探析航海科学与技术的发展方向与研究重点论文

2021-01-28 论文

　　一、现代航海技术的变革

　　现代科学技术的发展，尤其是信息技术（包括传感技术、计算机技术和通信技术）和空间卫星技术在航海上的成功应用，使航海技术取得长足的进步，现代航海己进入电子航海时代。现代航海技术的发展主要表现在船舶导航技术和海上通信技术两个方面，研究电子航海技术促进现代航海技术的变革，应主要研究电子航海技术对船舶导航技术与海上通信技术的影响。

　　1.现代船舶导航技术

　　采用数字编码的伪随机噪声信号测距与原子钟测时技术的GPS，克服了以往电子导航系统定位精度与作用距离的矛盾，GPS可在全球范围内全天候地为海上、陆上、空中和空间的用户提供连续、高精度的位置、速度与时间信息。GPS所提供的高精度的时间标准、抗干扰能力极强的数字编码测距信息己成为重要的信息资源。在航海上，GPSDGPS所提供的连续的己达到海图极限精度要求的高精度数字船位，是船位定位技术上一次重大突破，是导航技术一次质的飞跃。GPS己经并不断促进与带动各种助航电子仪器的发展，例如AIS、ECDIS、NAVPIL0T等，使得航海仪器朝着数字化、信息化、智能化的方向发展。同时，即将全面运行的伽利略卫星导航系统，特别是我国的北斗卫星导航系统，都是将来性能更佳的全球导航卫星系统。今后十年随着多元的卫星导航系统问世，必将使船舶导航技术更安全、更可靠。

　　2.现代海上通信技术

　　数字化的全球海上遇险与安全系统改变了传统的人工莫尔斯报的通信方式，己使海上通信方式发生重大变革。目前，国际海事组织（IM0）提出了GMDSS现代化的目标，将淘汰落后技术引入卫星探测AIS、卫星宽带通信、中高频段和甚高频段数字通信技术等先进技术和手段，提升GMDSS功能。GMDSS现代化将实现各种海上信息的数字化，实现无距离、无空间约束的快捷、准确及便利的传输，信息可以集成与共享为使用者提供管理、控制与决策的依据。

　　综上所述，GPS与GMDSS是现代航海技术的基础，已经使传统的航海技术向着数字化、信息化的方向发展。IM0正是认识到现代航海技术这一重大变革将带来航海技术信息化、现代化的前景，提出了实施电子航海战略的目标。

　　二、电子航海战略的内容

　　2008年IM0海上安全委员会在其第85次会议（MSC85）上批准了制定和实施电子航海战略并描绘了电子航海的前景、核心目标和益处。电子航海是指通过电子方式在船上和岸上对海上信息进行协调化的收集、集成、交换、呈现和分析，以便为海上安全、保安以及保护海洋环境而改善泊位到泊位的航行和相关服务。

　　实施电子航海战略，并不是简单地推行某些电子航海技术。电子航海战略是全局性的变革，其内容十分丰富，对其内涵的理解也在不断深化。实施电子航海战略首先是信息化建设。航海信息化建设是一项巨大的信息工程，其关键是各种数字信息标准、业务规范、传输标准的建设，各种应用智能软件的开发与设计。

　　电子航海战略不仅是信息化建设，从深层次看，电子航海还有着极大的发展空间，既需要战略构思与制定，更需要研究建立许多新的理论，研究攻克许多新的关键技术。随着电子航海战略逐步推进，航海技术必将从定性向定量、从经验向科学发展。电子航海的发展将使航海技术从技术上升为科学，发生质的飞跃。

　　三、航海科学与技术学科的定位

　　科学研究是以问题为基础的，只要有问题的地方，就有科学与科学研究。从科学发展史看，任何一门学科的建立都需要两个条件：一是思想和知识积累到一定程度，二是具有较强烈的社会需要。其中，第一个条件是根本性条件。人类的航海活动己有数千年的历史，人们在航海活动中发明并积累了丰富的船舶导航技术、船舶操纵技术、海上通信技术，尤其是进入20世纪以来，包括卫星技术、通信技术、网络技术、造船技术、测量技术等在内的现代科学技术的发展使得航海技术取得了长足的进步，航海技术己进入数字时代。另一方面，海上交通运输承载了全世界80%以上的货物贸易运输，与人类的生存发展息息相关。海上交通运输领域需要航海科学与技术学科的支持，需要航海科学与技术学科去研究并攻克许多重大的课题，以确保海上交通运输的在安全、环保和安保条件下的高效。但是，由于受航海技术发展水平的制约，以往的航海技术以定性分析与经验总结为主，研究方法不够成熟，学科体制不够规范，因此，与真正的独立学科还有一定的差距。航海科学与技术学科的现状与水平与海运强国战略对科技的要求差距甚大，必须加快发展。

　　航海科学与技术学科属于应用性学科，应充分吸收、应用相关学科的新理论、新技术，加强学科建设，明确学科定位，使高等学校在人才培养、教师教学、科学研究方面具有更明确的目标和方向。

　　独立的研究内容的确定是学科建设的关键。需要跟踪、分析与研究航海领域的新技术、新理论，熟悉相关学科的发展水平与新成果，分析航海活动发展中需要解决的问题，才能明确学科自己独有的研究方向。导航技术、海上通信技术、船舶操纵与避碰技术一直是航海科学与技术的重要研究内容。笔者认为，在航海向数字化发展的今天，数字导航技术、海上数字通信技术、智能化船舶操纵与避碰技术将是现代航海科学与技术未来发展的方向和重点内容，应该作为现代航海科学与技术学科研究的重点。

　　在确定独立的研究内容的基础上，航海科学与技术学科应通过测试、各参数之间机理分析、建模并进行实际验证等研究方法，不断完善应用技术与系统，提高船舶运输的安全、环保与效率水平。同时，还应不断完善航海科学与技术学科的科学体制，制定科学的具有前瞻意义的航海科学与技术发展规划，开创航海科学与技术发展的新局面。

　　四、航海科学与技术的发展方向与研究重点

　　航海科学与技术学科是大连海事大学的特色和优势学科，也是众多航海高等院校的主干学科。如何抓住电子航海战略实施的机遇，开创航海科学与技术发展的新局面，是摆在航海教育主管部门和航海教育工作者面前的一个新课题。

　　要实现海运强国，海运科技创新和高水平海运人才培养是关键。而科技创新和人才培养都要依赖学科的建设与发展。目前，交通运输部正与教育部联合开展关于航海教育的调查研究，拟出台关于提高航海教育质量的指导意见。建议交通和教育主管部门加大对航海科学与技术学科的扶持力度，在国家学科体系中对航海科学与技术学科的定位予以确认，在数字导航技术、海上数字通信技术、智能化船舶操纵与避碰技术等领域加大科研投入，建立航海科学与技术研究型人才培养基地，从政策上对航海科学技术的发展给予保障。

　　航海教育和科研工作者也应以电子航海战略的实施为契机，跟踪、消化吸收相关领域的最新科技成果，积极开展相关研究，为海上交通运输的安全和高效提供智力保障。本文以信息技术、光纤陀螺、卫星导航技术等在航海上的应用以及PORTS、智能ECDIS及数字船舶运动模型识别与控制技术的发展为例，分析电子航海的发展方向以及实施电子航海战略需要研究的内容与需要解决的关键技术。

　　1.航海信息数字化

　　信息技术处理的对象是数字信息，工具是计算机。为了规范航海业务，需要利用计算机智能化辅助航海业务，需要建设航海信息数字化标准与知识库。信息的数字化标准，并不仅是简单的计算机识别问题，而且更重要的是对信息的基本元素、信息元素分类、各信息元素关联性的科学分析，为计算机进行智能处理提供逻辑判断支持。由于信息数据库的科学性将直接影响应用功能软件开发的可行性，因此，信息数据库的建设是计算机开发各种应用功能软件的基础。

　　建立航海信息数字标准，实际上是建立相应的数据元素标准、信息分类编码标准、用户视图标准、业务的规范标准及信息传输标准等。分析研究信息的最基本元素，赋予其物理属性及编码，使其成为计算机能识别与处理的数字信息元素；分析研究信息元素之间的`关联性与逻辑性，构筑数据库的逻辑结构，以便于计算机查询与分析，尤其是对于海量数据的处理，该项工作更显得重要；在此基础上分析研究信息服务组成的业务规范，开发出各种用户操作标准界面及信息传输标准，实现航海信息的集成与共享。

　　信息化的核心是智能控制，智能控制的目的是为用户服务。电子航海战略首先是信息化建设，核心是为航海人员服务，解决电子航海时代航海人员“信息过载”的问题。显然，这需要而且必须有航海科技人员的参与，因为，航海人员了解实际的操作、管理与控制，知道需要什么，解决什么问题，达到什么目的。航海的信息化建设实质就是智能化的信息技术为航海人员服务，使得航海信息技术更加人性化。

　　船用雷达波浪测试技术、海面油污测试技术是信息技术在海洋参数测试上成功的应用。航海科技人员应开拓其在船舶耐波性、防污染方面的科学研究。

　　2.光纤陀螺技术

　　传统陀螺为机电陀螺，尽管在过去一直是惯性导航和测量领域的主流仪表，但因其具有高速旋转的“转子’等不利因素，在精度、性价比和寿命方面制约了惯性技术的进一步发展。1913年法国科学家G.Sagnac论证了米用无运动部件的光学系统同样能够检测相对惯性空间的旋转。得益于激光器的发明，1962年，作为第一代光学陀螺的环形激光陀螺（RLG）诞生。随着光纤通信技术的发展，1976年光纤陀螺（FOG）在实验室演示。光纤传感技术是一种以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测信号的新型传感技术。光纤陀螺与传统的机电陀螺一样，用来测量运载体相对惯性空间的旋转角速度。当运载体旋转时，光纤陀螺利用Sagnac相移导致光波干涉条纹产生微小移动，从而测得旋转角速度。光纤陀螺具有体积小、质量轻、动态范围大、精度范围广、无运动部件等优点，是一种新型的全固态惯性仪表。由于其在航空、航天、航海及兵器等应用领域的重要性，从一开始就得到了世界各国特别是军方的密切关注，并得以迅速发展。经过30年技术的发展，光纤陀螺己成为21世纪惯性测量与制导领域的主流仪表之一。

　　在航海上，光纤陀螺在舰艇导航与姿态测量中得到成功应用。光纤陀螺在商船上的应用才刚刚开始，其在船舶运动模型与控制模型的在线识别、船舶耐波性理论的研究、自动舵智能控制上将有很大的应用空间。

　　3.卫星导航技术

　　我国自主开发的北斗卫星导航系统将于2020年实现全球组网。北斗卫星导航系统既具有GMDSS相应的海上通信功能，还具有GPS相应的全球高精度三维定位功能。我国航海科技人员应积极参与北斗卫星导航系统的民用终端设备的研究与开发工作，使该系统重要信息资源得到广泛应用，发挥更大的经济效益。这是我国海运事业战略安全的需要，也是世界海运业安全的需要。

　　4.PORTS

　　传统上利用海图及潮汐表来估算港口水域水深和水流，这种方法己不能满足海上交通运输发展的需要。为此美国海洋大气管理局（NOAA）国家海洋部（NOS）开发了PORTS。PORTS是PhysicalOceanographicRea—TimeSystem的英文缩写，中文是“港口海洋环境要素实报及预报系统”。它是一种公共信息采集和发布系统，其目的是向船长和引航员提供准确实时的港口和航道水深、水流、风、浪、温度及盐度等数据，有效利用港口水深资源，保证航行安全，提高航运效率，为水域的环境保护提供支持。全球第一个PORTS于1991年在美国佛罗里达州西部港口城市坦帕港建成并投入运行。

　　实质上是潮汐潮流预报的数字化发展方向。把点潮汐潮流的预报发展为区域性潮汐潮流预报，把统计建模的预报发展为考虑气象要素的预报，其关键是潮汐潮流的测试与传输、气象要素的测试，然后通过数学建模，实现测试点的数量与测量精度能够满足工程需要的。应该指出的是，基于实时潮汐潮流预报的所需的测试技术及测试仪器与设备己经具备，技术上不存在太大的问题，主要在于投资、测试与建模。数字化的区域性的潮汐潮流预报系统将是海域水深、水流资源信息化的重要发展方向，这不仅有利于航行安全，提高海域水深、水流资源的利用效率，同时也是保证海域清洁和防污染的重要信息资源。同样可以应用于沿岸水域与狭水道水域。

　　5.智能ECDIS

　　智能ECDIS将不仅显示海图信息、本船信息、AIS目标信息、雷达图像及ARPA目标信息，还综合处理与显示潮汐、潮流信息、航路信息、气象信息、VTS及港口信息等，ECDIS将是航海信息的综合处理与显示的中心。

　　ECDIS综合处理与显示PORTS系统所提供的港口区域性的实时潮时与潮流的数字信息，将是ECIDS的重要发展方向。综合PORTS信息的新型对提高港口航行安全及増强港口水域的通航能力是十分有利的。港口管理者将能科学地利用港口水域的水深、水流资源，合理地调度港口进出港船舶；海事管理部门将以此对船舶的通航安全作出进一步的判断；航海人员将根据此信息合理安排船舶到港时间及设计最佳航线。

　　航路、气象、VTS及港口服务等信息在ECDIS上进行综合处理与显示，从处理与显示本身来讲比较容易，关键是如何合理、有效、智能化地把这些信息提供给航海人员和海事管理人员，避免造成“信息过载”的负面影响。

　　6.数字船舶运动模型识别与控制技术

　　采用雷达波浪测试仪、光纤陀螺等新的测试仪器，使得船舶可以进行实际运行状态下的动态测试。船舶动态测试可以为减小因船模水池试验的尺度效应与边界效应带来的误差提供一种可行的研究方法。通过对船舶运动参数、控制参数、姿态参数及环境参数的测量，就可以分析出船舶运动对环境的响应机理，进而研究建立船舶运动模型的在线辨识的理论与方法，实现对船舶定量的操纵与控制，最终实现智能化船舶操纵与控制。建立这样的多传感器的智能的数字船舶操纵与控制系统，将根据测得的海浪数据（有效浪高、波长、波向）、气象参数及船舶运动参数，在线辨识船舶运动模型，并可对航海人员将要采取操纵行动后船舶的响应有一个量化数据的提示。例如，船舶在大风浪中航行，该系统将根据设定的船舶某种航向、航速，定量给出相应的船舶横摇幅度与纵摇幅度，以供航海人员参考。因此，在这样的数字船舶操纵与控制系统的辅助下，航海人员对将采取操纵行为后船舶的响应有一个量化数据，船舶操纵与控制的安全性必将有极大的提高。通过实船动态测试来研究建立船舶操纵与控制模型必须借鉴船模水池试验的船舶水动力建模的理论与方法，同时，在确保安全的前提下，实船测试方案的设计、传感器的配置与安装、传感器数据的采集与传输、数据的融合与处理、机理的研究、多参数的在线辨识都是一项全新的探索性的艰巨的科学研究工作。从基础理论研究上来讲，该项科学研究工作将对解决船舶运动力学问题提供支持，该项科学研究成果不仅对船舶设计有帮助，而且将带动具有多传感器的智能舵的发展。

　　五、结语

　　全面实施电子航海战略，开创我国航海科学与技术发展新局面，人才培养是关键。日新月异的现代航海技术需要航海科技人员不断跟踪航海领域和相关领域的新理论、新技术积极开展学习和探索，注重测量与实证研究，努力攻克海上交通运输发展中的技术难题。应引进相关学科的科研人员来改善航海科技与教育队伍的知识结构，并为他们创造一个学习航海、服务航海、献身航海的良好的人才培养发展的氛围。航海科技的创新与发展难以一蹴而就，需要体制上营造一种“养”人才的环境。

　　实施电子航海战略，开创航海科学与技术发展新局面，是当代航海科技与教育工作者的责任。航海科技与教育工作者应为实现我国海运强国目标、为实施“科技强交”战略作出应有的贡献。

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