南海民用气象导航与航运辅助决策服务体系设计

唐启师，孙心如，潘旖夏，刘海超，潘学怡

（1.广东海洋大学船舶与海运学院， 广东 湛江 524088； 2.广东海洋大学海洋工程与能源学院， 广东 湛江 524088；3.安徽理工大学化学工程学院， 安徽 淮南 232001）

南海航线作为我国近洋航线的主体， 是我国开展国际贸易、 能源运输的咽喉和生命线。 南海周边的东南亚国家自古就是海上丝绸之路的重要枢纽和组成部分， 我国与东盟亦有着广泛的政治、 经济基础， 随着21 世纪海上丝绸之路倡议的深入推进，我国已成为世界第一货物贸易国， 中国80%以上的外贸需经海上运输,逾90%的进口石油需走海路。其中,马六甲海峡、 直布罗陀海峡、 霍尔木兹海峡、曼得海峡和龙目海峡， 已经成为中国对外贸易的重要运输通道， 我国与东南亚、 南亚国家经贸关系日益紧密。 与此同时， 南海的传统渔业经济模式逐渐向深远海智能化养殖、 海洋休闲、 智慧运输、 海岛经营等海洋资源综合利用方向发展， 从事新型海洋经济活动的民营企业和个体经营者数量逐年增长。无论是途经马六甲海峡-南海航线的能源、 商品贸易活动， 还是活跃在南海的中小民营企业、 个体经营活动， 都会面临南海海域复杂水文环境和危险天气下的航运安全问题， 需要通过覆盖南海海域的高效、 便捷、 低成本、 精细化的气象导航服务， 帮助船舶躲避灾害天气和海浪冲击， 安全顺利地完成经济活动。

由于技术落后、 学科交叉融合不足、 气象保障能力建设意识薄弱等原因， 过去我国远洋船舶主要依靠国外气象导航公司提供服务， 因价格因素仅大型远洋商船和跨国企业能够订制配套保障服务， 且还需将船舶的动态、 载货信息等报告给对方， 这对国家安全构成威胁。 近十年以来， 我国气象导航服务领域开展了一定的基础研究和应用研发工作， 饿了么于2017 年引入墨迹天气的精确气象信息， 在国内实现1 km 范围内的精确预报， 短时预报的晴雨准确率高达90%， 通过气象导航保障提升了配送平台的运营效率； 中央气象台于2019 年发布了首个具有我国自主知识产权的船舶气象导航系统， 该系统气象要素预报空间分辨率最高达9 km， 最长预报时效10 d， 可根据天气要素预报信息和航行任务， 为远洋船舶提供最佳航线方案， 是我国自主海运气象服务的里程碑[1]。 虽然我国海洋气象导航服务领域取得了一定的发展， 但仍面临南海海域应用船舶数量较少、 精细化保障不足、 定制服务成本较高等问题。 一是在服务对象上， 尚未适应南海及周边海域民用市场需求， 未能形成规模化效应； 二是在服务理念上， 未能融入新型海洋经济活动中， 对南海中小型智慧渔业、 海洋旅游等航运保障意识不够； 三是在服务模式上， 缺乏对南海航运运输保障辅助决策服务的需求挖掘和设计， 未充分利用北斗三代短报文、 天通卫星通信等新型国产卫星通信技术提供全天候应急保障， 近年来的技术成果未融入传统气象导航服务系统的升级中[2]。

综合考虑我国气象导航服务基础和南海民用气象导航服务需求， 以高分辨率海洋气象预报产品为依托， 结合海洋天气预报技术、 辅助决策技术和国产卫星通信技术， 探讨了南海民用气象导航与航运辅助决策体系， 包括岸基平台支持服务端、 船载平台服务端、 网页服务端等， 为民营中小企业和个体经营者提供低成本、 全天候的航路规划、 天气预报、 航线咨询以及航运运输辅助决策等服务， 促进我国海洋经济发展， 对海洋气象导航领域研究技术成果转化具有一定的借鉴意义。

1 南海气象导航主要影响因素分析

南海海域自然海域面积约350 万km2， 为中国近海中面积最大、 水最深的海区， 属台风和内波高发海域， 在南海海域为民用开展气象导航与航运辅助决策服务， 除考虑船舶自身性能和运输载荷外，气象、 水文等环境因素是服务体系架构中的主要考虑因素。 南海海域航行与运输服务保障需要考虑的典型环境因素主要有大风、 海流、 海雾、 潮汐和岛礁。 南海是全球台风高发区域之一， 年平均出现台风11 次[3]， 台风及大风主要影响船舶的航向和构筑物的漂移， 而风浪会造成小型船舶的侧翻， 危及航行安全和运输效率； 海流主要影响船舶的航行效率， 南海北部是内波高发区， 内波流产生的能量会对潜水休闲、 智能化围海养殖、 石油钻井、 拖曳运输等活动造成损害； 南海海雾多发于每年春冬两季和湾口海域， 造成的低能见度易使船舶碰撞、 偏航和搁浅； 潮汐主要对于乘潮进港和乘潮出港的船舶靠泊和离泊作业影响很大； 南海暗礁超过100 处，岛礁累计超过200 个， 暗礁是航海中的危险区， 在海雾天气的综合影响下， 船舶触礁不仅会对船上人员的人身安全构成危险， 船舶还会因船体进水造成损坏或搁浅， 严重时甚至会造成船舶的断裂或倾覆， 水域污染、 火灾、 爆炸等， 船舶触礁造成的危害是极其严重的， 损失无法估量， 尤其是对海洋环境污染的损害， 危及人类的现在和将来。

2 航运辅助决策概念及发展趋势

辅助决策是在面临决策部署前， 运用一定的数理模型， 帮助决策主体在一个阶段将决策问题进行多指标和多准则分析， 并给出最优解决建议的计算分析行为。 区别于以往航线推荐、 气象预报等传统辅助支持， 南海航运辅助决策是综合南海环境因素、 船舶性能因素等指标， 重点面向运输量决策、运输货物最优配比决策、 运输人员配置决策、 运输风险评估等问题， 提供满足运输效率和航行安全的辅助决策信息服务。 航运辅助决策近年来趋于将决策者风险偏好信息纳入决策模型计算中， 更加重视根据海域特征进行划分海区的模型分析， 以及从出港到返港全流程闭环运输辅助决策。

3 关键技术及适用性分析

3.1 精细化数值预报和轻量化预报技术

气象预报产品是开展气象导航服务的基础， 目前国内已能实现南海海域72 h、 10 km 水平分辨率的大气数值预报， 西北太平洋120 h、 1/30°×1/30 °水平分辨率的海洋预报。 2022 年， 国家海洋环境预报中心自主研制的第一代数据驱动海浪智能预报系统（以下简称“ 智能预报系统”， 英文名称“ AIWAVE1.0”） 投入业务化运行。 智能预报系统3s即可完成未来5 d 的西北太平洋和印度洋海浪预报，预报范围覆盖西北太平洋和印度洋， 预报产品空间分辨率达到10 km、 时间分辨率1 h； 预报要素包括有效波高等主要海浪预报要素， 24 h 预报误差0.4 m。智能预报系统比传统的数值预报模型具有轻量快速的突出优势， 计算时间仅需1～3 s， 可在轻量工作站上运行， 降低了计算设备成本和耗电量， 可作为南海民用气象导航与航运辅助决策服务体系中传统数值预报系统的有效备份或替代。

3.2 北斗卫星、 天通卫星通信技术

2022 年7 月， 北斗三号短报文通信服务成果正式发布， 标志着北斗三号系统短报文通信服务由行业应用迈入大众应用的发展新阶段。 北斗三号卫星导航系统区域短报文服务单次通信能力达到1 000汉字， 能够高效传输目标海域环境实况信息和局部精细化预报产品。 天通卫星移动通信系统已具备中国领海和部分西北太平洋等区域的通信服务能力，通信速率最高可达384 kb/s， 支持语音、 短信、 数据、 视频等业务， 近2 年已多次应用在南海海域环境观测信息传输领域。 北斗卫星、 天通卫星通信技术成果已实现低成本民用转化， 成熟的通信模块可嵌入到手机或与民船船用电脑集成， 支撑服务体系数据传输和全天候应急保障。

3.3 基于前景理论的航运辅助决策技术

近年来， 已有学者将前景理论应用到船舶航线选择的辅助决策中， 将用户的人为偏好和理性分析纳入到辅助决策模型， 对于弱岸基联通状态下用户的风险态度和理性差异导致的优劣势分析具有重要价值。 可将该技术成果应用于航运辅助决策中， 结合多指标灰关联决策方法， 构建航运运输策略辅助决策模型[2，4-5]， 帮助用户了解所做决策的前景价值。

3.4 基于气象要素的船舶精细航路规划技术

南海海域的最大危险天气为台风， 南海民用船舶排水量一般为100～500 t， 船体材质各异， 抵抗强风等危险天气的能力较差， 民用船舶在海上避台过程中需要有精细的航路规划支持来确保船上人员、 财产及船舶的安全。 基于船舶避台场景的精细化航路规划可尝试根据遗传算法和滚动时域控制混合策略设计算法， 帮助船舶避开风浪区和静态障碍区， 提高航路规划的安全性和经济性。

4 气象导航与航运辅助决策服务体系设计

4.1 体系结构

南海民用气象导航与航运辅助决策服务体系的结构设计遵循低成本、 轻量化、 精细化的原则， 图1 为南海民用气象导航与航运辅助决策服务体系结构设计。 由图1 可知， 南海民用气象导航与航运辅助决策服务体系主要由岸基平台支持服务端、 船载平台服务端、 南海气象导航信息网页服务端、 岸基保障团队资源服务端组成， 充分利用覆盖南海海域的北斗三代短报文通信和天通移动卫星通信技术支撑全天候保障服务。 岸基保障团队资源服务端可同时向岸基平台支持服务端、 船载平台服务端提供精细化产品、 定制化咨询和模块升级等方面的技术性人力资源； 岸基平台支持服务端是体系的核心， 负责掌握南海海域所有民用客户的船舶状态信息和运输任务情况， 调度数据和技术资源为船端客户提供服务， 并将制作的公共资源产品上传或更新至南海气象导航信息网页服务端； 船载平台服务端是服务体系所有功能触达用户的终端， 主要依托岸基提供的预置资源、 在线指导以及自身配置的功能模块帮助用户完成航行和运输使命。

图1 南海民用气象导航与航运辅助决策服务体系结构设计

4.2 岸基平台支持服务端设计

岸基平台支持服务端部署在岸基保障中心， 主要依托岸基保障团队资源和中心硬件资源开展服务。 为满足岸基保障团队多技术人员协作需求， 采用B/S 架构设计， 在计算资源配置上， 主体为用户信息与数据资源管理服务器、 数值模式预报服务器、危险天气短临预报服务器、 航运辅助决策服务器、通信与产品传输服务器、 综合显控与任务调度服务器的6 台高性能服务器， 并搭配3 台长约216 cm、宽（高） 约121 cm（对角线长2.489 m， 即98 in）的智能显示大屏完成用户状态监控、 环境态势监控、 服务节点监控等使命， 通信与产品传输服务器与北斗卫星、 天通卫星双卫星通信模块集成为一套终端； 采用分布式任务调度系统， 将南海方向用户需求和保障任务进行层次分解， 构建分级任务、 紧急任务和特殊任务框架， 在框架内开展气象导航和航运辅助决策支持服务。

岸基平台支持服务端主要实现以下五大功能：一是用户信息与数据资源管理服务， 采集并管理船端用户的船舶状态信息、 驾驶员信息、 航运任务信息、 客户风向偏好信息以及AIS 信息， 下载并更新南海海域海洋环境数据和海图数据以及国内外短期、 中期数值预报产品； 二是气象导航服务， 开展基于气象要素的南海船舶精细航行规划服务， 并对航线进行监视和优化， 制作并发布航线气象预报产品、 水文气象预警信息、 航行风险评估产品等； 三是航运辅助决策服务， 基于前景理论的航运辅助决策模型提供运输量决策、 运输货物最优配比决策、运输人员配置决策、 运输方式决策等航运运输辅助决策信息； 四是综合数据可视化与控制交互服务，将用户信息与数据资源服务系统的信息进行展示，并通过人机交互实现资源调度和产品修正、 制作；五是产品推送与通信保障服务， 基于北斗三代短报文和天通移动卫星通信技术， 24 h 向南海民用用户推送服务产品， 并就险情分析和返程定制服务保持联系。

4.3 船载平台服务端设计

船载平台服务端安装在南海民用用户船舶上，由通信分系统和显示服务分系统组成， 采用C/S 架构设计， 硬件配置上遵循轻量化、 模块化、 低成本原则， 将小型船用电脑与北斗三号模块、 天通通信模块进行集成。 船舶离港前从岸基平台支持服务端获取并预置南海海域精细化地理信息、 海图资源、港口潮汐数据以及中短期气象水文预报产品。 显示服务分系统除数据可视化与地理信息服务功能外，还嵌入了轻量化航运辅助决策模型和基于气象要素的船舶精细航路规划模型， 在通信手段失效的情况下， 通过船舶气象仪观测数据和手动输入的船舶运输信息等数据， 实现保守的气象导航和航运辅助决策的自主保障。

4.4 南海气象导航网页服务端设计

南海气象导航网页服务端的硬件实体部署在岸基保障中心， 服务资源以网页形式向全体南海民用用户开放。 网页服务端采用B/S 架构设计， 将部分预报产品、 典型南海航线气象导航产品、 典型吨位船舶运输辅助决策产品、 危险天气预警信息、 内波预报信息、 工程活动等在网页上更新， 供用户自行查阅， 满足具备一定航海知识的用户自助式保障需求， 同时接入自然资源部南海局、 海南省气象局、岛礁的浮标、 地波雷达、 测流仪、 验潮站等观测设备实时观测数据， 供用户了解船舶周边水文气象环境实况。

4.5 岸基保障团队资源服务端设计

岸基保障团资源服务端部署在岸基保障中心，主体为专业型人力资源， 由气象导航、 航海运输、海洋预报、 系统设计、 通信保障等方向专业技术人员组成， 并设置2～3 名首席技术专家。 岸基保障团资源服务端主要为岸基平台支持服务端的运转提供专业人力资源， 完成服务体系的升级和维护工作，并组建由通信保障组和客户服务组组成的全天候应急服务部门， 24 h 在线为用户提供气象导航应急保障服务。

5 结论

本文以21 世纪海上丝绸之路倡议和南海渔业经济转型为背景， 以轻量化气象水文预报技术、 北斗三号短报文通信技术、 基于前景理论的航运辅助决策技术等为基础， 设计了南海民用气象导航与航运辅助决策体系， 旨在解决南海海域缺乏低成本、精细化、 体系化的民用气象导航和运输决策服务等问题， 为南海从事新型海洋经济活动的中小企业提供气象导航、 环境实况和航运辅助决策等服务， 并在船载平台服务端保留了航运辅助决策模块和航路规划模块， 供用户在应急状态下完成自主保障。 南海民用气象导航与航运辅助决策体系的探索对于区域化民用级相关保障系统的设计与应用具有一定的参考意义。