北極航路地理信息服務(wù)框架初探

邢攸姿 奉定平 楊龍 孫曉萍

摘 要：本文研究北極航路地理信息服務(wù)框架的構(gòu)建，探索整合航海地理空間信息，建立基礎(chǔ)航路地理信息管理流程，實(shí)現(xiàn)高效共享、集成服務(wù)，從而保障北極航運(yùn)船舶的航行安全。

關(guān)鍵詞：北極；地理信息；冰上絲綢之路；服務(wù)框架

0 前言

北極航道是指穿越北冰洋連接大西洋北部和太平洋北部的最短海上航道，也稱為“北方航線”。北方航線將全球經(jīng)濟(jì)富裕的歐洲、北美和東亞緊密聯(lián)系起來(lái)，是聯(lián)系亞、歐、北美三大洲的最短航道，主要包括“東北航道”（見圖1）、“西北航道”和“中央航道”。本文以我國(guó)“冰上絲綢之路”規(guī)劃為指導(dǎo)思想，以數(shù)字航海建設(shè)為基礎(chǔ)，研究構(gòu)建北極航路地理信息服務(wù)框架。以此作為航海航路建設(shè)的主要管理工具，整合航海地理信息有關(guān)的空間信息，同時(shí)以信息網(wǎng)絡(luò)作為載體，以各種信息終端作為媒介，建立流暢的基礎(chǔ)地理信息流程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)航路地理信息的有機(jī)集成管理，實(shí)現(xiàn)航路信息的高效共享，從而保障我國(guó)北極航運(yùn)船舶的航行安全。

1 現(xiàn)狀分析

1.1 需求

近年來(lái)，北冰洋海冰快速消融，制約北極航道開通的最大限制因素得以消除。開通后的北極航道，通航期短，海洋環(huán)境惡劣，巨大的冰蓋、冰島、冰山、浮冰和暴風(fēng)雪天氣等問題不利于船舶航行。如何保證船舶在北極海域安全航行是我國(guó)“冰上絲綢之路”建設(shè)面臨的難題。缺乏航區(qū)相關(guān)的氣象和海況資料（風(fēng)暴、大風(fēng)、海霧、海溫、海冰、海流、海浪和潮汐等）、航道資料（水尺、助航標(biāo)志、燈塔等）、港口碼頭資料（吃水、結(jié)冰、冰厚等）、陸基支援相關(guān)資料（通信聯(lián)系、沿途補(bǔ)給、破冰船和應(yīng)急救援、避難等）等可靠數(shù)據(jù)資料，以及航行過(guò)程中船舶通行權(quán)、航路沿線與各國(guó)海事管轄權(quán)的法律法規(guī)等外交爭(zhēng)議，是目前妨礙我國(guó)船舶航行于北極航路的主要因素。因此，研究北極海區(qū)航路航海信息服務(wù)系統(tǒng)，構(gòu)建北極航路地理信息服務(wù)平臺(tái)，能夠?yàn)槲覈?guó)發(fā)展北極航路提供基于海洋空間地理信息的信息服務(wù)，有利于節(jié)省北極航路的航行時(shí)間，縮短航行路程，保證船舶能夠安全、低耗地實(shí)現(xiàn)最高航行效益，從而為建設(shè)我國(guó)“冰上絲綢之路”提供基本保障。

1.2 國(guó)外相關(guān)研究

作為北極航線開通的受益者，日本也一直密切關(guān)注北極地區(qū)的開發(fā)狀況，并將北極戰(zhàn)略納入國(guó)家大戰(zhàn)略范疇。

日本的航海保障體系及其技術(shù)一直處于世界領(lǐng)先地位。日本國(guó)土交通省的外局（附屬機(jī)關(guān)）海上保安廳（JCG Japan Coast Guard）作為日本維持海上安全及治安的行政機(jī)關(guān)，組織建立了日本航海保障系統(tǒng)，提供航標(biāo)助航、海事測(cè)繪、海上通訊業(yè)務(wù)的開發(fā)與實(shí)施，管理服務(wù)內(nèi)容主要包括VTS交通中心、AIS站臺(tái)、DGPS、航標(biāo)系統(tǒng)、潮流信號(hào)等，以及航海保障的相關(guān)法律、規(guī)章、制度的制定與實(shí)施。在航海保障的基礎(chǔ)設(shè)施方面，日本海上交通中心在沿岸海域建有各類視覺航標(biāo)、無(wú)線電航標(biāo)及其他各類航標(biāo)共計(jì)5 000余座，保證了航海保障基礎(chǔ)設(shè)施的完善。北冰洋東北航線全線貫通，開辟了亞歐海運(yùn)貿(mào)易新通道，成為了一條縮短日本與歐美的航運(yùn)距離與航運(yùn)時(shí)間的黃金水道。受到北冰洋航線實(shí)現(xiàn)商業(yè)化通航的影響，為了做好使用北冰洋航道的準(zhǔn)備，日本積極參與“國(guó)際北方航道計(jì)劃”，全面調(diào)整外貿(mào)物流的格局，投入大量經(jīng)費(fèi)對(duì)俄羅斯北方航道（東北航道）進(jìn)行通航可行性研究，用來(lái)收集北極無(wú)冰期海域航運(yùn)、經(jīng)濟(jì)和其他安全信息，從而加大對(duì)冰海航運(yùn)科技創(chuàng)新的支持，以確保大型船舶能在北極惡劣的氣候條件下正常航行。對(duì)日本航海保障體系中的管理服務(wù)體制及其先進(jìn)軟硬件應(yīng)用技術(shù)的分析研究，可為我國(guó)航海保障體系建設(shè)提供相關(guān)的參考范例，尤其能夠提高我國(guó)北極航路航海保障體系的建設(shè)質(zhì)量。

1.3 具備的條件

近年來(lái)，北方海區(qū)航海保障部門建成了覆蓋北方海區(qū)各通信中心及天津海事測(cè)繪中心、天津海事科技中心在內(nèi)的15個(gè)所屬機(jī)構(gòu)的海事信息網(wǎng)絡(luò)體系，所屬15個(gè)機(jī)構(gòu)的船舶都實(shí)現(xiàn)了海事信息網(wǎng)絡(luò)接入功能，用以支持海事業(yè)務(wù)開展和北海航海保障中心的內(nèi)部管理需求。通過(guò)這些海事信息網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)建設(shè)，北海航海保障中心和各基層單位能夠進(jìn)行高效的信息互通。同時(shí)，北海航海保障中心還根據(jù)海事信息實(shí)際應(yīng)用的需要，建立了專線網(wǎng)路用于服務(wù)船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）。此外，北海航海保障中心下屬機(jī)構(gòu)天津海事測(cè)繪中心分別于2016年7月、2017年8月委派技術(shù)人員3次隨船對(duì)北極東北航道進(jìn)行考察，北海航海保障中心天津海事測(cè)繪中心在海事系統(tǒng)首次實(shí)現(xiàn)了北極東北航路航線水深的實(shí)際測(cè)量、東北航道沿線導(dǎo)航標(biāo)志現(xiàn)場(chǎng)搜集和高頻無(wú)線電通信系統(tǒng)及北斗通信系統(tǒng)的實(shí)地測(cè)試工作，為進(jìn)一步探索東北航道開發(fā)和航海保障服務(wù)掌握了寶貴的一手資料。另外，隨船工作人員對(duì)北極東北航道隨船航行期間的水文氣象、羅經(jīng)設(shè)備（磁羅經(jīng)、電羅經(jīng)和光纖羅經(jīng)）在高緯度海域的使用情況，以及北極東北航道氣象導(dǎo)航服務(wù)應(yīng)用情況進(jìn)行了詳細(xì)記錄，并收集整理了北極東北航道適用的法律法規(guī)、北極東北航道沿線港口資料，以及俄羅斯北方海航道搜救和應(yīng)急反應(yīng)資源等航海保障相關(guān)資料，對(duì)北極海域的航海狀況、導(dǎo)助航設(shè)施、海道測(cè)繪資料、通信保障等航海保障信息有了一個(gè)整體的認(rèn)識(shí)，這為建設(shè)北極航路地理信息服務(wù)系統(tǒng)工作奠定了基礎(chǔ)。

2 北極航路框架建設(shè)

建設(shè)北極航路地理信息服務(wù)系統(tǒng)是一個(gè)龐大復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要統(tǒng)籌全局，系統(tǒng)規(guī)劃，要做好宏觀設(shè)計(jì)和頂層設(shè)計(jì)工作。遵循“開放性、現(xiàn)勢(shì)性、標(biāo)準(zhǔn)性和互操作性”這四項(xiàng)基本原則，建立集中決策、分級(jí)管理的北極航海保障組織規(guī)劃服務(wù)體系，研發(fā)北極航海保障地理信息應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)，開發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，接入船載定位、水深、氣象水文采集設(shè)備，整合各類航海保障信息，對(duì)拓寬極地航海圖信息資料來(lái)源，加強(qiáng)服務(wù)北極航路，進(jìn)而為北極水域航行的中國(guó)商船提供更準(zhǔn)確、詳細(xì)，更具有現(xiàn)勢(shì)性的氣象、航警信息等綜合性服務(wù)是建設(shè)北極航路地理信息服務(wù)框架的主要工作內(nèi)容。

3 總體框架

北極航路地理信息服務(wù)框架由北極航路地理信息獲取與維護(hù)、北極航路地理信息集成管理與共享、北極航路地理信息分發(fā)與服務(wù)等3部分構(gòu)成，主要包括關(guān)鍵技術(shù)、信息框架、服務(wù)模式、應(yīng)用分析和產(chǎn)業(yè)分析等5個(gè)層面。如圖2所示。

3.1 關(guān)鍵技術(shù)

北冰洋的地理位置特殊，且難以到達(dá)，氣象、水文歷史資料十分有限，海霧、海冰、海風(fēng)、降水和洋流對(duì)船舶航行的影響相當(dāng)大，缺少相關(guān)海事氣象等信息將無(wú)法保證船舶安全航行，進(jìn)而降低北極航路航運(yùn)價(jià)值。因此，北極航路地理信息服務(wù)系統(tǒng)應(yīng)以收集整理北極海域氣象、水文等關(guān)于北極航路的相關(guān)信息為基礎(chǔ)，將收集到的數(shù)據(jù)資料整理存儲(chǔ)到北極航路地理信息服務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)，研究分析北冰洋地區(qū)的氣象、水文特點(diǎn)，根據(jù)收集到的氣象、水文、冰情、港口信息，為船舶在北極水域航行時(shí)提供航線制定和導(dǎo)助航等北極航行服務(wù)。

基于北極航路地理信息服務(wù)的整個(gè)內(nèi)容來(lái)看，可以將其關(guān)鍵技術(shù)劃分為航路信息獲取與存儲(chǔ)、航路信息處理與分析、航路信息傳輸、航路信息表現(xiàn)等4個(gè)技術(shù)層面。

3.2 信息框架

利用現(xiàn)代電子信息技術(shù)為海事系統(tǒng)和北極航路地理信息服務(wù)部門提供國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的海事信息，構(gòu)建信息框架，不僅能夠提升船舶安全監(jiān)控能力，還能夠提高海事部門業(yè)務(wù)處理能力和航運(yùn)管理水平，對(duì)北極航路地理信息服務(wù)提供信息化的支持。北極航路地理信息服務(wù)框架主要包括數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)組織管理和數(shù)據(jù)挖掘等5個(gè)部分。

3.3 服務(wù)模式

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被應(yīng)用于航海產(chǎn)業(yè)，制作的基于網(wǎng)絡(luò)的電子海圖等產(chǎn)品能夠提供以往海事地理信息服務(wù)模式無(wú)法提供的優(yōu)質(zhì)海事服務(wù)?；诰W(wǎng)絡(luò)的海事地理信息服務(wù)系統(tǒng)構(gòu)建了一種信息化、網(wǎng)絡(luò)化、現(xiàn)代化的海事服務(wù)模式，能夠?yàn)榇疤峁└焖贉?zhǔn)確的相關(guān)航行海域海事信息，切實(shí)有效地提高了海事地理信息服務(wù)的水平，是船舶導(dǎo)航和輔助決策的重要工具。它將信息技術(shù)、GIS技術(shù)、WEB技術(shù)、數(shù)字化海事信息技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行綜合開發(fā)，為海運(yùn)船舶提供快速準(zhǔn)確海事信息和各類險(xiǎn)情信息，船舶基于這些海事信息可以進(jìn)行輔助航線規(guī)劃和航線監(jiān)控，確保了航線的安全性，有效地提高了航行安全性。以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為依托的北極航路地理信息服務(wù)系統(tǒng)主要提供海上無(wú)線通信、基于船舶位置的海事信息推送、實(shí)時(shí)海事信息更新查詢以及其他海事信息產(chǎn)品等4種服務(wù)模式。

3.4 應(yīng)用分析

北極航路地理信息服務(wù)系統(tǒng)的最終目的是將其應(yīng)用到我國(guó)北極航路航運(yùn)事業(yè)中。航運(yùn)事業(yè)主要涉及政府管理部門、海上運(yùn)輸企業(yè)和海上救援機(jī)構(gòu)。具體應(yīng)用主要為面向政府綜合航路信息服務(wù)、面向航運(yùn)企業(yè)的信息服務(wù)和面向海上救援機(jī)構(gòu)的服務(wù)，如圖3所示。

3.5 產(chǎn)業(yè)分析

北極航路的特征和背景決定了我國(guó)如何制定和實(shí)施北極戰(zhàn)略，因此需要對(duì)我國(guó)海洋戰(zhàn)略、北極航路地理信息服務(wù)框架航海效用和運(yùn)營(yíng)方法進(jìn)行合理分析，為進(jìn)一步發(fā)展北極“藍(lán)色經(jīng)濟(jì)帶”戰(zhàn)略決策的制定提供參考。分析的主要內(nèi)容為航海政策分析、航海效用分析以及運(yùn)營(yíng)分析。

4 北極航路地理信息服務(wù)內(nèi)容

北極航路地理信息服務(wù)框架是以地理信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)平臺(tái)，由多個(gè)不同功能的子系統(tǒng)按不同層次綜合集成的開放海運(yùn)服務(wù)框架，主要服務(wù)于航海及其相關(guān)領(lǐng)域。系統(tǒng)將GPS、ECDIS、VTS等現(xiàn)代化航海工具利用先進(jìn)的信息管理技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，最終形成開放的集查詢、控制、管理、決策于一體的綜合北極航路交通信息系統(tǒng)，從一個(gè)高層次的信息化平臺(tái)上對(duì)北極航路海事測(cè)繪數(shù)據(jù)進(jìn)行管理與維護(hù)，從而提高北極航路交通航運(yùn)的安全水平，降低船舶運(yùn)輸受其他因素的影響，提高北極東北航道通行能力和交通效率的目的?？蚣苤饕?wù)內(nèi)容為海上交通服務(wù)、海事測(cè)繪和海事信息等3部分，如圖4所示。

4.1 海上交通服務(wù)

北極海域的航運(yùn)業(yè)務(wù)作為綜合航海保障系統(tǒng)服務(wù)的主要目標(biāo)，其需求在北極地理信息服務(wù)系統(tǒng)的建設(shè)過(guò)程中具有重要指導(dǎo)意義。北極航路地理信息服務(wù)框架能夠提供海運(yùn)相關(guān)的航標(biāo)助航信息，輔助海上交通管理，提供海事信息。將現(xiàn)代航標(biāo)技術(shù)應(yīng)用于北極航路，根據(jù)北極航路航道的冰情信息和各船舶信息定量和定性的分析航路通航情況，以VTS為基礎(chǔ)集成具有豐富交互接口的綜合海上智能交通管理平臺(tái)能夠整合多種數(shù)據(jù)資源，并根據(jù)實(shí)時(shí)海況規(guī)劃和設(shè)計(jì)北極航路船舶定線制方案，為船舶提供導(dǎo)助航服務(wù)；研究北極航路的主要交通模式和交通環(huán)境特征，采用船舶定線制服務(wù)模式規(guī)范船舶交通流，減少船舶碰撞事故，改善當(dāng)前海上交通管理現(xiàn)狀，提高智能船舶交通管理效率；通過(guò)研制基于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的北極航路海上交通信息增量式跟新服務(wù)機(jī)制，為航行于北極海域的船舶提供高精度、全海域、近實(shí)時(shí)的海上交通信息，提高海事交通數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性，幫助船舶及時(shí)作出正確的航行決策。

4.2 海事測(cè)繪

海洋測(cè)繪的數(shù)字化、自動(dòng)化和規(guī)范化，極大地豐富了海洋測(cè)繪數(shù)據(jù)，提升了海圖發(fā)行量，提高了經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。北極航路地理信息服務(wù)框架通過(guò)對(duì)中心技術(shù)人員三次隨船考察獲得的資料進(jìn)行分析整理，構(gòu)建海洋調(diào)查資料管理和共享應(yīng)用機(jī)制，基于北極航路地理信息服務(wù)系統(tǒng)搭建海洋調(diào)查資料和調(diào)查數(shù)據(jù)產(chǎn)品的共享服務(wù)平臺(tái)，將海洋調(diào)查資料與成果共享。通過(guò)提供北極航路相關(guān)的海洋調(diào)查和海道測(cè)繪數(shù)據(jù)，為各種海測(cè)數(shù)據(jù)、海圖資料提供具有管理功能的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)高效地管理海事測(cè)繪數(shù)據(jù)，提供北極航運(yùn)所需的航標(biāo)數(shù)據(jù)、障礙物數(shù)據(jù)、航道水深數(shù)據(jù)、沿海港口碼頭數(shù)據(jù)和地形岸線等海洋地理信息數(shù)據(jù)的查詢、更新。將北極航路地理信息服務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)作為電子海圖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)海事氣象數(shù)據(jù)、船舶管理數(shù)據(jù)、平臺(tái)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、應(yīng)急數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)資源進(jìn)行綜合管理、分析，最后以電子海圖形式輸出到顯示端。

4.3 海事信息

在海事管理、船舶調(diào)度、搜救應(yīng)急等應(yīng)用過(guò)程中，需要實(shí)時(shí)掌握船舶的動(dòng)態(tài)信息，并進(jìn)行實(shí)時(shí)分析判斷。例如船舶導(dǎo)助航及航線規(guī)劃、船舶避碰、海冰等惡劣氣象安全避險(xiǎn)、船舶進(jìn)出港等。這些分析判斷的依據(jù)是船舶及其航行海域相關(guān)海事信息的相互關(guān)系，此外還包括航標(biāo)、航道邊線、禁航區(qū)、港口界線等海事數(shù)據(jù)?？傮w上可以概括為船位信息、港務(wù)信息和海上安全信息。北極航路地理信息服務(wù)框架提供的船位信息服務(wù)主要包括船舶動(dòng)態(tài)位置信息、歷史軌跡查詢、船舶載貨數(shù)據(jù)、船舶航行水域測(cè)繪數(shù)據(jù)等信息查詢傳輸，這有助于從根本上解決船岸之間的信息隔絕情況，讓岸端的管理者能夠及時(shí)準(zhǔn)確地了解船舶航行期間的動(dòng)態(tài)信息?？蚣芴峁┑母蹌?wù)信息包括為北極航航運(yùn)船舶提供貨物和集裝箱等的中轉(zhuǎn)、裝卸和倉(cāng)儲(chǔ)等綜合物流信息服務(wù)，有利于提高多式聯(lián)運(yùn)和流通加工的港務(wù)信息支持；為船舶用戶提供市場(chǎng)決策的信息及其咨詢，以電子數(shù)據(jù)交換功能為服務(wù)模式提供增值服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，為北極航運(yùn)客戶提供訂單管理、供應(yīng)鏈控制等港務(wù)服務(wù)；為建立現(xiàn)代物流提供整合生產(chǎn)力要素服務(wù)平臺(tái)，利用信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)貨物流通到現(xiàn)代的人員流通、貨物流通、商貿(mào)流通、信息流通的全面大流通?？蚣芴峁┑暮Ｉ习踩ㄐ殴δ苣軌驇椭Ｉ暇仍芾碇行娜藛T、政府職能部門、救援船舶和重點(diǎn)海域監(jiān)控單位完成海上救援信息的瀏覽、錄入、修改和統(tǒng)計(jì)。該功能的實(shí)現(xiàn)方式是在海上救援管理中心人員收到海上事故信息后對(duì)相關(guān)信息及時(shí)分析，從數(shù)據(jù)庫(kù)中將救援資源調(diào)出顯示到救援管理中心的平臺(tái)上，從而方便工作人員對(duì)衛(wèi)生應(yīng)急資源、執(zhí)法應(yīng)急資源、消防應(yīng)急資源等不同類型的應(yīng)急資源進(jìn)行協(xié)同調(diào)度，達(dá)到最優(yōu)救助效果。

5 總結(jié)

北極航路地理信息服務(wù)系統(tǒng)的建設(shè)需從“冰上絲綢之路”戰(zhàn)略和全局的高度出發(fā)，充分領(lǐng)會(huì)《航保“十三五”規(guī)劃》《綜合運(yùn)輸“十三五”發(fā)展規(guī)劃》《交通運(yùn)輸支持系統(tǒng)“十三五”建設(shè)規(guī)劃》、《交通運(yùn)輸安全生產(chǎn)和應(yīng)急體系建設(shè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》《交通運(yùn)輸信息化“十三五”發(fā)展規(guī)劃》《海事“十三五”發(fā)展規(guī)劃》等政策文件，結(jié)合各海事部門實(shí)際需求，制定一系列任務(wù)目標(biāo)，并對(duì)各階段目標(biāo)任務(wù)合理安排，采取有效行動(dòng)實(shí)施任務(wù)計(jì)劃，為全面落實(shí)航路服務(wù)提供保證和支持。在系統(tǒng)建設(shè)的實(shí)施過(guò)程中，應(yīng)不斷加強(qiáng)各部門之間的溝通和職責(zé)落實(shí)，推進(jìn)系統(tǒng)管理創(chuàng)新和戰(zhàn)略變革，切實(shí)將服務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用于保障我國(guó)商船安全航行于北極航路。

參考文獻(xiàn)

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