东平水道数字航道综合管理平台系统开发

    郁达　张汶海　吕升奇　向小华

    

    

    

    摘 要：针对目前东平水道航道管理系统中逐渐暴露出的数据兼容性差、功能单一、综合展示效果不明显、扩展性缺乏等问题，进行了东平水道数字航道综合管理平台系统，主要包括航道管理综合数据库的设计、系统平台分层功能模块的构建和三维仿真可视化系统的开发。

    关键词：东平水道 数字航道 综合管理 三维可视化

    东平水道是广东省级文明样板航道，是“泛珠三角”经济圈的重要水运通道，随着内河航道数字化建设进程的加快，航道管理维护水平和安全运行及效率的标准随之提高。现阶段，如何高效地管理整个东平水道的数据资料，使各相关部门能够方便快捷地利用各相关数据，进一步提升航道服务的水平，已成为航道管理的重要工作。

    近年来，国内研究学者在内河航道管理方面进行了大量研究，史俊明、李精忠将“3S”技术与“数字航道”的概念相结合，实现了航标监控与管理系统的智能化；林强、徐峰开发以航道应用为核心的综合监控系统，在航标信息、工作船舶、水位的动态监测及船舶交通事故调查取证等过程中发挥了重要的作用；于丽娜基于可视化技术，对苏南运河航道进行三维建模，利用三维空间分析方法对航道数据进行空间分析和应用研究；戚晓明、杜培军等基于GIS、World wind和遥感技术研究了河道二三维数据耦合技术。以上研究大多在特定环境中具有较好的应用效果，但其仅从自身应用需求开发，缺乏统一标准和通用性。在东平水道航道管理中，各系统由于开发商的不同，存在数据格式不统一，功能分散、相互独立，综合展示效果不理想，升级扩展性不好等问题，对航道的管理维护和效益的有效发挥带来了一定的困难。针对上述问题，本文开发了数字航道综合管理平台系统，建立了航道管理数据库、管理功能模块和三维仿真系统，实现了航道管理维护的信息化、高效化、标准化。

    系统框架结构设计

    本系统服务于航道运行的日常管理及应急调度决策，要求能够快速直观地表现出航道的各种基础信息，因此，系统需要具备有航道基础信息查询、遥测遥控检测、直观的三维场景显示、决策支持等多方面功能。系统平台的总体结构（见图1）分为三个组成部分：航道管理综合数据库、功能模块和三维仿真可视化。其中，航道管理综合数据库负责管理、维护和集成各种航道相关资料，由空间数据库、属性数据库和其它资料库组成，空间数据库为三维可视化层提供动态显示和空间分析的基础数据，属性数据库存储航道水位及航道中各种工程的历史数据、静态数据和实时数据，为信息查询和航道基础管理模块提供原始数据，其它资料库存储决策支持所需规范数据和维护报表等基础性数据；功能模块主要包括：航道和航标基础管理、遥测遥控监测系统，航道相关报表系统，系统通过中间件技术获取数据库数据并传输给相关应用模块，从而实现各项功能；三维仿真可视化系统，实现在三维环境下对各种航道相关的地物对象的信息查询、快速定位及信息编辑以生动直观的方式辅助管理及决策。

    航道综合管理数据库

    航道综合管理数据库是系统平台的数据来源和基础，主要包含空间数据库、属性数据库。空间数据库建设包括东平水道所在区位空间位置和空间关系的地图和数据，用以三维地形地物的建模和空间地物的管理与分析；属性数据库的建立则主要以实体的文字、图片、视频格式的属性数据和流量、水位，含沙量，河床冲刷系数等实体有关的应用数据为主。其它资料库主要包括决策支持所需规范数据、文档、图片、影音及维护报表等基础性数据。空间数据库的地形建模过程主要由数据转换、地形参数设置、矢量幅值与修正、地形生成四个步骤组成，有效的集成了数字高程模型、遥感影像及各种矢量数据。

    在数据表格的建设中，基本数据信息标准采用国家行业标准《基础水文数据库表结构及表示符标准》SL324-2005，增加了若干航道管理数据表，如航道航标及船舶的信息、浅滩信息、及重点浅滩、逐日水情、船闸日志、跨栏临河建筑物审批，航道维护报表等数据表。其中，系统地理图采用的坐标系统能够显示地理坐标系统和投影坐标系统，高程基准采用与实测值相一致的1985年国家高程基准。地图上的地物对象通过图元号与图元表相互关联，并能够实现图形与属性信息的双向查询。

    系统功能模块及应用

    系统平台的主要功能包括对航道中的航标、桥梁、码头及各种涉河建筑物进行信息管理，实现对航标、桥梁、水位信息的动态跟踪，根据河道实测资料对河床演变进行分析，还集成了航标遥测遥控系统、视频监测系统、报表管理系统等。

    1、航标桥梁信息管理

    航标是标示航道方向、界限与碍航物的标志，包括过河标、沿岸标、左右通航标、示位标、桥涵标等，是帮助引导船舶航行、定位和标示碍航物与表示警告的人工标志，对内河安全通航有重要意义。辖区内航标的类型、实时位置、工作状态、电源工作信息均实现直接查询（如图2）。当某航标发生异常后，通过特定的声音提示及高亮显示进行报警，并给出异常的分析结果。航标的动态监控模块不仅节约了劳动力资源和成本，还使航标监控方式更为主动快捷。在内河航道中，跨河桥梁的通航净空尺度对通航船舶有着重要影响，必须了解航道中各桥梁的通航净空尺度等信息，本系统实现了桥梁信息的有效管理，可以根据实际情况增加或减少桥梁信息，以列表形式列出航道中所有桥梁，能够将桥梁图元对象与数据库中桥梁的具体信息相连接并进行双向查询。通过对航标和桥梁信息的有效管理，大大提高了船舶航行的安全性。

    2、航道水位实时监测

    航道水位实时监测实现了从水位人工观测到自动观测的转变。通过对各水位站自动定时测量水位数据，系统可以实时获取各水位站水位的信息。模块还可以对水位数据加以分析生成图表，研究长时期的水位数据。根据水位的规律总结和预测水位变化趋势，为辖区航道洪枯两季航道的维护工作提供可靠的水位参考。

    3、河床演变分析

    河床演变分析是从时间尺度分析河床在一个较长时期内的变化情况，然后根据现在的河床边界条件，对未来一段时期内河床演变的趋势做出判断。GIS平台为河床演变分析提供了很好的工具，能够实现河床冲淤时空变化信息加工、处理、分析、查询及输出。可以根据历年测图，创建数字高程模型，分析东平水道来水来沙条件下航道岸线变化，浅滩、深槽及河势平面分布变化规律。利用断面套绘的方法，可以计算任意断面冲淤变化定量化计算出断面上最大冲深、最大淤积厚度等参数，更加直观地分析河床动态演变，为航道维护工作提供数据（如图4）。

    4、其他功能模块

    系统平台还集成了视频监测系统、报表管理系统等功能。通过视频检测系统可以看到监测区域内的航道实时情况，发现执法对象就可以立即有针对性地去巡航处理，如果发生水上交通事故，可以实时监控，迅速定位，调动搜救力量去现场指挥。能极大提高内河运输船只的使用效率以及有效监督船舶驾驶员行为，保护人员和货物安全，节约航道运行成本。

    报表管理系统也是平台的一项重要功能，可用表格、图标等格式来动态地显示各种数据。系统平台提供了报表设计器工具，能够灵活的设计报表形式，通过与数据库相连接，获取数据库中的目标数据并填入报表。生成好的报表保存后，下次就可以直接调用，另外，还可以通过报表来灵活编辑修正数据，为航道管理的日常业务提供了便捷的工具。

    三维仿真可视化

    系统平台的三维仿真可视化功能是借助三维地理信息系统工具World wind开发的，把东平水道（三水思贤滘至广州大尾角）河段的地形、地貌、航标、桥梁、码头、电缆、航道整治工程等进行数字化，并结合卫星遥感数据及航道数字高程模型，建成一个二维与三维数据耦合并可交互的三维虚拟河道，利用系统工具提供的浏览工具，能够进行航道的手动及自动漫游（如图5）。

    将三维环境中的航道地物对象与数据库中相应的数据表利用公用的地物ID进行联系，可以实现在三维平台上对具体地物对象的信息编辑、快速定位、信息查询等。例如，航道中某处新建了桥梁，用户即可以在对应位置处设置新的桥梁标示，桥梁的重要信息如桥梁名称、通航孔标高、通航孔宽、设计最高通航水位、桥面宽、桥面高、照片等都能够输入保存（如图6）。其它地物对象如航标、码头、电缆、地标等均实现类似的管理。此外，系统提供地形查看及航道高程及水深信息查询工具，可以在三维环境下任意查询航道中任意点的坐标、高程、水深信息。

    结论

    东平水道数字航道综合管理平台系统的主要特色如下：

    系统平台服务于航道运行的日常管理及应急调度决策，总体结构分为三个部分：航道管理综合数据库、功能模块和三维仿真可视化。

    系统主要功能包括对航道中的航标、桥梁、码头及各种涉河建筑物进行实时信息监测与管理，根据河道实测资料对河床演变进行分析，并集成了现有的航标遥测遥控系统、视频监测系统、报表管理系统等。

    借助三维地理信息系统工具开发航道三维仿真可视化功能，实现在三维平台上对航道中航标、桥梁、码头、电缆、地标等地物对象的信息编辑、快速定位、信息查询等，能够在三维环境下任意查询航道中任意点的坐标、高程、水深信息。

    （第一作者单位：广东省航道局）