探析航海科學與技術的發展方向與研究重點論文

時間：2021-01-28 16:37:49 論文我要投稿

　　一、現代航海技術的變革

探析航海科學與技術的發展方向與研究重點論文

　　現代科學技術的發展，尤其是信息技術（包括傳感技術、計算機技術和通信技術）和空間衛星技術在航海上的成功應用，使航海技術取得長足的進步，現代航海己進入電子航海時代。現代航海技術的發展主要表現在船舶導航技術和海上通信技術兩個方面，研究電子航海技術促進現代航海技術的變革，應主要研究電子航海技術對船舶導航技術與海上通信技術的影響。

　　1.現代船舶導航技術

　　采用數字編碼的偽隨機噪聲信號測距與原子鐘測時技術的GPS，克服了以往電子導航系統定位精度與作用距離的矛盾，GPS可在全球范圍內全天候地為海上、陸上、空中和空間的用戶提供連續、高精度的位置、速度與時間信息。GPS所提供的高精度的時間標準、抗干擾能力極強的數字編碼測距信息己成為重要的信息資源。在航海上，GPSDGPS所提供的連續的己達到海圖極限精度要求的高精度數字船位，是船位定位技術上一次重大突破，是導航技術一次質的飛躍。GPS己經并不斷促進與帶動各種助航電子儀器的發展，例如AIS、ECDIS、NAVPIL0T等，使得航海儀器朝著數字化、信息化、智能化的方向發展。同時，即將全面運行的伽利略衛星導航系統，特別是我國的北斗衛星導航系統，都是將來性能更佳的全球導航衛星系統。今后十年隨著多元的衛星導航系統問世，必將使船舶導航技術更安全、更可靠。

　　2.現代海上通信技術

　　數字化的全球海上遇險與安全系統改變了傳統的人工莫爾斯報的通信方式，己使海上通信方式發生重大變革。目前，國際海事組織（IM0）提出了GMDSS現代化的目標，將淘汰落后技術引入衛星探測AIS、衛星寬帶通信、中高頻段和甚高頻段數字通信技術等先進技術和手段，提升GMDSS功能。GMDSS現代化將實現各種海上信息的數字化，實現無距離、無空間約束的快捷、準確及便利的傳輸，信息可以集成與共享為使用者提供管理、控制與決策的依據。

　　綜上所述，GPS與GMDSS是現代航海技術的基礎，已經使傳統的航海技術向著數字化、信息化的方向發展。IM0正是認識到現代航海技術這一重大變革將帶來航海技術信息化、現代化的前景，提出了實施電子航海戰略的目標。

　　二、電子航海戰略的內容

　　2008年IM0海上安全委員會在其第85次會議（MSC85）上批準了制定和實施電子航海戰略并描繪了電子航海的前景、核心目標和益處。電子航海是指通過電子方式在船上和岸上對海上信息進行協調化的收集、集成、交換、呈現和分析，以便為海上安全、保安以及保護海洋環境而改善泊位到泊位的航行和相關服務。

　　實施電子航海戰略，并不是簡單地推行某些電子航海技術。電子航海戰略是全局性的變革，其內容十分豐富，對其內涵的理解也在不斷深化。實施電子航海戰略首先是信息化建設。航海信息化建設是一項巨大的信息工程，其關鍵是各種數字信息標準、業務規范、傳輸標準的建設，各種應用智能軟件的開發與設計。

　　電子航海戰略不僅是信息化建設，從深層次看，電子航海還有著極大的發展空間，既需要戰略構思與制定，更需要研究建立許多新的理論，研究攻克許多新的關鍵技術。隨著電子航海戰略逐步推進，航海技術必將從定性向定量、從經驗向科學發展。電子航海的發展將使航海技術從技術上升為科學，發生質的飛躍。

　　三、航海科學與技術學科的定位

　　科學研究是以問題為基礎的，只要有問題的地方，就有科學與科學研究。從科學發展史看，任何一門學科的建立都需要兩個條件：一是思想和知識積累到一定程度，二是具有較強烈的社會需要。其中，第一個條件是根本性條件。人類的航海活動己有數千年的歷史，人們在航海活動中發明并積累了豐富的船舶導航技術、船舶操縱技術、海上通信技術，尤其是進入20世紀以來，包括衛星技術、通信技術、網絡技術、造船技術、測量技術等在內的現代科學技術的發展使得航海技術取得了長足的進步，航海技術己進入數字時代。另一方面，海上交通運輸承載了全世界80%以上的貨物貿易運輸，與人類的生存發展息息相關。海上交通運輸領域需要航海科學與技術學科的支持，需要航海科學與技術學科去研究并攻克許多重大的課題，以確保海上交通運輸的在安全、環保和安保條件下的高效。但是，由于受航海技術發展水平的制約，以往的航海技術以定性分析與經驗總結為主，研究方法不夠成熟，學科體制不夠規范，因此，與真正的獨立學科還有一定的差距。航海科學與技術學科的現狀與水平與海運強國戰略對科技的要求差距甚大，必須加快發展。

　　航海科學與技術學科屬于應用性學科，應充分吸收、應用相關學科的新理論、新技術，加強學科建設，明確學科定位，使高等學校在人才培養、教師教學、科學研究方面具有更明確的目標和方向。

　　獨立的研究內容的確定是學科建設的關鍵。需要跟蹤、分析與研究航海領域的新技術、新理論，熟悉相關學科的發展水平與新成果，分析航海活動發展中需要解決的問題，才能明確學科自己獨有的研究方向。導航技術、海上通信技術、船舶操縱與避碰技術一直是航海科學與技術的重要研究內容。筆者認為，在航海向數字化發展的今天，數字導航技術、海上數字通信技術、智能化船舶操縱與避碰技術將是現代航海科學與技術未來發展的方向和重點內容，應該作為現代航海科學與技術學科研究的重點。

　　在確定獨立的研究內容的基礎上，航海科學與技術學科應通過測試、各參數之間機理分析、建模并進行實際驗證等研究方法，不斷完善應用技術與系統，提高船舶運輸的安全、環保與效率水平。同時，還應不斷完善航海科學與技術學科的科學體制，制定科學的具有前瞻意義的航海科學與技術發展規劃，開創航海科學與技術發展的新局面。

　　四、航海科學與技術的發展方向與研究重點

　　航海科學與技術學科是大連海事大學的特色和優勢學科，也是眾多航海高等院校的主干學科。如何抓住電子航海戰略實施的機遇，開創航海科學與技術發展的新局面，是擺在航海教育主管部門和航海教育工作者面前的一個新課題。

　　要實現海運強國，海運科技創新和高水平海運人才培養是關鍵。而科技創新和人才培養都要依賴學科的建設與發展。目前，交通運輸部正與教育部聯合開展關于航海教育的調查研究，擬出臺關于提高航海教育質量的指導意見。建議交通和教育主管部門加大對航海科學與技術學科的扶持力度，在國家學科體系中對航海科學與技術學科的定位予以確認，在數字導航技術、海上數字通信技術、智能化船舶操縱與避碰技術等領域加大科研投入，建立航海科學與技術研究型人才培養基地，從政策上對航海科學技術的發展給予保障。

　　航海教育和科研工作者也應以電子航海戰略的實施為契機，跟蹤、消化吸收相關領域的最新科技成果，積極開展相關研究，為海上交通運輸的安全和高效提供智力保障。本文以信息技術、光纖陀螺、衛星導航技術等在航海上的應用以及PORTS、智能ECDIS及數字船舶運動模型識別與控制技術的發展為例，分析電子航海的發展方向以及實施電子航海戰略需要研究的內容與需要解決的關鍵技術。

　　1.航海信息數字化

　　信息技術處理的對象是數字信息，工具是計算機。為了規范航海業務，需要利用計算機智能化輔助航海業務，需要建設航海信息數字化標準與知識庫。信息的數字化標準，并不僅是簡單的計算機識別問題，而且更重要的是對信息的基本元素、信息元素分類、各信息元素關聯性的科學分析，為計算機進行智能處理提供邏輯判斷支持。由于信息數據庫的科學性將直接影響應用功能軟件開發的可行性，因此，信息數據庫的建設是計算機開發各種應用功能軟件的基礎。

　　建立航海信息數字標準，實際上是建立相應的數據元素標準、信息分類編碼標準、用戶視圖標準、業務的規范標準及信息傳輸標準等。分析研究信息的最基本元素，賦予其物理屬性及編碼，使其成為計算機能識別與處理的數字信息元素；分析研究信息元素之間的關聯性與邏輯性，構筑數據庫的邏輯結構，以便于計算機查詢與分析，尤其是對于海量數據的處理，該項工作更顯得重要；在此基礎上分析研究信息服務組成的業務規范，開發出各種用戶操作標準界面及信息傳輸標準，實現航海信息的集成與共享。

　　信息化的核心是智能控制，智能控制的目的是為用戶服務。電子航海戰略首先是信息化建設，核心是為航海人員服務，解決電子航海時代航海人員“信息過載”的問題。顯然，這需要而且必須有航海科技人員的參與，因為，航海人員了解實際的操作、管理與控制，知道需要什么，解決什么問題，達到什么目的。航海的信息化建設實質就是智能化的信息技術為航海人員服務，使得航海信息技術更加人性化。

　　船用雷達波浪測試技術、海面油污測試技術是信息技術在海洋參數測試上成功的應用。航海科技人員應開拓其在船舶耐波性、防污染方面的科學研究。

　　2.光纖陀螺技術

　　傳統陀螺為機電陀螺，盡管在過去一直是慣性導航和測量領域的主流儀表，但因其具有高速旋轉的“轉子’等不利因素，在精度、性價比和壽命方面制約了慣性技術的進一步發展。1913年法國科學家G.Sagnac論證了米用無運動部件的光學系統同樣能夠檢測相對慣性空間的旋轉。得益于激光器的發明，1962年，作為第一代光學陀螺的環形激光陀螺（RLG）誕生。隨著光纖通信技術的發展，1976年光纖陀螺（FOG）在實驗室演示。光纖傳感技術是一種以光波為載體，光纖為媒質，感知和傳輸外界被測信號的'新型傳感技術。光纖陀螺與傳統的機電陀螺一樣，用來測量運載體相對慣性空間的旋轉角速度。當運載體旋轉時，光纖陀螺利用Sagnac相移導致光波干涉條紋產生微小移動，從而測得旋轉角速度。光纖陀螺具有體積小、質量輕、動態范圍大、精度范圍廣、無運動部件等優點，是一種新型的全固態慣性儀表。由于其在航空、航天、航海及兵器等應用領域的重要性，從一開始就得到了世界各國特別是軍方的密切關注，并得以迅速發展。經過30年技術的發展，光纖陀螺己成為21世紀慣性測量與制導領域的主流儀表之一。

　　在航海上，光纖陀螺在艦艇導航與姿態測量中得到成功應用。光纖陀螺在商船上的應用才剛剛開始，其在船舶運動模型與控制模型的在線識別、船舶耐波性理論的研究、自動舵智能控制上將有很大的應用空間。

　　3.衛星導航技術

　　我國自主開發的北斗衛星導航系統將于2020年實現全球組網。北斗衛星導航系統既具有GMDSS相應的海上通信功能，還具有GPS相應的全球高精度三維定位功能。我國航海科技人員應積極參與北斗衛星導航系統的民用終端設備的研究與開發工作，使該系統重要信息資源得到廣泛應用，發揮更大的經濟效益。這是我國海運事業戰略安全的需要，也是世界海運業安全的需要。

　　4.PORTS

　　傳統上利用海圖及潮汐表來估算港口水域水深和水流，這種方法己不能滿足海上交通運輸發展的需要。為此美國海洋大氣管理局（NOAA）國家海洋部（NOS）開發了PORTS。PORTS是PhysicalOceanographicRea—TimeSystem的英文縮寫，中文是“港口海洋環境要素實報及預報系統”。它是一種公共信息采集和發布系統，其目的是向船長和引航員提供準確實時的港口和航道水深、水流、風、浪、溫度及鹽度等數據，有效利用港口水深資源，保證航行安全，提高航運效率，為水域的環境保護提供支持。全球第一個PORTS于1991年在美國佛羅里達州西部港口城市坦帕港建成并投入運行。

　　實質上是潮汐潮流預報的數字化發展方向。把點潮汐潮流的預報發展為區域性潮汐潮流預報，把統計建模的預報發展為考慮氣象要素的預報，其關鍵是潮汐潮流的測試與傳輸、氣象要素的測試，然后通過數學建模，實現測試點的數量與測量精度能夠滿足工程需要的。應該指出的是，基于實時潮汐潮流預報的所需的測試技術及測試儀器與設備己經具備，技術上不存在太大的問題，主要在于投資、測試與建模。數字化的區域性的潮汐潮流預報系統將是海域水深、水流資源信息化的重要發展方向，這不僅有利于航行安全，提高海域水深、水流資源的利用效率，同時也是保證海域清潔和防污染的重要信息資源。同樣可以應用于沿岸水域與狹水道水域。

　　5.智能ECDIS

　　智能ECDIS將不僅顯示海圖信息、本船信息、AIS目標信息、雷達圖像及ARPA目標信息，還綜合處理與顯示潮汐、潮流信息、航路信息、氣象信息、VTS及港口信息等，ECDIS將是航海信息的綜合處理與顯示的中心。

　　ECDIS綜合處理與顯示PORTS系統所提供的港口區域性的實時潮時與潮流的數字信息，將是ECIDS的重要發展方向。綜合PORTS信息的新型對提高港口航行安全及増強港口水域的通航能力是十分有利的。港口管理者將能科學地利用港口水域的水深、水流資源，合理地調度港口進出港船舶；海事管理部門將以此對船舶的通航安全作出進一步的判斷；航海人員將根據此信息合理安排船舶到港時間及設計最佳航線。

　　航路、氣象、VTS及港口服務等信息在ECDIS上進行綜合處理與顯示，從處理與顯示本身來講比較容易，關鍵是如何合理、有效、智能化地把這些信息提供給航海人員和海事管理人員，避免造成“信息過載”的負面影響。

　　6.數字船舶運動模型識別與控制技術

　　采用雷達波浪測試儀、光纖陀螺等新的測試儀器，使得船舶可以進行實際運行狀態下的動態測試。船舶動態測試可以為減小因船模水池試驗的尺度效應與邊界效應帶來的誤差提供一種可行的研究方法。通過對船舶運動參數、控制參數、姿態參數及環境參數的測量，就可以分析出船舶運動對環境的響應機理，進而研究建立船舶運動模型的在線辨識的理論與方法，實現對船舶定量的操縱與控制，最終實現智能化船舶操縱與控制。建立這樣的多傳感器的智能的數字船舶操縱與控制系統，將根據測得的海浪數據（有效浪高、波長、波向）、氣象參數及船舶運動參數，在線辨識船舶運動模型，并可對航海人員將要采取操縱行動后船舶的響應有一個量化數據的提示。例如，船舶在大風浪中航行，該系統將根據設定的船舶某種航向、航速，定量給出相應的船舶橫搖幅度與縱搖幅度，以供航海人員參考。因此，在這樣的數字船舶操縱與控制系統的輔助下，航海人員對將采取操縱行為后船舶的響應有一個量化數據，船舶操縱與控制的安全性必將有極大的提高。通過實船動態測試來研究建立船舶操縱與控制模型必須借鑒船模水池試驗的船舶水動力建模的理論與方法，同時，在確保安全的前提下，實船測試方案的設計、傳感器的配置與安裝、傳感器數據的采集與傳輸、數據的融合與處理、機理的研究、多參數的在線辨識都是一項全新的探索性的艱巨的科學研究工作。從基礎理論研究上來講，該項科學研究工作將對解決船舶運動力學問題提供支持，該項科學研究成果不僅對船舶設計有幫助，而且將帶動具有多傳感器的智能舵的發展。

　　五、結語

　　全面實施電子航海戰略，開創我國航海科學與技術發展新局面，人才培養是關鍵。日新月異的現代航海技術需要航海科技人員不斷跟蹤航海領域和相關領域的新理論、新技術積極開展學習和探索，注重測量與實證研究，努力攻克海上交通運輸發展中的技術難題。應引進相關學科的科研人員來改善航海科技與教育隊伍的知識結構，并為他們創造一個學習航海、服務航海、獻身航海的良好的人才培養發展的氛圍。航海科技的創新與發展難以一蹴而就，需要體制上營造一種“養”人才的環境。

　　實施電子航海戰略，開創航海科學與技術發展新局面，是當代航海科技與教育工作者的責任。航海科技與教育工作者應為實現我國海運強國目標、為實施“科技強交”戰略作出應有的貢獻。

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