交通誘導(dǎo)理念在航運中的應(yīng)用*
——船舶航行誘導(dǎo)系統(tǒng)的概念與組成

李 猛 謝新連 潘 偉

一、背景

隨著國家“一帶一路”倡議和“海洋強國”戰(zhàn)略的實施，海上工程建設(shè)、海洋資源開發(fā)與海上貨物運輸?shù)然顒用芗归_，海上的交通越來越繁忙。在一些大型港口、重要航路和水上施工區(qū)域，船舶駕駛者面臨的通航狀況也越來越復(fù)雜，如航行在受限水域內(nèi)同時存在過路的商船、作業(yè)的漁船、施工的工程船，各船舶形成交叉相遇和緊迫局面等情況。雖然現(xiàn)有的助航設(shè)備能夠提供高精度的助航信息和數(shù)據(jù)（如船位、航速、方位、距離等），但船舶駕駛者僅僅依靠這些信息和數(shù)據(jù)尚不能快速、準確地做出正確的路徑選擇和避讓決策，還需要依據(jù)這些信息人工計算或憑經(jīng)驗做出判斷。在復(fù)雜而緊迫的局面下，由于駕駛者做出錯誤的判斷和決策而導(dǎo)致的海上交通事故時有發(fā)生。船舶航行誘導(dǎo)是近年來船舶交通領(lǐng)域的一個新的概念，是道路智能交通管理理念在水上交通領(lǐng)域的應(yīng)用。交通誘導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)具備為駕駛者提供實時最優(yōu)路徑和避讓決策支持信息的功能。

二、交通誘導(dǎo)的概念

道路交通擁堵是城市化進程中難以避免的社會問題，解決城市道路擁堵問題的主要策略之一是調(diào)節(jié)道路上的交通流量。調(diào)節(jié)交通流量的方式，從管理者的視角來看，可以分為兩種：強制性措施，如制定道路通行規(guī)則、交警現(xiàn)場指揮、限行規(guī)定等；建議性措施，如通過布置在各道路上的監(jiān)控裝置采集路況信息傳輸?shù)浇煌ü芾碇行?，?jīng)過處理后將路況信息通過某種方式（如交通廣播、路況信息顯示屏、互聯(lián)網(wǎng)等）發(fā)布給道路上的駕駛者，“誘導(dǎo)”其主動避開擁堵路段，從而達到調(diào)節(jié)交通流量的目的。

交通誘導(dǎo)系統(tǒng)（TGS，Traffic Guidance System），也稱作交通流誘導(dǎo)系統(tǒng)，是基于定位、信息處理、通信、移動互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，具有為交通參與者（交通管理者、公交調(diào)度、駕駛員等）提供實時的道路交通信息（如車輛位置、行駛里程、道路擁堵狀況、預(yù)計到達時間等），并為交通參與者提供決策支持信息（調(diào)流方式、調(diào)度方案、選擇最優(yōu)路徑、空置車位）等功能的系統(tǒng)，主要由交通信息采集系統(tǒng)、交通信息處理系統(tǒng)、交通信息發(fā)布系統(tǒng)等部分組成，其核心技術(shù)為數(shù)據(jù)處理與動態(tài)路徑優(yōu)化計算。交通誘導(dǎo)系統(tǒng)是智能交通系統(tǒng)的核心部分，在道路交通中已得到廣泛應(yīng)用，如美國的Pathfiander、ADVANCE，日本的RACS，歐洲的ALI等。在我國，有關(guān)道路交通誘導(dǎo)方面的研究一直是智能交通領(lǐng)域的熱點內(nèi)容[1-6]。

三、導(dǎo)航和交通誘導(dǎo)的區(qū)別

表面上看，導(dǎo)航和誘導(dǎo)的功能有相似之處，都能夠通過提供道路交通信息以幫助駕駛者以最快速度（最短路程）到達目的地，但二者存在著本質(zhì)上的差別。傳統(tǒng)的導(dǎo)航功能是為個體的駕駛者指明方向并提供實時的本車速度、與目的地之間的距離、所需的時間等要素，以及一些靜態(tài)信息的提醒（如限速、闖紅燈拍照等），其工作原理主要是通過車載定位設(shè)備獲取位置信息并顯示在設(shè)備的電子地圖信息系統(tǒng)中，然后通過預(yù)裝在設(shè)備中的計算程序得出當(dāng)前位置與人工輸入目的地之間的方向、距離、時間等要素并將其提供給使用者。傳統(tǒng)的導(dǎo)航設(shè)備不具備為駕駛者提供宏觀的、實時的路況信息和動態(tài)路徑優(yōu)化功能。交通誘導(dǎo)系統(tǒng)既能為微觀的個體駕駛者選擇最優(yōu)路徑，也能為宏觀的整個區(qū)域內(nèi)所有的交通參與者提供路況信息和決策支持信息，如前所述，其工作原理、系統(tǒng)組成與實現(xiàn)技術(shù)更加復(fù)雜[6]。當(dāng)前的車載導(dǎo)航系統(tǒng)或手機導(dǎo)航APP已經(jīng)由傳統(tǒng)的導(dǎo)航功能發(fā)展到具備誘導(dǎo)功能，如高德地圖等，其實質(zhì)上是交通誘導(dǎo)系統(tǒng)的終端。

現(xiàn)有的船舶導(dǎo)航系統(tǒng)主要是指羅經(jīng)、雷達、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（主要有GPS、北斗系統(tǒng)）、自動識別系統(tǒng)（AIS）、計程儀、測深儀等，以及能夠?qū)⑸鲜鲈O(shè)備獲取的信息和數(shù)據(jù)集成在電子海圖顯示和信息系統(tǒng)（ECDIS）的綜合導(dǎo)航系統(tǒng)。上述設(shè)備和系統(tǒng)能夠為駕駛者提供實時的、高精度的航向、方位和距離（相對于某個物標）、船位、其他船舶的動靜態(tài)數(shù)據(jù)、航程、水深等重要信息，但船舶導(dǎo)航設(shè)備多為基于單一功能并且為單船使用而設(shè)計，這些信息或數(shù)據(jù)并不能直接生成實時的路徑選擇和避碰決策支持信息，也沒有考慮到能否為區(qū)域內(nèi)其他船舶所用。隨著智能船舶和智慧海事的發(fā)展，船舶航行設(shè)備也必將由導(dǎo)航功能發(fā)展為具備誘導(dǎo)功能。

四、船舶航行誘導(dǎo)的概念

“交通誘導(dǎo)”理念在水上交通的應(yīng)用由來已久，船舶交通服務(wù)（VTS，Vessel Traffic Service ）、主管機關(guān)通過VHF播發(fā)水上安全信息和推薦航路等建議性措施從交通管理者的視角來看都可被認為是交通誘導(dǎo)措施，只是在水上交通領(lǐng)域沒有使用“誘導(dǎo)”這個詞語。隨著信息處理、通信和移動互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的不斷發(fā)展，交通誘導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)用的地理范圍越來越廣，在水上交通也能夠得以實現(xiàn)，如某些航道附近安裝了類似于道路上的交通信息顯示屏，將潮汐、風(fēng)浪、錨地和泊位等重要信息發(fā)布給船方，一些能夠為駕駛者提供決策支持信息的船用APP相繼開發(fā)等。

1.船舶航行誘導(dǎo)的功能需求

與道路交通誘導(dǎo)系統(tǒng)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用相比，各類水上交通誘導(dǎo)系統(tǒng)的研發(fā)還處于初始階段。與道路交通須解決擁堵問題不同，當(dāng)前船舶航行需要解決的主要問題仍然是避免碰撞和擱淺，目前已有的船舶航行誘導(dǎo)研究成果也致力于此。文獻[7]提出一種基于電子河圖信息系統(tǒng)，包括船舶駕引專家知識庫、航段信息查詢模塊的船舶航行誘導(dǎo)系統(tǒng)；文獻[8]提出了一種基于移動終端的控制河段船舶通行誘導(dǎo)服務(wù)的系統(tǒng)及方法。

上述兩種船舶誘導(dǎo)系統(tǒng)都是針對內(nèi)河船舶的航行，內(nèi)河船舶航行既要解決如何避免碰撞和擱淺問題，也要解決某些河段的擁堵和“路徑”選擇問題，對交通誘導(dǎo)系統(tǒng)的需求是比較強烈的。海上船舶航行是否需要誘導(dǎo)？根據(jù)交通運輸部海事局公布的近三年的典型交通事故調(diào)查報告，駕駛員對船舶會遇時是否存在碰撞危險的錯誤判斷以及形成緊迫局面后的錯誤操作是導(dǎo)致諸多碰撞事故的直接原因[9]。通航區(qū)域內(nèi)的船舶航行誘導(dǎo)系統(tǒng)具有碰撞風(fēng)險識別以及避碰決策支持功能，對于減少區(qū)域內(nèi)船舶碰撞事故、促進水上交通安全具有重要的現(xiàn)實意義。

2.船舶航行誘導(dǎo)的定義與屬性

由于道路交通與水上交通在交通流量、交通環(huán)境、管理方式等方面存在著差異，在設(shè)計船舶航行誘導(dǎo)系統(tǒng)前，必須明確船舶航行誘導(dǎo)的定義。

船舶航行誘導(dǎo)是充分利用船舶導(dǎo)航設(shè)備所提供的船舶航行信息，結(jié)合船舶航行誘導(dǎo)區(qū)域的氣象條件、水文條件、船舶交通流狀況等因素，在保證船舶安全航行以及遵守《1972年國際海上避碰規(guī)則》的前提下，為船舶提供參考的航行路線及航行方法，從而使船舶安全、有序、及時地通過船舶航行誘導(dǎo)區(qū)域。

為了達到上述目標，船舶航行誘導(dǎo)應(yīng)具備以下基本屬性：

（1）科學(xué)合理：船舶航行誘導(dǎo)作為能夠有效宏觀調(diào)控船舶交通流的技術(shù)，應(yīng)當(dāng)具備科學(xué)合理的誘導(dǎo)手段，以不增加船舶交通流壓力、保證船舶安全航行為前提。

（2）非強制性：船舶航行誘導(dǎo)作為宏觀調(diào)控船舶交通流的有效手段之一，應(yīng)服從船舶駕駛原則，船舶駕駛員在保證船舶安全的前提下，有權(quán)變更船舶航速和船舶相對位置。而船舶航行誘導(dǎo)應(yīng)接受不同船舶在交通流中做出的變化，不能夠采用強制性提示來干擾船舶駕駛員對船舶做出的操縱行為。

（3）即時性：船舶航行所存在的不確定性高于車輛，且船舶航行易受到環(huán)境變化的干擾，因此，船舶航行誘導(dǎo)需要根據(jù)當(dāng)時船舶交通流狀況及時變更誘導(dǎo)方案，從而保證為船舶提供的航行誘導(dǎo)方案是安全可行的。

五、船舶航行誘導(dǎo)系統(tǒng)框架

1.船舶航行誘導(dǎo)系統(tǒng)能力分析

為了在船舶航行（誘導(dǎo)）區(qū)域內(nèi)對船舶交通流實行有效誘導(dǎo)，船舶航行誘導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)具備以下能力：

（1）兼容各類通信導(dǎo)航設(shè)備傳輸接口的能力。海上通信導(dǎo)航設(shè)備發(fā)展已有近一個世紀，隨著通信技術(shù)在船載導(dǎo)航設(shè)備中的大量應(yīng)用，設(shè)備已由從前的單船導(dǎo)航設(shè)備發(fā)展到如今信息互聯(lián)的通信導(dǎo)航設(shè)備，多數(shù)設(shè)備經(jīng)過了一代又一代航海人的使用與改進，其性能得到了較好的檢驗。因此，船舶航行誘導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備兼容現(xiàn)有通信導(dǎo)航設(shè)備信息傳輸接口的能力，并預(yù)留新型設(shè)備接口的開發(fā)能力。

（2）具有船舶交通流數(shù)據(jù)分析與生成船舶航行誘導(dǎo)方案的能力。作為調(diào)控船舶交通流的重要手段，船舶航行誘導(dǎo)設(shè)備須具有船舶交通流數(shù)據(jù)分析的能力，在數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，為誘導(dǎo)區(qū)域內(nèi)的船舶交通流生成科學(xué)合理的誘導(dǎo)方案。

（3）具有實時更新誘導(dǎo)方案的能力。船舶航行誘導(dǎo)具有即時性，且船舶航行受氣象、水文環(huán)境變化的影響較大，船舶交通流形態(tài)變化具有不確定性，因此船舶航行誘導(dǎo)系統(tǒng)需要具備實時對船舶航行誘導(dǎo)方案進行修正與優(yōu)化的能力。

（4）具有為單船提供導(dǎo)航的能力。為了能夠有效地實現(xiàn)誘導(dǎo)區(qū)域的全局誘導(dǎo)，對單船的航行線路進行合理規(guī)劃與導(dǎo)航是直接有效的方式，利用對誘導(dǎo)區(qū)域宏觀情況的分析結(jié)果來指導(dǎo)單船航行的路線規(guī)劃，能夠切實有效地防止誘導(dǎo)區(qū)域內(nèi)船舶間形成緊迫局面，宏觀調(diào)控好船舶交通流的流量與密度，實現(xiàn)誘導(dǎo)區(qū)域內(nèi)船舶安全、有序、及時通過。

（5）具有識別船舶航行風(fēng)險的能力。船舶導(dǎo)航設(shè)備與車輛導(dǎo)航設(shè)備的最大不同，在于船舶導(dǎo)航設(shè)備在為船舶提供導(dǎo)航服務(wù)的同時需要兼顧船舶的航行安全，而船舶航行誘導(dǎo)系統(tǒng)是基于船舶導(dǎo)航設(shè)備開發(fā)的新型海上智能交通系統(tǒng)，其須具備識別船舶航行風(fēng)險的能力，能夠根據(jù)設(shè)備所能獲取的誘導(dǎo)區(qū)域內(nèi)船舶交通流情況，識別誘導(dǎo)區(qū)域內(nèi)可能存在的航行風(fēng)險。

（6）具有發(fā)送航行安全警告的能力。當(dāng)船舶航行誘導(dǎo)系統(tǒng)對誘導(dǎo)區(qū)域進行監(jiān)控時，發(fā)現(xiàn)某船存在航行風(fēng)險，系統(tǒng)為保證誘導(dǎo)區(qū)域內(nèi)船舶交通流中其他船舶的航行安全，有能力對存在航行風(fēng)險的船舶發(fā)送一定形式的航行安全警告，協(xié)助其發(fā)現(xiàn)航行風(fēng)險，保證誘導(dǎo)區(qū)域內(nèi)船舶的通航安全。

2.船舶航行誘導(dǎo)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

明確船舶航行誘導(dǎo)系統(tǒng)的主要功能后，結(jié)合道路交通誘導(dǎo)系統(tǒng)的構(gòu)建形式，確定船舶航行誘導(dǎo)系統(tǒng)的概念框架，如圖1所示。

系統(tǒng)的形式采用中心控制式，控制中心設(shè)置有實現(xiàn)船舶航行誘導(dǎo)系統(tǒng)主要功能的服務(wù)器，服務(wù)器內(nèi)設(shè)置有實現(xiàn)船舶航行誘導(dǎo)功能的各個模塊，采用通信的方式，將誘導(dǎo)信息發(fā)送給船舶航行誘導(dǎo)系統(tǒng)的外部設(shè)備，外部設(shè)備根據(jù)接收到的具體信號實施誘導(dǎo)方案，實現(xiàn)對船舶施行航行誘導(dǎo)。

圖1 船舶航行誘導(dǎo)系統(tǒng)框架

六、結(jié)語

車輛駕駛輔助設(shè)備已經(jīng)由具備導(dǎo)航功能發(fā)展到具有交通誘導(dǎo)功能，道路交通誘導(dǎo)系統(tǒng)也已經(jīng)得到了普遍應(yīng)用。與之相比，船舶航行設(shè)備尚處于“導(dǎo)航”階段，水上交通誘導(dǎo)系統(tǒng)的研發(fā)也處于初始階段。鑒于道路交通與水上交通在交通環(huán)境、交通流量、管理方式等存在著較大差異，二者所面臨的主要問題也各不相同，因而對誘導(dǎo)系統(tǒng)的功能需求也并不一致。借鑒道路交通誘導(dǎo)的管理理念，針對水上交通存在的主要問題，提出了現(xiàn)階段船舶航行誘導(dǎo)系統(tǒng)的概念、屬性和系統(tǒng)組成框架。隨著智能船舶、無人船和智慧海事的快速發(fā)展，船舶航行誘導(dǎo)系統(tǒng)在今后的一段時期內(nèi)將會得到廣泛開發(fā)與應(yīng)用。