北極航路地理信息服務框架初探

邢攸姿 奉定平 楊龍 孫曉萍

摘 要：本文研究北極航路地理信息服務框架的構建，探索整合航海地理空間信息，建立基礎航路地理信息管理流程，實現高效共享、集成服務，從而保障北極航運船舶的航行安全。

關鍵詞：北極；地理信息；冰上絲綢之路；服務框架

0 前言

北極航道是指穿越北冰洋連接大西洋北部和太平洋北部的最短海上航道，也稱為“北方航線”。北方航線將全球經濟富裕的歐洲、北美和東亞緊密聯系起來，是聯系亞、歐、北美三大洲的最短航道，主要包括“東北航道”（見圖1）、“西北航道”和“中央航道”。本文以我國“冰上絲綢之路”規劃為指導思想，以數字航海建設為基礎，研究構建北極航路地理信息服務框架。以此作為航海航路建設的主要管理工具，整合航海地理信息有關的空間信息，同時以信息網絡作為載體，以各種信息終端作為媒介，建立流暢的基礎地理信息流程，進而實現基礎航路地理信息的有機集成管理，實現航路信息的高效共享，從而保障我國北極航運船舶的航行安全。

1 現狀分析

1.1 需求

近年來，北冰洋海冰快速消融，制約北極航道開通的最大限制因素得以消除。開通后的北極航道，通航期短，海洋環境惡劣，巨大的冰蓋、冰島、冰山、浮冰和暴風雪天氣等問題不利于船舶航行。如何保證船舶在北極海域安全航行是我國“冰上絲綢之路”建設面臨的難題。缺乏航區相關的氣象和海況資料（風暴、大風、海霧、海溫、海冰、海流、海浪和潮汐等）、航道資料（水尺、助航標志、燈塔等）、港口碼頭資料（吃水、結冰、冰厚等）、陸基支援相關資料（通信聯系、沿途補給、破冰船和應急救援、避難等）等可靠數據資料，以及航行過程中船舶通行權、航路沿線與各國海事管轄權的法律法規等外交爭議，是目前妨礙我國船舶航行于北極航路的主要因素。因此，研究北極海區航路航海信息服務系統，構建北極航路地理信息服務平臺，能夠為我國發展北極航路提供基于海洋空間地理信息的信息服務，有利于節省北極航路的航行時間，縮短航行路程，保證船舶能夠安全、低耗地實現最高航行效益，從而為建設我國“冰上絲綢之路”提供基本保障。

1.2 國外相關研究

作為北極航線開通的受益者，日本也一直密切關注北極地區的開發狀況，并將北極戰略納入國家大戰略范疇。

日本的航海保障體系及其技術一直處于世界領先地位。日本國土交通省的外局（附屬機關）海上保安廳（JCG Japan Coast Guard）作為日本維持海上安全及治安的行政機關，組織建立了日本航海保障系統，提供航標助航、海事測繪、海上通訊業務的開發與實施，管理服務內容主要包括VTS交通中心、AIS站臺、DGPS、航標系統、潮流信號等，以及航海保障的相關法律、規章、制度的制定與實施。在航海保障的基礎設施方面，日本海上交通中心在沿岸海域建有各類視覺航標、無線電航標及其他各類航標共計5 000余座，保證了航海保障基礎設施的完善。北冰洋東北航線全線貫通，開辟了亞歐海運貿易新通道，成為了一條縮短日本與歐美的航運距離與航運時間的黃金水道。受到北冰洋航線實現商業化通航的影響，為了做好使用北冰洋航道的準備，日本積極參與“國際北方航道計劃”，全面調整外貿物流的格局，投入大量經費對俄羅斯北方航道（東北航道）進行通航可行性研究，用來收集北極無冰期海域航運、經濟和其他安全信息，從而加大對冰海航運科技創新的支持，以確保大型船舶能在北極惡劣的氣候條件下正常航行。對日本航海保障體系中的管理服務體制及其先進軟硬件應用技術的分析研究，可為我國航海保障體系建設提供相關的參考范例，尤其能夠提高我國北極航路航海保障體系的建設質量。

1.3 具備的條件

近年來，北方海區航海保障部門建成了覆蓋北方海區各通信中心及天津海事測繪中心、天津海事科技中心在內的15個所屬機構的海事信息網絡體系，所屬15個機構的船舶都實現了海事信息網絡接入功能，用以支持海事業務開展和北海航海保障中心的內部管理需求。通過這些海事信息網絡化基礎建設，北海航海保障中心和各基層單位能夠進行高效的信息互通。同時，北海航海保障中心還根據海事信息實際應用的需要，建立了專線網路用于服務船舶自動識別系統（AIS）。此外，北海航海保障中心下屬機構天津海事測繪中心分別于2016年7月、2017年8月委派技術人員3次隨船對北極東北航道進行考察，北海航海保障中心天津海事測繪中心在海事系統首次實現了北極東北航路航線水深的實際測量、東北航道沿線導航標志現場搜集和高頻無線電通信系統及北斗通信系統的實地測試工作，為進一步探索東北航道開發和航海保障服務掌握了寶貴的一手資料。另外，隨船工作人員對北極東北航道隨船航行期間的水文氣象、羅經設備（磁羅經、電羅經和光纖羅經）在高緯度海域的使用情況，以及北極東北航道氣象導航服務應用情況進行了詳細記錄，并收集整理了北極東北航道適用的法律法規、北極東北航道沿線港口資料，以及俄羅斯北方海航道搜救和應急反應資源等航海保障相關資料，對北極海域的航海狀況、導助航設施、海道測繪資料、通信保障等航海保障信息有了一個整體的認識，這為建設北極航路地理信息服務系統工作奠定了基礎。

2 北極航路框架建設

建設北極航路地理信息服務系統是一個龐大復雜的系統工程，需要統籌全局，系統規劃，要做好宏觀設計和頂層設計工作。遵循“開放性、現勢性、標準性和互操作性”這四項基本原則，建立集中決策、分級管理的北極航海保障組織規劃服務體系，研發北極航海保障地理信息應用服務系統，開發數據采集系統，接入船載定位、水深、氣象水文采集設備，整合各類航海保障信息，對拓寬極地航海圖信息資料來源，加強服務北極航路，進而為北極水域航行的中國商船提供更準確、詳細，更具有現勢性的氣象、航警信息等綜合性服務是建設北極航路地理信息服務框架的主要工作內容。

3 總體框架

北極航路地理信息服務框架由北極航路地理信息獲取與維護、北極航路地理信息集成管理與共享、北極航路地理信息分發與服務等3部分構成，主要包括關鍵技術、信息框架、服務模式、應用分析和產業分析等5個層面。如圖2所示。

3.1 關鍵技術

北冰洋的地理位置特殊，且難以到達，氣象、水文歷史資料十分有限，海霧、海冰、海風、降水和洋流對船舶航行的影響相當大，缺少相關海事氣象等信息將無法保證船舶安全航行，進而降低北極航路航運價值。因此，北極航路地理信息服務系統應以收集整理北極海域氣象、水文等關于北極航路的相關信息為基礎，將收集到的數據資料整理存儲到北極航路地理信息服務數據庫，研究分析北冰洋地區的氣象、水文特點，根據收集到的氣象、水文、冰情、港口信息，為船舶在北極水域航行時提供航線制定和導助航等北極航行服務。

基于北極航路地理信息服務的整個內容來看，可以將其關鍵技術劃分為航路信息獲取與存儲、航路信息處理與分析、航路信息傳輸、航路信息表現等4個技術層面。

3.2 信息框架

利用現代電子信息技術為海事系統和北極航路地理信息服務部門提供國際標準的海事信息，構建信息框架，不僅能夠提升船舶安全監控能力，還能夠提高海事部門業務處理能力和航運管理水平，對北極航路地理信息服務提供信息化的支持。北極航路地理信息服務框架主要包括數據源、數據質量、數據標準、數據組織管理和數據挖掘等5個部分。

3.3 服務模式

隨著計算機技術的發展，網絡技術被應用于航海產業，制作的基于網絡的電子海圖等產品能夠提供以往海事地理信息服務模式無法提供的優質海事服務。基于網絡的海事地理信息服務系統構建了一種信息化、網絡化、現代化的海事服務模式，能夠為船舶提供更快速準確的相關航行海域海事信息，切實有效地提高了海事地理信息服務的水平，是船舶導航和輔助決策的重要工具。它將信息技術、GIS技術、WEB技術、數字化海事信息技術等先進技術進行綜合開發，為海運船舶提供快速準確海事信息和各類險情信息，船舶基于這些海事信息可以進行輔助航線規劃和航線監控，確保了航線的安全性，有效地提高了航行安全性。以網絡技術為依托的北極航路地理信息服務系統主要提供海上無線通信、基于船舶位置的海事信息推送、實時海事信息更新查詢以及其他海事信息產品等4種服務模式。

3.4 應用分析

北極航路地理信息服務系統的最終目的是將其應用到我國北極航路航運事業中。航運事業主要涉及政府管理部門、海上運輸企業和海上救援機構。具體應用主要為面向政府綜合航路信息服務、面向航運企業的信息服務和面向海上救援機構的服務，如圖3所示。

3.5 產業分析

北極航路的特征和背景決定了我國如何制定和實施北極戰略，因此需要對我國海洋戰略、北極航路地理信息服務框架航海效用和運營方法進行合理分析，為進一步發展北極“藍色經濟帶”戰略決策的制定提供參考。分析的主要內容為航海政策分析、航海效用分析以及運營分析。

4 北極航路地理信息服務內容

北極航路地理信息服務框架是以地理信息系統為基礎平臺，由多個不同功能的子系統按不同層次綜合集成的開放海運服務框架，主要服務于航海及其相關領域。系統將GPS、ECDIS、VTS等現代化航海工具利用先進的信息管理技術、通信技術和網絡技術有機地結合在一起，最終形成開放的集查詢、控制、管理、決策于一體的綜合北極航路交通信息系統，從一個高層次的信息化平臺上對北極航路海事測繪數據進行管理與維護，從而提高北極航路交通航運的安全水平，降低船舶運輸受其他因素的影響，提高北極東北航道通行能力和交通效率的目的。框架主要服務內容為海上交通服務、海事測繪和海事信息等3部分，如圖4所示。

4.1 海上交通服務

北極海域的航運業務作為綜合航海保障系統服務的主要目標，其需求在北極地理信息服務系統的建設過程中具有重要指導意義。北極航路地理信息服務框架能夠提供海運相關的航標助航信息，輔助海上交通管理，提供海事信息。將現代航標技術應用于北極航路，根據北極航路航道的冰情信息和各船舶信息定量和定性的分析航路通航情況，以VTS為基礎集成具有豐富交互接口的綜合海上智能交通管理平臺能夠整合多種數據資源，并根據實時海況規劃和設計北極航路船舶定線制方案，為船舶提供導助航服務；研究北極航路的主要交通模式和交通環境特征，采用船舶定線制服務模式規范船舶交通流，減少船舶碰撞事故，改善當前海上交通管理現狀，提高智能船舶交通管理效率；通過研制基于網絡平臺的北極航路海上交通信息增量式跟新服務機制，為航行于北極海域的船舶提供高精度、全海域、近實時的海上交通信息，提高海事交通數據的現勢性，幫助船舶及時作出正確的航行決策。

4.2 海事測繪

海洋測繪的數字化、自動化和規范化，極大地豐富了海洋測繪數據，提升了海圖發行量，提高了經濟效益和社會效益。北極航路地理信息服務框架通過對中心技術人員三次隨船考察獲得的資料進行分析整理，構建海洋調查資料管理和共享應用機制，基于北極航路地理信息服務系統搭建海洋調查資料和調查數據產品的共享服務平臺，將海洋調查資料與成果共享。通過提供北極航路相關的海洋調查和海道測繪數據，為各種海測數據、海圖資料提供具有管理功能的數據庫系統。數據庫管理系統高效地管理海事測繪數據，提供北極航運所需的航標數據、障礙物數據、航道水深數據、沿海港口碼頭數據和地形岸線等海洋地理信息數據的查詢、更新。將北極航路地理信息服務數據庫作為電子海圖基礎數據庫，對海事氣象數據、船舶管理數據、平臺生產數據、應急數據等多種數據資源進行綜合管理、分析，最后以電子海圖形式輸出到顯示端。

4.3 海事信息

在海事管理、船舶調度、搜救應急等應用過程中，需要實時掌握船舶的動態信息，并進行實時分析判斷。例如船舶導助航及航線規劃、船舶避碰、海冰等惡劣氣象安全避險、船舶進出港等。這些分析判斷的依據是船舶及其航行海域相關海事信息的相互關系，此外還包括航標、航道邊線、禁航區、港口界線等海事數據。總體上可以概括為船位信息、港務信息和海上安全信息。北極航路地理信息服務框架提供的船位信息服務主要包括船舶動態位置信息、歷史軌跡查詢、船舶載貨數據、船舶航行水域測繪數據等信息查詢傳輸，這有助于從根本上解決船岸之間的信息隔絕情況，讓岸端的管理者能夠及時準確地了解船舶航行期間的動態信息。框架提供的港務信息包括為北極航航運船舶提供貨物和集裝箱等的中轉、裝卸和倉儲等綜合物流信息服務，有利于提高多式聯運和流通加工的港務信息支持；為船舶用戶提供市場決策的信息及其咨詢，以電子數據交換功能為服務模式提供增值服務網絡，為北極航運客戶提供訂單管理、供應鏈控制等港務服務；為建立現代物流提供整合生產力要素服務平臺，利用信息技術實現從傳統貨物流通到現代的人員流通、貨物流通、商貿流通、信息流通的全面大流通。框架提供的海上安全通信功能能夠幫助海上救援管理中心人員、政府職能部門、救援船舶和重點海域監控單位完成海上救援信息的瀏覽、錄入、修改和統計。該功能的實現方式是在海上救援管理中心人員收到海上事故信息后對相關信息及時分析，從數據庫中將救援資源調出顯示到救援管理中心的平臺上，從而方便工作人員對衛生應急資源、執法應急資源、消防應急資源等不同類型的應急資源進行協同調度，達到最優救助效果。

5 總結

北極航路地理信息服務系統的建設需從“冰上絲綢之路”戰略和全局的高度出發，充分領會《航保“十三五”規劃》《綜合運輸“十三五”發展規劃》《交通運輸支持系統“十三五”建設規劃》、《交通運輸安全生產和應急體系建設“十三五”發展規劃》《交通運輸信息化“十三五”發展規劃》《海事“十三五”發展規劃》等政策文件，結合各海事部門實際需求，制定一系列任務目標，并對各階段目標任務合理安排，采取有效行動實施任務計劃，為全面落實航路服務提供保證和支持。在系統建設的實施過程中，應不斷加強各部門之間的溝通和職責落實，推進系統管理創新和戰略變革，切實將服務系統應用于保障我國商船安全航行于北極航路。

參考文獻

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