從上海VTS升級改造談VTS未來發展趨勢

劉 偉 周國祥

一、引言

1948年馬恩島首次將岸基雷達應用于港口導航，此為船舶交通服務（VTS）的雛形[1]。此后，VTS持續發展并得到了廣泛應用。VTS的應用與發展極大地提高了船舶的航行效率，保障了航行安全，保護了海洋環境。國際社會對VTS的效能予以了高度認可，國際海事組織（IMO）、國際航標協會（IALA）等國際組織先后通過了一系列決議、建議案和指南等文件以進一步促進和規范VTS發展。

隨著技術的進步，VTS經歷了從“雷達+VHF”到計算機集成再到智能化的變革，科技含量不斷提高，應用領域不斷增加。而隨著船舶航行安全、環境保護和港口運行效率要求的提高，VTS的應用需求也持續變化，VTS的內涵也將隨之改變，與之配套的公約、法規和指南等規范性文件也將持續演進。

上海港作為世界集裝箱吞吐量第一大港，通航環境復雜，船舶流量大。上海VTS的運行效率，直接關系著上海港的船舶交通安全和防污染水平以及港口運行效率。由于現有VTS已不能適應港口未來發展需要，上海海事局于2020年對VTS進行了全面升級改造。從上海港對VTS的需求變化，可以窺見未來VTS的發展趨勢。

二、上海港通航環境

上海港擁有遼闊的經濟腹地，港口資源豐富，通航環境復雜，受水流、潮汐、寒潮、大風、霧、臺風等氣象水文因素的影響明顯，是全球通航情況最復雜的港口。

（一）水系和航道分布

上海港水系呈三級分叉、四口入海的局勢，如圖1所示。航道阡陌縱橫，包括黃浦江航道、長江上海段航道、杭州灣航道、洋山航道、北港航道和北支航道，既有自然河流航道，也有人工疏浚航道，其中，人工疏浚航道處于非常重要的地位。目前，VTS尚未覆蓋北港、北支航道以及崇明三島港區水域。

（二）港區分布

如圖2所示，港區主要包括黃浦江港區、寶山羅涇港區、外高橋港區、金山港區、洋山深水港區和崇明三島港區。

圖1 上海港水系分布圖

圖2 上海港港區分布圖

（三）通航設施

上海港現有對航行安全影響較大的通航設施數量較多，其中警戒區10個，錨地和停泊區35個，掉頭區6個。錨地資源緊張，目前均處于過飽和運行狀態。受水流和上游來沙的影響，航道條件呈現不穩定的態勢，水深變化頻繁。除北港和北支水域導助航設施相對欠缺外，其他水域導助航設施基本能夠滿足當前的通航需求。

（四）交通特征

1.流量特征

根據統計，2015—2020年上海港進出港船舶總量總體呈上升趨勢。2018—2019年，上海港船舶流量突破140萬艘次。受疫情影響，2020年上海港進出口船舶總量有所減少，但仍然超過120萬艘次。最高日均流量超過4 700艘次，位居世界前列。

2.通航密度

受潮汐影響，上海港通航密度呈現明顯的“隨潮而動”的特點，如圖3和圖4所示。高通航密度的出現和持續，使得船舶因船間效應和岸壁效應影響而發生事故的可能性增加，給上海港的通航安全帶來了較大的安全隱患。

3.交通流分布特征

受航道分布的影響，上海港船舶交通流分布錯綜復雜，航路交叉區超過25處。內港船舶交通流相對聚集，船舶航跡帶寬度相對較窄；外港水域開闊，交通流分布相對分散，船舶航跡帶寬度相對較寬。在通航分道或船舶定線制水域內，交通流走向與習慣航路一致；通航分道和船舶定線制以外水域，交通流分布相對雜亂，如圖5和圖6所示。

（五）上海港未來對VTS的發展需求

2019年出臺的《交通強國建設綱要》明確提出，加速新業態新模式發展，深化交通運輸與旅游融合發展[2]。結合上海市的發展規劃，未來將進一步提升海空樞紐輻射能力，優化國際集裝箱樞紐功能，支持郵輪、游船、游艇經濟發展，推進郵輪母港和吳淞口國際郵輪碼頭的建設，完善郵輪碼頭配套設施，推進制定郵輪碼頭服務標準[3]。預計至2031年，上海將與倫敦齊肩，成為具有全球航運資源配置能力的世界航運中心。

圖3 長江口深水航道船舶流量隨潮汐變化圖

圖4 南槽航道船舶流量隨潮汐變化圖

圖5 長江口和長江上海段船舶軌跡

圖6 洋山港及其附近水域船舶軌跡

上海港復雜的氣象水文條件、通航條件和通航現狀，已然給上海VTS的監管和服務帶來了巨大的壓力。未來集裝箱樞紐港的建設、郵輪經濟以及新業態模式的發展，要求上海VTS在船舶智能化監控、船舶航行安全保障、事故應急處置等方面具備更高的管理和服務能力。

三、上海原有VTS狀況分析

（一）原有VTS概況

改造前，上海VTS包括吳淞和洋山兩個VTS，二者獨立運行。吳淞VTS負責長江上海段和長江口水域的船舶交通管理工作，洋山VTS負責洋山港區和金山航道及其附近水域的船舶交通管理 工作。雖然都具備信息收集、信息處理、信息評估、信息與助航服務、交通組織及聯合行動等功 能[4，5]，但無法實現互聯。

截至2019年，原有系統運行時間均已超過十年。經過長時間的運行，系統可用率有所降低，2018年系統可用率為84.06%，2019年系統可用率為98.4%，VTS系統年平均可用率已經不能達到99.9%的設計要求。

（二）原有VTS存在的局限性

原有VTS系統的基礎架構、處理模型、計算方法、功能以及設備性能等都是基于十多年前的技術條件和用戶需求設計的。經過多年的發展，原有技術條件和設備狀態已經不能滿足當下和未來的使用需求。綜觀上海港的現狀和未來發展需求，原有系統在以下幾個方面存在一定的局限性：

（1）系統功能缺陷和上海港流量增加共同導致目標識別與跟蹤不穩定。原有系統經過連續多年運行，設備老化嚴重，關鍵設備故障頻發，系統穩定性和可用率較低。吳淞VTS原有系統容量為3 500個目標，洋山VTS原有系統容量為3 000個目標，而近年來上海港船舶交通流量的持續增長造成目標數量溢出。二者共同導致目標識別不準確，目標跟蹤不穩定，不能滿足上海港目前和未來對船舶動態監管的需求。

（2） 二者獨立運行無法滿足上海港船舶交通一體化監管的需求。吳淞VTS和洋山VTS原有系統分別采用不同的操作系統和集成設備，彼此間相互獨立，互不兼容，導致數據無法開源，資源共享困難，無法相互容災，存在數據丟失的風險，無法滿足上海港船舶交通一體化監管和VTS智能化發展的應用需求。

（3）原有MIS系統功能單一，智能化水平低，僅具備數據的統計功能，人工維護依賴性強，且無法以直觀的方式為值班工作提供數據決策支持。

（4）VTS數據庫無法與其他海事業務平臺互聯互通。原有系統采用獨立的數據庫，一方面依賴人工維護，工作量較大；另一方面無法與其他海事業務平臺協同互聯，無法自動匹配海事管理關聯信息，使得VTS的智能化發展受到限制。

（5）功能拓展能力差。上海港通航特征的持續變化，以及上海市對?？諛屑~能力發展的規劃，使得VTS的應用需求未來將持續變化。而原有系統不具備需求拓展功能，既無法滿足當前的使用需求，也無法適應未來管理和服務功能拓展的需求。

四、上海VTS升級改造

為優化VTS系統性能，2020年上海海事局在原有VTS系統設備的基礎上，通過增加雷達站和VHF基站配置，接入浙江省和江蘇省臨近雷達站信號，優化感知和通信設備布局，引入新的VTS系統和MIS系統，改進管理模式，加強與相關業務主體的協同互聯等方式，對上海VTS進行了系統升級，其中最為顯著的變化包括以下六個方面：

（1）擴展系統容量，提升目標識別和跟蹤性能。新系統可同時處理2萬個目標，系統的處理能力和響應速度大大提高；結合DF測向系統、CCTV視頻監控等子系統，實現了目標識別的多維化和目標跟蹤的多樣化，目標跟蹤穩定性大幅度提升。

（2）優化MIS功能矩陣，實現VTS運行和管理數據的智能化統計分析與顯示、辦公信息化和數據采集自動化。通過對轄區交通流、通航設施和通航環境的統計分析和直觀呈現，為值班管理提供了強有力的數據和決策支持。通過信息互聯互通和MIS數據庫功能的設計，新系統實現了值班操作、工作考勤和業務流程電子化，保證了良好的可追溯性，在保障了VTS工作效率的同時提升了值班人員的工作紀律性，提高了部門內部考核和管理的客觀性。

（3）優化VTS組織架構，統一操作系統和集成設備，實現了系統數據共享和相互容災。與此同時，系統硬件設備都配置了一定的冗余，系統運行的保障能力和可靠性得到有效提升。

（4）數據互聯互通，提高智能化和協同化水平。新系統通過VTS、VHF、MIS等子系統之間的有機配合，實現了與各海事業務系統的互聯互通和數據的高效流轉。接入船舶報港數據、引航計劃數據、深水航道申報等數據，為科學高效的交通組織工作提供重要的依據。協查船舶、違章船舶和重點跟蹤船舶信息的接入，使得VTS有條件從原來僅關注船舶通航安全動態，向履行海事綜合行政管理方向進行轉變，突出了信息中心和指揮中心的職能，實現從“一個中心（船舶交通管理中心）”向“三個中心”（船舶交通管理中心、數據和信息中心、指揮中心）的轉變。并可以根據用戶需求設置差異化權限等級，為內部用戶和引航站、港務局、航運公司、外輪代理等外部用戶提供數據服務，有效提升了業務主體與VTS之間的協同化水平，有利于促進全要素“水上大交管”的推進和實施。

（5）與鄰近水域的VTS實現交叉覆蓋、無縫連接。新系統接入鄰近水域雷達站信號，實現了與江蘇和浙江水域的交叉覆蓋，有利于區域船舶動態監管和交通組織的一體化管理，有助于強化違法船舶的持續跟蹤和妥善處置，有利于應急處置的區域間協同和應對。

（6）突出人性化設計，工作環境更加健康友好。充分考慮到VTS值班工作的特殊性和個性化需求，采用升降式的值班臺、多維度可調節的座椅、KVM技術下的一鍵多控、無線藍牙耳機等新設備和新技術，通過提升值班人員工作過程中的直觀感受，提高值班效率。

五、未來VTS的發展趨勢

VTS自誕生以來，一直在不斷發展和演變。根據VTS的系統特點和應用目的，結合上海VTS升級改造情況，未來VTS的發展將呈現以下四個方面的特點：

（1）VTS定義和規則框架將持續演變。首先是VTS定義的演變。目前，IMO和IALA相關文件都將VTS目的和實現的技術手段作為VTS的定義[6，7]。隨著通信技術、計算機技術以及人工智能技術的發展，VTS系統的科技含量和智能化水平將不斷提高，監控角度將多維化。VTS功能和性能的提升，也將促進VTS使用需求的擴展。因此，VTS的定義中，其服務范圍、功能效用等方面的內容將進一步拓展，如將人員搜尋救助、水上安保等內容納入其中。其次是法律框架方面的演變?！禨OLAS公約》第5章第12節第3款規定：僅在沿海國家的領海內，VTS才具有強制性[8]。隨著雷達和通信技術的發展，VTS在監管和服務方面的優勢將在IMO認可的重要水道、航道、海峽等水域（即使這些水域在領海外）或重要的內河水域得以充分發揮。與此同時，世界各國關于VTS的法律法規等規則也將隨著VTS內涵和應用的改變而演變。

（2）VTS的管理和運行更加高效。在構建“陸?？仗臁币惑w化水上交通運輸安全保障體系和打造全要素“水上大交管”新格局的背景下，VTS的管理將向區域協同化和立體化轉變。相鄰VTS的有效協同與合作不僅有助于信息互通、監管互動、資源共享海事監管體系的建設，還有助于綜合航海保障能力和海上應急救援能力的提升。此外，VTS運行理念將持續轉變。目前，各國VTS的運行理念主要以服務為主，VTM的概念已經產生，在MIS系統的數據和信息的支持下，未來VTS中心的服務將向“基于VTS-MIS的服務+管理”的模式轉變。

（3）應用技術更加智能化，系統突出個性化。首先，VTS作為現代化的信息集成系統，伴隨技術進步持續更新是必然的。隨著5G技術、區塊鏈、大數據、人工智能等科技創新，以及無人船、e-航海等領域的進步，VTS在智能化和互聯互通等方面的發展未來可期。其次，VTS系統的個性化定制。VTS作為智慧港口的重要支撐，未來將進一步強化根據不同水域的通航特點個性化定制VTS系統、信息顯示和自動預警等方面的功能。第三，MIS系統的定制開發與應用。MIS系統作為VTS系統的重要組成部分，在大數據、智能船舶和無人船的發展背景下，系統設備所收集的數據類型越來越多，數據量越來越大，數據對VTS運行和管理的推動效應未來將越來越顯著，結合運行和管理需求個性化定制MIS系統實施數據整理、存儲、計算、統計和分析，未來也將進一步強化。

（4）人員適任將面臨新的挑戰。伴隨著新技術、新設備和新功能的應用，VTS值班人員不僅需要適應操作原則方面的變化，還需要適應規則適用方面的變化。尤其是無人船的發展，將會對VTS與傳統船舶之間的關系產生顛覆性的影響，而現行的操作原則和適用規則都是基于傳統船舶制定的，VTS從業人員為適應新業態的發展將面臨新的挑戰。

六、結語

VTS系統是時代的產物，也推動著時代的進步。不同的時代將賦予其不同的內涵，也對其提出了不同的時代要求。VTS系統作為船舶交通管理領域的重要組成部分，其核心職能是通航安全評估和風險管理，目的在于更有效地發現風險源和應對風險。如何更有效地實現VTS的運行和管理效能，將是VTS發展與演變過程中永恒的話題。隨著信息技術的發展和VTS智能化水平的提升，VTS系統也將步入“大數據”時代，數據在未來綜合交通管理和規劃中將發揮更加重要的作用，VTS數據和信息中心的地位也將更加凸顯。