沿海港口e-航海頂層設計

李樹兵

(北海航海保障中心，天津 300455)

沿海港口e-航海頂層設計

李樹兵

(北海航海保障中心，天津 300455)

依據國際e-航海建設相關原則，按照頂層設計的思路，闡述港口e-航海建設的指導思想、建設目標，按照e-航海建設的技術路線，進行中國港口e-航海用戶需求和差距分析，并據此提出e-航海解決方案和中國沿海港口e-航海服務的功能模塊，指出MSP的設計思路，并分析支撐港口e-航海實施的航海保障基礎設施的建設內容，對中國沿海港口開展e-航海實踐具有指導意義。

沿海港口；e-航海；頂層設計

一、引 言

2006年，國際海事組織(IMO)決定全面推進e-航海戰略。e-航海的定義是：e-航海就是通過電子的方式，在船上和岸上，收集、綜合和顯示海事信息，以增強船舶泊位到泊位的全程航行能力，增強相應的海上服務、安全和保安能力，以及海洋環境保護能力。

在IMO的主導下，在國際航標協會(IALA)等相關國際組織和有關國家的共同努力下，國際海事界已完成了世界e-航海用戶需求調研和差距分析，確定了潛在解決方案，完成了技術架構設計，提出了未來通信系統解決方案，明確了信息標準，并發布了一系列標準性的e-航海技術文件。

從2010年開始，歐洲、美洲等地區陸續建立了e-航海測試系統(test bed)，對驗證e-航海的系統框架結構、數據模型、信息通信、系統功能等方面的研究成果發揮了重要作用，同時也對測試系統所在區域的航行安全、船舶交通效率和海上環境保護起到了很好的促進作用。

可以預見，各國海事主管機構將根據IMO、IALA等國際組織發布的關于e-航海的相關技術文件，通過完善的通信系統將船-岸兩端集成為一個綜合的海上信息環境，共享各類助航和安全信息，從而進一步加強船舶航行安全，提高運輸效率，保護海上環境。

中國是海事大國，也是IMO的A類理事國，但中國在e-航海研究應用方面卻明顯落后。目前，中國e-航海尚處于對國外技術的理論研究階段，還沒有建立符合e-航海標準的測試系統。

2013年12月27日召開的2014年全國交通運輸工作會議上，交通運輸部黨組提出了“智慧交通”的概念，即以信息化、智能化為牽引，推動現代信息技術與交通運輸管理和服務全面融合，全面提升交通運輸供給能力、運行效率、安全性能和服務質量。港口是水上運輸的樞紐和交通組織的核心區域，在港口領域，“智慧交通”就是通過信息化、智能化等手段，為港口航運發展、交通組織提供完善的智能化服務，這和e-航海的理念是一脈相承的。因此，實現“智慧港口”的關鍵就是建立港口e-航海系統。

本文依據國際e-航海建設相關原則，按照頂層設計的思路，提出了港口e-航海建設的指導思想、建設目標，按照e-航海建設的技術路線，進行了中國港口e-航海用戶需求和差距分析，根據差距分析提出了e-航海解決方案和中國沿海港口e-航海服務的功能模塊，指出了MSP的設計思路，并分析了支撐港口e-航海實施的航海保障基礎設施的建設內容。本研究對中國沿海港口開展e-航海實踐具有指導意義。

二、國外e-航海及測試系統發展現狀

自2010年開始，挪威、丹麥等歐盟國家建立了多個成功運行的e-航海測試系統，比較典型的包括EfficienSea測試系統、MONALISA測試系統、ACCSEA測試系統等。分析、總結國外e-航海測試系統的功能，對研究中國港口e-航海解決方案具有很好的借鑒作用。這些系統的主要功能歸納如下：

(1)安全及助航信息播發服務：通過及時向船舶播發水文、氣象、海洋環境狀況、礙航物、海圖/電子海圖及改正、航標運行狀態等各類信息，幫助船舶安全航行，提高運輸效率。

(2)船舶計劃航線共享以及船舶交通組織管理：通過e-航海通信鏈路，實現船岸之間船舶計劃航線的共享，從而進一步加強對船舶的交通組織管理，提高水域船舶交通管控能力和運輸效率。

(3)船舶輔助引航服務：通過提供精確定位、精密船舶位置預測、船舶操作協調工具(VOCT)、航道物標的精確感知等手段，以及船岸之間助航信息實時通信，為船舶引航提供服務，從而提高航道通航尺度，保障船舶安全。

(4)港口物流管理：通過船舶動態數據和港口物流數據融合匹配技術，開發港口物流動態管理系統，提高港口物流管理效率。

(5)輔助搜救：利用e-航海通信技術和海域感知技術，向搜救部門提供搜救區域環境、船舶交通態勢等信息，從而輔助搜救工作，提高搜救效率。

(6)船員值守遠程監控：通過e-航海通信技術實現船岸之間船員值守的遠程監控，提高對船員的監控能力。

(7)能接收岸基e-航海服務的船臺系統，具備彈性PNT等功能。

三、沿海港口e-航海建設指導思想、建設目標和技術路線

1.沿海港口e-航海建設指導思想和建設目標

沿海港口e-航海建設的指導思想是：以“四個交通”建設為綱領，以中國沿海港口航運用戶需求為導向，以提高港口運行效率和水上安全管控能力為目標，按照e-航海技術體系要求，到2020年，全面建成沿海港口區域基于e-航海理念的綜合航海保障系統，滿足不同用戶、不同區域、不同海況的安全保障和信息服務需求，全面促進航運安全和航運經濟發展。

沿海港口e-航海的建設目標如下：

(1)建成e-航海和智慧交通有機融合的綜合航海保障體系；

(2)建成全面滿足各類用戶需求的綜合導助航及對外服務體系；

(3)港口運行效率明顯提高；

(4)港口航運安全管控能力大幅提升。

2.沿海港口e-航海建設技術路線

根據IMO關于e-航海發展的相關原則和國際e-航海研究最新成果，沿海港口e-航海建設應遵循如下技術路線(如圖1所示)：

首先，進行用戶需求調研。在用戶需求調研基礎上，完成差距分析，提出e-航海初步解決方案。對初步解決方案進行風險分析、成本效益分析，并按照以人為本(HDC)的原則進行評估，得出e-航海最終解決方案，成為港口e-航海開發建設的基礎。

根據e-航海最終解決方案，逐步完成e-航海岸基支撐系統建設、岸基技術架構設計、岸基海事服務集(MSP)設計開發、數據采集系統建設、S-100數據標準開發、通信系統建設和船舶設備設計開發等過程，其中港口岸基服務主要通過岸基服務MSP體現。

上述過程完成后，e-航海系統即可進入調試、運行和正式對外服務階段。對于開發成功的MSP、S-100數據標準等，還可準備相應的技術文件，積極向IMO、IHO和IALA等國際組織申報。

圖1 港口e-航海建設技術路線

四、中國沿海港口e-航海用戶需求分析

中國沿海港口e-航海建設的首要步驟就是進行用戶需求分析。目前，中國海事局下屬各地區通航和航海保障管理部門每年均開展多次轄區用戶需求調研，收集了大量用戶需求資料。同時，北海航海保障中心在2014年開展的沿海港口e-航海建設研究課題和天津港e-航海建設示范工程可行性研究中進行了大量的用戶調查。根據對已經開展的用戶需求調研進行分析、總結，可以歸納出沿海港口e-航海用戶需求如下：

1.助航信息服務及提供方式

船舶用戶迫切需要獲取如下助航相關信息：

(1)港口交通組織管理部門發布的航警等安全相關類信息；

(2)港區氣象、水文、航道潮流等實時氣象和海況類信息；

(3)船舶精確定位、港區電子海圖更新、航標實時狀況等助航信息；

(4)碼頭泊位及港口社會服務類信息；

(5)各類航海出版物、法規標準等信息。

上述助航信息，除了GMDSS、VTS呼叫等強制方式，船舶等用戶，在可以接入互聯網的區域，大多希望通過網站集中獲取相關助航信息；在無法接入互聯網的地區，則希望通過岸基主動推送等方式，獲取相關信息。同時用戶在接收信息時，有自主選擇能力：

(1)通過互聯網(包括IPAD、手機移動終端)，在助航信息網站集中獲取相關助航信息；

(2)通過船載e-航海顯示設備，自動獲取相關助航信息。

2.通航組織管理服務

船舶、海事通航管理等用戶，對港區船舶通航組織管理主要有如下需求。

(1)精確、實時、方便獲取港區船舶交通信息：基于電子海圖的港區船舶交通態勢，船舶靜動信息，船上人員、貨物、船舶航行計劃等動態信息；

(2)特殊水域和船舶交通組織服務，包括船舶交通密集水域船舶交通組織服務、受限制航道船舶交通組織服務、水文復雜航道船舶交通組織服務、特殊船舶(大吃水、大噸位、高速船等)交通組織服務；

(3)惡劣天氣情況下實施交通組織管理：在惡劣天氣條件(比如大霧天氣)下，盡可能降低船舶通航限制，提高通航能力；

(4)非公約船舶、漁船、游艇及其他小船的監控服務；

(5)為船舶提供應急搜救服務：提供搜救區域交通態勢信息、應急通信指揮等服務。

3.引航服務

船舶、港口引航用戶，希望能夠提供智能、綜合船舶導助航輔助手段，為船舶提供智能引航服務。

4.船舶監管輔助服務

海事船舶管理等部門，希望在取消船舶簽證的情況下，提供有效的船舶監管輔助服務：

(1)完成各類船舶的遠程查驗和監控；

(2)為船舶安檢工作提供決策支持，提供重點監控船舶信息服務，并對這些船舶實施遠程跟蹤和監管。

5.船員管理輔助服務

海事主管部門希望了解船員適任、工作狀況等信息。

6.港口水域污染防控

海事、港務等部門，希望實時了解、監控港口水域水質、溢油、污染等信息，以防止船舶污染，建設美麗港區。

7.港口管理和調度指揮服務

港口調度指揮等部門，希望及時獲取船舶動態、港區交通組織等方面的信息，以科學、合理安排港口作業和生產計劃。

五、港口e-航海用戶需求差距分析和港口e-航海初步解決方案

根據e-航海技術路線，確定沿海港口用戶需求后的下一步工作就是進行差距分析，從而得出沿海港口e-航海初步解決方案。所謂差距分析，就是把目前能夠提供的服務和用戶的需求進行比較，找出不能滿足的用戶需求，即為差距，再根據差距，設計相應的e-航海解決方案。下面根據上述用戶需求，進行差距分析，并提出e-航海解決方案，如表1所示。

表1 中國沿海港口e-航海用戶需求差距分析及解決方案

由于篇幅所限，本文依據沿海港口用戶需求的主要內容，簡述了差距分析的內容，完成了差距分析和e-航海解決方案列表。根據e-航海技術路線，對解決方案尚需進行風險分析和人力因素分析。根據國外e-航海測試系統經驗，本文認為這些e-航海解決方案可行，就不再詳細敘述風險分析和人力因素分析情況。

六、港口e-航海服務解決方案和MSP開發設計思路

如圖1所示，港口e-航海解決方案主要通過港口e-航海海事服務集(MSP，MSP概念請參閱相關資料)體現。因此，開發設計港口MSP是港口e-航海建設的關鍵技術。下面以港口海洋環境信息服務MSP為例，分析論述港口MSP開發設計思路和過程。

(1)建設港口海洋環境信息采集系統，通過水文站、多功能浮標等設施，采集港口海洋環境信息；

(2)按照S-100標準，開發港口海洋環境信息相關數據標準；

(3)開發港口海洋環境信息AIS播發專用電文(ASM)；

(4)利用VDES通信鏈路，向船舶播發港口海洋環境信息；

(5)形成港口海洋環境信息服務MSP相關技術文檔，向IMO等國際組織申報。

整個過程如圖2所示。

圖2 港口海洋環境信息服務MSP開發示意圖

七、港口e-航海系統功能模塊設計

根據沿海港口e-航海差距分析所得出的解決方案，可以歸納出沿海港口e-航海功能模塊如下：

1.港口航海圖書資料、公共服務系統及相關信息查詢服務

通過網站、移動平臺的查詢、訂閱和推送功能，向用戶提供港口航海圖書資料、公共服務和其他安全相關信息。

(1)信息服務內容：海圖/電子海圖及更新信息、港口三維航道信息、港口潮汐信息、水文氣象信息、礙航物信息、航標及動態信息、航行警/通告、航海通告、港口航法、港口公共服務/生活設施信息、碼頭泊位信息、相關法律法規等。

(2)系統由多個子服務系統構成。

①網站發布平臺：以網站形式發布航海圖書資料，用戶可以對高度關注的資料進行欄目訂閱；對用戶分級管理，可針對用戶主動推送資料。

②Wap圖書資料服務：用戶可使用移動設備訪問Wap航海圖書資料網站，在線瀏覽圖書資料。

③移動版App：滿足主流的智能手機、平板電腦(如安卓、蘋果)航海圖書資料查詢、瀏覽和下載。

2.港口航行輔助和安全信息播發服務

采用e-航海通信鏈路(VDES、NAVDAT系統或其他通信鏈路)，向港口船舶用戶提供助航輔助信息播發服務。

(1)播發信息內容：水文氣象信息、航行安全信息、港域環境信息、航行警/通告、港口服務信息、社會服務信息等。

(2)系統構成：岸基數據采集處理系統；港域數據采集處理系統；岸基播發系統；通信鏈路系統；船臺接收系統。

3.港口通航管理輔助系統

利用e-航海通信鏈路，通過實時獲取港域環境、水文氣象、航道使用、船舶交通組織等信息，為船舶提供高精度定位服務，開發相應船臺設備，利用岸-船之間信息交換，為港口船舶交通管理提供輔助服務。

(1)功能。

①岸-船通航信息交換；

②特殊水域和特種船舶交通組織服務：開發e-航海岸基港口交通管理輔助系統，為特殊水域(交通密集區、航道狹窄區域等)和特種船舶(超大型船舶等)交通組織服務，參見表1-2-(2)；

③惡劣天氣船舶交通組織服務：利用e-航海的實時助航信息交換功能和高精度定位支撐系統，提高惡劣天氣船舶通航能力，參加表1-2-(3)。

(2)系統構成：港域環境檢測信息采集系統；港域水文氣象監測與數據采集系統；航道使用狀況采集系統；航標遙測遙控系統與航標狀況信息采集系統；岸基數據處理系統；船岸數據通信鏈路；船端系統。

4.港口導助航服務系統

實時獲取港域環境和水文氣象信息，結合港口水域三維電子海圖，利用高精度定位技術，采用相關算法，計算港區各個水域的適航能力，為船舶在港口各航道、水域航行提供智能引航服務以及船舶精確入塢、靠泊服務。

系統構成：港域環境檢測信息采集系統；港域水文氣象監測與數據采集系統；數據通信鏈路；岸基導助航服務器系統；船端導助航服務終端。

5.港口海事監管系統

利用e-航海通信鏈路，通過實時獲取港域環境、水文氣象、航道使用、船舶交通組織、到港船舶等信息，以提高港區船舶交通效率和保障航運安全為目的，開發岸基海事監管系統，為海事部門提供服務。

(1)系統功能。

①船舶遠程報告及查驗服務：利用e-航海通信鏈路和信息處理能力，使到港船舶具備遠程報告功能，實現岸基主管部門對船舶的遠程查驗，參見表1-4-(1)；

②安全檢查選船：在船舶遠程報告的基礎上，為船舶檢查提供選船功能，參見表1-4-(2)；

③重點船舶跟蹤：利用e-航海信息處理能力和通信鏈路，為主管機關提供重點船舶跟蹤、監管功能，參見表1-4-(3)；

④應急搜救服務：利用e-航海建立的助航信息采集、通信系統，為海上應急搜救提供信息服務，參見表1-2-(4)。

(2)系統構成：港域環境檢測信息采集系統；港域水文氣象監測與數據采集系統；數據通信鏈路；岸基海事信息處理系統；岸基海事監管系統；船舶海事監管服務終端。

6.港域環境在線監測系統

通過設置能夠監測海洋、氣象環境數據的多功能浮標設備，并將其融入e-航海數據采集系統，可實現港域污染防控預報分析功能，參加表1-6。

系統構成：由數據采集(傳感器)、傳輸、顯示、積累分析、閾值預警等單元組成，系統可接入衛星遙感、雷達探測、飛機或艦船報告信息，多技術組合在統一平臺。

①數據采集：在港區沿岸(碼頭)、燈塔、浮標、鉆井平臺布設綜合測探頭和港域環境檢測浮標，測定港域環境數據、溢油信息、水下能見度等，傳回數據處理中心；放置溢油浮標，跟蹤溢油漂移，掌握變化態勢。

②通信鏈路：采集數據通過無線通信鏈路傳回信息，通過海事衛星進行溢油浮標定位，傳送位置坐標。

③監測服務平臺：為服務對象提供水上污染監測、污染防控、數據分析等功能。

④船臺系統：過往船舶通過該系統提交溢油及污染報告。

7.港口調度系統

建立基于e-航海系統的港口調度相關信息采集、處理和交換系統，為港口生產調度服務，參見表1-7-(1)。

系統構成：港域環境檢測信息采集系統；港域水文氣象監測與數據采集系統；數據通信鏈路；岸基數據處理與港口調度系統。

8.港口生產物流系統

在港口調度系統的基礎上，融入港口生產物流相關信息，建設港口生產物流管理系統，參見表1-7-(2)。

系統構成：港口調度系統；岸基數據處理系統；港口生產物流系統。

9.e-航海船臺設備開發

開發接收岸基e-航海服務的船臺設備。

八、航海保障支撐系統建設

開發建設上述港口e-航海各系統模塊，需要進一步完善航海保障相關基礎設施，為e-航海各子系統建設和運行提供精確定位、數據采集等支撐服務。這些工作主要包括以下方面。

(1)北斗高精度導航定位系統建設：開發建設基于北斗的差分導航定位系統和北斗連續運行參考系統(CORS)，為e-航海應用系統提供高精度導航、定位服務。

(2)VDES系統建設：根據國際VDES最新研究成果，改造岸基AIS系統，建設港區VDES系統，為e-航海服務提供大容量、高速的基礎通信手段。

(3)水文系統建設完善：建設覆蓋港口全水域水文驗潮網，不便基礎建設的水域可布設水下定點驗潮裝置，潮位數據通過e-航海通信網絡定時傳送回數據中心。

(4)NAVDAT系統建設：跟蹤研究國際NAVDAT技術發展最新動態和相關技術標準，根據e-航海建設需求，對NEVTEX系統進行改造，建設NAVDAT助航信息播發系統。

(5)GMDSS現代化改造：積極開展GMDSS現代化改造工作，使GMDSS和e-航海系統相輔相成、互相融合、數據共享、互為支撐，為e-航海建設提供基礎設施。

(6)對航標系統進行評估和優化改造，根據用戶需求，完善虛擬航標設置管理程序，增加虛擬航標設置數量，進一步提高助航效能。

(7)航標遙測遙控系統建設與航標數據采集系統：根據e-航海服務要求，完善港域航標遙測遙控系統，統一數據標準，實現航標信息實時采集、存儲等功能。

(8)多功能航標布設：利用燈塔、助航浮標布設優勢，開展港域環境監測多功能浮標配置研究，利用航標采集港域環境、氣象、溢油、水質等數據，并實現e-航海數據鏈路中繼等功能。

(9)基礎地理信息采集：對港口水域進行科學合理的需求分析和區域劃分，采用多種手段進行全覆蓋精細測量，全面、精確掌握區域內碼頭、泊位、港池、航道、錨地等通航水域水深、海底地形、地貌、底質、礙航物、水下管線、建筑設施等海上空間地理信息數據，按統一數據標準，對數據進行處理。

(10)S-100標準應用研究：開展S-101電子海圖產品規范研究，制作港口S-101電子海圖和電子海圖更新文件，同時開展S-100在非海道測量領域應用研究。

(11)進一步豐富航海圖書產品，除傳統港口航道紙海圖外，針對用戶不同需求，編制航路圖、漁區圖、專用圖、圖集、圖冊，以及潮汐表、航標表、港口指南等。

(12)開發港口基礎地理信息應用系統開發平臺。該平臺應采用標準數據接口，具有開放性，能夠為航海保障、e-航海各種應用系統的開發提供GIS基礎平臺。

(13)港口e-航海服務數據中心建設：采集e-航海相關各類數據，對各類數據統一數據格式與標準，開發相關數據庫，建立數據中心，為e-航海各應用子系統提供基礎信息。

九、結 語

目前，e-航海在國際上已逐步進入實施階段。希望本文能夠為促進港口經濟發展、提高我國航海保障水平做出微末的貢獻。愿我們共同努力，為我國早日實現“海洋強國”的戰略目標而共同奮斗！

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2014-11-19

李樹兵(1963-)，男，高級工程師；E-mail:liqimingcui@sina.com

1671-7031(2015)01-0020-07

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