn)位的輸出，并基于Mysql數(shù)據(jù)庫和Matlab GUI開發(fā)平臺，構(gòu)建了適應(yīng)于三峽庫區(qū)航標(biāo)布設(shè)的分析系統(tǒng)平臺。

關(guān)鍵詞：航標(biāo)布設(shè);大數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)庫

中圖分類號：U644? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）10-0072-03

當(dāng)今航運(yùn)產(chǎn)業(yè)正處于尋求創(chuàng)新突破的發(fā)展跨越期，航運(yùn)科技創(chuàng)新和服務(wù)創(chuàng)新能力的提升是長江航運(yùn)科學(xué)發(fā)展的重要組成部分，也是推動長江航運(yùn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵動力。圍繞當(dāng)前國際形勢和服務(wù)國家發(fā)展戰(zhàn)略，深度融合物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)管理、新一代移動通信等現(xiàn)代信息技術(shù)，促進(jìn)航運(yùn)產(chǎn)業(yè)的集成化創(chuàng)新應(yīng)用，并推進(jìn)航運(yùn)規(guī)劃管理的智能化轉(zhuǎn)型已經(jīng)成為航運(yùn)產(chǎn)業(yè)的主要發(fā)展方向。

目前，我國在航運(yùn)智能化發(fā)展方面仍處于核心技術(shù)研發(fā)階段，大量實(shí)際生產(chǎn)環(huán)節(jié)仍然存在數(shù)字化水平偏低、智能化程度不高的現(xiàn)象，要實(shí)現(xiàn)真正的數(shù)字化航道以及智能航道，還有大量工作亟待開展。其中，航標(biāo)作為服務(wù)于保障水上活動安全的助航設(shè)施，是內(nèi)河航運(yùn)安全的最根本保障，航道設(shè)施的信息化、航標(biāo)布設(shè)及管理維護(hù)的智能化是航運(yùn)智能化發(fā)展的重要支撐。但當(dāng)前內(nèi)河航標(biāo)規(guī)劃布設(shè)及管理維護(hù)的智能化水平不高，如數(shù)字航道一般只能反映航標(biāo)信息的動態(tài)特性，難以直接指導(dǎo)航標(biāo)的布設(shè)。由于航標(biāo)布設(shè)的影響因素過多，包括河床水位波動、不同河段不同時(shí)段的維護(hù)尺度存在差異等，均難以通過傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，實(shí)際生產(chǎn)中航標(biāo)的布設(shè)仍然采用傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)判斷和人為布置為主的方式進(jìn)行。在此基礎(chǔ)上，航標(biāo)布設(shè)的準(zhǔn)確性與合理性主要依賴于現(xiàn)場設(shè)標(biāo)人員或者技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)判斷，并在移設(shè)標(biāo)現(xiàn)場或者辦公場所通過數(shù)字航道平臺校核設(shè)標(biāo)位置的準(zhǔn)確性及合理性，存在工作效率低下和科學(xué)性不足等問題，制約了內(nèi)河航道智能化水平及航運(yùn)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，航標(biāo)布設(shè)的智能化轉(zhuǎn)型升級亟待展開。

1 數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建

由于航標(biāo)布設(shè)的影響因素復(fù)雜多樣，包括河床水位波動、水流情況復(fù)雜、不同河段不同時(shí)段的維護(hù)尺度存在差異等情況，本文基于水位、地形、航標(biāo)布設(shè)歷史位置等航標(biāo)布設(shè)必須考慮的邊界數(shù)據(jù)，構(gòu)建航標(biāo)布設(shè)平臺的數(shù)據(jù)庫。

基于MySQL數(shù)據(jù)庫，導(dǎo)入典型河段的地形、航道灘險(xiǎn)分布、河段水位、流量、航道現(xiàn)狀、歷史航標(biāo)布設(shè)位置點(diǎn)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料。

2 航標(biāo)布設(shè)分析平臺構(gòu)建

2.1基于matlab 的分析平臺搭建

（1）分析平臺總體架構(gòu)。采用Matlab GUI平臺，本研究基于地理信息技術(shù)搭建了長江上游車亭磧至烏木樁水道的二維數(shù)字航道系統(tǒng)平臺。根據(jù)用戶需求與平臺的核心功能，系統(tǒng)總體架構(gòu)包括數(shù)據(jù)感知、智慧層以及應(yīng)用服務(wù)層3個(gè)層級。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。

2.2航道沿程水深計(jì)算

航道沿程水深分布數(shù)據(jù)是確定航標(biāo)布設(shè)方案的基礎(chǔ)，直接決定了航標(biāo)布設(shè)的準(zhǔn)確性及科學(xué)性。本研究針對轄區(qū)河段構(gòu)建二維數(shù)學(xué)水流模型，結(jié)合河段具體的地形、流量、水位等數(shù)據(jù)計(jì)算河道沿程水深及速度場分布，豐富航標(biāo)布設(shè)數(shù)據(jù)庫，為航標(biāo)布設(shè)工作提供更為準(zhǔn)確的邊界條件。

2.2.1建立平面二維水流數(shù)學(xué)模型

模型基本方程為：

2.2.2求解方法

本模型結(jié)合了水面縱橫向流速方程，并在橫向流速分布中考慮彎道曲率導(dǎo)致的二次流，為提高模型計(jì)算效率，在確保模型計(jì)算精度的前提下忽略次生二次流。模型水流模塊采用ADI法對控制方程有限差分法離散，除了連續(xù)方程中水位對時(shí)間偏導(dǎo)數(shù)項(xiàng)采用向前差分、以及動量方程中對流項(xiàng)采用一階迎風(fēng)和中心差分格式組合外（QUICK格式），其余各項(xiàng)采用中心差分。

2.3航標(biāo)布設(shè)方案輸出及自主校核

航標(biāo)布設(shè)方案分析及輸出是本平臺的核心功能，該功能的實(shí)現(xiàn)主要基于航道沿程水深數(shù)據(jù)及相應(yīng)維護(hù)水深，本研究通過開發(fā)不同河段、不同維護(hù)水深下的航道邊界快速生成算法得到任意維護(hù)水深下的有效航道邊界，進(jìn)一步結(jié)合歷史航標(biāo)配布里程數(shù)據(jù)和當(dāng)前航標(biāo)布設(shè)GPS坐標(biāo)數(shù)據(jù)，完成具體河段航標(biāo)布設(shè)坐標(biāo)信息的自主輸出和自主校核，綜合考慮對當(dāng)前航標(biāo)的處理方式（保留、移位等）。

2.3.1不同維護(hù)水深下的航道邊界生成方法

為避免直接通過全河段航道等深線確定適航航道區(qū)域進(jìn)而提取航道邊界的方式存在的適航區(qū)域不連通和離散的缺點(diǎn)。本研究在航道沿程水深分布計(jì)算的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步結(jié)合具體航道維護(hù)尺度提出了不同維護(hù)水深下的航道邊界生成方法。

該方法的主要思路是基于航道中心基準(zhǔn)線和彎曲半徑等反映河道形態(tài)變化復(fù)雜程度的航道要素，沿中心線方向?qū)拥肋M(jìn)行河道形態(tài)自適應(yīng)的橫斷面剖分（對轉(zhuǎn)彎半徑較大河段的劃分密度相應(yīng)提高，提升程度與河道曲率呈正相關(guān)），進(jìn)而得到各斷面河底形態(tài)。航道中心基準(zhǔn)線的來源可通過船舶航行定位數(shù)據(jù)獲取，對于中短河段也可人工勾選錄入。通過計(jì)算維護(hù)水深線與河斷面交點(diǎn)和對計(jì)算得到的交點(diǎn)進(jìn)行有效性判別，確定各斷面的有效航寬及邊界點(diǎn)，最終得到全河段的航道邊界離散結(jié)果。進(jìn)一步，在計(jì)算得到沿程航道邊界離散點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用與航道中心基線提取相同方法，通過參數(shù)方程下的三次樣條插值得到有效航道邊界線和適航區(qū)連通域。本研究示范河段車亭磧——烏木樁水道的航道沿程水深分布、航道沿程自適應(yīng)斷面劃分輸出如下圖所示：

2.3.2基于歷史航標(biāo)數(shù)據(jù)的布設(shè)方案分析及校核方法

通過航道沿程水深計(jì)算和特定維護(hù)水深下的航道適航邊界提取，可以得到目標(biāo)河段在該維護(hù)水深下的適航連通區(qū)域。在此基礎(chǔ)之上，結(jié)合航標(biāo)歷史布設(shè)數(shù)據(jù)和水位信息，以當(dāng)日實(shí)測水位為主要指標(biāo)，通過分析平臺與航標(biāo)布設(shè)數(shù)據(jù)庫的連接可以快速匹配提取對應(yīng)水位下航標(biāo)配布數(shù)量及其對應(yīng)的具體航道里程，并以此作為分析平臺輸出方案中的設(shè)標(biāo)里程。進(jìn)一步結(jié)合該航道里程處的斷面地形、維護(hù)水深、當(dāng)?shù)厮唬?jì)算該里程斷面的具體設(shè)標(biāo)位置，結(jié)果以GPS坐標(biāo)形式進(jìn)行輸出。

3 航標(biāo)布設(shè)平臺功能

3.1全河段水深分布計(jì)算

勾選【要素計(jì)算】模塊下的【水深分布】復(fù)選框，主圖框會顯示研究河段的水深分布云圖。首先運(yùn)用Delaunay三角剖分算法，將水深散點(diǎn)處理為非結(jié)構(gòu)化三角網(wǎng)格。然后計(jì)算三角網(wǎng)格邊長，采用界定范圍的方法刪掉邊長太長的不合理網(wǎng)格，最后采用trisurf函數(shù)顯示水深分布云圖。

3.2河面流場計(jì)算

系統(tǒng)設(shè)置了河段速度場計(jì)算及顯示模塊，基于二維水流數(shù)學(xué)模型，將計(jì)算結(jié)果顯示到主圖框中。在【要素計(jì)算】面板中，勾選【流場分布】復(fù)選框，主圖框中會顯示流速矢量分布圖，流速最大值見左上角圖例。點(diǎn)擊【輸出】按鈕，系統(tǒng)將流場數(shù)據(jù)存儲在系統(tǒng)默認(rèn)路徑（或者用戶自定義路徑）的‘流場數(shù)據(jù).xls中。在主圖框中，單擊鼠標(biāo)左鍵可查詢?nèi)我恻c(diǎn)位置的屬性信息，即位置X、Y，水深和流速。在鍵盤上按Esc鍵，可清除繪制的點(diǎn)，關(guān)閉屬性信息的顯示。

3.3標(biāo)間最小連線水深計(jì)算

系統(tǒng)設(shè)置了標(biāo)間最小連線水深計(jì)算模塊，采用Inpolygon函數(shù)判別多邊形區(qū)域邊緣內(nèi)部或邊緣上的點(diǎn)的方法，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域的航標(biāo)間縱向區(qū)間最小水深計(jì)算，檢驗(yàn)航標(biāo)布設(shè)的合理性。點(diǎn)擊【要素計(jì)算】模塊下的【繪制計(jì)算區(qū)域】按鍵，可在主圖框中單擊鼠標(biāo)繪制目標(biāo)計(jì)算區(qū)域，如圖中所示青色線段。勾選【最小水深】復(fù)選框，繪制目標(biāo)區(qū)域的左右航標(biāo)縱斷面水深分布圖，如圖8所示，以紅色圓點(diǎn)的形式顯示兩航標(biāo)間最小水深。點(diǎn)擊【最小水深】右側(cè)的【輸出】按鈕，系統(tǒng)會以數(shù)據(jù)文件的形式存儲計(jì)算數(shù)據(jù)。

3.4目標(biāo)區(qū)域最小彎曲半徑計(jì)算

在本系統(tǒng)中具體操作方式為：勾選【要素計(jì)算】模塊下的【最小彎曲半徑】復(fù)選框，主圖框會繪制目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的航道中心線，并在右側(cè)文本框中顯示計(jì)算的區(qū)域最小彎曲半徑。

4 結(jié)論

本文基于航道智能化發(fā)展趨勢，結(jié)合三峽庫區(qū)航標(biāo)布設(shè)工作實(shí)際需求，開展基于河床地形、水深、航標(biāo)歷史布設(shè)位置等復(fù)雜外部條件下的航標(biāo)布設(shè)智能分析技術(shù)研究，開發(fā)基于大數(shù)據(jù)的航標(biāo)布設(shè)數(shù)據(jù)庫及分析平臺，實(shí)現(xiàn)航標(biāo)布設(shè)方案的智能分析、輸出、存儲，對促進(jìn)航標(biāo)布設(shè)工作由經(jīng)驗(yàn)化向理論化的發(fā)展有積極作用。