交通誘導理念在航運中的應用*
——船舶航行誘導系統的概念與組成

李 猛 謝新連 潘 偉

一、背景

隨著國家“一帶一路”倡議和“海洋強國”戰略的實施，海上工程建設、海洋資源開發與海上貨物運輸等活動密集展開，海上的交通越來越繁忙。在一些大型港口、重要航路和水上施工區域，船舶駕駛者面臨的通航狀況也越來越復雜，如航行在受限水域內同時存在過路的商船、作業的漁船、施工的工程船，各船舶形成交叉相遇和緊迫局面等情況。雖然現有的助航設備能夠提供高精度的助航信息和數據（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據尚不能快速、準確地做出正確的路徑選擇和避讓決策，還需要依據這些信息人工計算或憑經驗做出判斷。在復雜而緊迫的局面下，由于駕駛者做出錯誤的判斷和決策而導致的海上交通事故時有發生。船舶航行誘導是近年來船舶交通領域的一個新的概念，是道路智能交通管理理念在水上交通領域的應用。交通誘導系統應具備為駕駛者提供實時最優路徑和避讓決策支持信息的功能。

二、交通誘導的概念

道路交通擁堵是城市化進程中難以避免的社會問題，解決城市道路擁堵問題的主要策略之一是調節道路上的交通流量。調節交通流量的方式，從管理者的視角來看，可以分為兩種：強制性措施，如制定道路通行規則、交警現場指揮、限行規定等；建議性措施，如通過布置在各道路上的監控裝置采集路況信息傳輸到交通管理中心，經過處理后將路況信息通過某種方式（如交通廣播、路況信息顯示屏、互聯網等）發布給道路上的駕駛者，“誘導”其主動避開擁堵路段，從而達到調節交通流量的目的。

交通誘導系統（TGS，Traffic Guidance System），也稱作交通流誘導系統，是基于定位、信息處理、通信、移動互聯網等技術，具有為交通參與者（交通管理者、公交調度、駕駛員等）提供實時的道路交通信息（如車輛位置、行駛里程、道路擁堵狀況、預計到達時間等），并為交通參與者提供決策支持信息（調流方式、調度方案、選擇最優路徑、空置車位）等功能的系統，主要由交通信息采集系統、交通信息處理系統、交通信息發布系統等部分組成，其核心技術為數據處理與動態路徑優化計算。交通誘導系統是智能交通系統的核心部分，在道路交通中已得到廣泛應用，如美國的Pathfiander、ADVANCE，日本的RACS，歐洲的ALI等。在我國，有關道路交通誘導方面的研究一直是智能交通領域的熱點內容[1-6]。

三、導航和交通誘導的區別

表面上看，導航和誘導的功能有相似之處，都能夠通過提供道路交通信息以幫助駕駛者以最快速度（最短路程）到達目的地，但二者存在著本質上的差別。傳統的導航功能是為個體的駕駛者指明方向并提供實時的本車速度、與目的地之間的距離、所需的時間等要素，以及一些靜態信息的提醒（如限速、闖紅燈拍照等），其工作原理主要是通過車載定位設備獲取位置信息并顯示在設備的電子地圖信息系統中，然后通過預裝在設備中的計算程序得出當前位置與人工輸入目的地之間的方向、距離、時間等要素并將其提供給使用者。傳統的導航設備不具備為駕駛者提供宏觀的、實時的路況信息和動態路徑優化功能。交通誘導系統既能為微觀的個體駕駛者選擇最優路徑，也能為宏觀的整個區域內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、系統組成與實現技術更加復雜[6]。當前的車載導航系統或手機導航APP已經由傳統的導航功能發展到具備誘導功能，如高德地圖等，其實質上是交通誘導系統的終端。

現有的船舶導航系統主要是指羅經、雷達、衛星導航系統（主要有GPS、北斗系統）、自動識別系統（AIS）、計程儀、測深儀等，以及能夠將上述設備獲取的信息和數據集成在電子海圖顯示和信息系統（ECDIS）的綜合導航系統。上述設備和系統能夠為駕駛者提供實時的、高精度的航向、方位和距離（相對于某個物標）、船位、其他船舶的動靜態數據、航程、水深等重要信息，但船舶導航設備多為基于單一功能并且為單船使用而設計，這些信息或數據并不能直接生成實時的路徑選擇和避碰決策支持信息，也沒有考慮到能否為區域內其他船舶所用。隨著智能船舶和智慧海事的發展，船舶航行設備也必將由導航功能發展為具備誘導功能。

四、船舶航行誘導的概念

“交通誘導”理念在水上交通的應用由來已久，船舶交通服務（VTS，Vessel Traffic Service ）、主管機關通過VHF播發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看都可被認為是交通誘導措施，只是在水上交通領域沒有使用“誘導”這個詞語。隨著信息處理、通信和移動互聯網等技術的不斷發展，交通誘導系統應用的地理范圍越來越廣，在水上交通也能夠得以實現，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、風浪、錨地和泊位等重要信息發布給船方，一些能夠為駕駛者提供決策支持信息的船用APP相繼開發等。

1.船舶航行誘導的功能需求

與道路交通誘導系統已經得到廣泛應用相比，各類水上交通誘導系統的研發還處于初始階段。與道路交通須解決擁堵問題不同，當前船舶航行需要解決的主要問題仍然是避免碰撞和擱淺，目前已有的船舶航行誘導研究成果也致力于此。文獻[7]提出一種基于電子河圖信息系統，包括船舶駕引專家知識庫、航段信息查詢模塊的船舶航行誘導系統；文獻[8]提出了一種基于移動終端的控制河段船舶通行誘導服務的系統及方法。

上述兩種船舶誘導系統都是針對內河船舶的航行，內河船舶航行既要解決如何避免碰撞和擱淺問題，也要解決某些河段的擁堵和“路徑”選擇問題，對交通誘導系統的需求是比較強烈的。海上船舶航行是否需要誘導？根據交通運輸部海事局公布的近三年的典型交通事故調查報告，駕駛員對船舶會遇時是否存在碰撞危險的錯誤判斷以及形成緊迫局面后的錯誤操作是導致諸多碰撞事故的直接原因[9]。通航區域內的船舶航行誘導系統具有碰撞風險識別以及避碰決策支持功能，對于減少區域內船舶碰撞事故、促進水上交通安全具有重要的現實意義。

2.船舶航行誘導的定義與屬性

由于道路交通與水上交通在交通流量、交通環境、管理方式等方面存在著差異，在設計船舶航行誘導系統前，必須明確船舶航行誘導的定義。

船舶航行誘導是充分利用船舶導航設備所提供的船舶航行信息，結合船舶航行誘導區域的氣象條件、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年國際海上避碰規則》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、及時地通過船舶航行誘導區域。

為了達到上述目標，船舶航行誘導應具備以下基本屬性：

（1）科學合理：船舶航行誘導作為能夠有效宏觀調控船舶交通流的技術，應當具備科學合理的誘導手段，以不增加船舶交通流壓力、保證船舶安全航行為前提。

（2）非強制性：船舶航行誘導作為宏觀調控船舶交通流的有效手段之一，應服從船舶駕駛原則，船舶駕駛員在保證船舶安全的前提下，有權變更船舶航速和船舶相對位置。而船舶航行誘導應接受不同船舶在交通流中做出的變化，不能夠采用強制性提示來干擾船舶駕駛員對船舶做出的操縱行為。

（3）即時性：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境變化的干擾，因此，船舶航行誘導需要根據當時船舶交通流狀況及時變更誘導方案，從而保證為船舶提供的航行誘導方案是安全可行的。

五、船舶航行誘導系統框架

1.船舶航行誘導系統能力分析

為了在船舶航行（誘導）區域內對船舶交通流實行有效誘導，船舶航行誘導系統應具備以下能力：

（1）兼容各類通信導航設備傳輸接口的能力。海上通信導航設備發展已有近一個世紀，隨著通信技術在船載導航設備中的大量應用，設備已由從前的單船導航設備發展到如今信息互聯的通信導航設備，多數設備經過了一代又一代航海人的使用與改進，其性能得到了較好的檢驗。因此，船舶航行誘導系統應當具備兼容現有通信導航設備信息傳輸接口的能力，并預留新型設備接口的開發能力。

（2）具有船舶交通流數據分析與生成船舶航行誘導方案的能力。作為調控船舶交通流的重要手段，船舶航行誘導設備須具有船舶交通流數據分析的能力，在數據分析的基礎上，為誘導區域內的船舶交通流生成科學合理的誘導方案。

（3）具有實時更新誘導方案的能力。船舶航行誘導具有即時性，且船舶航行受氣象、水文環境變化的影響較大，船舶交通流形態變化具有不確定性，因此船舶航行誘導系統需要具備實時對船舶航行誘導方案進行修正與優化的能力。

（4）具有為單船提供導航的能力。為了能夠有效地實現誘導區域的全局誘導，對單船的航行線路進行合理規劃與導航是直接有效的方式，利用對誘導區域宏觀情況的分析結果來指導單船航行的路線規劃，能夠切實有效地防止誘導區域內船舶間形成緊迫局面，宏觀調控好船舶交通流的流量與密度，實現誘導區域內船舶安全、有序、及時通過。

（5）具有識別船舶航行風險的能力。船舶導航設備與車輛導航設備的最大不同，在于船舶導航設備在為船舶提供導航服務的同時需要兼顧船舶的航行安全，而船舶航行誘導系統是基于船舶導航設備開發的新型海上智能交通系統，其須具備識別船舶航行風險的能力，能夠根據設備所能獲取的誘導區域內船舶交通流情況，識別誘導區域內可能存在的航行風險。

（6）具有發送航行安全警告的能力。當船舶航行誘導系統對誘導區域進行監控時，發現某船存在航行風險，系統為保證誘導區域內船舶交通流中其他船舶的航行安全，有能力對存在航行風險的船舶發送一定形式的航行安全警告，協助其發現航行風險，保證誘導區域內船舶的通航安全。

2.船舶航行誘導系統體系結構

明確船舶航行誘導系統的主要功能后，結合道路交通誘導系統的構建形式，確定船舶航行誘導系統的概念框架，如圖1所示。

系統的形式采用中心控制式，控制中心設置有實現船舶航行誘導系統主要功能的服務器，服務器內設置有實現船舶航行誘導功能的各個模塊，采用通信的方式，將誘導信息發送給船舶航行誘導系統的外部設備，外部設備根據接收到的具體信號實施誘導方案，實現對船舶施行航行誘導。

圖1 船舶航行誘導系統框架

六、結語

車輛駕駛輔助設備已經由具備導航功能發展到具有交通誘導功能，道路交通誘導系統也已經得到了普遍應用。與之相比，船舶航行設備尚處于“導航”階段，水上交通誘導系統的研發也處于初始階段。鑒于道路交通與水上交通在交通環境、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題也各不相同，因而對誘導系統的功能需求也并不一致。借鑒道路交通誘導的管理理念，針對水上交通存在的主要問題，提出了現階段船舶航行誘導系統的概念、屬性和系統組成框架。隨著智能船舶、無人船和智慧海事的快速發展，船舶航行誘導系統在今后的一段時期內將會得到廣泛開發與應用。