南海民用氣象導航與航運輔助決策服務體系設計

唐啟師，孫心如，潘旖夏，劉海超，潘學怡

（1.廣東海洋大學船舶與海運學院， 廣東 湛江 524088； 2.廣東海洋大學海洋工程與能源學院， 廣東 湛江 524088；3.安徽理工大學化學工程學院， 安徽 淮南 232001）

南海航線作為我國近洋航線的主體， 是我國開展國際貿易、 能源運輸?shù)难屎砗蜕€。 南海周邊的東南亞國家自古就是海上絲綢之路的重要樞紐和組成部分， 我國與東盟亦有著廣泛的政治、 經(jīng)濟基礎， 隨著21 世紀海上絲綢之路倡議的深入推進，我國已成為世界第一貨物貿易國， 中國80%以上的外貿需經(jīng)海上運輸,逾90%的進口石油需走海路。其中,馬六甲海峽、 直布羅陀海峽、 霍爾木茲海峽、曼得海峽和龍目海峽， 已經(jīng)成為中國對外貿易的重要運輸通道， 我國與東南亞、 南亞國家經(jīng)貿關系日益緊密。 與此同時， 南海的傳統(tǒng)漁業(yè)經(jīng)濟模式逐漸向深遠海智能化養(yǎng)殖、 海洋休閑、 智慧運輸、 海島經(jīng)營等海洋資源綜合利用方向發(fā)展， 從事新型海洋經(jīng)濟活動的民營企業(yè)和個體經(jīng)營者數(shù)量逐年增長。無論是途經(jīng)馬六甲海峽-南海航線的能源、 商品貿易活動， 還是活躍在南海的中小民營企業(yè)、 個體經(jīng)營活動， 都會面臨南海海域復雜水文環(huán)境和危險天氣下的航運安全問題， 需要通過覆蓋南海海域的高效、 便捷、 低成本、 精細化的氣象導航服務， 幫助船舶躲避災害天氣和海浪沖擊， 安全順利地完成經(jīng)濟活動。

由于技術落后、 學科交叉融合不足、 氣象保障能力建設意識薄弱等原因， 過去我國遠洋船舶主要依靠國外氣象導航公司提供服務， 因價格因素僅大型遠洋商船和跨國企業(yè)能夠訂制配套保障服務， 且還需將船舶的動態(tài)、 載貨信息等報告給對方， 這對國家安全構成威脅。 近十年以來， 我國氣象導航服務領域開展了一定的基礎研究和應用研發(fā)工作， 餓了么于2017 年引入墨跡天氣的精確氣象信息， 在國內實現(xiàn)1 km 范圍內的精確預報， 短時預報的晴雨準確率高達90%， 通過氣象導航保障提升了配送平臺的運營效率； 中央氣象臺于2019 年發(fā)布了首個具有我國自主知識產(chǎn)權的船舶氣象導航系統(tǒng)， 該系統(tǒng)氣象要素預報空間分辨率最高達9 km， 最長預報時效10 d， 可根據(jù)天氣要素預報信息和航行任務， 為遠洋船舶提供最佳航線方案， 是我國自主海運氣象服務的里程碑[1]。 雖然我國海洋氣象導航服務領域取得了一定的發(fā)展， 但仍面臨南海海域應用船舶數(shù)量較少、 精細化保障不足、 定制服務成本較高等問題。 一是在服務對象上， 尚未適應南海及周邊海域民用市場需求， 未能形成規(guī)模化效應； 二是在服務理念上， 未能融入新型海洋經(jīng)濟活動中， 對南海中小型智慧漁業(yè)、 海洋旅游等航運保障意識不夠； 三是在服務模式上， 缺乏對南海航運運輸保障輔助決策服務的需求挖掘和設計， 未充分利用北斗三代短報文、 天通衛(wèi)星通信等新型國產(chǎn)衛(wèi)星通信技術提供全天候應急保障， 近年來的技術成果未融入傳統(tǒng)氣象導航服務系統(tǒng)的升級中[2]。

綜合考慮我國氣象導航服務基礎和南海民用氣象導航服務需求， 以高分辨率海洋氣象預報產(chǎn)品為依托， 結合海洋天氣預報技術、 輔助決策技術和國產(chǎn)衛(wèi)星通信技術， 探討了南海民用氣象導航與航運輔助決策體系， 包括岸基平臺支持服務端、 船載平臺服務端、 網(wǎng)頁服務端等， 為民營中小企業(yè)和個體經(jīng)營者提供低成本、 全天候的航路規(guī)劃、 天氣預報、 航線咨詢以及航運運輸輔助決策等服務， 促進我國海洋經(jīng)濟發(fā)展， 對海洋氣象導航領域研究技術成果轉化具有一定的借鑒意義。

1 南海氣象導航主要影響因素分析

南海海域自然海域面積約350 萬km2， 為中國近海中面積最大、 水最深的海區(qū)， 屬臺風和內波高發(fā)海域， 在南海海域為民用開展氣象導航與航運輔助決策服務， 除考慮船舶自身性能和運輸載荷外，氣象、 水文等環(huán)境因素是服務體系架構中的主要考慮因素。 南海海域航行與運輸服務保障需要考慮的典型環(huán)境因素主要有大風、 海流、 海霧、 潮汐和島礁。 南海是全球臺風高發(fā)區(qū)域之一， 年平均出現(xiàn)臺風11 次[3]， 臺風及大風主要影響船舶的航向和構筑物的漂移， 而風浪會造成小型船舶的側翻， 危及航行安全和運輸效率； 海流主要影響船舶的航行效率， 南海北部是內波高發(fā)區(qū)， 內波流產(chǎn)生的能量會對潛水休閑、 智能化圍海養(yǎng)殖、 石油鉆井、 拖曳運輸?shù)然顒釉斐蓳p害； 南海海霧多發(fā)于每年春冬兩季和灣口海域， 造成的低能見度易使船舶碰撞、 偏航和擱淺； 潮汐主要對于乘潮進港和乘潮出港的船舶靠泊和離泊作業(yè)影響很大； 南海暗礁超過100 處，島礁累計超過200 個， 暗礁是航海中的危險區(qū)， 在海霧天氣的綜合影響下， 船舶觸礁不僅會對船上人員的人身安全構成危險， 船舶還會因船體進水造成損壞或擱淺， 嚴重時甚至會造成船舶的斷裂或傾覆， 水域污染、 火災、 爆炸等， 船舶觸礁造成的危害是極其嚴重的， 損失無法估量， 尤其是對海洋環(huán)境污染的損害， 危及人類的現(xiàn)在和將來。

2 航運輔助決策概念及發(fā)展趨勢

輔助決策是在面臨決策部署前， 運用一定的數(shù)理模型， 幫助決策主體在一個階段將決策問題進行多指標和多準則分析， 并給出最優(yōu)解決建議的計算分析行為。 區(qū)別于以往航線推薦、 氣象預報等傳統(tǒng)輔助支持， 南海航運輔助決策是綜合南海環(huán)境因素、 船舶性能因素等指標， 重點面向運輸量決策、運輸貨物最優(yōu)配比決策、 運輸人員配置決策、 運輸風險評估等問題， 提供滿足運輸效率和航行安全的輔助決策信息服務。 航運輔助決策近年來趨于將決策者風險偏好信息納入決策模型計算中， 更加重視根據(jù)海域特征進行劃分海區(qū)的模型分析， 以及從出港到返港全流程閉環(huán)運輸輔助決策。

3 關鍵技術及適用性分析

3.1 精細化數(shù)值預報和輕量化預報技術

氣象預報產(chǎn)品是開展氣象導航服務的基礎， 目前國內已能實現(xiàn)南海海域72 h、 10 km 水平分辨率的大氣數(shù)值預報， 西北太平洋120 h、 1/30°×1/30 °水平分辨率的海洋預報。 2022 年， 國家海洋環(huán)境預報中心自主研制的第一代數(shù)據(jù)驅動海浪智能預報系統(tǒng)（以下簡稱“ 智能預報系統(tǒng)”， 英文名稱“ AIWAVE1.0”） 投入業(yè)務化運行。 智能預報系統(tǒng)3s即可完成未來5 d 的西北太平洋和印度洋海浪預報，預報范圍覆蓋西北太平洋和印度洋， 預報產(chǎn)品空間分辨率達到10 km、 時間分辨率1 h； 預報要素包括有效波高等主要海浪預報要素， 24 h 預報誤差0.4 m。智能預報系統(tǒng)比傳統(tǒng)的數(shù)值預報模型具有輕量快速的突出優(yōu)勢， 計算時間僅需1～3 s， 可在輕量工作站上運行， 降低了計算設備成本和耗電量， 可作為南海民用氣象導航與航運輔助決策服務體系中傳統(tǒng)數(shù)值預報系統(tǒng)的有效備份或替代。

3.2 北斗衛(wèi)星、 天通衛(wèi)星通信技術

2022 年7 月， 北斗三號短報文通信服務成果正式發(fā)布， 標志著北斗三號系統(tǒng)短報文通信服務由行業(yè)應用邁入大眾應用的發(fā)展新階段。 北斗三號衛(wèi)星導航系統(tǒng)區(qū)域短報文服務單次通信能力達到1 000漢字， 能夠高效傳輸目標海域環(huán)境實況信息和局部精細化預報產(chǎn)品。 天通衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)已具備中國領海和部分西北太平洋等區(qū)域的通信服務能力，通信速率最高可達384 kb/s， 支持語音、 短信、 數(shù)據(jù)、 視頻等業(yè)務， 近2 年已多次應用在南海海域環(huán)境觀測信息傳輸領域。 北斗衛(wèi)星、 天通衛(wèi)星通信技術成果已實現(xiàn)低成本民用轉化， 成熟的通信模塊可嵌入到手機或與民船船用電腦集成， 支撐服務體系數(shù)據(jù)傳輸和全天候應急保障。

3.3 基于前景理論的航運輔助決策技術

近年來， 已有學者將前景理論應用到船舶航線選擇的輔助決策中， 將用戶的人為偏好和理性分析納入到輔助決策模型， 對于弱岸基聯(lián)通狀態(tài)下用戶的風險態(tài)度和理性差異導致的優(yōu)劣勢分析具有重要價值。 可將該技術成果應用于航運輔助決策中， 結合多指標灰關聯(lián)決策方法， 構建航運運輸策略輔助決策模型[2，4-5]， 幫助用戶了解所做決策的前景價值。

3.4 基于氣象要素的船舶精細航路規(guī)劃技術

南海海域的最大危險天氣為臺風， 南海民用船舶排水量一般為100～500 t， 船體材質各異， 抵抗強風等危險天氣的能力較差， 民用船舶在海上避臺過程中需要有精細的航路規(guī)劃支持來確保船上人員、 財產(chǎn)及船舶的安全。 基于船舶避臺場景的精細化航路規(guī)劃可嘗試根據(jù)遺傳算法和滾動時域控制混合策略設計算法， 幫助船舶避開風浪區(qū)和靜態(tài)障礙區(qū)， 提高航路規(guī)劃的安全性和經(jīng)濟性。

4 氣象導航與航運輔助決策服務體系設計

4.1 體系結構

南海民用氣象導航與航運輔助決策服務體系的結構設計遵循低成本、 輕量化、 精細化的原則， 圖1 為南海民用氣象導航與航運輔助決策服務體系結構設計。 由圖1 可知， 南海民用氣象導航與航運輔助決策服務體系主要由岸基平臺支持服務端、 船載平臺服務端、 南海氣象導航信息網(wǎng)頁服務端、 岸基保障團隊資源服務端組成， 充分利用覆蓋南海海域的北斗三代短報文通信和天通移動衛(wèi)星通信技術支撐全天候保障服務。 岸基保障團隊資源服務端可同時向岸基平臺支持服務端、 船載平臺服務端提供精細化產(chǎn)品、 定制化咨詢和模塊升級等方面的技術性人力資源； 岸基平臺支持服務端是體系的核心， 負責掌握南海海域所有民用客戶的船舶狀態(tài)信息和運輸任務情況， 調度數(shù)據(jù)和技術資源為船端客戶提供服務， 并將制作的公共資源產(chǎn)品上傳或更新至南海氣象導航信息網(wǎng)頁服務端； 船載平臺服務端是服務體系所有功能觸達用戶的終端， 主要依托岸基提供的預置資源、 在線指導以及自身配置的功能模塊幫助用戶完成航行和運輸使命。

圖1 南海民用氣象導航與航運輔助決策服務體系結構設計

4.2 岸基平臺支持服務端設計

岸基平臺支持服務端部署在岸基保障中心， 主要依托岸基保障團隊資源和中心硬件資源開展服務。 為滿足岸基保障團隊多技術人員協(xié)作需求， 采用B/S 架構設計， 在計算資源配置上， 主體為用戶信息與數(shù)據(jù)資源管理服務器、 數(shù)值模式預報服務器、危險天氣短臨預報服務器、 航運輔助決策服務器、通信與產(chǎn)品傳輸服務器、 綜合顯控與任務調度服務器的6 臺高性能服務器， 并搭配3 臺長約216 cm、寬（高） 約121 cm（對角線長2.489 m， 即98 in）的智能顯示大屏完成用戶狀態(tài)監(jiān)控、 環(huán)境態(tài)勢監(jiān)控、 服務節(jié)點監(jiān)控等使命， 通信與產(chǎn)品傳輸服務器與北斗衛(wèi)星、 天通衛(wèi)星雙衛(wèi)星通信模塊集成為一套終端； 采用分布式任務調度系統(tǒng)， 將南海方向用戶需求和保障任務進行層次分解， 構建分級任務、 緊急任務和特殊任務框架， 在框架內開展氣象導航和航運輔助決策支持服務。

岸基平臺支持服務端主要實現(xiàn)以下五大功能：一是用戶信息與數(shù)據(jù)資源管理服務， 采集并管理船端用戶的船舶狀態(tài)信息、 駕駛員信息、 航運任務信息、 客戶風向偏好信息以及AIS 信息， 下載并更新南海海域海洋環(huán)境數(shù)據(jù)和海圖數(shù)據(jù)以及國內外短期、 中期數(shù)值預報產(chǎn)品； 二是氣象導航服務， 開展基于氣象要素的南海船舶精細航行規(guī)劃服務， 并對航線進行監(jiān)視和優(yōu)化， 制作并發(fā)布航線氣象預報產(chǎn)品、 水文氣象預警信息、 航行風險評估產(chǎn)品等； 三是航運輔助決策服務， 基于前景理論的航運輔助決策模型提供運輸量決策、 運輸貨物最優(yōu)配比決策、運輸人員配置決策、 運輸方式?jīng)Q策等航運運輸輔助決策信息； 四是綜合數(shù)據(jù)可視化與控制交互服務，將用戶信息與數(shù)據(jù)資源服務系統(tǒng)的信息進行展示，并通過人機交互實現(xiàn)資源調度和產(chǎn)品修正、 制作；五是產(chǎn)品推送與通信保障服務， 基于北斗三代短報文和天通移動衛(wèi)星通信技術， 24 h 向南海民用用戶推送服務產(chǎn)品， 并就險情分析和返程定制服務保持聯(lián)系。

4.3 船載平臺服務端設計

船載平臺服務端安裝在南海民用用戶船舶上，由通信分系統(tǒng)和顯示服務分系統(tǒng)組成， 采用C/S 架構設計， 硬件配置上遵循輕量化、 模塊化、 低成本原則， 將小型船用電腦與北斗三號模塊、 天通通信模塊進行集成。 船舶離港前從岸基平臺支持服務端獲取并預置南海海域精細化地理信息、 海圖資源、港口潮汐數(shù)據(jù)以及中短期氣象水文預報產(chǎn)品。 顯示服務分系統(tǒng)除數(shù)據(jù)可視化與地理信息服務功能外，還嵌入了輕量化航運輔助決策模型和基于氣象要素的船舶精細航路規(guī)劃模型， 在通信手段失效的情況下， 通過船舶氣象儀觀測數(shù)據(jù)和手動輸入的船舶運輸信息等數(shù)據(jù)， 實現(xiàn)保守的氣象導航和航運輔助決策的自主保障。

4.4 南海氣象導航網(wǎng)頁服務端設計

南海氣象導航網(wǎng)頁服務端的硬件實體部署在岸基保障中心， 服務資源以網(wǎng)頁形式向全體南海民用用戶開放。 網(wǎng)頁服務端采用B/S 架構設計， 將部分預報產(chǎn)品、 典型南海航線氣象導航產(chǎn)品、 典型噸位船舶運輸輔助決策產(chǎn)品、 危險天氣預警信息、 內波預報信息、 工程活動等在網(wǎng)頁上更新， 供用戶自行查閱， 滿足具備一定航海知識的用戶自助式保障需求， 同時接入自然資源部南海局、 海南省氣象局、島礁的浮標、 地波雷達、 測流儀、 驗潮站等觀測設備實時觀測數(shù)據(jù)， 供用戶了解船舶周邊水文氣象環(huán)境實況。

4.5 岸基保障團隊資源服務端設計

岸基保障團資源服務端部署在岸基保障中心，主體為專業(yè)型人力資源， 由氣象導航、 航海運輸、海洋預報、 系統(tǒng)設計、 通信保障等方向專業(yè)技術人員組成， 并設置2～3 名首席技術專家。 岸基保障團資源服務端主要為岸基平臺支持服務端的運轉提供專業(yè)人力資源， 完成服務體系的升級和維護工作，并組建由通信保障組和客戶服務組組成的全天候應急服務部門， 24 h 在線為用戶提供氣象導航應急保障服務。

5 結論

本文以21 世紀海上絲綢之路倡議和南海漁業(yè)經(jīng)濟轉型為背景， 以輕量化氣象水文預報技術、 北斗三號短報文通信技術、 基于前景理論的航運輔助決策技術等為基礎， 設計了南海民用氣象導航與航運輔助決策體系， 旨在解決南海海域缺乏低成本、精細化、 體系化的民用氣象導航和運輸決策服務等問題， 為南海從事新型海洋經(jīng)濟活動的中小企業(yè)提供氣象導航、 環(huán)境實況和航運輔助決策等服務， 并在船載平臺服務端保留了航運輔助決策模塊和航路規(guī)劃模塊， 供用戶在應急狀態(tài)下完成自主保障。 南海民用氣象導航與航運輔助決策體系的探索對于區(qū)域化民用級相關保障系統(tǒng)的設計與應用具有一定的參考意義。