沿海港口e航海顶层设计研究.docx
《沿海港口e航海顶层设计研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《沿海港口e航海顶层设计研究.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
沿海港口e航海顶层设计研究
沿海港口e-航海顶层设计研究
摘要
本文在介绍e-航海概念产生背景的基础上，结合国际e-航海发展最新成果，针对沿海港口用户需求，按照顶层设计的思路，提出了港口e-航海建设的指导思想、建设目标，研究分析了港口e-航海建设的技术路线和港口e-航海服务MSP的设计思路，在此基础上详细设计了港口e-航海系统的主要功能，并提出了支撑港口e-航海实施的航海保障基础设施的建设内容。
本文对沿海港口e-航海建设具有指导作用。
关键词：
港口e-航海顶层设计
一、前言
进入21世纪以来，随着全球经济一体化进程的加速和科学技术的不断发展，船舶的发展呈现大型化、专业化、高速化和自动化的特点，同时，船舶导助航系统和设备也呈多样化发展趋势。
船舶技术和船舶导助航技术的这些发展趋势，为船舶航行和船舶交通组织带来如下问题：
1.海上交通密集区域船舶交通组织难道越来越大。
2.船舶助航设备和系统都相对独立，这大大增加了驾驶人员的操作负担，也就增大了事故发生的概率。
3.船载设备与岸上基础设施的标准不统一，造成了船舶之间或船岸之间系统不兼容、信息难以共享等问题。
因此，对各种导助航工具进行有效整合，使航海者能够方便快捷地获取所需信息应该是下一步导助航技术发展的方向。
在此背景下，2006年5月，国际海事组织（IMO）提出了e-航海发展战略，并正式明确了e-航海的定义，即：
“e-航海是指通过电子的方式，对船上、岸上的海事信息进行协调一致的收集、整合、交换、显示及分析，以增强船舶泊位到泊位的航行能力及其他相关服务，提高海上安全和安保水平，并保护海洋环境。
”
e-航海实质上是将海事相关信息进行协调、收集、集成、交换及显示的一个过程，通过整合现有船载、岸基导航和助航手段，实现导航和助航信息的全面交流与共享，提高船舶的全程航行能力，增强相应的海上服务、安全与安保以及海洋环境保护能力，从而进一步提高船舶航行安全和船岸之间的管理效率。
二、国际e-航海研究最新成果
在IMO主导下，围绕e-航海的定义，国际海事界在用户需求调研及差距分析、框架结构研究、通信技术研究、数据模型与信息标准研究、测试系统开发等方面取得了一系列研究成果。
这些成果为建立e-航海测试系统和e-航海的下一步具体实施奠定了基础。
1.世界e-航海用户需求调研
e-航海发展的基本原则就是用户需求驱动，因此明确用户需求是e-航海发展的基础。
2009年，IMO委托德国和加拿大联合完成了世界e-航海用户需求调研。
根据本次调研成果，国际航标协会（IALA）下属e-航海委员会于2010年进行了岸基系统差距分析等研究，并初步确定了e-航海若干解决方案，为e-航海下一步发展奠定了基础。
2.e-航海技术架构
e-航海技术架构，是指对e-航海各个组成部分、各组成部分的功能、各组成部分之间的相互关系以及相互之间信息流动的规定和描述，是关于e-航海的重要的技术标准。
IALA于2009年发布了《e-Nav140：
岸基视角e-航海通用技术架构的建议》，2013年，在对e-Nav140进行简化的基础上，提出了《IALA关于通用岸基系统架构（CSSA）的建议（草案）》。
e-航海总体技术架构如图1所示，可以简单概况为三个方面，即船方、岸方和船岸之间的通信系统。
在船-岸、船-船和岸-岸之间，隐藏着各种信息流和数据流。
用户之间的信息流以及应用程序之间的数据流，是e-航海的核心。
船舶环境通过物理链路将船载电子环境与岸基应用进行连接。
未来e-航海环境下这些岸基应用，将会是一系列的标准功能或服务，也就是统一的岸基技术服务。
图1：
e-航海技术架构示意图
3.e-航海岸基服务与MSP
在图1中，各种岸基系统和服务，也应该遵循统一、标准化的原则，船、岸之间才能通过标准化的接口，通过通信链路连接成一个整体，从而支持众多e-航海解决方案的实施。
基于上述思考，海事服务集（MSP）的概念应运而生。
2011年6月，IMO提出了海事服务集的概念，其定义如下：
一个海事服务集（MaritimeServicePortfolios：
MSP）是指在一给定的海域、航道、港口或类似区域，由岸方提供给航海人员的，一组标准化的、业务上的、或者技术上的海事服务的集合。
目前，IMO公布了初步确认的17个MSP，包括本地港口服务MSP、海上安全信息服务MSP等。
这些MSP还有待进一步修订。
目前IMO和IALA的主要工作之一是研究和提取MSP，并对其逐渐进行提取、定义、功能、接口等进行标准化研究，以进行产品性推广应用。
4.e-航海通信技术：
VDES
经过IMO、ITU、IALA等有关组织机构多方研究论证，目前已确认未来e-航海主要通信手段之一是VDES和NAVDAT。
下面对VDES进行简单介绍。
IALA、ITU经过研究论证，于2013年提出了VDES（VHF数据交换系统）的概念。
VDES是未来e-航海系统通信基本支柱，VDES将作为一个集成的系统运行（包括AIS、专用电文（ASM）和VHF数据交换（VDE），完成船-船和船-岸之间的高速通信，包括卫星上行和下行链路），系统将采用规定的频谱资源以及ITU相关标准。
VDES系统示意图见图2。
图2：
VDES系统示意图
由于VDES系统刚刚形成概念，其架构、关键技术、性能标准、应用模式等正在逐步发展完善中。
5.e-航海船端系统
目前，IMO认可的船端e-航海技术架构如图3所示。
图3：
e-航海船端技术架构示意图
在船端系统中，核心是具有综合PNT（定位、导航和授时）功能的INS系统。
e-航海对INS的总体要求是有弹性地提供PNT信息，即船员能够知道所得到PNT信息的精度和可靠性。
6.e-航海信息标准
e-航海本质上就是一个综合信息处理系统，因此，e-航海系统应采用统一的信息标准，或数据模型。
目前，IMO已明确采用采用S-100作为e-航海的数据模型标准。
S-100是国际海道测量组织（IHO）于2010年发布的通用海道测量数据模型。
S-100标准以ISO19100系列数据标准框架作为框架支撑，打造广泛应用、灵活扩展的海上数据信息标准架构。
S-100作为海上信息数据架构模型标准，可指导海上各种相关信息数据交换模型的定义。
S-100定义了数据交换标准描述的各个方面，从概念架构定义到产品注册、产品规范定义，十分全面。
未来e-航海系统中各类信息，都将采用S-100定义产品规范和信息标准，从而实现各类信息的统一性。
S-100标准的最终目的是制定一系列涵盖各领域的数据产品规范，以供信息传输和交换应用。
三、国外e-航海及测试系统发展现状
自2010年开始，挪威、丹麦等欧盟国家建立了多个成功运行的e-航海测试系统（testbed）建设，比较典型的包括EfficienSea测试系统、MONALISA测试系统、ACCSEA测试系统等。
综合这些已建立的e-航海测试系统，其主要功能归纳如下：
1．安全及助航信息播发服务：
通过及时向船舶播发水文、气象、海洋环境状况、碍航物、海图/电子海图及改正信息、航标运行状态等各类信息，帮助船舶安全航行，提高运输效率。
2.船舶计划航线共享以及船舶交通组织管理：
通过e-航海通信链路，实现船岸之间船舶计划航线的共享，从而进一步加强对船舶的交通组织管理，提高水域船舶交通管控能力和运输效率。
3.船舶辅助引航服务：
通过提供精确定位、精密船舶位置预测、船舶操作协调工具（VOCT）、航道物标的精确感知等手段以及船岸之间助航信息实时通信，为船舶引航提供服务，从而提高航道通航尺度，保障船舶安全。
4.港口物流管理：
通过船舶动态数据和港口物流数据融合匹配技术，开发港口物流动态管理系统，提高港口物流管理效率。
5.辅助搜救：
利用e-航海通信技术和海域感知技术，向搜救部门提供搜救区域环境、船舶交通态势等信息，从而辅助搜救工作，提高搜救效率。
6.船员值守远程监控：
通过e-航海通信技术实现船岸之间船员值守的远程监控，提高对船员的监控能力。
7.能接收岸基e-航海服务的船台系统，具备弹性PNT等功能。
目前，国外的e-航海测试系统仍处于不断开发和建设之中，其功能也将越来越完善。
这些测试系统的成功开发和运行，一方面不断验证着e-航海的相关研究成果，另一方面也不断提高着所在水域的航海保障水平和海事监管能力，同时也标志着全球e-航海发展已逐步进入实施阶段。
四、沿海港口e-航海建设指导思想、建设目标和技术路线
海上运输和涉海活动的安全、有序和高效，是实现海洋经济发展的前提。
而港口，是海上运输的起点和终点，只有在港口实现高效有序的船舶交通管理和物流管理，才能为海洋经济发展提供基本保障。
而在港口建设e-航海系统，是实现港区高效有序的船舶交通管理和物流管理的必然选择。
1.沿海港口e-航海建设指导思想和建设目标
沿海港口e-航海建设指导思想是：
以交通运输部提出的“四个交通”建设为纲领，以港口区域社会用户需求为导向，以提高港口运行效率和水上安全管控能力为目标，按照e-航海技术体系要求，全面建成港口基于e-航海理念的综合航海保障系统，满足不同用户、不同区域、不同海况的安全保障和信息服务需求，全面促进航运安全和航运经济发展。
建设目标：
1）建成e-航海和智慧交通有机融合的综合航海保障体系；
2）建成满足各类用户需求的综合导助航及对外服务体系；
3）港口运行效率明显提高；
4）港口航运安全管控能力大幅提升。
2.沿海港口e-航海建设技术路线
根据IMO关于e-航海发展的相关原则和国际e-航海研究最新成果，沿海港口e-航海建设，应遵循如下技术路线（如图4所示）：
首先，进行用户需求调研。
在用户需求调研基础上，完成差距分析，提出e-航海初步解决方案，对初步解决方案进行风险分析、成本效益分析，并按照以人为本的原则进行评估，得出e-航海最终解决方案，成为港口e-航海开发建设的基础。
根据e-航海最终解决方案，逐步完成e-航海岸基支撑系统建设、岸基技术架构设计、岸基海事服务集（MSP）设计开发、数据采集系统建设、S-100数据标准开发、通信系统建设和船舶设备设计开发等过程，其中港口岸基服务主要通过岸基服务MSP体现。
上述过程完成后，e-航海系统即可进入调试、运行和正式对外服务阶段。
对于开发成功的MSP、S-100数据标准等，还可准备相应的技术文件，积极向IMO、IHO和IALA等国际组织申报。
，
图4：
港口e-航海建设技术路线
五、港口e-航海服务MSP开发设计思路
如图4所示，港口e-航海岸基服务主要通过港口MSP体现，因此，开发设计港口MSP是港口e-航海建设的关键技术。
下面以港口海洋环境信息服务MSP为例，分析论述港口MSP开发设计思路和过程。
1）建设港口海洋环境信息采集系统，通过水文站、多功能浮标等设施，采集港口海洋环境信息。
2）按照S-100标准，开发港口海洋环境信息相关数据标准。
3）开发港口海洋环境信息AIS播发专用电文（ASM）。
4）利用VDES通信链路，向船舶播发港口海洋环境信息。
5）形成港口海洋环境信息服务MSP相关技术文档，向IMO等国际组织申报。
整个过程如图5所示。
申报
图5：
港口海洋环境信息服务MSP开发示意图
六、港口e-航海系统功能模块设计
根据国际e-航海最新研究成果和国外e-航海测试系统建设情况，沿海港口e-航海系统可实现如下功能：
1.港口航海图书资料、公共服务系统及相关信息查询服务
通过网站、移动平台的查询、订阅和推送功能，向用户提供港口航海图书资料、公共服务和其他安全相关信息。
1）信息服务内容
海图/电子海图及更新信息、港口三维航道信息、港口潮汐信息、水文气象信息、碍航物信息、航标及动态信息、航行警/通告、航海通告、港口航法、港口公共服务/生活设施、码头泊位信息、相关法规等。
2）系统由多个子服务系统构成：
网站发布平台：
以网站形式发布航海图书资料，用户可以对高度关注的资料进行栏目订阅；对用户分级管理，可针对用户主动推送资料。
Wap图书资料服务：
用户可使用移动设备访问Wap航海图书资料网站，在线浏览图书资料。
移动版App：
满足主流的智能手机、平板电脑（如安卓、苹果）航海图书资料查询、浏览和下载。
2.港口航行辅助和安全信息播发服务
采用e-航海通信链路（VDES、NAVDAT系统或其他通信链路），向港口船舶用户提供助航辅助信息播发服务。
1）播发信息内容
水文气象信息、航行安全信息、港域环境、航行警/通告信息、港口服务信息、社会服务信息等等。
2）系统构成
岸基数据采集处理系统；
港域数据采集处理系统；
岸基播发系统；
通信链路系统；
船台接收系统。
3.港口导助航服务系统
实时获取港域环境和水文气象信息，结合港口水域三维电子海图，采用相关算法，计算港区各个水域的适航能力，为船舶在港口各航道、水域航行提供智能引航服务，为港区通航部门提供VTS监管服务。
系统构成：
港域环境在线监测信息采集系统
港域水文气象监测与数据采集系统
数据通信链路
岸基导助航服务器系统
VTS监管服务系统
船端导助航服务终端
4.港口交通组织和调度系统
实时获取港口水域环境和水文气象信息，结合船舶到港预报和港口航道、泊位和码头使用计划，以缩短船舶港外等候时间，提高船舶进出港效率为目的，开发相关算法软件，制定港口船舶进出港计划，为港口生产调度服务。
系统构成：
港域环境在线监测信息采集系统
港域水文气象监测与数据采集系统
数据通信链路
岸基数据处理与港口交通组织和调度系统
5.港口生产物流系统
在港口调度系统的基础上，实时获取港口装卸、货物车辆运输、火车运输、泊位码头使用计划等相关港口物流管理信息，以提高港口物流生产的有序性和生产效率为目标，开发相关算法软件，制定港口物流生产计划，建成港口生产物流智能管理系统。
系统构成：
港口交通组织和调度系统
岸基数据处理系统
港口生产物流智能管理系统
6.港口海事监管系统
利用e-航海通信链路，通过实时获取港域环境、水文气象、航道使用、船舶交通组织、到港船舶等信息，以提高港区船舶交通效率和保障航运安全为目的，开发岸基海事监管系统，为海事部门提供服务。
1）系统功能（包括子系统）
（1）船舶远程申报查验与签证服务系统：
完成各类船舶的远程各种申报、查验和远程签证服务功能；
（2）安全检查选船系统：
在船舶申报的基础上，根据掌握的船舶信息，解算出需要安全检查的船舶名单，确定需要重点、优先检查的船舶，为船舶安检工作提供决策支持；
（3）重点船舶跟踪系统：
根据掌握的船舶信息，筛选需要重点监管的船舶，对这些船舶实施远程跟踪和监管；
（4）VTS指挥系统：
根据获取的港域环境、水文气象、航道使用、船舶交通组织、船舶航线计划、到港船舶等信息，开发VTS指挥系统，以提高港区船舶交通效率和保障航运安全。
（5）油船过驳服务系统：
根据获取的作业水域环境、水文气象、船舶交通组织、油船作业计划等信息，开发油船过驳服务系统，以提高作业效率和船舶过驳运输安全。
（6）应急搜救服务系统：
利用e-航海通信和信息技术，为应急搜救提供搜救组织、搜救通信、搜救区域交通态势信息传输等服务。
2）系统构成
港域环境在线监测信息采集系统
港域水文气象监测与数据采集系统
数据通信链路
岸基海事信息处理系统海事监管系统
船舶海事监管服务终端
7.雾航系统
利用e-航海通信链路，通过实时获取港域环境、水文气象、航道使用、船舶交通组织等信息，并为船舶提供高精度定位服务，以降低船舶雾航门槛、提高船舶雾航能力、提高港口运行效率、保障航运安全为目的，开发船舶雾航系统，为海事通航部门提供能见度不良状况下船舶交通组织服务。
系统构成：
港域环境在线监测信息采集系统
港域水文气象监测与数据采集系统
航道使用状况采集系统
航标遥测遥控系统与航标状况信息采集系统
岸基数据处理系统
船岸数据通信链路
船端系统
8.港域环境在线监测系统
通过设置港域环境在线监测设备，为海事、港口管理等用户提供港域环境实时在线监测服务，可实现溢油、危险品泄露和水质情况在线监测、预警和溢油事故处理等功能。
在港域环境数据积累基础上进行基于大数据处理的统计分析，可实现港域污染防控预报分析功能。
系统构成：
由数据采集（传感器）、传输、显示、积累分析、阀值预警等单元组成，系统可接入卫星遥感、雷达探测、飞机或舰船报告信息，多技术组合在统一平台。
数据采集：
在港区沿岸（码头）、灯塔、浮标、钻井平台布设综合测探头和港域环境监测浮标，测定港域环境数据、溢油信息、水下能见度等信息，传回数据处理中心；放置溢油浮标，跟踪溢油漂移，掌握变化态势。
通信链路：
采集数据通过无线通信链路传回信息，通过海事卫星进行溢油浮标定位，传送位置坐标。
监测服务平台：
为服务对象提供水上污染监测、污染防控、数据分析等功能。
船台系统：
通过该系统向过往船舶提交溢油及污染报告。
七、航海保障支撑系统建设
开发建设上述港口e-航海各系统模块，需要进一步完善航海保障相关基础设施，为e-航海各子系统建设和运行提供精确定位、数据采集等支撑服务。
这些工作包括：
1.北斗高精度导航定位系统建设：
开发建设基于北斗的差分导航定位系统和北斗连续运行地基增强系统（CORS），为e-航海应用系统提供高精度导航、定位服务。
2.VDES系统建设：
根据国际VDES最新研究成果，改造岸基AIS系统，建设港区VDES系统，为e-航海服务提供基础通信手段。
3.水文系统建设完善：
建设覆盖港口全水域水文验潮网，不便基础建设的水域可布设水下定点验潮装置，潮位数据通过e-航海通信网络定时传送回数据中心。
4.NAVDAT系统建设：
跟踪研究国际NAVDAT技术发展最新动态和相关技术标准，根据e-航海建设需求，对NEVTEX系统进行改造，建设NAVDAT助航信息播发系统。
5.GMDSS现代化改造：
积极开展GMDSS现代化改造工作，使GMDSS和e-航海系统相辅相成、互相融合、数据共享、互为支撑，为e-航海建设提供基础设施。
6.对航标系统进行评估和优化改造，根据用户需求，完善AIS航标和虚拟航标设置管理程序，增加虚拟航标设置数量，进一步提高助航效能。
7.航标遥测遥控系统建设与航标数据采集系统：
根据e-航海服务要求，完善港域航标遥测遥控系统，统一数据标准，实现航标信息实时采集、存储等功能。
8.多功能航标布设：
利用灯塔、助航浮标布设优势，开展港域环境监测多功能浮标配置研究，利用航标采集港域环境、水文、气象、溢油等数据，并实现e-航海数据链路中继等功能。
9.基础地理信息采集：
对港口水域进行科学合理的需求分析和区域划分，采用多种手段进行全覆盖精细测量，全面、精确掌握区域内码头、泊位、港池、航道、锚地等通航水域水深、海底地形、地貌、底质、碍航物、水下管线、建筑设施等海上空间地理信息数据，按统一数据标准，对数据进行处理。
10.S-100标准应用研究：
开展S-100电子海图产品规范研究，制作港口S-100电子海图和电子海图更新文件，同时开展S-100在非海道测量领域应用研究。
11.进一步丰富航海图书产品，除传统港口航道纸海图外，针对用户不同需求，编制航路图、渔区图、专用图、图集、图册，以及编制潮汐表、航标表、港口指南等。
12.开发港口基础地理信息应用系统开发平台。
该平台应采用标准数据接口，具有开放性，能够为航海保障、e-航海各种应用系统的开发提供GIS基础平台。
13.港口e-航海服务数据中心建设：
采集e-航海相关各类数据，对各类数据统一数据格式与标准，开发相关数据库，建立数据中心，为e-航海各应用子系统提供基础信息。
八、结束语
目前，e-航海在国际上已逐步进入实施阶段。
我国的e-航海建设任重道远，希望本文能够为我国沿海港口e-航海的开发建设、促进港口经济发展、提高我国航海保障水平做出一定的贡献。
升级会员 