現(xiàn)代航海技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用研究

鄺建華

(中國人民武裝警察部隊(duì)海警總隊(duì)海南支隊(duì) 海南?？?570208)

海洋作為國際上貿(mào)易的重要通路，伴隨現(xiàn)代航海技術(shù)發(fā)展，國際之間的交流與合作更為密切，我國在改革開放后，大力與周邊國家合作，伴隨合作開展到歐美等國家，海洋運(yùn)輸?shù)墓δ懿粩嘣鰪?qiáng)。隨著國家貿(mào)易規(guī)模拓展，世界范圍內(nèi)的各個國家均開始關(guān)注海洋運(yùn)輸[1]。新時期，航海技術(shù)發(fā)展到全新階段，發(fā)展前景更為廣闊，高新技術(shù)在航海過程中不斷應(yīng)用，各類技術(shù)應(yīng)用的目的是提升船舶動力，保證船舶運(yùn)行安全，降低危險事件發(fā)生率。比如：在船舶上使用自動避碰技術(shù)，有利于提升船舶運(yùn)行安全性。其中融合電子海圖及AIS技術(shù)、報警技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)船舶自動化避碰的整體目標(biāo)，為我國海洋貿(mào)易的開展奠定堅實(shí)的基礎(chǔ)。

1 現(xiàn)代航海技術(shù)發(fā)展情況

自世界歷史角度上看，航海技術(shù)歷經(jīng)豐富且漫長的發(fā)展階段。我國具有豐富的海洋資源及漫長的海岸線，造船技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平。早明朝初期，我國已經(jīng)制造出巨型海洋郵輪，船隊(duì)最遠(yuǎn)達(dá)到非洲地區(qū)。在歐洲工業(yè)革命后，航海技術(shù)及造船技術(shù)進(jìn)入全新發(fā)展階段，奠定現(xiàn)代航海技術(shù)的雛形[2]。進(jìn)入21世紀(jì)后，第三次工業(yè)革命開始，其成果在航海領(lǐng)域應(yīng)用，航海技術(shù)發(fā)展水平進(jìn)一步提升。現(xiàn)代化航海技術(shù)朝自動化及智能化方向發(fā)展。

1.1 造船技術(shù)發(fā)展

造船技術(shù)作為航海的基礎(chǔ)，我國的造船技術(shù)已經(jīng)呈現(xiàn)出多樣化的發(fā)展趨勢，在不同船舶制造領(lǐng)域應(yīng)用。海洋貨運(yùn)船舶建造作為重點(diǎn)，在高新技術(shù)的導(dǎo)向下，船舶船體及內(nèi)在均已發(fā)生改變，比如：為保障海洋運(yùn)輸?shù)目傮w效益，需不斷提升船舶的容量，在擴(kuò)大船身尺寸的同時，也要對船體進(jìn)行處理，提升船體的空間可利用性。信息技術(shù)在船舶制造領(lǐng)域應(yīng)用，保障船舶定位的準(zhǔn)確性，可避免外界環(huán)境產(chǎn)生的干擾，并保證船舶運(yùn)行航線正常。船舶中有較多的垃圾、污染物，在排放過程中需要對垃圾進(jìn)行過濾，以免對海洋環(huán)境產(chǎn)生巨大的污染。在全球環(huán)境問題爆發(fā)的同時，海洋資源保護(hù)成為重要的課題，在未來的船舶建造技術(shù)發(fā)展中也要引起足夠的重視。

1.2 自動化航行技術(shù)發(fā)展

該技術(shù)是人工智能發(fā)展下的產(chǎn)物，指的是通信系統(tǒng)及操作系統(tǒng)、定位系統(tǒng)的自動化技術(shù)，航行自動化程度高，航海則更為順利。航行自動化包括兩種，分別為航行計劃系統(tǒng)、顯示信息系統(tǒng)。其中，航行計劃系統(tǒng)是人們根據(jù)經(jīng)驗(yàn)制定航海線圖的方式，并將制作的線路發(fā)送到自動化系統(tǒng)中，便于自動化系統(tǒng)識別[3]。在遇到突發(fā)情況時，航行計劃系統(tǒng)要評估制定航線形式，若制定的航線風(fēng)險性大，則適當(dāng)更改航行線路?，F(xiàn)代化的計劃系統(tǒng)，通過氣象導(dǎo)航系統(tǒng)可編制相關(guān)的航行計劃，并根據(jù)天氣情況設(shè)計航線，船長針對實(shí)際情況，選擇是否更換航線，盡可能規(guī)避危險氣象對航行安全的影響。信息顯示系統(tǒng)是船舶航行中顯示周圍情況的系統(tǒng)，包括周圍海域及海岸等，船舶一旦遇到故障，智能監(jiān)控系統(tǒng)可配置相關(guān)的應(yīng)急方案，操作人員根據(jù)數(shù)據(jù)對船舶航行狀態(tài)進(jìn)行分析，及時應(yīng)對突發(fā)性問題。

1.3 AIS技術(shù)發(fā)展

現(xiàn)階段，AIS技術(shù)已經(jīng)在航行中應(yīng)用，通過傳感器及定位儀等技術(shù)，立體化傳播航行信息。通信機(jī)在條件允許的范圍內(nèi)，與其他船只進(jìn)行應(yīng)答交流，以此完成信息共享；也能模擬信號傳輸，搭建交管體系[4]。船舶在航行過程中，可能受到外界環(huán)境因素影響，尤其是在海洋運(yùn)輸途徑中，遇到突發(fā)風(fēng)險，發(fā)起救援比較緩慢。為保證船舶的航行速度，避免危險進(jìn)一步擴(kuò)大，需指定自主報告系統(tǒng)，并劃分船舶航行的警戒區(qū)及環(huán)形道，將此作為主要參考依據(jù)，以此制定最佳的航行線路。AIS作為航海技術(shù)中的重點(diǎn)技術(shù)，與其他技術(shù)相互交融，有利于促進(jìn)航海技術(shù)發(fā)展。

1.3.1 AIS與雷達(dá)技術(shù)

船舶在航行過程中，若想了解其他船舶的運(yùn)行信息，需要使用雷達(dá)進(jìn)行監(jiān)測，駕駛員接收其他船舶的數(shù)據(jù)后，分析自身所在航線與其他船舶是否發(fā)生沖突，發(fā)生沖撞的可能性是多少，經(jīng)過分析后，重新規(guī)劃線路。但單一雷達(dá)技術(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及反饋信息速度慢，還需了解對方船舶的其他信息，包括船舶運(yùn)行速度、時間及船名等。設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸速度慢，容易導(dǎo)致船舶航行面對安全隱患，對航行人員及船舶均會產(chǎn)生巨大影響。AIS技術(shù)在應(yīng)用后，數(shù)據(jù)傳輸速度不斷提升，且傳遞的信息更為全面。比如：AIS技術(shù)下，船舶信息系統(tǒng)船舶的內(nèi)容包括船舶的名字及通信業(yè)務(wù)碼，為彌補(bǔ)雷達(dá)缺陷，將AIS 與雷達(dá)聯(lián)合使用，技術(shù)融合后，數(shù)據(jù)傳輸更為適用、精準(zhǔn)。在大霧及降雨天氣下，AIS技術(shù)對船舶的影響較大，可監(jiān)測船舶運(yùn)行情況，確保船舶航行的安全性。但AIS 技術(shù)設(shè)備在使用中，需要相互通信的船舶均安裝對應(yīng)的設(shè)備，才能彼此間識別及共享信息。目前，AIS技術(shù)在船舶技術(shù)領(lǐng)域普遍應(yīng)用，彼此通信識別得以保障，但海上船舶數(shù)量眾多，將AIS 與雷達(dá)技術(shù)聯(lián)合使用，有利于提升信息傳導(dǎo)速度，為航行安全奠定基礎(chǔ)。

1.3.2 AIS與信息系統(tǒng)

信息系統(tǒng)及電子海圖稱之為ECDIS，指的是滿足標(biāo)準(zhǔn)的電子海圖，其中的核心是計算機(jī)，通過計算機(jī)連接、定位、探測，顯示船舶航行信息。電子海圖顯示系統(tǒng)進(jìn)一步更新，該技術(shù)在船舶上的數(shù)量隨之增多。過往的船舶在航行過程中，信息系統(tǒng)與GPS 聯(lián)合應(yīng)用獲得信息，但無法快速獲得周圍船舶信息，對此，信息系統(tǒng)的功能未能充分發(fā)揮。AIS 系統(tǒng)在應(yīng)用后，聯(lián)合電子海圖系統(tǒng)，有利于對周圍進(jìn)行探查，以數(shù)字的方式呈現(xiàn)電子海圖。這種信息系統(tǒng)可獲得數(shù)據(jù)信息，并計算DCPA及TCPA等數(shù)據(jù)，保證船舶駕駛?cè)藛T判斷與周圍船舶的安全距離。相比LDC 系統(tǒng)，信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)更為精準(zhǔn)及形象，描繪的內(nèi)容更為全面。對此，將信息系統(tǒng)與AIS 系統(tǒng)應(yīng)用在船舶上，為船舶運(yùn)行安全提供保障。

1.3.3 AIS與衛(wèi)星技術(shù)

衛(wèi)星定位技術(shù)功能在于導(dǎo)航、定位、授時等，在飛機(jī)行駛及車輛行駛應(yīng)用廣泛，具有全天候、高精度及易操作的特點(diǎn)，AIS系統(tǒng)作為該系統(tǒng)的關(guān)鍵，工作基礎(chǔ)時間是世界標(biāo)準(zhǔn)時間，也稱之為UTC，該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是SOTDMA 技術(shù)，該技術(shù)將信息通道時間分為單獨(dú)的間隙，AIS系統(tǒng)與時間間隙同步運(yùn)行，有利于標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性[5]。對此，通過衛(wèi)星定位技術(shù)可提供準(zhǔn)確的UTC，滿足AIS系統(tǒng)與時間間隙同步運(yùn)行的目的。

2 現(xiàn)代航海技術(shù)的應(yīng)用

2.1 自動駕駛技術(shù)應(yīng)用

在航海過程中，需要制訂嚴(yán)密的航行計劃，尤其是關(guān)注天氣變化，針對天氣因素合理編制航海計劃，選擇適合的航海路線，有利于提升航海安全性?；诓僮骼碚摷皻庀箢A(yù)報、導(dǎo)航設(shè)備可完成線路規(guī)劃。操作過程中需要基于航線計劃及操作系統(tǒng)進(jìn)行綜合設(shè)計，關(guān)注航線轉(zhuǎn)向點(diǎn)及曲率半徑處理，使雷達(dá)海圖及航行計劃在控制系統(tǒng)中傳輸。針對航行軌跡控制系統(tǒng)也要合理使用，該系統(tǒng)的目的是按照船舶既定計劃航行，對航行計劃提前設(shè)定，達(dá)到自動化控制的目的[6]。通過該系統(tǒng)，也能在ARPA上收集船舶信息，通過高分辨率的光柵對雷達(dá)進(jìn)行掃描，合理使用航行軌跡系統(tǒng)，有利于避免船舶在運(yùn)行過程中發(fā)生碰撞。也要加強(qiáng)氣象海圖的應(yīng)用，該系統(tǒng)是APPA雷達(dá)及電子海圖系統(tǒng)的疊加，是自動駕駛時的重要設(shè)備，船舶在運(yùn)行過程中，需要正確使用氣象海圖系統(tǒng)，從而保證自動駕駛過程中的安全性。

2.2 避碰自動化技術(shù)應(yīng)用

對過往的船舶安裝情況進(jìn)行分析，多數(shù)船舶發(fā)生事故的原因與人為因素相關(guān)，船長長期在水上生活，條件比較艱苦，航行過程中發(fā)生碰撞的概率高，船員流動性大，部分船員的航行經(jīng)驗(yàn)不足，專業(yè)能力不強(qiáng)，在一定程度上對航行安全性產(chǎn)生影響。為避免發(fā)生重大的安全事故，需普及船員安全方面的知識，提升船員的安全意識[7]，進(jìn)而提升船員在航海過程中的責(zé)任感及綜合素質(zhì)。船舶維修人員應(yīng)當(dāng)定期對船舶進(jìn)行維護(hù)，觀察自動化系統(tǒng)的運(yùn)行情況，保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。與新航海技術(shù)融合，可提升船舶自動化水平，一旦發(fā)生碰撞可激發(fā)防御功能，最大程度地降低人為因素導(dǎo)致的安全事故，避免船舶上的人員受到傷害。在船舶自動避碰系統(tǒng)中有很多的結(jié)構(gòu)，包括航行方向控制及整體控制、自動化控制等。避碰控制作為自動化控制的重要內(nèi)容，一旦發(fā)生碰撞風(fēng)險可及時調(diào)轉(zhuǎn)方向，使船舶的位置偏離，避免發(fā)生碰撞。船舶在運(yùn)行過程中，通過各類技術(shù)可獲得行駛信息，根據(jù)碰撞后的風(fēng)險程度，制訂科學(xué)的應(yīng)急處理方案。航行控制根據(jù)航行環(huán)境制定，為船舶制定一條高質(zhì)量的路線，對原本的航線進(jìn)行優(yōu)化，確保航行過程中的安全性。在航行過程中，自動控制系統(tǒng)對航行速度及航向方向、船舶位置綜合分析，保證船舶處于穩(wěn)定的航行狀態(tài)，根據(jù)計劃路線順利行駛。結(jié)合安全管理規(guī)定，自動控制系統(tǒng)適當(dāng)調(diào)整方案，避開危險目標(biāo)，并保證運(yùn)行期間的穩(wěn)定性，而并非突然轉(zhuǎn)向。

在自動避碰系統(tǒng)中，通過局域網(wǎng)采集信號，管理計算機(jī)一般是先進(jìn)的工業(yè)計算機(jī)，界面接受信息及處理信息的能力強(qiáng)、反應(yīng)速度快，接收到傳播碰撞信息后可快速做出反應(yīng)，盡可能降低碰撞事故的發(fā)生率。在參數(shù)顯示界面上，每個測量值及測量名稱出現(xiàn)在大屏幕上，一旦超出界限會發(fā)出警報，紅燈自然閃爍，大屏幕也會出現(xiàn)新的數(shù)值[8]。大屏幕傳感器發(fā)生問題時，需要及時檢測傳感器故障，相關(guān)技術(shù)人員及時整改。開啟監(jiān)控系統(tǒng)后，船舶監(jiān)控界面均在屏幕上呈現(xiàn)。對巡回參數(shù)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行觀察，打開測量參數(shù)要點(diǎn)畫面，在標(biāo)題上輸入功能按鍵，會彈出相關(guān)的對話框。一旦測量值超出范疇，會開啟聲光報警。按下靜音按鈕才能回到正常界面，解除聲光報警。在數(shù)據(jù)上，需要定期記錄船舶與障礙物的距離，并儲存到數(shù)據(jù)系統(tǒng)，便于在航行后調(diào)取與分析。

2.3 AIS系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的聯(lián)合應(yīng)用

2.3.1 AIS與GMDSS技術(shù)組合應(yīng)用

GMDSS 系統(tǒng)作為海上信息系統(tǒng)，在應(yīng)用過程中，系統(tǒng)運(yùn)行期間直接連接地面信號，數(shù)據(jù)短時間傳遞給駕駛者，其中包括天氣信息及其他船舶的運(yùn)行信息。在航行期間發(fā)生緊急事故，也可GMDSS系統(tǒng)提示。通過該系統(tǒng)，也能使駕駛員掌握數(shù)據(jù)差值，船舶發(fā)生危險進(jìn)行搜救過程中，也要使用AIS系統(tǒng)提供輔助[9]。在應(yīng)用AIS 系統(tǒng)中對遇難船舶信息進(jìn)行傳遞，及時查詢失蹤人員情況。通過高新技術(shù)搜救的成功率更高，若船舶沒有AIS技術(shù)，搜救人員則攜帶電子海圖中的AIS應(yīng)答器，進(jìn)入現(xiàn)場模擬搜救，提升搜救成功率，并將信息傳遞給附近船舶，完成多船搜救，進(jìn)一步提升搜救率。

2.3.2 AIS與ARPA技術(shù)組合應(yīng)用

ARPA 系統(tǒng)受到天氣及地理環(huán)境影響，往往無法辨識船只。顯示器可能出現(xiàn)假回波的情況，一旦工作人員觀察中無法對波形進(jìn)行辨識，容易導(dǎo)致船舶發(fā)生風(fēng)險。若物標(biāo)反射無線電波的功能不強(qiáng)，ARPA 在運(yùn)行過程中發(fā)生漏電的概率高，在天黑后或者霧氣較大的情況下，難以避免船舶之間發(fā)生碰撞，發(fā)生安全隱患的概率高。在回波較大的情況下，系統(tǒng)穩(wěn)定性受到影響，無法及時完成定位，容易發(fā)生追蹤失敗。船舶進(jìn)入復(fù)雜海域后，跟蹤船舶目標(biāo)可能發(fā)生偏離，船舶的信號獲取及各類數(shù)據(jù)的信息技術(shù)存在缺陷，無法及時將具體信息反饋給觀測員。該問題無法解決，會導(dǎo)致監(jiān)控的信息準(zhǔn)確率不足，技術(shù)缺陷導(dǎo)致電波在傳輸時遇到障礙物，無法及時繞過，最大作用距離縮短[10]。對此，船舶上單一應(yīng)用APRA 技術(shù)存在缺陷，發(fā)生碰撞風(fēng)險的概率高。ARPA 技術(shù)與AIS 技術(shù)融合，可及時將APRA 的缺陷彌補(bǔ)，在實(shí)際應(yīng)用中，AIS 技術(shù)可自動識別船舶同口岸的通信信息，有效解決船舶碰撞的相關(guān)問題，自動獲得海上船舶信息。AIS 技術(shù)對外界具有較強(qiáng)的抵抗功能，不會產(chǎn)生復(fù)雜的波形，可提升ARPA 的辨識功能，對船舶監(jiān)控能力提升有一定幫助，兩種技術(shù)融合應(yīng)用可降低船舶的運(yùn)行風(fēng)險。AIS技術(shù)電磁波繞射能力優(yōu)勢大。從數(shù)據(jù)上看，可監(jiān)測遠(yuǎn)距離位置，且不會受到障礙物遮擋印象，處理監(jiān)測盲點(diǎn)，從而彌補(bǔ)ARPA 數(shù)據(jù)不全的問題。兩種技術(shù)在同一船舶上應(yīng)用，降低船舶碰撞風(fēng)險，也能避免追蹤過程中船舶目標(biāo)發(fā)生偏離。

2.3.3 AIS與ARPA、ECDIS組合應(yīng)用

這3種技術(shù)組合的目的是搭建導(dǎo)航系統(tǒng)。船舶在建設(shè)的過程中，AIS 技術(shù)可將信號發(fā)送給ECDIS 以及ARPA，技術(shù)功能發(fā)揮到最大，接口電路連接網(wǎng)絡(luò)后，系統(tǒng)功能隨之提升。比如：在目標(biāo)疊加過程中，ARPA通過數(shù)據(jù)連接口獲得信息，數(shù)據(jù)進(jìn)入ECDIS中，對船舶信息進(jìn)行追蹤，保證船舶運(yùn)行穩(wěn)定及安全性。在圖像疊加上ARPA 連接數(shù)據(jù)線路后，將信息傳遞給ECDIS 系統(tǒng)，完成精準(zhǔn)定位。ECDIS 系統(tǒng)通過附加設(shè)備可快速獲得船只行駛速度及方位，并進(jìn)行過濾處理，顯示海圖上的船舶位置及周圍船舶情況。通過該ECDIS系統(tǒng)獲得數(shù)據(jù)更為精準(zhǔn)，掌握海上領(lǐng)域的實(shí)際情況，實(shí)時監(jiān)控船舶運(yùn)行信息。如果監(jiān)控過程中發(fā)生特殊問題，與計劃航行路線相比，可避免航行偏離軌道，ECDIS系統(tǒng)可安裝報警設(shè)備，根據(jù)相關(guān)規(guī)定接收到GPS信號，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。在船舶運(yùn)行中使用AIS 技術(shù)，可觀察其他船舶的具體信息，包括船舶的位置及規(guī)格、名稱、航線等。

3 結(jié)語

現(xiàn)代航海技術(shù)處于高速發(fā)展階段，各種高新技術(shù)層出不窮，為航海技術(shù)發(fā)展提供新的動力。信息化技術(shù)與現(xiàn)代管理技術(shù)融合，有利于提升航海水平，使航?；顒拥靡越】蛋l(fā)展。我國的航海技術(shù)已經(jīng)處于世界先進(jìn)水平，除海洋運(yùn)輸外，在海洋探測及海洋鉆井方面取得不錯的成果。未來的航海技術(shù)中，各個國家關(guān)注貿(mào)易運(yùn)輸及航行安全，保證安全的情況下順利完成各項(xiàng)貿(mào)易。AIS 系統(tǒng)作為新興船舶導(dǎo)航系統(tǒng)，該技術(shù)在船舶應(yīng)用上，融合通信及信息處理等多項(xiàng)技術(shù)，為船舶運(yùn)行提供準(zhǔn)確的信息，從而將船舶運(yùn)行的安全性最大程度提升。