应用推荐航路规范船舶航行——开阔水域船舶交通管理研究

沈高瀚 刘剑平 曹立杰 郭 可

（洋山港海事局，上海 201306）

0 背 景

水上交通运输在全球贸易中一直发挥着主导作用。经过“十三五”阶段的发展，上海已基本建成国际航运中心，初步具备了全球航运资源配置能力。上海国际航运中心全球排名第三，国际影响力稳步提升。作为世界航运“大舞台”的关键一员，上海国际航运中心的“十四五”阶段的总体发展目标已经明确，快速发展下的航运产业，对航运安全提出了更高的要求。

船舶在航道或狭水道航行时，航行规则较为明确，但在无任何天然屏障或人工建筑物掩护、直接承受风浪作用的开阔水域航行时，因各类限制条件较少，船舶航行相对自由，可供船舶选择的航路、航法等相对较多，这就导致了在开阔水域内不同船舶的航线在空间上存在较多交会，当时间和空间两个因素同时交会时，必然导致船舶交叉会遇，存在一定的碰撞危险，在船舶流量较大的时候，船舶交叉会遇的频率也相应增加，水上交通安全风险增大。上述开阔水域受季节性影响较为明显时，不同时间段的航线、航法等变化更为明显，航路的不确定性导致船舶间会遇的时间和空间都会发生较大变化，安全风险相应增大。因此，有必要采取相应的措施，在开阔水域内引导船舶按照相对安全的航路航行，减少会遇局面，降低船舶间会遇导致碰撞危险的概率，提高开阔水域内水上交通安全度。

1 概述

1.1 洋山水域

洋山VTS 位于中国(上海)自由贸易试验区临港新片区，管理服务区东跨洋山深水港区、西至杭州湾、南接舟山宁波港，北接长江口，海域面积超4 000 km2，岸线约为175 km，海域南北最大跨度约59.3 km，东西最大跨度为122 km。目前,区域内有集装箱泊位23 个、油船泊位5 个、LNG 船舶泊位1 个以及客运站3 座。水域内航道多、客渡船多、危险品船多、集装箱船多、重点工程多、恶劣天气多，海上建筑物东海大桥连接洋山港与上海经济腹地，成为洋山深水港的“生命线”。

本文研究的开阔水域是指洋山VTS 管理服务水域内在南支灯船至南槽锚地以南，大戢山至北鼎星以北，非航道、锚地水域。该水域水深7～ 9 m，水域范围宽广，无碍航物，船舶在该水域航行时，可航水域范围大，可自由选择的航线相对较多。

1.2 “大交管”建设

洋山港海事局全要素水上“大交管”（以下简称“大交管”）以推进构建“多维感知、高效协同、智能处置、优质服务”的现代化、智能化水上交通动态管控新格局为导向，以实现“全水域覆盖、全数据集成、全业务协同、全要素管理”为引领，提升水上交通安全治理能力，推进监管水域有效覆盖，汇聚数据要素有序集成的管理新体系，实施全要素“大交管”有利于提升海事部门动态感知能力，提升高风险目标识别跟踪能力，实现动态监管和静态监管紧密衔接，在保障水上交通安全、保障物资运输畅通中提供有力支撑，助力洋山深水港高质量发展，为临港新片区打造高能级全球航运枢纽提供坚实保障。

1.3 研究路径

近期,可以通过创新电子围栏应用、补充AIS 作为水上远程监管平台的延伸等创新应用，探索水上交通管理模式；中期推进E-航海建设，应用融合通讯技术在港区和沿岸水域利用公共通讯网络；在近海水域融合VDES、AIS 短报文和北斗短/长报文；在中远海水域融合卫星通讯和卫星VDES、北斗短/长报文等。实现分区域全覆盖的向所有船舶提供服务，同时也是实现全覆盖的全要素水上“大交管”管理模式。

2 现状及问题分析

2.1 通航环境

本文所述的通航环境，主要包含水域内船舶流的分布情况，以及水域内其他明显影响船舶航线选择的客观因素，该水域的通航环境主要有以下特点：

（1）航线选择的自由性导致船舶交会态势存在较大不确定性

该水域内没有航道或推荐航路引导船舶交通流，船舶根据自身的始发港、目的港、货物装载、气象水文以及航行习惯等选择相应的计划航线，航线的转向点和路径各不相同导致会遇的态势、位置等均不相同，存在较大不确定性。

（2）船舶流量大导致船舶交会频次较多

根据洋山VTS 中心资料显示，最近一年时间从南支附近南下船舶流量54 691艘次，北上船舶流量54 757 艘次，日均流量约300 艘次。其中南下交通流主要有南支航道至东海大桥、南支灯船至洋山警戒区、南支灯船至北鼎星、南槽航道至洋山警戒区、南槽航道至北鼎星等；北上交通流主要与南下交通流数量相等，方向相反。

（3）海上季节性生产活动导致船舶航线的选择需要及时调整

该水域作为舟山渔场传统捕捞作业区，非禁渔时间，渔船活动较为频繁，尤其每年的1-4 月份为传统的鳗鱼苗捕捞季节，水域内打桩渔网分布较为密集，大戢山东侧仅留有约1.5 km 宽通道供商船航行，对商船可航水域影响明显，船舶需要根据渔网分布及渔船活动的实际情况调整计划航线，规避商渔船碰撞事故及渔商纠纷事件的发生。

2.2 现状分析

（1）管理现状

本文所述水域由洋山港海事局实施水上交通管理（如图1 所示），主要依靠洋山VTS 远程监管和巡逻艇现场巡视检查的手段。该水域内船舶流量大、船舶密集交会的特点，在船舶流高峰时段容易导致该水域占用VTS 值班人员大量精力，工作负荷较大，应对的局面复杂；在巡逻艇现场巡视检查的过程中，该水域南侧距离巡逻艇日常停泊基地约20 n mile，北侧距离基地约30 n mile，客观条件的限制导致巡逻艇从出动至到达现场需要约2～ 3 h，耗时较长，影响了对巡逻艇对该水域进行巡航检查的频次和单次巡航的工作时间，同时也造成了巡逻艇对该水域巡航效能不高的现状。

图1 洋山VTS 管理服务区南支灯船至北鼎星水域一周内船舶AIS 轨迹图

（2）水上交通安全现状

根据洋山港海事局近几年统计资料，大戢山东北侧水域为沉船事故多发水域，南支灯船至北鼎星之间水域为危险局面多发水域，均在本文研究水域范围之内，水上安全形势面临一定的考验，随着杭州湾沿岸逐步开发、长三角一体化国家战略顺利推进，该水域内船舶流量将会持续高位运行，通航负荷将会进一步增大，主要体现在船舶流量高位运行、船舶状况参差不齐、危险品船流量增加、渔船渔网持续存在等方面，相应的会带来船舶交会更加频繁、交会态势更加复杂、船舶间沟通难度较大等问题，给该水域水上交通安全带来一定的挑战。

2.3 问题分析

（1）海上通讯技术瓶颈

对本文所述水域实施有效管理，亟待突破海上通讯技术瓶颈。目前海事面向船舶的远程动态管理手段主要依托模拟信号的高频，不具有指向性，我们海事和众多船舶，分频道共用狭窄的VHF 信道，不仅频道资源会紧张到互相干扰，同频段单工模式下的沟通效率也较低。因此我们要随着技术的革新、监管对象的变化、监管区域实际情况的变化不断的升级、创新管理模式及相匹配的技术手段。

（2）海事监管服务手段有限

在监管对象层面，随着经济发展，航运业的发展迈上新的台阶，使得中国沿海海上交通越来越繁忙，现有远程监管手段存在上限。近年来，海上工程项目、重点区域、保护设施等也越来越多，不同对象适用不同手段和模式，有效手段越多，我们的管控就更加从容和有针对性，服务能力也能够进一步增强。目前海上不发达的通信网络和较为有限的监管方式，与海上大型项目的快速发展和船舶交通流量的增大形成矛盾。

3 相关技术发展情况

3.1 航海相关经验

E-航海（e-Navigation），是通过电子手段协调船舶、岸上海事信息的采集、整合、交换、展示和分析，用于增强船舶泊位到泊位的导航和相关服务，以保障海上航行安全和安保，保护海上环境。我国E-航海建设的发展趋势，以海事服务集（MSP）实现为主线，根据特定海上业务区域的信息和通信需求，实现全球统一、标准的海上服务。

（1）东海航海保障中心研发“海e 行智慧版”

“海e 行智慧版”基于“互联网+”面向江海联运的大数据应用。通过自动航线推荐系统为船舶提供智能导航服务，并为用户提供航行安全信息云发布、海区气象、港口潮汐等功能。2019 年3 月，上海海事局、东海航海保障中心研究利用深水航道边坡交会提升通航效率，在长江口深水航道部分敏感水域增设了深水航道虚拟AIS 航标标识，水文气象采集发布设备，CCTV 监控系统等终端设备，优化了船岸数据传输网络。

（2）南海航海保障中心推出“启航者”

通过“启航者”方式建立起一个水上交通信息共享协同平台，除了提供公益性导航助航服务外，与港澳台地区、广东、广西、海南的海事管理机构实现数据共享，按国际标准开发并同步更新，为用户提供了更加权威的航行安全信息。该中心在港珠澳大桥水域完成了E-航海服务的设备安装，建立网络传输系统，保障港珠澳大桥水域的安全通航。

（3）北海航海保障中心构建E 航海综合服务保障体系

重点进行北方海区北斗海上通信服务系统、渤海水域应急通信网络、海上安全信息发布系统、“京津冀协同航海地图服务关键技术”、水上无线电智能监测系统等项目建设，总体发展方向偏向于针对不同用户，提供解决方案。在融合现代化、智能化海事水上交通安全管理需求，结合全要素“大交管”建设需求方面，还没有成熟的整体解决方案和产品。

3.2 S-100 发展情况

通用海道测量数据模型（S-100），是一种基于传统海图数据模型的更新换代。IHO 于2010 年发布了《S-100 通用海道测量数据模型》，作为海道测量的通用数据标准。S-100 系列产品规范是新一代基于S-100 数字化航海图书资料和相关地理信息数据服务标准的总和。基于S-100 推出的相关产品主要应用于船岸的信息系统，通过在电子海图上叠加显示气象水文信息、潮汐潮流显示、天气预报与实测推送、航行警告信息等。同时S-100 是E-航海概念下通用海上数据结构的重要基础模型，对包括VDES 等技术在内的新型数字化航海技术可以融合、适配。

S-100 从开发制定，历经五次更新与完善，基于S-100的数据产品和服务也尚处于进行时，距离全面应用仍需一段过渡期。参照S-100 相关文献，2015 年以前，国内外学者主要以S-100 的进展、概念、构成、与S-57 的对比分析、产品规范介绍等概念性和理论性研究为主，2015 年以后则侧重于S-100 工具开发、新型航海数据产品和服务、数据可视化、与e-航海的结合等应用性研究。这也意味着S-100逐渐从理论走向实践，处于优化到实践再到优化的良性迭代过程中。2018 年IHO 发布了S-100 的更新周期，按计划2019 年更新至4.0.0 版，并在之后每3 年更新一次，2022 年12 月计划更新至5.0.0 版。

4 解决方案

4.1 实现方式

在大交管建设背景下，参照E-航海发展理念，通过创新开阔水域船舶交通管理模式，使用虚拟航路规范船舶航行的方法规范船舶航行，分步实现以下功能。

（1）发布VTS 推荐航路。通过在开阔水域推送AIS 虚拟标记，显示推荐航路，将传统习惯航路向数字化转型升级，通过引导船舶分流实现减少会遇次数和复杂会遇局面的目的，同时可以用于在捕鱼季节渔网区、水工作业区域、事故处置区、其他需要分道通航时推荐过往船舶行驶推荐航路、推送提示区域，加强VTS 区域管理能力，如图2、图3 所示。

图2 洋山VTS 发布南支、Y24 附近水域推荐航路示意图

图3 电子海图显示的推荐航路示意图

（1）推送安全信息。利用AIS 基站，分类全覆盖的面向辖区所有船舶，主动推送航道信息、水文气象信息等助航信息至船舶AIS 终端，让船舶及时了解将要航经水域的通航环境信息，辅助船舶航行决策。

（2）进行自动报警。根据辖区水域特点，建立科学模型，划定预警区、警戒区等重点保护区域，设定不同区域的监测条件和告警提醒方式，自动发送文字、语音、声光提醒或报警。

（3）推动导助航设施升级改造。可以利用风电场进行AIS 基站、VDES 基站、公共通讯网络基站等设施补点，推进黄泽洋灯船等设施的智能化改造，以加载需要的基站和传感器，推动沿海导助航基础设施科学补点、统筹优化、数字化改造、整体转型升级。

（4）探索应用融合通讯技术。探索使用VDES（VHF Data Exchange System，甚高频数据交换系统），VDES 集成现有AIS 功能，并升级、扩展了特殊应用报文（ASM）和宽带甚高频数据交换(VDE)等功能，满足船对船、船对岸、船对卫星、岸对卫星相互之间的数据交换，VDES 信息传输速度较AIS 有数十倍的提升，使得海事管理系统与船舶之间由相互识别、呼叫转为可视化系统之间数据交互、动态沟通，实现E-航海。

4.2 实施规划

（1）近期

预期近期应用基于AIS 的电子围栏系统将部分海事管理信息传输到船舶，达到促进保护洋山港水域内重要工程设施，保障洋山港水域船舶的航行、停泊、作业安全。实现推送开阔水域推荐航路、东海大桥碰撞提示、特定船舶预警播发、LNG 码头前沿设防、LNG 加注安全作业区警戒、沉船碍航物提醒、渔船渔网区提醒、风电场保护、特定气象（大风及能见度不良）信息播发等各类应用场景。

（2）中期

中期推动应用融合通讯技术，利用VDES 等技术将数据传输到船舶，实现“大交管”架构下系统与船载电子海图、VDES 系统等电子化系统信息直接互通、互联、互动，实现多元化、多维度的信息交互和信息收发，提升水上交通安全治理能力。

4.3 费效分析

创新开阔水域船舶交通管理模式，探索应用推荐航路引导船舶航行，有几大优势。

（1）不依托手机APP 等数字化应用，而是使用电子围栏，可以不受网络、岸基基站等限制，直接由海事岸站连接船用电子海图。整个模式依托AIS，在海事监管层面，有VTS 系统、一网统管系统等可视化显示终端，在船方也有船上的电子海图显示终端，可以实现图对图显示，端与端之间传输，有硬件基础，可以减少投入成本。

（2）传输数字信号，可以通过信号传输技术层面的设计来实现点对点、点对面的信息收发以及握手反馈，具有指向性，实现了数模转化，在技术上突破瓶颈和壁垒。

（3）应用电子围栏“站网一体式”的系统建设方式，近的区域能够通过自主建站进行补点、监管、沟通、推送，远的我们不需要看，他们也收不到我们的信息，互不干扰。

（4）不依托手机APP 等数字化应用，通过AIS 实现VTS 等海事管理系统和船上电子海图数据直连，让开阔水域航行的船舶在手机信号缺失的情况下，依然能够稳定接收航行安全信息。

（5）综合依托通讯层面的数据融合通讯技术、标准层面的S-100 等数据模型、设备层面的VDES 系统等，可以提供一种E-航海框架下全要素水上交通安全管理解决方案。

5 结束语

本文选取洋山VTS管理服务区南支灯船至北鼎星水域，通过综合运用新兴技术、手段，创新开阔水域船舶交通管理模式，探索应用推荐航路引导船舶航行，减少船舶会遇带来的碰撞风险，同时率先尝试先进科学技术在海上交通安全工作中的应用，促进海上交通安全现代化建设，提升海上交通安全科学技术水平。