上海港长江口深水航道通航效能提升中航海保障技术应用研究
李锋 陈建平
摘 要：开展航道边坡利用，在上海港口部分敏感水域增加水文气象采集显示和CCTV系统，建设船岸高速数据传输网络，打造长江口深水航道E-航海试验区，最终在国际上形成有影响力和引导新技术发展的中国智慧港口和E-航海创新试验区，为海上船舶用户提供全面、及时、可靠、高效的助导航服务。
关键词：航道边坡利用；航标；通航效能；E-航海
1 长江口深水航道现状
长江口-12.5m深水航道全长92.2km，宽350～400m，沿程共有4个转折、5个分段。按船舶进港方向，分别为外航道、下航道、上航道、圆圆沙航道和内航道，如图1所示。
深水航道-12.5m航槽底宽为350m，设标宽度500m，边坡坡度在1：25至1：40之间，每月测量水深宽度900m。现有航道外侧有100m宽度的边坡水深较好，资料较全。其中，外航道和内航道部分的边坡都在-11m水深以上，其他大部分水深在10m以上，只有小部分水域水深在9～10m之间。虽然边坡水深并不维护，但近几年来，这100m的边坡水深基本上也都保持在-12.5m，还是较为稳定的。
长江口深水航道内设置航标45座，其中包含41座灯浮、2座灯船（长江口和圆圆沙灯船）。在外航道轴线口外，设置长江口灯船1艘；在圆圆沙航道与南槽航道交叉处设置圆圆沙灯船1艘，同侧两标间距为2n mi左右。侧面标志灯浮选用2.4m钢质角反射灯浮、LED航标灯器，配置无源雷达反射器，采用太阳能专用不间断电源系统供电。系碇系统采用2节半长链（部分3节长链）和5吨铸铁沉锤。
另外，在航道两侧，还设有牛皮礁水文站警戒灯桩和北槽中水文站警戒灯桩等2座固定标志。沿航道边两侧设有南北整流束水堤坝，距离航道约1 500m左右不等，如图2所示。
2 依托新技术新手段，以立体式航海保障方案提升通航效能
2.1 对灯浮标重新配布调整，尝试用虚拟AIS航标设置新技术手段来标示复杂航道边界
充分利用现有航道外侧的100m边坡来建设复式航道。-12.5m水深、350m宽的深水航道满足较大吃水（10m以上）的船舶航行，其南北两侧100m宽的边坡航道可供超宽船舶交会，缓解交会宽度的压力，尤其是对解决邮船与超宽集装箱船之间交会矛盾特别有效。本方案建议中，深水航道-12.5m水深、350m宽，边坡航道-10.5m水深、100m宽。
在航标设置上，深水航道边线以AIS虚拟航标标示，现有实体航标往外从原75m移至100m。涉及长江口深水航道范围内D3至45号共41座灯浮标，重新配布调整位置，改变灯浮标性质，以满足标示新航道边界线需要。该项航标调整工程已于2017年12月14日實施完毕，交通运输部已要求从2018年1月1日起开始运行。根据目前的运行情况判断，该工程达到了较好的运行效果。据上海市交通委员会反映，进出上海港的邮船和班轮船期都得到了充分的保障。
在航行规则方面，上海海事局已对现有的深水航道通航管理规定适时修改，明确新的分道通航要求。另外，建议对局部的边坡航道进行疏浚，并维护到一定的水深，以便充分挖掘边坡的通航能力，确保航行安全。
2.2 组建复合通信链路，建设北斗+ LTE复合通信专用链路
在提升通航效率的同时，为保障船舶安全航行，需对船舶进行有效的实时监管，而海上和港口水域远距离的语音和视频通信问题一直困扰着一线作业和管理人员，现有移动公网无法满足使用需求。通过北斗+LTE复合通信链路建设，保证上海港口沿海岸（岛）50多公里范围内，实现远距离通信、自组网通信、个人与指挥中心的音视频通信需求。通过北斗+LTE低高速结合复合通信专网，既能满足船舶动态信息、环境水文气象等现场信息采集低速率传输需求，又能满足固定站点和执法船舶现场语音图像的高速实时传输需求，能有效解决现场信息采集和信息服务的通信瓶颈。
2.3 建立现场水文气象信息监测和CCTV视频监控
2.3.1 航道水文气象监测站点建设
为满足包括上海港引航站在内的港航用户需求，实现重点水域流速流向、风速风向、能见度等水文气象数据实时监测传输和显示应用，为船舶安全通航提供现场决策参考，充分发挥在浮动航标上数据采集的有利条件，计划在长江口深水航道重要转向点、关键通航口等复杂水域有间隔地设置6个水文气象灯浮，建立航标水文气象实时数据采集点，并将上述监测点数据存储，通过北斗报文上传至中心数据库，整合至东海海区海洋气象服务平台，提供各用户使用。建设位置示意图如图5所示：
本方案需要在其浮标体上安装流速测量及气象测量设备。在非钢质塑料测流灯浮标（见图6）上已预留了测流装置安装的圆筒形空槽位置，可用于固定安装水下测流设备。同时，使用非钢质浮标可以极大减少多普勒潮流仪的磁场干扰，提高数据采集精度。目前，针对非钢制灯浮和气象测流设备的应用，上海航标处已经在黄浦江、青草沙等水域进行了试用，经过一段时间的现场检查和数据统计，都能达到各项标准要求。
水文气象信息的应用将与E-航海建设相结合，利用船岸之间的无线移动公网或者北斗导航卫星短报文等通信链路渠道，将水文气象信息发送至中心服务器端汇集，利用各种网络向引航站和各船舶端推送显示，让航海者更加精准了解所航行水域的具体气象、潮流、潮位信息，确保航行安全。最终，水文气象数据能够及时传输到东海海洋气象服务系统（见图7），同时也可传送到其他港航用户终端或平台，为相关用户和决策层提供实时、具体的数据支持。
2.3.2 CCTV视频系统建设
计划在牛皮礁水文站警戒灯桩（距离深水航道边界400m）和北槽中水文站警戒灯桩（距离航道边界900m）等2座固定航标位置上设置CCTV视频重点监控点，结合在深水航道北堤坝和南堤坝上新设置的CCTV视频监控点，共同形成覆盖深水航道全程的CCTV视频监控链，并在靠近航道入口处、中游、上游关键点上增设水文气象和能见度仪，进一步形成应对深水航道船舶通航秩序、流量监控、水文气象、能见度观测采集、船舶安全识别等现代化技术手段，保障港口航道通航效率和航船通行安全。
2.3.3 为航海者配备船舶智能导航仪
目前，智能导航仪已经在洋山深水港引航作业中应用成功，为雾航、夜航、靠离泊等复杂环境下的船舶航行提供了精准化助航服务。应借鉴洋山港E-航海的成功模式，推进智能引航端运用，提供精准导航定位，减少船舶在深水航道的船位误差，避免事故。智能导航仪包含以下功能：
（1） 差分定位系统
本系统的差分定位采用北斗卫星导航CORS系统和RBN-DGPS/DBDS系统，实现深水航道船舶航行、避让和识别虚拟AIS航标航道边界线的报警等功能。
（2） 高精度电子海图
长江口深水航道和洋山港高精度电子海图测绘，为大型船舶智能导航、避让、报警及靠泊提供海图基础。
（3） 接受岸基的信息服务
接收来自“航海保障信息整合服务平台”以无线电方式（AIS、VHF、WIFI、3G/4G）播发的各项助导航信息，如水文气象、航标动态、通航安全预警等。
2.3.4 制定海事通航避让等相应管理规则
为保证深水航道开通和安全运行，港口航道管理和海事管理机关应对历史上船舶流量、拟进出深水航道的船舶情况、紧急疏散锚地和交汇避让规则等进行科学合理统计分析。上海海事局已经完善优化了长江口深水航道安全航行管理相关制度性管理规章，大力宣贯执行，引导所有船舶按照规则进出口，在航道内规范航行，大大提升了通航效率。同时，建议建立相对的数据模型进行压力测试，避免发生不必要的安全事故。
2.3.5 建设一个数据共享平台
上海港船舶安全管理工作需要港口管理局、海事、海關、海警、边防等多个部门协同配合，将所有相关业务数据进行整合，并实现共享，综合显示，这尤为重要。
为了确保相关部门能够有效获取运用新技术所采集的信息，则必须对这些信息进行交换和共享，将现有的动态及静态数据整合入库，并开发一个综合信息数据交换平台，利用物联网架构及大数据技术将动态与静态数据相结合，开发一个具有预测预判、风险防控及处置协调的上海港船舶综合信息服务平台。通过建立综合数据库与共享平台，可以加强信息交换，避免信息采集系统的重复建设，打破信息孤岛，使信息能够交换传输形成闭环，从而加强上海港航运安全监管能力。
3 结束语
相关单位开展航道边坡利用，在上海港口部分敏感水域增加水文气象采集显示和CCTV系统，建设船岸高速数据传输网络，配置智能导航仪，制定避让管理规则，建设数据共享平台，开发利用多方位、立体式的航海保障技术，解决上海港长江口深水航道的通航瓶颈，从而提升航道通航效率，提供优质的航海保障服务，为上海国际航运中心建设提供新的增长引擎。
摘 要：开展航道边坡利用，在上海港口部分敏感水域增加水文气象采集显示和CCTV系统，建设船岸高速数据传输网络，打造长江口深水航道E-航海试验区，最终在国际上形成有影响力和引导新技术发展的中国智慧港口和E-航海创新试验区，为海上船舶用户提供全面、及时、可靠、高效的助导航服务。
关键词：航道边坡利用；航标；通航效能；E-航海
1 长江口深水航道现状
长江口-12.5m深水航道全长92.2km，宽350～400m，沿程共有4个转折、5个分段。按船舶进港方向，分别为外航道、下航道、上航道、圆圆沙航道和内航道，如图1所示。
深水航道-12.5m航槽底宽为350m，设标宽度500m，边坡坡度在1：25至1：40之间，每月测量水深宽度900m。现有航道外侧有100m宽度的边坡水深较好，资料较全。其中，外航道和内航道部分的边坡都在-11m水深以上，其他大部分水深在10m以上，只有小部分水域水深在9～10m之间。虽然边坡水深并不维护，但近几年来，这100m的边坡水深基本上也都保持在-12.5m，还是较为稳定的。
长江口深水航道内设置航标45座，其中包含41座灯浮、2座灯船（长江口和圆圆沙灯船）。在外航道轴线口外，设置长江口灯船1艘；在圆圆沙航道与南槽航道交叉处设置圆圆沙灯船1艘，同侧两标间距为2n mi左右。侧面标志灯浮选用2.4m钢质角反射灯浮、LED航标灯器，配置无源雷达反射器，采用太阳能专用不间断电源系统供电。系碇系统采用2节半长链（部分3节长链）和5吨铸铁沉锤。
另外，在航道两侧，还设有牛皮礁水文站警戒灯桩和北槽中水文站警戒灯桩等2座固定标志。沿航道边两侧设有南北整流束水堤坝，距离航道约1 500m左右不等，如图2所示。
2 依托新技术新手段，以立体式航海保障方案提升通航效能
2.1 对灯浮标重新配布调整，尝试用虚拟AIS航标设置新技术手段来标示复杂航道边界
充分利用现有航道外侧的100m边坡来建设复式航道。-12.5m水深、350m宽的深水航道满足较大吃水（10m以上）的船舶航行，其南北两侧100m宽的边坡航道可供超宽船舶交会，缓解交会宽度的压力，尤其是对解决邮船与超宽集装箱船之间交会矛盾特别有效。本方案建议中，深水航道-12.5m水深、350m宽，边坡航道-10.5m水深、100m宽。
在航标设置上，深水航道边线以AIS虚拟航标标示，现有实体航标往外从原75m移至100m。涉及长江口深水航道范围内D3至45号共41座灯浮标，重新配布调整位置，改变灯浮标性质，以满足标示新航道边界线需要。该项航标调整工程已于2017年12月14日實施完毕，交通运输部已要求从2018年1月1日起开始运行。根据目前的运行情况判断，该工程达到了较好的运行效果。据上海市交通委员会反映，进出上海港的邮船和班轮船期都得到了充分的保障。
在航行规则方面，上海海事局已对现有的深水航道通航管理规定适时修改，明确新的分道通航要求。另外，建议对局部的边坡航道进行疏浚，并维护到一定的水深，以便充分挖掘边坡的通航能力，确保航行安全。
2.2 组建复合通信链路，建设北斗+ LTE复合通信专用链路
在提升通航效率的同时，为保障船舶安全航行，需对船舶进行有效的实时监管，而海上和港口水域远距离的语音和视频通信问题一直困扰着一线作业和管理人员，现有移动公网无法满足使用需求。通过北斗+LTE复合通信链路建设，保证上海港口沿海岸（岛）50多公里范围内，实现远距离通信、自组网通信、个人与指挥中心的音视频通信需求。通过北斗+LTE低高速结合复合通信专网，既能满足船舶动态信息、环境水文气象等现场信息采集低速率传输需求，又能满足固定站点和执法船舶现场语音图像的高速实时传输需求，能有效解决现场信息采集和信息服务的通信瓶颈。
2.3 建立现场水文气象信息监测和CCTV视频监控
2.3.1 航道水文气象监测站点建设
为满足包括上海港引航站在内的港航用户需求，实现重点水域流速流向、风速风向、能见度等水文气象数据实时监测传输和显示应用，为船舶安全通航提供现场决策参考，充分发挥在浮动航标上数据采集的有利条件，计划在长江口深水航道重要转向点、关键通航口等复杂水域有间隔地设置6个水文气象灯浮，建立航标水文气象实时数据采集点，并将上述监测点数据存储，通过北斗报文上传至中心数据库，整合至东海海区海洋气象服务平台，提供各用户使用。建设位置示意图如图5所示：
本方案需要在其浮标体上安装流速测量及气象测量设备。在非钢质塑料测流灯浮标（见图6）上已预留了测流装置安装的圆筒形空槽位置，可用于固定安装水下测流设备。同时，使用非钢质浮标可以极大减少多普勒潮流仪的磁场干扰，提高数据采集精度。目前，针对非钢制灯浮和气象测流设备的应用，上海航标处已经在黄浦江、青草沙等水域进行了试用，经过一段时间的现场检查和数据统计，都能达到各项标准要求。
水文气象信息的应用将与E-航海建设相结合，利用船岸之间的无线移动公网或者北斗导航卫星短报文等通信链路渠道，将水文气象信息发送至中心服务器端汇集，利用各种网络向引航站和各船舶端推送显示，让航海者更加精准了解所航行水域的具体气象、潮流、潮位信息，确保航行安全。最终，水文气象数据能够及时传输到东海海洋气象服务系统（见图7），同时也可传送到其他港航用户终端或平台，为相关用户和决策层提供实时、具体的数据支持。
2.3.2 CCTV视频系统建设
计划在牛皮礁水文站警戒灯桩（距离深水航道边界400m）和北槽中水文站警戒灯桩（距离航道边界900m）等2座固定航标位置上设置CCTV视频重点监控点，结合在深水航道北堤坝和南堤坝上新设置的CCTV视频监控点，共同形成覆盖深水航道全程的CCTV视频监控链，并在靠近航道入口处、中游、上游关键点上增设水文气象和能见度仪，进一步形成应对深水航道船舶通航秩序、流量监控、水文气象、能见度观测采集、船舶安全识别等现代化技术手段，保障港口航道通航效率和航船通行安全。
2.3.3 为航海者配备船舶智能导航仪
目前，智能导航仪已经在洋山深水港引航作业中应用成功，为雾航、夜航、靠离泊等复杂环境下的船舶航行提供了精准化助航服务。应借鉴洋山港E-航海的成功模式，推进智能引航端运用，提供精准导航定位，减少船舶在深水航道的船位误差，避免事故。智能导航仪包含以下功能：
（1） 差分定位系统
本系统的差分定位采用北斗卫星导航CORS系统和RBN-DGPS/DBDS系统，实现深水航道船舶航行、避让和识别虚拟AIS航标航道边界线的报警等功能。
（2） 高精度电子海图
长江口深水航道和洋山港高精度电子海图测绘，为大型船舶智能导航、避让、报警及靠泊提供海图基础。
（3） 接受岸基的信息服务
接收来自“航海保障信息整合服务平台”以无线电方式（AIS、VHF、WIFI、3G/4G）播发的各项助导航信息，如水文气象、航标动态、通航安全预警等。
2.3.4 制定海事通航避让等相应管理规则
为保证深水航道开通和安全运行，港口航道管理和海事管理机关应对历史上船舶流量、拟进出深水航道的船舶情况、紧急疏散锚地和交汇避让规则等进行科学合理统计分析。上海海事局已经完善优化了长江口深水航道安全航行管理相关制度性管理规章，大力宣贯执行，引导所有船舶按照规则进出口，在航道内规范航行，大大提升了通航效率。同时，建议建立相对的数据模型进行压力测试，避免发生不必要的安全事故。
2.3.5 建设一个数据共享平台
上海港船舶安全管理工作需要港口管理局、海事、海關、海警、边防等多个部门协同配合，将所有相关业务数据进行整合，并实现共享，综合显示，这尤为重要。
为了确保相关部门能够有效获取运用新技术所采集的信息，则必须对这些信息进行交换和共享，将现有的动态及静态数据整合入库，并开发一个综合信息数据交换平台，利用物联网架构及大数据技术将动态与静态数据相结合，开发一个具有预测预判、风险防控及处置协调的上海港船舶综合信息服务平台。通过建立综合数据库与共享平台，可以加强信息交换，避免信息采集系统的重复建设，打破信息孤岛，使信息能够交换传输形成闭环，从而加强上海港航运安全监管能力。
3 结束语
相关单位开展航道边坡利用，在上海港口部分敏感水域增加水文气象采集显示和CCTV系统，建设船岸高速数据传输网络，配置智能导航仪，制定避让管理规则，建设数据共享平台，开发利用多方位、立体式的航海保障技术，解决上海港长江口深水航道的通航瓶颈，从而提升航道通航效率，提供优质的航海保障服务，为上海国际航运中心建设提供新的增长引擎。
