從上海VTS升級(jí)改造談VTS未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

劉 偉 周?chē)?guó)祥

一、引言

1948年馬恩島首次將岸基雷達(dá)應(yīng)用于港口導(dǎo)航，此為船舶交通服務(wù)（VTS）的雛形[1]。此后，VTS持續(xù)發(fā)展并得到了廣泛應(yīng)用。VTS的應(yīng)用與發(fā)展極大地提高了船舶的航行效率，保障了航行安全，保護(hù)了海洋環(huán)境。國(guó)際社會(huì)對(duì)VTS的效能予以了高度認(rèn)可，國(guó)際海事組織（IMO）、國(guó)際航標(biāo)協(xié)會(huì)（IALA）等國(guó)際組織先后通過(guò)了一系列決議、建議案和指南等文件以進(jìn)一步促進(jìn)和規(guī)范VTS發(fā)展。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，VTS經(jīng)歷了從“雷達(dá)+VHF”到計(jì)算機(jī)集成再到智能化的變革，科技含量不斷提高，應(yīng)用領(lǐng)域不斷增加。而隨著船舶航行安全、環(huán)境保護(hù)和港口運(yùn)行效率要求的提高，VTS的應(yīng)用需求也持續(xù)變化，VTS的內(nèi)涵也將隨之改變，與之配套的公約、法規(guī)和指南等規(guī)范性文件也將持續(xù)演進(jìn)。

上海港作為世界集裝箱吞吐量第一大港，通航環(huán)境復(fù)雜，船舶流量大。上海VTS的運(yùn)行效率，直接關(guān)系著上海港的船舶交通安全和防污染水平以及港口運(yùn)行效率。由于現(xiàn)有VTS已不能適應(yīng)港口未來(lái)發(fā)展需要，上海海事局于2020年對(duì)VTS進(jìn)行了全面升級(jí)改造。從上海港對(duì)VTS的需求變化，可以窺見(jiàn)未來(lái)VTS的發(fā)展趨勢(shì)。

二、上海港通航環(huán)境

上海港擁有遼闊的經(jīng)濟(jì)腹地，港口資源豐富，通航環(huán)境復(fù)雜，受水流、潮汐、寒潮、大風(fēng)、霧、臺(tái)風(fēng)等氣象水文因素的影響明顯，是全球通航情況最復(fù)雜的港口。

（一）水系和航道分布

上海港水系呈三級(jí)分叉、四口入海的局勢(shì)，如圖1所示。航道阡陌縱橫，包括黃浦江航道、長(zhǎng)江上海段航道、杭州灣航道、洋山航道、北港航道和北支航道，既有自然河流航道，也有人工疏浚航道，其中，人工疏浚航道處于非常重要的地位。目前，VTS尚未覆蓋北港、北支航道以及崇明三島港區(qū)水域。

（二）港區(qū)分布

如圖2所示，港區(qū)主要包括黃浦江港區(qū)、寶山羅涇港區(qū)、外高橋港區(qū)、金山港區(qū)、洋山深水港區(qū)和崇明三島港區(qū)。

圖1 上海港水系分布圖

圖2 上海港港區(qū)分布圖

（三）通航設(shè)施

上海港現(xiàn)有對(duì)航行安全影響較大的通航設(shè)施數(shù)量較多，其中警戒區(qū)10個(gè)，錨地和停泊區(qū)35個(gè)，掉頭區(qū)6個(gè)。錨地資源緊張，目前均處于過(guò)飽和運(yùn)行狀態(tài)。受水流和上游來(lái)沙的影響，航道條件呈現(xiàn)不穩(wěn)定的態(tài)勢(shì)，水深變化頻繁。除北港和北支水域?qū)е皆O(shè)施相對(duì)欠缺外，其他水域?qū)е皆O(shè)施基本能夠滿(mǎn)足當(dāng)前的通航需求。

（四）交通特征

1.流量特征

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015—2020年上海港進(jìn)出港船舶總量總體呈上升趨勢(shì)。2018—2019年，上海港船舶流量突破140萬(wàn)艘次。受疫情影響，2020年上海港進(jìn)出口船舶總量有所減少，但仍然超過(guò)120萬(wàn)艘次。最高日均流量超過(guò)4 700艘次，位居世界前列。

2.通航密度

受潮汐影響，上海港通航密度呈現(xiàn)明顯的“隨潮而動(dòng)”的特點(diǎn)，如圖3和圖4所示。高通航密度的出現(xiàn)和持續(xù)，使得船舶因船間效應(yīng)和岸壁效應(yīng)影響而發(fā)生事故的可能性增加，給上海港的通航安全帶來(lái)了較大的安全隱患。

3.交通流分布特征

受航道分布的影響，上海港船舶交通流分布錯(cuò)綜復(fù)雜，航路交叉區(qū)超過(guò)25處。內(nèi)港船舶交通流相對(duì)聚集，船舶航跡帶寬度相對(duì)較窄；外港水域開(kāi)闊，交通流分布相對(duì)分散，船舶航跡帶寬度相對(duì)較寬。在通航分道或船舶定線(xiàn)制水域內(nèi)，交通流走向與習(xí)慣航路一致；通航分道和船舶定線(xiàn)制以外水域，交通流分布相對(duì)雜亂，如圖5和圖6所示。

（五）上海港未來(lái)對(duì)VTS的發(fā)展需求

2019年出臺(tái)的《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》明確提出，加速新業(yè)態(tài)新模式發(fā)展，深化交通運(yùn)輸與旅游融合發(fā)展[2]。結(jié)合上海市的發(fā)展規(guī)劃，未來(lái)將進(jìn)一步提升?？諛屑~輻射能力，優(yōu)化國(guó)際集裝箱樞紐功能，支持郵輪、游船、游艇經(jīng)濟(jì)發(fā)展，推進(jìn)郵輪母港和吳淞口國(guó)際郵輪碼頭的建設(shè)，完善郵輪碼頭配套設(shè)施，推進(jìn)制定郵輪碼頭服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)[3]。預(yù)計(jì)至2031年，上海將與倫敦齊肩，成為具有全球航運(yùn)資源配置能力的世界航運(yùn)中心。

圖3 長(zhǎng)江口深水航道船舶流量隨潮汐變化圖

圖4 南槽航道船舶流量隨潮汐變化圖

圖5 長(zhǎng)江口和長(zhǎng)江上海段船舶軌跡

圖6 洋山港及其附近水域船舶軌跡

上海港復(fù)雜的氣象水文條件、通航條件和通航現(xiàn)狀，已然給上海VTS的監(jiān)管和服務(wù)帶來(lái)了巨大的壓力。未來(lái)集裝箱樞紐港的建設(shè)、郵輪經(jīng)濟(jì)以及新業(yè)態(tài)模式的發(fā)展，要求上海VTS在船舶智能化監(jiān)控、船舶航行安全保障、事故應(yīng)急處置等方面具備更高的管理和服務(wù)能力。

三、上海原有VTS狀況分析

（一）原有VTS概況

改造前，上海VTS包括吳淞和洋山兩個(gè)VTS，二者獨(dú)立運(yùn)行。吳淞VTS負(fù)責(zé)長(zhǎng)江上海段和長(zhǎng)江口水域的船舶交通管理工作，洋山VTS負(fù)責(zé)洋山港區(qū)和金山航道及其附近水域的船舶交通管理 工作。雖然都具備信息收集、信息處理、信息評(píng)估、信息與助航服務(wù)、交通組織及聯(lián)合行動(dòng)等功 能[4，5]，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。

截至2019年，原有系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間均已超過(guò)十年。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，系統(tǒng)可用率有所降低，2018年系統(tǒng)可用率為84.06%，2019年系統(tǒng)可用率為98.4%，VTS系統(tǒng)年平均可用率已經(jīng)不能達(dá)到99.9%的設(shè)計(jì)要求。

（二）原有VTS存在的局限性

原有VTS系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)、處理模型、計(jì)算方法、功能以及設(shè)備性能等都是基于十多年前的技術(shù)條件和用戶(hù)需求設(shè)計(jì)的。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，原有技術(shù)條件和設(shè)備狀態(tài)已經(jīng)不能滿(mǎn)足當(dāng)下和未來(lái)的使用需求。綜觀(guān)上海港的現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展需求，原有系統(tǒng)在以下幾個(gè)方面存在一定的局限性：

（1）系統(tǒng)功能缺陷和上海港流量增加共同導(dǎo)致目標(biāo)識(shí)別與跟蹤不穩(wěn)定。原有系統(tǒng)經(jīng)過(guò)連續(xù)多年運(yùn)行，設(shè)備老化嚴(yán)重，關(guān)鍵設(shè)備故障頻發(fā)，系統(tǒng)穩(wěn)定性和可用率較低。吳淞VTS原有系統(tǒng)容量為3 500個(gè)目標(biāo)，洋山VTS原有系統(tǒng)容量為3 000個(gè)目標(biāo)，而近年來(lái)上海港船舶交通流量的持續(xù)增長(zhǎng)造成目標(biāo)數(shù)量溢出。二者共同導(dǎo)致目標(biāo)識(shí)別不準(zhǔn)確，目標(biāo)跟蹤不穩(wěn)定，不能滿(mǎn)足上海港目前和未來(lái)對(duì)船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)管的需求。

（2） 二者獨(dú)立運(yùn)行無(wú)法滿(mǎn)足上海港船舶交通一體化監(jiān)管的需求。吳淞VTS和洋山VTS原有系統(tǒng)分別采用不同的操作系統(tǒng)和集成設(shè)備，彼此間相互獨(dú)立，互不兼容，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無(wú)法開(kāi)源，資源共享困難，無(wú)法相互容災(zāi)，存在數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)，無(wú)法滿(mǎn)足上海港船舶交通一體化監(jiān)管和VTS智能化發(fā)展的應(yīng)用需求。

（3）原有MIS系統(tǒng)功能單一，智能化水平低，僅具備數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)功能，人工維護(hù)依賴(lài)性強(qiáng)，且無(wú)法以直觀(guān)的方式為值班工作提供數(shù)據(jù)決策支持。

（4）VTS數(shù)據(jù)庫(kù)無(wú)法與其他海事業(yè)務(wù)平臺(tái)互聯(lián)互通。原有系統(tǒng)采用獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫(kù)，一方面依賴(lài)人工維護(hù)，工作量較大；另一方面無(wú)法與其他海事業(yè)務(wù)平臺(tái)協(xié)同互聯(lián)，無(wú)法自動(dòng)匹配海事管理關(guān)聯(lián)信息，使得VTS的智能化發(fā)展受到限制。

（5）功能拓展能力差。上海港通航特征的持續(xù)變化，以及上海市對(duì)海空樞紐能力發(fā)展的規(guī)劃，使得VTS的應(yīng)用需求未來(lái)將持續(xù)變化。而原有系統(tǒng)不具備需求拓展功能，既無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)前的使用需求，也無(wú)法適應(yīng)未來(lái)管理和服務(wù)功能拓展的需求。

四、上海VTS升級(jí)改造

為優(yōu)化VTS系統(tǒng)性能，2020年上海海事局在原有VTS系統(tǒng)設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加雷達(dá)站和VHF基站配置，接入浙江省和江蘇省臨近雷達(dá)站信號(hào)，優(yōu)化感知和通信設(shè)備布局，引入新的VTS系統(tǒng)和MIS系統(tǒng)，改進(jìn)管理模式，加強(qiáng)與相關(guān)業(yè)務(wù)主體的協(xié)同互聯(lián)等方式，對(duì)上海VTS進(jìn)行了系統(tǒng)升級(jí)，其中最為顯著的變化包括以下六個(gè)方面：

（1）擴(kuò)展系統(tǒng)容量，提升目標(biāo)識(shí)別和跟蹤性能。新系統(tǒng)可同時(shí)處理2萬(wàn)個(gè)目標(biāo)，系統(tǒng)的處理能力和響應(yīng)速度大大提高；結(jié)合DF測(cè)向系統(tǒng)、CCTV視頻監(jiān)控等子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)識(shí)別的多維化和目標(biāo)跟蹤的多樣化，目標(biāo)跟蹤穩(wěn)定性大幅度提升。

（2）優(yōu)化MIS功能矩陣，實(shí)現(xiàn)VTS運(yùn)行和管理數(shù)據(jù)的智能化統(tǒng)計(jì)分析與顯示、辦公信息化和數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化。通過(guò)對(duì)轄區(qū)交通流、通航設(shè)施和通航環(huán)境的統(tǒng)計(jì)分析和直觀(guān)呈現(xiàn)，為值班管理提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)和決策支持。通過(guò)信息互聯(lián)互通和MIS數(shù)據(jù)庫(kù)功能的設(shè)計(jì)，新系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了值班操作、工作考勤和業(yè)務(wù)流程電子化，保證了良好的可追溯性，在保障了VTS工作效率的同時(shí)提升了值班人員的工作紀(jì)律性，提高了部門(mén)內(nèi)部考核和管理的客觀(guān)性。

（3）優(yōu)化VTS組織架構(gòu)，統(tǒng)一操作系統(tǒng)和集成設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享和相互容災(zāi)。與此同時(shí)，系統(tǒng)硬件設(shè)備都配置了一定的冗余，系統(tǒng)運(yùn)行的保障能力和可靠性得到有效提升。

（4）數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，提高智能化和協(xié)同化水平。新系統(tǒng)通過(guò)VTS、VHF、MIS等子系統(tǒng)之間的有機(jī)配合，實(shí)現(xiàn)了與各海事業(yè)務(wù)系統(tǒng)的互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)的高效流轉(zhuǎn)。接入船舶報(bào)港數(shù)據(jù)、引航計(jì)劃數(shù)據(jù)、深水航道申報(bào)等數(shù)據(jù)，為科學(xué)高效的交通組織工作提供重要的依據(jù)。協(xié)查船舶、違章船舶和重點(diǎn)跟蹤船舶信息的接入，使得VTS有條件從原來(lái)僅關(guān)注船舶通航安全動(dòng)態(tài)，向履行海事綜合行政管理方向進(jìn)行轉(zhuǎn)變，突出了信息中心和指揮中心的職能，實(shí)現(xiàn)從“一個(gè)中心（船舶交通管理中心）”向“三個(gè)中心”（船舶交通管理中心、數(shù)據(jù)和信息中心、指揮中心）的轉(zhuǎn)變。并可以根據(jù)用戶(hù)需求設(shè)置差異化權(quán)限等級(jí)，為內(nèi)部用戶(hù)和引航站、港務(wù)局、航運(yùn)公司、外輪代理等外部用戶(hù)提供數(shù)據(jù)服務(wù)，有效提升了業(yè)務(wù)主體與VTS之間的協(xié)同化水平，有利于促進(jìn)全要素“水上大交管”的推進(jìn)和實(shí)施。

（5）與鄰近水域的VTS實(shí)現(xiàn)交叉覆蓋、無(wú)縫連接。新系統(tǒng)接入鄰近水域雷達(dá)站信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了與江蘇和浙江水域的交叉覆蓋，有利于區(qū)域船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)管和交通組織的一體化管理，有助于強(qiáng)化違法船舶的持續(xù)跟蹤和妥善處置，有利于應(yīng)急處置的區(qū)域間協(xié)同和應(yīng)對(duì)。

（6）突出人性化設(shè)計(jì)，工作環(huán)境更加健康友好。充分考慮到VTS值班工作的特殊性和個(gè)性化需求，采用升降式的值班臺(tái)、多維度可調(diào)節(jié)的座椅、KVM技術(shù)下的一鍵多控、無(wú)線(xiàn)藍(lán)牙耳機(jī)等新設(shè)備和新技術(shù)，通過(guò)提升值班人員工作過(guò)程中的直觀(guān)感受，提高值班效率。

五、未來(lái)VTS的發(fā)展趨勢(shì)

VTS自誕生以來(lái)，一直在不斷發(fā)展和演變。根據(jù)VTS的系統(tǒng)特點(diǎn)和應(yīng)用目的，結(jié)合上海VTS升級(jí)改造情況，未來(lái)VTS的發(fā)展將呈現(xiàn)以下四個(gè)方面的特點(diǎn)：

（1）VTS定義和規(guī)則框架將持續(xù)演變。首先是VTS定義的演變。目前，IMO和IALA相關(guān)文件都將VTS目的和實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段作為VTS的定義[6，7]。隨著通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及人工智能技術(shù)的發(fā)展，VTS系統(tǒng)的科技含量和智能化水平將不斷提高，監(jiān)控角度將多維化。VTS功能和性能的提升，也將促進(jìn)VTS使用需求的擴(kuò)展。因此，VTS的定義中，其服務(wù)范圍、功能效用等方面的內(nèi)容將進(jìn)一步拓展，如將人員搜尋救助、水上安保等內(nèi)容納入其中。其次是法律框架方面的演變?！禨OLAS公約》第5章第12節(jié)第3款規(guī)定：僅在沿海國(guó)家的領(lǐng)海內(nèi)，VTS才具有強(qiáng)制性[8]。隨著雷達(dá)和通信技術(shù)的發(fā)展，VTS在監(jiān)管和服務(wù)方面的優(yōu)勢(shì)將在IMO認(rèn)可的重要水道、航道、海峽等水域（即使這些水域在領(lǐng)海外）或重要的內(nèi)河水域得以充分發(fā)揮。與此同時(shí)，世界各國(guó)關(guān)于VTS的法律法規(guī)等規(guī)則也將隨著VTS內(nèi)涵和應(yīng)用的改變而演變。

（2）VTS的管理和運(yùn)行更加高效。在構(gòu)建“陸?？仗臁币惑w化水上交通運(yùn)輸安全保障體系和打造全要素“水上大交管”新格局的背景下，VTS的管理將向區(qū)域協(xié)同化和立體化轉(zhuǎn)變。相鄰VTS的有效協(xié)同與合作不僅有助于信息互通、監(jiān)管互動(dòng)、資源共享海事監(jiān)管體系的建設(shè)，還有助于綜合航海保障能力和海上應(yīng)急救援能力的提升。此外，VTS運(yùn)行理念將持續(xù)轉(zhuǎn)變。目前，各國(guó)VTS的運(yùn)行理念主要以服務(wù)為主，VTM的概念已經(jīng)產(chǎn)生，在MIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和信息的支持下，未來(lái)VTS中心的服務(wù)將向“基于VTS-MIS的服務(wù)+管理”的模式轉(zhuǎn)變。

（3）應(yīng)用技術(shù)更加智能化，系統(tǒng)突出個(gè)性化。首先，VTS作為現(xiàn)代化的信息集成系統(tǒng)，伴隨技術(shù)進(jìn)步持續(xù)更新是必然的。隨著5G技術(shù)、區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)、人工智能等科技創(chuàng)新，以及無(wú)人船、e-航海等領(lǐng)域的進(jìn)步，VTS在智能化和互聯(lián)互通等方面的發(fā)展未來(lái)可期。其次，VTS系統(tǒng)的個(gè)性化定制。VTS作為智慧港口的重要支撐，未來(lái)將進(jìn)一步強(qiáng)化根據(jù)不同水域的通航特點(diǎn)個(gè)性化定制VTS系統(tǒng)、信息顯示和自動(dòng)預(yù)警等方面的功能。第三，MIS系統(tǒng)的定制開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。MIS系統(tǒng)作為VTS系統(tǒng)的重要組成部分，在大數(shù)據(jù)、智能船舶和無(wú)人船的發(fā)展背景下，系統(tǒng)設(shè)備所收集的數(shù)據(jù)類(lèi)型越來(lái)越多，數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，數(shù)據(jù)對(duì)VTS運(yùn)行和管理的推動(dòng)效應(yīng)未來(lái)將越來(lái)越顯著，結(jié)合運(yùn)行和管理需求個(gè)性化定制MIS系統(tǒng)實(shí)施數(shù)據(jù)整理、存儲(chǔ)、計(jì)算、統(tǒng)計(jì)和分析，未來(lái)也將進(jìn)一步強(qiáng)化。

（4）人員適任將面臨新的挑戰(zhàn)。伴隨著新技術(shù)、新設(shè)備和新功能的應(yīng)用，VTS值班人員不僅需要適應(yīng)操作原則方面的變化，還需要適應(yīng)規(guī)則適用方面的變化。尤其是無(wú)人船的發(fā)展，將會(huì)對(duì)VTS與傳統(tǒng)船舶之間的關(guān)系產(chǎn)生顛覆性的影響，而現(xiàn)行的操作原則和適用規(guī)則都是基于傳統(tǒng)船舶制定的，VTS從業(yè)人員為適應(yīng)新業(yè)態(tài)的發(fā)展將面臨新的挑戰(zhàn)。

六、結(jié)語(yǔ)

VTS系統(tǒng)是時(shí)代的產(chǎn)物，也推動(dòng)著時(shí)代的進(jìn)步。不同的時(shí)代將賦予其不同的內(nèi)涵，也對(duì)其提出了不同的時(shí)代要求。VTS系統(tǒng)作為船舶交通管理領(lǐng)域的重要組成部分，其核心職能是通航安全評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)管理，目的在于更有效地發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)源和應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)。如何更有效地實(shí)現(xiàn)VTS的運(yùn)行和管理效能，將是VTS發(fā)展與演變過(guò)程中永恒的話(huà)題。隨著信息技術(shù)的發(fā)展和VTS智能化水平的提升，VTS系統(tǒng)也將步入“大數(shù)據(jù)”時(shí)代，數(shù)據(jù)在未來(lái)綜合交通管理和規(guī)劃中將發(fā)揮更加重要的作用，VTS數(shù)據(jù)和信息中心的地位也將更加凸顯。