探析航海科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展方向與研究重點論文
一、現(xiàn)代航海技術(shù)的變革
現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是信息技術(shù)（包括傳感技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)）和空間衛(wèi)星技術(shù)在航海上的成功應(yīng)用，使航海技術(shù)取得長足的進(jìn)步，現(xiàn)代航海己進(jìn)入電子航海時代。現(xiàn)代航海技術(shù)的發(fā)展主要表現(xiàn)在船舶導(dǎo)航技術(shù)和海上通信技術(shù)兩個方面，研究電子航海技術(shù)促進(jìn)現(xiàn)代航海技術(shù)的變革，應(yīng)主要研究電子航海技術(shù)對船舶導(dǎo)航技術(shù)與海上通信技術(shù)的影響。
1.現(xiàn)代船舶導(dǎo)航技術(shù)
采用數(shù)字編碼的偽隨機噪聲信號測距與原子鐘測時技術(shù)的GPS，克服了以往電子導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度與作用距離的矛盾，GPS可在全球范圍內(nèi)全天候地為海上、陸上、空中和空間的用戶提供連續(xù)、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(biāo)準(zhǔn)、抗干擾能力極強的數(shù)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(xù)的己達(dá)到海圖極限精度要求的高精度數(shù)字船位，是船位定位技術(shù)上一次重大突破，是導(dǎo)航技術(shù)一次質(zhì)的飛躍。GPS己經(jīng)并不斷促進(jìn)與帶動各種助航電子儀器的發(fā)展，例如AIS、ECDIS、NAVPIL0T等，使得航海儀器朝著數(shù)字化、信息化、智能化的方向發(fā)展。同時，即將全面運行的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，特別是我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，都是將來性能更佳的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)。今后十年隨著多元的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)問世，必將使船舶導(dǎo)航技術(shù)更安全、更可靠。
2.現(xiàn)代海上通信技術(shù)
數(shù)字化的全球海上遇險與安全系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)的人工莫爾斯報的通信方式，己使海上通信方式發(fā)生重大變革。目前，國際海事組織（IM0）提出了GMDSS現(xiàn)代化的目標(biāo)，將淘汰落后技術(shù)引入衛(wèi)星探測AIS、衛(wèi)星寬帶通信、中高頻段和甚高頻段數(shù)字通信技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)和手段，提升GMDSS功能。GMDSS現(xiàn)代化將實現(xiàn)各種海上信息的數(shù)字化，實現(xiàn)無距離、無空間約束的快捷、準(zhǔn)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(jù)。
綜上所述，GPS與GMDSS是現(xiàn)代航海技術(shù)的基礎(chǔ)，已經(jīng)使傳統(tǒng)的航海技術(shù)向著數(shù)字化、信息化的方向發(fā)展。IM0正是認(rèn)識到現(xiàn)代航海技術(shù)這一重大變革將帶來航海技術(shù)信息化、現(xiàn)代化的前景，提出了實施電子航海戰(zhàn)略的目標(biāo)。
二、電子航海戰(zhàn)略的內(nèi)容
2008年IM0海上安全委員會在其第85次會議（MSC85）上批準(zhǔn)了制定和實施電子航海戰(zhàn)略并描繪了電子航海的前景、核心目標(biāo)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(jìn)行協(xié)調(diào)化的收集、集成、交換、呈現(xiàn)和分析，以便為海上安全、保安以及保護(hù)海洋環(huán)境而改善泊位到泊位的航行和相關(guān)服務(wù)。
實施電子航海戰(zhàn)略，并不是簡單地推行某些電子航海技術(shù)。電子航海戰(zhàn)略是全局性的變革，其內(nèi)容十分豐富，對其內(nèi)涵的理解也在不斷深化。實施電子航海戰(zhàn)略首先是信息化建設(shè)。航海信息化建設(shè)是一項巨大的信息工程，其關(guān)鍵是各種數(shù)字信息標(biāo)準(zhǔn)、業(yè)務(wù)規(guī)范、傳輸標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)，各種應(yīng)用智能軟件的開發(fā)與設(shè)計。
電子航海戰(zhàn)略不僅是信息化建設(shè)，從深層次看，電子航海還有著極大的發(fā)展空間，既需要戰(zhàn)略構(gòu)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(guān)鍵技術(shù)。隨著電子航海戰(zhàn)略逐步推進(jìn)，航海技術(shù)必將從定性向定量、從經(jīng)驗向科學(xué)發(fā)展。電子航海的發(fā)展將使航海技術(shù)從技術(shù)上升為科學(xué)，發(fā)生質(zhì)的飛躍。
三、航海科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的定位
科學(xué)研究是以問題為基礎(chǔ)的，只要有問題的地方，就有科學(xué)與科學(xué)研究。從科學(xué)發(fā)展史看，任何一門學(xué)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(shù)千年的歷史，人們在航海活動中發(fā)明并積累了豐富的船舶導(dǎo)航技術(shù)、船舶操縱技術(shù)、海上通信技術(shù)，尤其是進(jìn)入20世紀(jì)以來，包括衛(wèi)星技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、造船技術(shù)、測量技術(shù)等在內(nèi)的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使得航海技術(shù)取得了長足的進(jìn)步，航海技術(shù)己進(jìn)入數(shù)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(mào)易運輸，與人類的生存發(fā)展息息相關(guān)。海上交通運輸領(lǐng)域需要航海科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的支持，需要航海科學(xué)與技術(shù)學(xué)科去研究并攻克許多重大的課題，以確保海上交通運輸?shù)脑诎踩h(huán)保和安保條件下的高效。但是，由于受航海技術(shù)發(fā)展水平的制約，以往的航海技術(shù)以定性分析與經(jīng)驗總結(jié)為主，研究方法不夠成熟，學(xué)科體制不夠規(guī)范，因此，與真正的獨立學(xué)科還有一定的差距。航海科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的現(xiàn)狀與水平與海運強國戰(zhàn)略對科技的要求差距甚大，必須加快發(fā)展。
航海科學(xué)與技術(shù)學(xué)科屬于應(yīng)用性學(xué)科，應(yīng)充分吸收、應(yīng)用相關(guān)學(xué)科的新理論、新技術(shù)，加強學(xué)科建設(shè)，明確學(xué)科定位，使高等學(xué)校在人才培養(yǎng)、教師教學(xué)、科學(xué)研究方面具有更明確的目標(biāo)和方向。
獨立的研究內(nèi)容的確定是學(xué)科建設(shè)的關(guān)鍵。需要跟蹤、分析與研究航海領(lǐng)域的新技術(shù)、新理論，熟悉相關(guān)學(xué)科的發(fā)展水平與新成果，分析航海活動發(fā)展中需要解決的問題，才能明確學(xué)科自己獨有的研究方向。導(dǎo)航技術(shù)、海上通信技術(shù)、船舶操縱與避碰技術(shù)一直是航海科學(xué)與技術(shù)的重要研究內(nèi)容。筆者認(rèn)為，在航海向數(shù)字化發(fā)展的今天，數(shù)字導(dǎo)航技術(shù)、海上數(shù)字通信技術(shù)、智能化船舶操縱與避碰技術(shù)將是現(xiàn)代航海科學(xué)與技術(shù)未來發(fā)展的方向和重點內(nèi)容，應(yīng)該作為現(xiàn)代航海科學(xué)與技術(shù)學(xué)科研究的重點。
在確定獨立的研究內(nèi)容的基礎(chǔ)上，航海科學(xué)與技術(shù)學(xué)科應(yīng)通過測試、各參數(shù)之間機理分析、建模并進(jìn)行實際驗證等研究方法，不斷完善應(yīng)用技術(shù)與系統(tǒng)，提高船舶運輸?shù)陌踩h(huán)保與效率水平。同時，還應(yīng)不斷完善航海科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的科學(xué)體制，制定科學(xué)的具有前瞻意義的航海科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，開創(chuàng)航海科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的新局面。
四、航海科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展方向與研究重點
航海科學(xué)與技術(shù)學(xué)科是大連海事大學(xué)的特色和優(yōu)勢學(xué)科，也是眾多航海高等院校的主干學(xué)科。如何抓住電子航海戰(zhàn)略實施的機遇，開創(chuàng)航海科學(xué)與技術(shù)發(fā)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(xiàn)海運強國，海運科技創(chuàng)新和高水平海運人才培養(yǎng)是關(guān)鍵。而科技創(chuàng)新和人才培養(yǎng)都要依賴學(xué)科的建設(shè)與發(fā)展。目前，交通運輸部正與教育部聯(lián)合開展關(guān)于航海教育的調(diào)查研究，擬出臺關(guān)于提高航海教育質(zhì)量的指導(dǎo)意見。建議交通和教育主管部門加大對航海科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的扶持力度，在國家學(xué)科體系中對航海科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的定位予以確認(rèn)，在數(shù)字導(dǎo)航技術(shù)、海上數(shù)字通信技術(shù)、智能化船舶操縱與避碰技術(shù)等領(lǐng)域加大科研投入，建立航海科學(xué)與技術(shù)研究型人才培養(yǎng)基地，從政策上對航海科學(xué)技術(shù)的發(fā)展給予保障。
航海教育和科研工作者也應(yīng)以電子航海戰(zhàn)略的實施為契機，跟蹤、消化吸收相關(guān)領(lǐng)域的最新科技成果，積極開展相關(guān)研究，為海上交通運輸?shù)陌踩透咝峁┲橇ΡＵ稀１疚囊孕畔⒓夹g(shù)、光纖陀螺、衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)等在航海上的應(yīng)用以及PORTS、智能ECDIS及數(shù)字船舶運動模型識別與控制技術(shù)的發(fā)展為例，分析電子航海的發(fā)展方向以及實施電子航海戰(zhàn)略需要研究的內(nèi)容與需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。
1.航海信息數(shù)字化
信息技術(shù)處理的對象是數(shù)字信息，工具是計算機。為了規(guī)范航海業(yè)務(wù)，需要利用計算機智能化輔助航海業(yè)務(wù)，需要建設(shè)航海信息數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)與知識庫。信息的數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)，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(guān)聯(lián)性的科學(xué)分析，為計算機進(jìn)行智能處理提供邏輯判斷支持。由于信息數(shù)據(jù)庫的科學(xué)性將直接影響應(yīng)用功能軟件開發(fā)的可行性，因此，信息數(shù)據(jù)庫的建設(shè)是計算機開發(fā)各種應(yīng)用功能軟件的基礎(chǔ)。
建立航海信息數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)，實際上是建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)元素標(biāo)準(zhǔn)、信息分類編碼標(biāo)準(zhǔn)、用戶視圖標(biāo)準(zhǔn)、業(yè)務(wù)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)及信息傳輸標(biāo)準(zhǔn)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(shù)字信息元素；分析研究信息元素之間的關(guān)聯(lián)性與邏輯性，構(gòu)筑數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)，以便于計算機查詢與分析，尤其是對于海量數(shù)據(jù)的處理，該項工作更顯得重要；在此基礎(chǔ)上分析研究信息服務(wù)組成的業(yè)務(wù)規(guī)范，開發(fā)出各種用戶操作標(biāo)準(zhǔn)界面及信息傳輸標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)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(wù)。電子航海戰(zhàn)略首先是信息化建設(shè)，核心是為航海人員服務(wù)，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(dá)到什么目的。航海的信息化建設(shè)實質(zhì)就是智能化的信息技術(shù)為航海人員服務(wù)，使得航海信息技術(shù)更加人性化。
船用雷達(dá)波浪測試技術(shù)、海面油污測試技術(shù)是信息技術(shù)在海洋參數(shù)測試上成功的應(yīng)用。航海科技人員應(yīng)開拓其在船舶耐波性、防污染方面的科學(xué)研究。
2.光纖陀螺技術(shù)
傳統(tǒng)陀螺為機電陀螺，盡管在過去一直是慣性導(dǎo)航和測量領(lǐng)域的主流儀表，但因其具有高速旋轉(zhuǎn)的“轉(zhuǎn)子’等不利因素，在精度、性價比和壽命方面制約了慣性技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。1913年法國科學(xué)家G.Sagnac論證了米用無運動部件的光學(xué)系統(tǒng)同樣能夠檢測相對慣性空間的旋轉(zhuǎn)。得益于激光器的發(fā)明，1962年，作為第一代光學(xué)陀螺的環(huán)形激光陀螺（RLG）誕生。隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，1976年光纖陀螺（FOG）在實驗室演示。光纖傳感技術(shù)是一種以光波為載體，光纖為媒質(zhì)，感知和傳輸外界被測信號的'新型傳感技術(shù)。光纖陀螺與傳統(tǒng)的機電陀螺一樣，用來測量運載體相對慣性空間的旋轉(zhuǎn)角速度。當(dāng)運載體旋轉(zhuǎn)時，光纖陀螺利用Sagnac相移導(dǎo)致光波干涉條紋產(chǎn)生微小移動，從而測得旋轉(zhuǎn)角速度。光纖陀螺具有體積小、質(zhì)量輕、動態(tài)范圍大、精度范圍廣、無運動部件等優(yōu)點，是一種新型的全固態(tài)慣性儀表。由于其在航空、航天、航海及兵器等應(yīng)用領(lǐng)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(guān)注，并得以迅速發(fā)展。經(jīng)過30年技術(shù)的發(fā)展，光纖陀螺己成為21世紀(jì)慣性測量與制導(dǎo)領(lǐng)域的主流儀表之一。
在航海上，光纖陀螺在艦艇導(dǎo)航與姿態(tài)測量中得到成功應(yīng)用。光纖陀螺在商船上的應(yīng)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(yīng)用空間。
3.衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)
我國自主開發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將于2020年實現(xiàn)全球組網(wǎng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)既具有GMDSS相應(yīng)的海上通信功能，還具有GPS相應(yīng)的全球高精度三維定位功能。我國航海科技人員應(yīng)積極參與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的民用終端設(shè)備的研究與開發(fā)工作，使該系統(tǒng)重要信息資源得到廣泛應(yīng)用，發(fā)揮更大的經(jīng)濟效益。這是我國海運事業(yè)戰(zhàn)略安全的需要，也是世界海運業(yè)安全的需要。
4.PORTS
傳統(tǒng)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(fā)展的需要。為此美國海洋大氣管理局（NOAA）國家海洋部（NOS）開發(fā)了PORTS。PORTS是PhysicalOceanographicRea—TimeSystem的英文縮寫，中文是“港口海洋環(huán)境要素實報及預(yù)報系統(tǒng)”。它是一種公共信息采集和發(fā)布系統(tǒng)，其目的是向船長和引航員提供準(zhǔn)確實時的港口和航道水深、水流、風(fēng)、浪、溫度及鹽度等數(shù)據(jù)，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(huán)境保護(hù)提供支持。全球第一個PORTS于1991年在美國佛羅里達(dá)州西部港口城市坦帕港建成并投入運行。
實質(zhì)上是潮汐潮流預(yù)報的數(shù)字化發(fā)展方向。把點潮汐潮流的預(yù)報發(fā)展為區(qū)域性潮汐潮流預(yù)報，把統(tǒng)計建模的預(yù)報發(fā)展為考慮氣象要素的預(yù)報，其關(guān)鍵是潮汐潮流的測試與傳輸、氣象要素的測試，然后通過數(shù)學(xué)建模，實現(xiàn)測試點的數(shù)量與測量精度能夠滿足工程需要的。應(yīng)該指出的是，基于實時潮汐潮流預(yù)報的所需的測試技術(shù)及測試儀器與設(shè)備己經(jīng)具備，技術(shù)上不存在太大的問題，主要在于投資、測試與建模。數(shù)字化的區(qū)域性的潮汐潮流預(yù)報系統(tǒng)將是海域水深、水流資源信息化的重要發(fā)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(yīng)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(biāo)信息、雷達(dá)圖像及ARPA目標(biāo)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(tǒng)所提供的港口區(qū)域性的實時潮時與潮流的數(shù)字信息，將是ECIDS的重要發(fā)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(xué)地利用港口水域的水深、水流資源，合理地調(diào)度港口進(jìn)出港船舶；海事管理部門將以此對船舶的通航安全作出進(jìn)一步的判斷；航海人員將根據(jù)此信息合理安排船舶到港時間及設(shè)計最佳航線。
航路、氣象、VTS及港口服務(wù)等信息在ECDIS上進(jìn)行綜合處理與顯示，從處理與顯示本身來講比較容易，關(guān)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(fù)面影響。
6.數(shù)字船舶運動模型識別與控制技術(shù)
采用雷達(dá)波浪測試儀、光纖陀螺等新的測試儀器，使得船舶可以進(jìn)行實際運行狀態(tài)下的動態(tài)測試。船舶動態(tài)測試可以為減小因船模水池試驗的尺度效應(yīng)與邊界效應(yīng)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(shù)、控制參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)及環(huán)境參數(shù)的測量，就可以分析出船舶運動對環(huán)境的響應(yīng)機理，進(jìn)而研究建立船舶運動模型的在線辨識的理論與方法，實現(xiàn)對船舶定量的操縱與控制，最終實現(xiàn)智能化船舶操縱與控制。建立這樣的多傳感器的智能的數(shù)字船舶操縱與控制系統(tǒng)，將根據(jù)測得的海浪數(shù)據(jù)（有效浪高、波長、波向）、氣象參數(shù)及船舶運動參數(shù)，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(yīng)有一個量化數(shù)據(jù)的提示。例如，船舶在大風(fēng)浪中航行，該系統(tǒng)將根據(jù)設(shè)定的船舶某種航向、航速，定量給出相應(yīng)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(shù)字船舶操縱與控制系統(tǒng)的輔助下，航海人員對將采取操縱行為后船舶的響應(yīng)有一個量化數(shù)據(jù)，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(tài)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(shè)計、傳感器的配置與安裝、傳感器數(shù)據(jù)的采集與傳輸、數(shù)據(jù)的融合與處理、機理的研究、多參數(shù)的在線辨識都是一項全新的探索性的艱巨的科學(xué)研究工作。從基礎(chǔ)理論研究上來講，該項科學(xué)研究工作將對解決船舶運動力學(xué)問題提供支持，該項科學(xué)研究成果不僅對船舶設(shè)計有幫助，而且將帶動具有多傳感器的智能舵的發(fā)展。
五、結(jié)語
全面實施電子航海戰(zhàn)略，開創(chuàng)我國航海科學(xué)與技術(shù)發(fā)展新局面，人才培養(yǎng)是關(guān)鍵。日新月異的現(xiàn)代航海技術(shù)需要航海科技人員不斷跟蹤航海領(lǐng)域和相關(guān)領(lǐng)域的新理論、新技術(shù)積極開展學(xué)習(xí)和探索，注重測量與實證研究，努力攻克海上交通運輸發(fā)展中的技術(shù)難題。應(yīng)引進(jìn)相關(guān)學(xué)科的科研人員來改善航海科技與教育隊伍的知識結(jié)構(gòu)，并為他們創(chuàng)造一個學(xué)習(xí)航海、服務(wù)航海、獻(xiàn)身航海的良好的人才培養(yǎng)發(fā)展的氛圍。航海科技的創(chuàng)新與發(fā)展難以一蹴而就，需要體制上營造一種“養(yǎng)”人才的環(huán)境。
實施電子航海戰(zhàn)略，開創(chuàng)航海科學(xué)與技術(shù)發(fā)展新局面，是當(dāng)代航海科技與教育工作者的責(zé)任。航海科技與教育工作者應(yīng)為實現(xiàn)我國海運強國目標(biāo)、為實施“科技強交”戰(zhàn)略作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
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