基于北斗安全定位的航道巡航管理服務(wù)系統(tǒng)

付勇 江西省贛江船閘通航中心

自從GPS系統(tǒng)投入應(yīng)用到民用導(dǎo)航后，世界進(jìn)入了衛(wèi)星導(dǎo)航定位時(shí)代。我國(guó)水運(yùn)行業(yè)及時(shí)引入該系統(tǒng)提供水運(yùn)導(dǎo)航服務(wù)，還基于該系統(tǒng)嘗試開(kāi)發(fā)了水上運(yùn)輸遠(yuǎn)程信息化巡航系統(tǒng)，迎來(lái)水上運(yùn)輸遠(yuǎn)程信息化巡航管理時(shí)代。然而一段時(shí)間以來(lái)，中東伊核紛爭(zhēng)導(dǎo)致地區(qū)GPS信號(hào)突然中斷，尤其在國(guó)內(nèi)企業(yè)華為芯片危機(jī)中，國(guó)人前所未有地感受到了因關(guān)鍵技術(shù)短板，隨時(shí)有可能面臨被技術(shù)“掐脖子”的危機(jī)。值得慶幸是，2020年6月23日，我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基礎(chǔ)網(wǎng)全部組建實(shí)現(xiàn)，預(yù)示著更自主、更安全、更有精確度、服務(wù)功效更優(yōu)化的我國(guó)水運(yùn)導(dǎo)航服務(wù)時(shí)代的到來(lái)。為此本文探析基于北斗系統(tǒng)打造自主安全完善的水上運(yùn)輸遠(yuǎn)程信息化巡航應(yīng)用系統(tǒng)。

1.水上運(yùn)輸遠(yuǎn)程信息化巡航概念述略

傳統(tǒng)船只駕駛多依靠航標(biāo)或者船長(zhǎng)日常經(jīng)驗(yàn)。在航標(biāo)漂移、夜間能見(jiàn)度不理想、航道航線因故一定程度變化等非正常情況下，僅靠水上經(jīng)驗(yàn)不能夠有效應(yīng)對(duì)，遠(yuǎn)程信息化巡航于此可以助一臂之力。水上人員借助遠(yuǎn)程信息化巡航系統(tǒng)，對(duì)航線、航標(biāo)以及水上無(wú)線電通信基礎(chǔ)進(jìn)行巡查，及時(shí)掌握和通報(bào)相關(guān)情況，對(duì)水上維護(hù)及救援起到了積極的促進(jìn)作用。遠(yuǎn)程信息化巡航系統(tǒng)也可以是水上行政執(zhí)法、運(yùn)政檢查、資費(fèi)稽查、搶險(xiǎn)救助的信息支撐平臺(tái)。遠(yuǎn)程信息化巡航可分為：遠(yuǎn)程感知、狀態(tài)判別、分析決策、發(fā)起執(zhí)行和反饋回訪等基本功能環(huán)節(jié)。前端基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)自于每個(gè)目標(biāo)裝配的感受器，獲得即時(shí)最新數(shù)據(jù)信息；由總臺(tái)系統(tǒng)自動(dòng)分析判別所接收信息，對(duì)航行船只、船員等狀況開(kāi)展檢查；根據(jù)法規(guī)、預(yù)案給出處理意見(jiàn)，提供安全服務(wù)；執(zhí)行一般包括提示整改、現(xiàn)場(chǎng)處罰以及重點(diǎn)追蹤；反饋是搜集檢查執(zhí)行功效并及時(shí)向相關(guān)部門(mén)反饋。

遠(yuǎn)程信息化巡航系統(tǒng)平臺(tái)要滿(mǎn)足如下功能需求：船只定線制秩序、船只靠碼頭秩序、客渡運(yùn)秩序、船只過(guò)橋區(qū)秩序、船只警戒秩序、船只超載、錨地狀態(tài)、風(fēng)險(xiǎn)貨物控管、大霧大風(fēng)及枯洪水位等。借助模擬巡航技術(shù)，完成船只信息數(shù)據(jù)上傳至專(zhuān)網(wǎng)，及時(shí)獲得船只的基本信息，形成船只巡航報(bào)告并給出處理意見(jiàn)。借助分隔線技術(shù)完成線制監(jiān)控，有效監(jiān)督規(guī)范應(yīng)用航路。借助邊界線監(jiān)管技術(shù)，加強(qiáng)淺灘區(qū)域、警戒區(qū)域、錨泊區(qū)域、施工區(qū)域、渡口區(qū)域、過(guò)橋區(qū)域以及特別監(jiān)管區(qū)域監(jiān)查管控。集成推送氣象和水文信息，提供惡劣氣象預(yù)警。借助領(lǐng)域值技術(shù)完成在航船只安全預(yù)警避免船只碰撞、超越及并行。

2.基于GPS的水上運(yùn)輸遠(yuǎn)程信息化巡航系統(tǒng)的短板

應(yīng)用了GPS技術(shù)的水上運(yùn)輸遠(yuǎn)程信息化巡航，內(nèi)水海事部門(mén)常借助某些技術(shù)手段，例如AIS、GPS、船只CCTV閉路電視以及VTS交通服務(wù)系統(tǒng)等以監(jiān)控船只動(dòng)態(tài)部位。AIS系統(tǒng)是依靠GPS開(kāi)展船只定位。GPS船只監(jiān)控系統(tǒng)通常由各地方港務(wù)專(zhuān)業(yè)部門(mén)、水運(yùn)企業(yè)等有關(guān)單位采購(gòu)相對(duì)成熟的產(chǎn)品，通常依靠2GBG網(wǎng)格回傳所在的方位數(shù)據(jù)，最終匯總至海事部門(mén)的船只監(jiān)控系統(tǒng)。借助GPS系統(tǒng)，CCTV與VTS實(shí)施同步監(jiān)控。航線與衛(wèi)星導(dǎo)航有關(guān)的業(yè)務(wù)包括航線疏浚、航標(biāo)維護(hù)、電子航線圖、航線測(cè)繪等。其中航線測(cè)繪通常選用SBAS星基提高系統(tǒng)技術(shù)與RTK相位差分技術(shù)，定位精確度最高可到cm級(jí)；航線疏浚、航校準(zhǔn)位通常選用CPS差分偽距定位技術(shù)，通常定位精確度是m級(jí)。但是它們存在以下問(wèn)題：

（1）終端定位精確度不高：船只和港口碼頭GPS定位精確度通常10～15m，如果定位精確度不高會(huì)造成報(bào)警失誤頻發(fā)。在船上配置的AIS船載終端，因?yàn)槎ㄎ痪_度不高，亦頻繁的發(fā)生誤報(bào)船只碰撞預(yù)警信息，因此終端船只避碰功能通常均處在關(guān)閉狀況。當(dāng)內(nèi)水海事部門(mén)選用AIS系統(tǒng)開(kāi)展監(jiān)管船只時(shí)，由于避碰預(yù)警功能通常亦處在關(guān)閉狀況，故不能有效發(fā)揮其正常作用。

（2）安全自主性受限。為保障其本身的安全及利益，美國(guó)政府對(duì)特殊狀態(tài)下GPS系統(tǒng)，采取了有關(guān)限制使用的政策，諸如變更CA碼、減少定位精確度、范圍性關(guān)閉等。假如我們過(guò)度依靠GPS服務(wù)，如果遭到惡意控制或者關(guān)閉，那么船只導(dǎo)航服務(wù)將會(huì)存在癱瘓隱患。內(nèi)水船載終端大多選用的是電子示意圖，相對(duì)于涉密數(shù)據(jù)的管理存在一定問(wèn)題，維護(hù)更新困難較大。

（3）在港口碼頭應(yīng)用中，船只引航、集裝箱定位、靠離泊均需要高精確度導(dǎo)航定位為支撐，但是由于港口技術(shù)條件、碼頭環(huán)境等問(wèn)題的影響，導(dǎo)致該技術(shù)的全面性相對(duì)不是很成熟，很難大規(guī)模進(jìn)行推廣。差分信號(hào)源為，已經(jīng)建設(shè)運(yùn)行的GPS差分參考站亦或國(guó)外相關(guān)SBAS業(yè)務(wù)公司，由于須使用差分提高服務(wù)，故須每年支付服務(wù)費(fèi)用。

3.基于北斗的水上運(yùn)輸遠(yuǎn)程信息化巡航系統(tǒng)構(gòu)建設(shè)想

水上運(yùn)輸遠(yuǎn)程信息化巡航是國(guó)土安全、公共安全、國(guó)防安全及經(jīng)濟(jì)安全的戰(zhàn)略威懾基礎(chǔ)資源及重大技術(shù)支撐。在關(guān)于國(guó)家安全的重要領(lǐng)域完成北斗對(duì)GPS的全面代替，在全行業(yè)完成北斗的普及應(yīng)用，是形勢(shì)發(fā)展的趨向。遠(yuǎn)程信息化巡航系統(tǒng)平臺(tái)的重點(diǎn)是：

（1）應(yīng)用北斗系統(tǒng)創(chuàng)建水上運(yùn)輸遠(yuǎn)程信息化巡航系統(tǒng)?；谖覈?guó)北斗技術(shù)，綜合運(yùn)用地理信息GIS系統(tǒng)，船只自動(dòng)識(shí)別AIS系統(tǒng)、船只交通管理V TS系統(tǒng)、閉路電視監(jiān)控CCTV系統(tǒng)、氣象信息WIS系統(tǒng)、共享水位信息WLS系統(tǒng)等，配套海事數(shù)據(jù)網(wǎng)上中心，充分發(fā)揮每個(gè)系統(tǒng)的功能，構(gòu)建統(tǒng)一的巡航監(jiān)控預(yù)警平臺(tái)。

（2）整合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。由于海事業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)來(lái)源不統(tǒng)一，故數(shù)據(jù)繁多復(fù)雜，為使遠(yuǎn)程信息化巡航系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可以更加準(zhǔn)確，系統(tǒng)借助挖掘技術(shù)與數(shù)據(jù)分析，對(duì)海事業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)開(kāi)展有效的整合以及抽取也是重要的一環(huán)。船只所處坐標(biāo)數(shù)據(jù)是遠(yuǎn)程信息化巡航系統(tǒng)中，即時(shí)監(jiān)控、分險(xiǎn)預(yù)警以及提供水上救援的重要依據(jù)數(shù)據(jù)，我們依據(jù)北斗技術(shù)，并非是把GPS系統(tǒng)技術(shù)徹底給予排斥，而是需考慮綜合應(yīng)用。依照IMO國(guó)際海事部門(mén)需求，船載接收機(jī)應(yīng)設(shè)置最低2套單獨(dú)的導(dǎo)航系統(tǒng)。船只所處坐標(biāo)定位數(shù)據(jù)是非常重要的，應(yīng)當(dāng)北斗數(shù)據(jù)、GPS數(shù)借以及其它系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合兼容得到，保證船只數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性及唯一性，船只所處坐標(biāo)數(shù)據(jù)的有機(jī)融合是遠(yuǎn)程信息化巡航系統(tǒng)重要技術(shù)組成部分。

（3）增強(qiáng)局部海事電子航行參考圖研究開(kāi)發(fā)。遠(yuǎn)程信息化巡航系統(tǒng)要完成真正意義上的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程巡查及安全預(yù)警功能，一定要實(shí)現(xiàn)緊密結(jié)合海事監(jiān)管業(yè)務(wù)密切結(jié)合的電子航海參考圖，經(jīng)過(guò)二次開(kāi)發(fā)已經(jīng)有電子江圖，進(jìn)而海事監(jiān)管數(shù)據(jù)更加完善，為遠(yuǎn)程信息化巡航系統(tǒng)提供有效空間數(shù)據(jù)支承。如有關(guān)危險(xiǎn)品碼頭地理部位及標(biāo)識(shí)，船只定線制規(guī)定等。

（4）在船岸通信應(yīng)用中發(fā)揮北斗短信作用。其它導(dǎo)航系統(tǒng)多處于發(fā)展導(dǎo)航通信功能，北斗水運(yùn)短信通信能夠成為船只預(yù)警信息發(fā)布的一種手段，尤其在蓋覆不理想的移動(dòng)通信信號(hào)情況下，發(fā)揮著更為重要的作用。北斗水運(yùn)短信通信不會(huì)到受通信距離影響，其短消息返回功能還允許輔助信息發(fā)布者，對(duì)預(yù)警信息發(fā)布的功效進(jìn)行評(píng)估，比FM、VHF等單向通信手段具有更多優(yōu)勢(shì)。

（5）建立安全預(yù)警服務(wù)。經(jīng)過(guò)建立安全監(jiān)控服務(wù)機(jī)構(gòu)，對(duì)違章航行船只開(kāi)展即時(shí)檢測(cè)，當(dāng)航行船只存在安全風(fēng)險(xiǎn)或者違反航行規(guī)定時(shí)，經(jīng)過(guò)該服務(wù)能適時(shí)提醒航行船只或者值班人員。海事水上運(yùn)輸管理機(jī)構(gòu)利用遠(yuǎn)程信息化巡航實(shí)施巡航檢查，即時(shí)監(jiān)控船只作業(yè)、停泊和航行秩序，完成對(duì)船只的信息服務(wù)、違法處置、安全預(yù)警、航跡跟蹤等功能。

4.結(jié)語(yǔ)

我國(guó)北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)的成功組網(wǎng)和行業(yè)信號(hào)落地應(yīng)用，為打造自主安全的水上運(yùn)輸遠(yuǎn)程信息化巡航管服系統(tǒng)，提供了堅(jiān)實(shí)的導(dǎo)航技術(shù)基礎(chǔ)與信息服務(wù)能力。在水運(yùn)領(lǐng)域北斗將逐漸代替GPS成為航運(yùn)安全管理和服務(wù)標(biāo)配，技術(shù)具備，也是緊迫技術(shù)需要。伴隨北斗系統(tǒng)不斷提高技術(shù)能力和專(zhuān)項(xiàng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的推進(jìn)，水運(yùn)領(lǐng)域遠(yuǎn)程信息化巡航管理及服務(wù)必將迎來(lái)高精確度應(yīng)用時(shí)代，將為水上運(yùn)輸、船只、港口碼頭等遠(yuǎn)程信息化巡航帶來(lái)全新的應(yīng)用與體驗(yàn)。伴隨北斗全球系統(tǒng)及其提高系統(tǒng)的功能完善，在水運(yùn)管理領(lǐng)域，北斗代替CPS是勢(shì)在必行。