交通诱导理念在航运中的应用*——船舶航行诱导系统的概念与组成

李 猛 谢新连 潘 伟

一、背景

随着国家“一带一路”倡议和“海洋强国”战略的实施，海上工程建设、海洋资源开发与海上货物运输等活动密集展开，海上的交通越来越繁忙。在一些大型港口、重要航路和水上施工区域，船舶驾驶者面临的通航状况也越来越复杂，如航行在受限水域内同时存在过路的商船、作业的渔船、施工的工程船，各船舶形成交叉相遇和紧迫局面等情况。虽然现有的助航设备能够提供高精度的助航信息和数据（如船位、航速、方位、距离等），但船舶驾驶者仅仅依靠这些信息和数据尚不能快速、准确地做出正确的路径选择和避让决策，还需要依据这些信息人工计算或凭经验做出判断。在复杂而紧迫的局面下，由于驾驶者做出错误的判断和决策而导致的海上交通事故时有发生。船舶航行诱导是近年来船舶交通领域的一个新的概念，是道路智能交通管理理念在水上交通领域的应用。交通诱导系统应具备为驾驶者提供实时最优路径和避让决策支持信息的功能。

二、交通诱导的概念

道路交通拥堵是城市化进程中难以避免的社会问题，解决城市道路拥堵问题的主要策略之一是调节道路上的交通流量。调节交通流量的方式，从管理者的视角来看，可以分为两种：强制性措施，如制定道路通行规则、交警现场指挥、限行规定等；建议性措施，如通过布置在各道路上的监控装置采集路况信息传输到交通管理中心，经过处理后将路况信息通过某种方式（如交通广播、路况信息显示屏、互联网等）发布给道路上的驾驶者，“诱导”其主动避开拥堵路段，从而达到调节交通流量的目的。

交通诱导系统（TGS，Traffic Guidance System），也称作交通流诱导系统，是基于定位、信息处理、通信、移动互联网等技术，具有为交通参与者（交通管理者、公交调度、驾驶员等）提供实时的道路交通信息（如车辆位置、行驶里程、道路拥堵状况、预计到达时间等），并为交通参与者提供决策支持信息（调流方式、调度方案、选择最优路径、空置车位）等功能的系统，主要由交通信息采集系统、交通信息处理系统、交通信息发布系统等部分组成，其核心技术为数据处理与动态路径优化计算。交通诱导系统是智能交通系统的核心部分，在道路交通中已得到广泛应用，如美国的Pathfiander、ADVANCE，日本的RACS，欧洲的ALI等。在我国，有关道路交通诱导方面的研究一直是智能交通领域的热点内容[1-6]。

三、导航和交通诱导的区别

表面上看，导航和诱导的功能有相似之处，都能够通过提供道路交通信息以帮助驾驶者以最快速度（最短路程）到达目的地，但二者存在着本质上的差别。传统的导航功能是为个体的驾驶者指明方向并提供实时的本车速度、与目的地之间的距离、所需的时间等要素，以及一些静态信息的提醒（如限速、闯红灯拍照等），其工作原理主要是通过车载定位设备获取位置信息并显示在设备的电子地图信息系统中，然后通过预装在设备中的计算程序得出当前位置与人工输入目的地之间的方向、距离、时间等要素并将其提供给使用者。传统的导航设备不具备为驾驶者提供宏观的、实时的路况信息和动态路径优化功能。交通诱导系统既能为微观的个体驾驶者选择最优路径，也能为宏观的整个区域内所有的交通参与者提供路况信息和决策支持信息，如前所述，其工作原理、系统组成与实现技术更加复杂[6]。当前的车载导航系统或手机导航APP已经由传统的导航功能发展到具备诱导功能，如高德地图等，其实质上是交通诱导系统的终端。

现有的船舶导航系统主要是指罗经、雷达、卫星导航系统（主要有GPS、北斗系统）、自动识别系统（AIS）、计程仪、测深仪等，以及能够将上述设备获取的信息和数据集成在电子海图显示和信息系统（ECDIS）的综合导航系统。上述设备和系统能够为驾驶者提供实时的、高精度的航向、方位和距离（相对于某个物标）、船位、其他船舶的动静态数据、航程、水深等重要信息，但船舶导航设备多为基于单一功能并且为单船使用而设计，这些信息或数据并不能直接生成实时的路径选择和避碰决策支持信息，也没有考虑到能否为区域内其他船舶所用。随着智能船舶和智慧海事的发展，船舶航行设备也必将由导航功能发展为具备诱导功能。

四、船舶航行诱导的概念

“交通诱导”理念在水上交通的应用由来已久，船舶交通服务（VTS，Vessel Traffic Service ）、主管机关通过VHF播发水上安全信息和推荐航路等建议性措施从交通管理者的视角来看都可被认为是交通诱导措施，只是在水上交通领域没有使用“诱导”这个词语。随着信息处理、通信和移动互联网等技术的不断发展，交通诱导系统应用的地理范围越来越广，在水上交通也能够得以实现，如某些航道附近安装了类似于道路上的交通信息显示屏，将潮汐、风浪、锚地和泊位等重要信息发布给船方，一些能够为驾驶者提供决策支持信息的船用APP相继开发等。

1.船舶航行诱导的功能需求

与道路交通诱导系统已经得到广泛应用相比，各类水上交通诱导系统的研发还处于初始阶段。与道路交通须解决拥堵问题不同，当前船舶航行需要解决的主要问题仍然是避免碰撞和搁浅，目前已有的船舶航行诱导研究成果也致力于此。文献[7]提出一种基于电子河图信息系统，包括船舶驾引专家知识库、航段信息查询模块的船舶航行诱导系统；文献[8]提出了一种基于移动终端的控制河段船舶通行诱导服务的系统及方法。

上述两种船舶诱导系统都是针对内河船舶的航行，内河船舶航行既要解决如何避免碰撞和搁浅问题，也要解决某些河段的拥堵和“路径”选择问题，对交通诱导系统的需求是比较强烈的。海上船舶航行是否需要诱导？根据交通运输部海事局公布的近三年的典型交通事故调查报告，驾驶员对船舶会遇时是否存在碰撞危险的错误判断以及形成紧迫局面后的错误操作是导致诸多碰撞事故的直接原因[9]。通航区域内的船舶航行诱导系统具有碰撞风险识别以及避碰决策支持功能，对于减少区域内船舶碰撞事故、促进水上交通安全具有重要的现实意义。

2.船舶航行诱导的定义与属性

由于道路交通与水上交通在交通流量、交通环境、管理方式等方面存在着差异，在设计船舶航行诱导系统前，必须明确船舶航行诱导的定义。

船舶航行诱导是充分利用船舶导航设备所提供的船舶航行信息，结合船舶航行诱导区域的气象条件、水文条件、船舶交通流状况等因素，在保证船舶安全航行以及遵守《1972年国际海上避碰规则》的前提下，为船舶提供参考的航行路线及航行方法，从而使船舶安全、有序、及时地通过船舶航行诱导区域。

为了达到上述目标，船舶航行诱导应具备以下基本属性：

（1）科学合理：船舶航行诱导作为能够有效宏观调控船舶交通流的技术，应当具备科学合理的诱导手段，以不增加船舶交通流压力、保证船舶安全航行为前提。

（2）非强制性：船舶航行诱导作为宏观调控船舶交通流的有效手段之一，应服从船舶驾驶原则，船舶驾驶员在保证船舶安全的前提下，有权变更船舶航速和船舶相对位置。而船舶航行诱导应接受不同船舶在交通流中做出的变化，不能够采用强制性提示来干扰船舶驾驶员对船舶做出的操纵行为。

（3）即时性：船舶航行所存在的不确定性高于车辆，且船舶航行易受到环境变化的干扰，因此，船舶航行诱导需要根据当时船舶交通流状况及时变更诱导方案，从而保证为船舶提供的航行诱导方案是安全可行的。

五、船舶航行诱导系统框架

1.船舶航行诱导系统能力分析

为了在船舶航行（诱导）区域内对船舶交通流实行有效诱导，船舶航行诱导系统应具备以下能力：

（1）兼容各类通信导航设备传输接口的能力。海上通信导航设备发展已有近一个世纪，随着通信技术在船载导航设备中的大量应用，设备已由从前的单船导航设备发展到如今信息互联的通信导航设备，多数设备经过了一代又一代航海人的使用与改进，其性能得到了较好的检验。因此，船舶航行诱导系统应当具备兼容现有通信导航设备信息传输接口的能力，并预留新型设备接口的开发能力。

（2）具有船舶交通流数据分析与生成船舶航行诱导方案的能力。作为调控船舶交通流的重要手段，船舶航行诱导设备须具有船舶交通流数据分析的能力，在数据分析的基础上，为诱导区域内的船舶交通流生成科学合理的诱导方案。

（3）具有实时更新诱导方案的能力。船舶航行诱导具有即时性，且船舶航行受气象、水文环境变化的影响较大，船舶交通流形态变化具有不确定性，因此船舶航行诱导系统需要具备实时对船舶航行诱导方案进行修正与优化的能力。

（4）具有为单船提供导航的能力。为了能够有效地实现诱导区域的全局诱导，对单船的航行线路进行合理规划与导航是直接有效的方式，利用对诱导区域宏观情况的分析结果来指导单船航行的路线规划，能够切实有效地防止诱导区域内船舶间形成紧迫局面，宏观调控好船舶交通流的流量与密度，实现诱导区域内船舶安全、有序、及时通过。

（5）具有识别船舶航行风险的能力。船舶导航设备与车辆导航设备的最大不同，在于船舶导航设备在为船舶提供导航服务的同时需要兼顾船舶的航行安全，而船舶航行诱导系统是基于船舶导航设备开发的新型海上智能交通系统，其须具备识别船舶航行风险的能力，能够根据设备所能获取的诱导区域内船舶交通流情况，识别诱导区域内可能存在的航行风险。

（6）具有发送航行安全警告的能力。当船舶航行诱导系统对诱导区域进行监控时，发现某船存在航行风险，系统为保证诱导区域内船舶交通流中其他船舶的航行安全，有能力对存在航行风险的船舶发送一定形式的航行安全警告，协助其发现航行风险，保证诱导区域内船舶的通航安全。

2.船舶航行诱导系统体系结构

明确船舶航行诱导系统的主要功能后，结合道路交通诱导系统的构建形式，确定船舶航行诱导系统的概念框架，如图1所示。

系统的形式采用中心控制式，控制中心设置有实现船舶航行诱导系统主要功能的服务器，服务器内设置有实现船舶航行诱导功能的各个模块，采用通信的方式，将诱导信息发送给船舶航行诱导系统的外部设备，外部设备根据接收到的具体信号实施诱导方案，实现对船舶施行航行诱导。

图1 船舶航行诱导系统框架

六、结语

车辆驾驶辅助设备已经由具备导航功能发展到具有交通诱导功能，道路交通诱导系统也已经得到了普遍应用。与之相比，船舶航行设备尚处于“导航”阶段，水上交通诱导系统的研发也处于初始阶段。鉴于道路交通与水上交通在交通环境、交通流量、管理方式等存在着较大差异，二者所面临的主要问题也各不相同，因而对诱导系统的功能需求也并不一致。借鉴道路交通诱导的管理理念，针对水上交通存在的主要问题，提出了现阶段船舶航行诱导系统的概念、属性和系统组成框架。随着智能船舶、无人船和智慧海事的快速发展，船舶航行诱导系统在今后的一段时期内将会得到广泛开发与应用。