航運(yùn)交通論文

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摘要：分析道路交通誘導(dǎo)系統(tǒng)的起源、概念、系統(tǒng)構(gòu)成、實(shí)現(xiàn)技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)狀，通過(guò)對(duì)交通誘導(dǎo)系統(tǒng)與傳統(tǒng)導(dǎo)航設(shè)備功能的比較分析，提出船舶航行誘導(dǎo)系統(tǒng)的概念。在明確船舶航行誘導(dǎo)系統(tǒng)的功能需求、基本屬性和系統(tǒng)能力的基礎(chǔ)上，提出一種船舶航行誘導(dǎo)系統(tǒng)框架方案。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)航；交通誘導(dǎo)；船舶航行誘導(dǎo)

一、背景

隨著國(guó)家“一帶一路”倡議和“海洋強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略的實(shí)施，海上工程建設(shè)、海洋資源開(kāi)發(fā)與海上貨物運(yùn)輸?shù)然顒?dòng)密集展開(kāi)，海上的交通越來(lái)越繁忙。在一些大型港口、重要航路和水上施工區(qū)域，船舶駕駛者面臨的通航狀況也越來(lái)越復(fù)雜，如航行在受限水域內(nèi)同時(shí)存在過(guò)路的商船、作業(yè)的漁船、施工的工程船，各船舶形成交叉相遇和緊迫局面等情況。雖然現(xiàn)有的助航設(shè)備能夠提供高精度的助航信息和數(shù)據(jù)（如船位、航速、方位、距離等），但船舶駕駛者僅僅依靠這些信息和數(shù)據(jù)尚不能快速、準(zhǔn)確地做出正確的路徑選擇和避讓決策，還需要依據(jù)這些信息人工計(jì)算或憑經(jīng)驗(yàn)做出判斷。在復(fù)雜而緊迫的局面下，由于駕駛者做出錯(cuò)誤的判斷和決策而導(dǎo)致的海上交通事故時(shí)有發(fā)生。船舶航行誘導(dǎo)是近年來(lái)船舶交通領(lǐng)域的一個(gè)新的概念，是道路智能交通管理理念在水上交通領(lǐng)域的應(yīng)用。交通誘導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)具備為駕駛者提供實(shí)時(shí)最優(yōu)路徑和避讓決策支持信息的功能。

二、交通誘導(dǎo)的概念

道路交通擁堵是城市化進(jìn)程中難以避免的社會(huì)問(wèn)題，解決城市道路擁堵問(wèn)題的主要策略之一是調(diào)節(jié)道路上的交通流量。調(diào)節(jié)交通流量的方式，從管理者的視角來(lái)看，可以分為兩種：強(qiáng)制性措施，如制定道路通行規(guī)則、交警現(xiàn)場(chǎng)指揮、限行規(guī)定等；建議性措施，如通過(guò)布置在各道路上的監(jiān)控裝置采集路況信息傳輸?shù)浇煌ü芾碇行?，?jīng)過(guò)處理后將路況信息通過(guò)某種方式（如交通廣播、路況信息顯示屏、互聯(lián)網(wǎng)等）給道路上的駕駛者，“誘導(dǎo)”其主動(dòng)避開(kāi)擁堵路段，從而達(dá)到調(diào)節(jié)交通流量的目的。交通誘導(dǎo)系統(tǒng)（TGS，TrafficGuidanceSystem），也稱作交通流誘導(dǎo)系統(tǒng)，是基于定位、信息處理、通信、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，具有為交通參與者（交通管理者、公交調(diào)度、駕駛員等）提供實(shí)時(shí)的道路交通信息（如車輛位置、行駛里程、道路擁堵?tīng)顩r、預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間等），并為交通參與者提供決策支持信息（調(diào)流方式、調(diào)度方案、選擇最優(yōu)路徑、空置車位）等功能的系統(tǒng)，主要由交通信息采集系統(tǒng)、交通信息處理系統(tǒng)、交通信息系統(tǒng)等部分組成，其核心技術(shù)為數(shù)據(jù)處理與動(dòng)態(tài)路徑優(yōu)化計(jì)算。交通誘導(dǎo)系統(tǒng)是智能交通系統(tǒng)的核心部分，在道路交通中已得到廣泛應(yīng)用，如美國(guó)的Pathfiander、ADVANCE，日本的RACS，歐洲的ALI等。在我國(guó)，有關(guān)道路交通誘導(dǎo)方面的研究一直是智能交通領(lǐng)域的熱點(diǎn)內(nèi)容[1-6]。

三、導(dǎo)航和交通誘導(dǎo)的區(qū)別

表面上看，導(dǎo)航和誘導(dǎo)的功能有相似之處，都能夠通過(guò)提供道路交通信息以幫助駕駛者以最快速度（最短路程）到達(dá)目的地，但二者存在著本質(zhì)上的差別。傳統(tǒng)的導(dǎo)航功能是為個(gè)體的駕駛者指明方向并提供實(shí)時(shí)的本車速度、與目的地之間的距離、所需的時(shí)間等要素，以及一些靜態(tài)信息的提醒（如限速、闖紅燈拍照等），其工作原理主要是通過(guò)車載定位設(shè)備獲取位置信息并顯示在設(shè)備的電子地圖信息系統(tǒng)中，然后通過(guò)預(yù)裝在設(shè)備中的計(jì)算程序得出當(dāng)前位置與人工輸入目的地之間的方向、距離、時(shí)間等要素并將其提供給使用者。傳統(tǒng)的導(dǎo)航設(shè)備不具備為駕駛者提供宏觀的、實(shí)時(shí)的路況信息和動(dòng)態(tài)路徑優(yōu)化功能。交通誘導(dǎo)系統(tǒng)既能為微觀的個(gè)體駕駛者選擇最優(yōu)路徑，也能為宏觀的整個(gè)區(qū)域內(nèi)所有的交通參與者提供路況信息和決策支持信息，如前所述，其工作原理、系統(tǒng)組成與實(shí)現(xiàn)技術(shù)更加復(fù)雜[6]。當(dāng)前的車載導(dǎo)航系統(tǒng)或手機(jī)導(dǎo)航APP已經(jīng)由傳統(tǒng)的導(dǎo)航功能發(fā)展到具備誘導(dǎo)功能，如高德地圖等，其實(shí)質(zhì)上是交通誘導(dǎo)系統(tǒng)的終端?，F(xiàn)有的船舶導(dǎo)航系統(tǒng)主要是指羅經(jīng)、雷達(dá)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（主要有GPS、北斗系統(tǒng)）、自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）、計(jì)程儀、測(cè)深儀等，以及能夠?qū)⑸鲜鲈O(shè)備獲取的信息和數(shù)據(jù)集成在電子海圖顯示和信息系統(tǒng)（ECDIS）的綜合導(dǎo)航系統(tǒng)。上述設(shè)備和系統(tǒng)能夠?yàn)轳{駛者提供實(shí)時(shí)的、高精度的航向、方位和距離（相對(duì)于某個(gè)物標(biāo)）、船位、其他船舶的動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)、航程、水深等重要信息，但船舶導(dǎo)航設(shè)備多為基于單一功能并且為單船使用而設(shè)計(jì)，這些信息或數(shù)據(jù)并不能直接生成實(shí)時(shí)的路徑選擇和避碰決策支持信息，也沒(méi)有考慮到能否為區(qū)域內(nèi)其他船舶所用。隨著智能船舶和智慧海事的發(fā)展，船舶航行設(shè)備也必將由導(dǎo)航功能發(fā)展為具備誘導(dǎo)功能。

四、船舶航行誘導(dǎo)的概念

“交通誘導(dǎo)”理念在水上交通的應(yīng)用由來(lái)已久，船舶交通服務(wù)（VTS，VesselTrafficService）、主管機(jī)關(guān)通過(guò)VHF播發(fā)水上安全信息和推薦航路等建議性措施從交通管理者的視角來(lái)看都可被認(rèn)為是交通誘導(dǎo)措施，只是在水上交通領(lǐng)域沒(méi)有使用“誘導(dǎo)”這個(gè)詞語(yǔ)。隨著信息處理、通信和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的不斷發(fā)展，交通誘導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)用的地理范圍越來(lái)越廣，在水上交通也能夠得以實(shí)現(xiàn)，如某些航道附近安裝了類似于道路上的交通信息顯示屏，將潮汐、風(fēng)浪、錨地和泊位等重要信息給船方，一些能夠?yàn)轳{駛者提供決策支持信息的船用APP相繼開(kāi)發(fā)等。

1.船舶航行誘導(dǎo)的功能需求

與道路交通誘導(dǎo)系統(tǒng)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用相比，各類水上交通誘導(dǎo)系統(tǒng)的研發(fā)還處于初始階段。與道路交通須解決擁堵問(wèn)題不同，當(dāng)前船舶航行需要解決的主要問(wèn)題仍然是避免碰撞和擱淺，目前已有的船舶航行誘導(dǎo)研究成果也致力于此。文獻(xiàn)[7]提出一種基于電子河圖信息系統(tǒng)，包括船舶駕引專家知識(shí)庫(kù)、航段信息查詢模塊的船舶航行誘導(dǎo)系統(tǒng)；文獻(xiàn)[8]提出了一種基于移動(dòng)終端的控制河段船舶通行誘導(dǎo)服務(wù)的系統(tǒng)及方法。上述兩種船舶誘導(dǎo)系統(tǒng)都是針對(duì)內(nèi)河船舶的航行，內(nèi)河船舶航行既要解決如何避免碰撞和擱淺問(wèn)題，也要解決某些河段的擁堵和“路徑”選擇問(wèn)題，對(duì)交通誘導(dǎo)系統(tǒng)的需求是比較強(qiáng)烈的。海上船舶航行是否需要誘導(dǎo)？根據(jù)交通運(yùn)輸部海事局公布的近三年的典型交通事故調(diào)查報(bào)告，駕駛員對(duì)船舶會(huì)遇時(shí)是否存在碰撞危險(xiǎn)的錯(cuò)誤判斷以及形成緊迫局面后的錯(cuò)誤操作是導(dǎo)致諸多碰撞事故的直接原因[9]。通航區(qū)域內(nèi)的船舶航行誘導(dǎo)系統(tǒng)具有碰撞風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別以及避碰決策支持功能，對(duì)于減少區(qū)域內(nèi)船舶碰撞事故、促進(jìn)水上交通安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2.船舶航行誘導(dǎo)的定義與屬性

由于道路交通與水上交通在交通流量、交通環(huán)境、管理方式等方面存在著差異，在設(shè)計(jì)船舶航行誘導(dǎo)系統(tǒng)前，必須明確船舶航行誘導(dǎo)的定義。船舶航行誘導(dǎo)是充分利用船舶導(dǎo)航設(shè)備所提供的船舶航行信息，結(jié)合船舶航行誘導(dǎo)區(qū)域的氣象條件、水文條件、船舶交通流狀況等因素，在保證船舶安全航行以及遵守《1972年國(guó)際海上避碰規(guī)則》的前提下，為船舶提供參考的航行路線及航行方法，從而使船舶安全、有序、及時(shí)地通過(guò)船舶航行誘導(dǎo)區(qū)域。為了達(dá)到上述目標(biāo)，船舶航行誘導(dǎo)應(yīng)具備以下基本屬性：（1）科學(xué)合理：船舶航行誘導(dǎo)作為能夠有效宏觀調(diào)控船舶交通流的技術(shù)，應(yīng)當(dāng)具備科學(xué)合理的誘導(dǎo)手段，以不增加船舶交通流壓力、保證船舶安全航行為前提。（2）非強(qiáng)制性：船舶航行誘導(dǎo)作為宏觀調(diào)控船舶交通流的有效手段之一，應(yīng)服從船舶駕駛原則，船舶駕駛員在保證船舶安全的前提下，有權(quán)變更船舶航速和船舶相對(duì)位置。而船舶航行誘導(dǎo)應(yīng)接受不同船舶在交通流中做出的變化，不能夠采用強(qiáng)制性提示來(lái)干擾船舶駕駛員對(duì)船舶做出的操縱行為。（3）即時(shí)性：船舶航行所存在的不確定性高于車輛，且船舶航行易受到環(huán)境變化的干擾，因此，船舶航行誘導(dǎo)需要根據(jù)當(dāng)時(shí)船舶交通流狀況及時(shí)變更誘導(dǎo)方案，從而保證為船舶提供的航行誘導(dǎo)方案是安全可行的。

五、船舶航行誘導(dǎo)系統(tǒng)框架

1.船舶航行誘導(dǎo)系統(tǒng)能力分析

為了在船舶航行（誘導(dǎo)）區(qū)域內(nèi)對(duì)船舶交通流實(shí)行有效誘導(dǎo)，船舶航行誘導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)具備以下能力：（1）兼容各類通信導(dǎo)航設(shè)備傳輸接口的能力。海上通信導(dǎo)航設(shè)備發(fā)展已有近一個(gè)世紀(jì)，隨著通信技術(shù)在船載導(dǎo)航設(shè)備中的大量應(yīng)用，設(shè)備已由從前的單船導(dǎo)航設(shè)備發(fā)展到如今信息互聯(lián)的通信導(dǎo)航設(shè)備，多數(shù)設(shè)備經(jīng)過(guò)了一代又一代航海人的使用與改進(jìn)，其性能得到了較好的檢驗(yàn)。因此，船舶航行誘導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備兼容現(xiàn)有通信導(dǎo)航設(shè)備信息傳輸接口的能力，并預(yù)留新型設(shè)備接口的開(kāi)發(fā)能力。（2）具有船舶交通流數(shù)據(jù)分析與生成船舶航行誘導(dǎo)方案的能力。作為調(diào)控船舶交通流的重要手段，船舶航行誘導(dǎo)設(shè)備須具有船舶交通流數(shù)據(jù)分析的能力，在數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，為誘導(dǎo)區(qū)域內(nèi)的船舶交通流生成科學(xué)合理的誘導(dǎo)方案。（3）具有實(shí)時(shí)更新誘導(dǎo)方案的能力。船舶航行誘導(dǎo)具有即時(shí)性，且船舶航行受氣象、水文環(huán)境變化的影響較大，船舶交通流形態(tài)變化具有不確定性，因此船舶航行誘導(dǎo)系統(tǒng)需要具備實(shí)時(shí)對(duì)船舶航行誘導(dǎo)方案進(jìn)行修正與優(yōu)化的能力。（4）具有為單船提供導(dǎo)航的能力。為了能夠有效地實(shí)現(xiàn)誘導(dǎo)區(qū)域的全局誘導(dǎo)，對(duì)單船的航行線路進(jìn)行合理規(guī)劃與導(dǎo)航是直接有效的方式，利用對(duì)誘導(dǎo)區(qū)域宏觀情況的分析結(jié)果來(lái)指導(dǎo)單船航行的路線規(guī)劃，能夠切實(shí)有效地防止誘導(dǎo)區(qū)域內(nèi)船舶間形成緊迫局面，宏觀調(diào)控好船舶交通流的流量與密度，實(shí)現(xiàn)誘導(dǎo)區(qū)域內(nèi)船舶安全、有序、及時(shí)通過(guò)。（5）具有識(shí)別船舶航行風(fēng)險(xiǎn)的能力。船舶導(dǎo)航設(shè)備與車輛導(dǎo)航設(shè)備的最大不同，在于船舶導(dǎo)航設(shè)備在為船舶提供導(dǎo)航服務(wù)的同時(shí)需要兼顧船舶的航行安全，而船舶航行誘導(dǎo)系統(tǒng)是基于船舶導(dǎo)航設(shè)備開(kāi)發(fā)的新型海上智能交通系統(tǒng)，其須具備識(shí)別船舶航行風(fēng)險(xiǎn)的能力，能夠根據(jù)設(shè)備所能獲取的誘導(dǎo)區(qū)域內(nèi)船舶交通流情況，識(shí)別誘導(dǎo)區(qū)域內(nèi)可能存在的航行風(fēng)險(xiǎn)。（6）具有發(fā)送航行安全警告的能力。當(dāng)船舶航行誘導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)誘導(dǎo)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控時(shí)，發(fā)現(xiàn)某船存在航行風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)為保證誘導(dǎo)區(qū)域內(nèi)船舶交通流中其他船舶的航行安全，有能力對(duì)存在航行風(fēng)險(xiǎn)的船舶發(fā)送一定形式的航行安全警告，協(xié)助其發(fā)現(xiàn)航行風(fēng)險(xiǎn)，保證誘導(dǎo)區(qū)域內(nèi)船舶的通航安全。

2.船舶航行誘導(dǎo)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

明確船舶航行誘導(dǎo)系統(tǒng)的主要功能后，結(jié)合道路交通誘導(dǎo)系統(tǒng)的構(gòu)建形式。系統(tǒng)的形式采用中心控制式，控制中心設(shè)置有實(shí)現(xiàn)船舶航行誘導(dǎo)系統(tǒng)主要功能的服務(wù)器，服務(wù)器內(nèi)設(shè)置有實(shí)現(xiàn)船舶航行誘導(dǎo)功能的各個(gè)模塊，采用通信的方式，將誘導(dǎo)信息發(fā)送給船舶航行誘導(dǎo)系統(tǒng)的外部設(shè)備，外部設(shè)備根據(jù)接收到的具體信號(hào)實(shí)施誘導(dǎo)方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶施行航行誘導(dǎo)。

六、結(jié)語(yǔ)

車輛駕駛輔助設(shè)備已經(jīng)由具備導(dǎo)航功能發(fā)展到具有交通誘導(dǎo)功能，道路交通誘導(dǎo)系統(tǒng)也已經(jīng)得到了普遍應(yīng)用。與之相比，船舶航行設(shè)備尚處于“導(dǎo)航”階段，水上交通誘導(dǎo)系統(tǒng)的研發(fā)也處于初始階段。鑒于道路交通與水上交通在交通環(huán)境、交通流量、管理方式等存在著較大差異，二者所面臨的主要問(wèn)題也各不相同，因而對(duì)誘導(dǎo)系統(tǒng)的功能需求也并不一致。借鑒道路交通誘導(dǎo)的管理理念，針對(duì)水上交通存在的主要問(wèn)題，提出了現(xiàn)階段船舶航行誘導(dǎo)系統(tǒng)的概念、屬性和系統(tǒng)組成框架。隨著智能船舶、無(wú)人船和智慧海事的快速發(fā)展，船舶航行誘導(dǎo)系統(tǒng)在今后的一段時(shí)期內(nèi)將會(huì)得到廣泛開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。

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作者：李猛 謝新連 潘偉 單位：大連海事大學(xué)航海學(xué)院