从上海VTS升级改造谈VTS未来发展趋势

刘 伟 周国祥

一、引言

1948年马恩岛首次将岸基雷达应用于港口导航，此为船舶交通服务（VTS）的雏形[1]。此后，VTS持续发展并得到了广泛应用。VTS的应用与发展极大地提高了船舶的航行效率，保障了航行安全，保护了海洋环境。国际社会对VTS的效能予以了高度认可，国际海事组织（IMO）、国际航标协会（IALA）等国际组织先后通过了一系列决议、建议案和指南等文件以进一步促进和规范VTS发展。

随着技术的进步，VTS经历了从“雷达+VHF”到计算机集成再到智能化的变革，科技含量不断提高，应用领域不断增加。而随着船舶航行安全、环境保护和港口运行效率要求的提高，VTS的应用需求也持续变化，VTS的内涵也将随之改变，与之配套的公约、法规和指南等规范性文件也将持续演进。

上海港作为世界集装箱吞吐量第一大港，通航环境复杂，船舶流量大。上海VTS的运行效率，直接关系着上海港的船舶交通安全和防污染水平以及港口运行效率。由于现有VTS已不能适应港口未来发展需要，上海海事局于2020年对VTS进行了全面升级改造。从上海港对VTS的需求变化，可以窥见未来VTS的发展趋势。

二、上海港通航环境

上海港拥有辽阔的经济腹地，港口资源丰富，通航环境复杂，受水流、潮汐、寒潮、大风、雾、台风等气象水文因素的影响明显，是全球通航情况最复杂的港口。

（一）水系和航道分布

上海港水系呈三级分叉、四口入海的局势，如图1所示。航道阡陌纵横，包括黄浦江航道、长江上海段航道、杭州湾航道、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，人工疏浚航道处于非常重要的地位。目前，VTS尚未覆盖北港、北支航道以及崇明三岛港区水域。

（二）港区分布

如图2所示，港区主要包括黄浦江港区、宝山罗泾港区、外高桥港区、金山港区、洋山深水港区和崇明三岛港区。

图1 上海港水系分布图

图2 上海港港区分布图

（三）通航设施

上海港现有对航行安全影响较大的通航设施数量较多，其中警戒区10个，锚地和停泊区35个，掉头区6个。锚地资源紧张，目前均处于过饱和运行状态。受水流和上游来沙的影响，航道条件呈现不稳定的态势，水深变化频繁。除北港和北支水域导助航设施相对欠缺外，其他水域导助航设施基本能够满足当前的通航需求。

（四）交通特征

1.流量特征

根据统计，2015—2020年上海港进出港船舶总量总体呈上升趋势。2018—2019年，上海港船舶流量突破140万艘次。受疫情影响，2020年上海港进出口船舶总量有所减少，但仍然超过120万艘次。最高日均流量超过4 700艘次，位居世界前列。

2.通航密度

受潮汐影响，上海港通航密度呈现明显的“随潮而动”的特点，如图3和图4所示。高通航密度的出现和持续，使得船舶因船间效应和岸壁效应影响而发生事故的可能性增加，给上海港的通航安全带来了较大的安全隐患。

3.交通流分布特征

受航道分布的影响，上海港船舶交通流分布错综复杂，航路交叉区超过25处。内港船舶交通流相对聚集，船舶航迹带宽度相对较窄；外港水域开阔，交通流分布相对分散，船舶航迹带宽度相对较宽。在通航分道或船舶定线制水域内，交通流走向与习惯航路一致；通航分道和船舶定线制以外水域，交通流分布相对杂乱，如图5和图6所示。

（五）上海港未来对VTS的发展需求

2019年出台的《交通强国建设纲要》明确提出，加速新业态新模式发展，深化交通运输与旅游融合发展[2]。结合上海市的发展规划，未来将进一步提升海空枢纽辐射能力，优化国际集装箱枢纽功能，支持邮轮、游船、游艇经济发展，推进邮轮母港和吴淞口国际邮轮码头的建设，完善邮轮码头配套设施，推进制定邮轮码头服务标准[3]。预计至2031年，上海将与伦敦齐肩，成为具有全球航运资源配置能力的世界航运中心。

图3 长江口深水航道船舶流量随潮汐变化图

图4 南槽航道船舶流量随潮汐变化图

图5 长江口和长江上海段船舶轨迹

图6 洋山港及其附近水域船舶轨迹

上海港复杂的气象水文条件、通航条件和通航现状，已然给上海VTS的监管和服务带来了巨大的压力。未来集装箱枢纽港的建设、邮轮经济以及新业态模式的发展，要求上海VTS在船舶智能化监控、船舶航行安全保障、事故应急处置等方面具备更高的管理和服务能力。

三、上海原有VTS状况分析

（一）原有VTS概况

改造前，上海VTS包括吴淞和洋山两个VTS，二者独立运行。吴淞VTS负责长江上海段和长江口水域的船舶交通管理工作，洋山VTS负责洋山港区和金山航道及其附近水域的船舶交通管理 工作。虽然都具备信息收集、信息处理、信息评估、信息与助航服务、交通组织及联合行动等功 能[4，5]，但无法实现互联。

截至2019年，原有系统运行时间均已超过十年。经过长时间的运行，系统可用率有所降低，2018年系统可用率为84.06%，2019年系统可用率为98.4%，VTS系统年平均可用率已经不能达到99.9%的设计要求。

（二）原有VTS存在的局限性

原有VTS系统的基础架构、处理模型、计算方法、功能以及设备性能等都是基于十多年前的技术条件和用户需求设计的。经过多年的发展，原有技术条件和设备状态已经不能满足当下和未来的使用需求。综观上海港的现状和未来发展需求，原有系统在以下几个方面存在一定的局限性：

（1）系统功能缺陷和上海港流量增加共同导致目标识别与跟踪不稳定。原有系统经过连续多年运行，设备老化严重，关键设备故障频发，系统稳定性和可用率较低。吴淞VTS原有系统容量为3 500个目标，洋山VTS原有系统容量为3 000个目标，而近年来上海港船舶交通流量的持续增长造成目标数量溢出。二者共同导致目标识别不准确，目标跟踪不稳定，不能满足上海港目前和未来对船舶动态监管的需求。

（2） 二者独立运行无法满足上海港船舶交通一体化监管的需求。吴淞VTS和洋山VTS原有系统分别采用不同的操作系统和集成设备，彼此间相互独立，互不兼容，导致数据无法开源，资源共享困难，无法相互容灾，存在数据丢失的风险，无法满足上海港船舶交通一体化监管和VTS智能化发展的应用需求。

（3）原有MIS系统功能单一，智能化水平低，仅具备数据的统计功能，人工维护依赖性强，且无法以直观的方式为值班工作提供数据决策支持。

（4）VTS数据库无法与其他海事业务平台互联互通。原有系统采用独立的数据库，一方面依赖人工维护，工作量较大；另一方面无法与其他海事业务平台协同互联，无法自动匹配海事管理关联信息，使得VTS的智能化发展受到限制。

（5）功能拓展能力差。上海港通航特征的持续变化，以及上海市对海空枢纽能力发展的规划，使得VTS的应用需求未来将持续变化。而原有系统不具备需求拓展功能，既无法满足当前的使用需求，也无法适应未来管理和服务功能拓展的需求。

四、上海VTS升级改造

为优化VTS系统性能，2020年上海海事局在原有VTS系统设备的基础上，通过增加雷达站和VHF基站配置，接入浙江省和江苏省临近雷达站信号，优化感知和通信设备布局，引入新的VTS系统和MIS系统，改进管理模式，加强与相关业务主体的协同互联等方式，对上海VTS进行了系统升级，其中最为显著的变化包括以下六个方面：

（1）扩展系统容量，提升目标识别和跟踪性能。新系统可同时处理2万个目标，系统的处理能力和响应速度大大提高；结合DF测向系统、CCTV视频监控等子系统，实现了目标识别的多维化和目标跟踪的多样化，目标跟踪稳定性大幅度提升。

（2）优化MIS功能矩阵，实现VTS运行和管理数据的智能化统计分析与显示、办公信息化和数据采集自动化。通过对辖区交通流、通航设施和通航环境的统计分析和直观呈现，为值班管理提供了强有力的数据和决策支持。通过信息互联互通和MIS数据库功能的设计，新系统实现了值班操作、工作考勤和业务流程电子化，保证了良好的可追溯性，在保障了VTS工作效率的同时提升了值班人员的工作纪律性，提高了部门内部考核和管理的客观性。

（3）优化VTS组织架构，统一操作系统和集成设备，实现了系统数据共享和相互容灾。与此同时，系统硬件设备都配置了一定的冗余，系统运行的保障能力和可靠性得到有效提升。

（4）数据互联互通，提高智能化和协同化水平。新系统通过VTS、VHF、MIS等子系统之间的有机配合，实现了与各海事业务系统的互联互通和数据的高效流转。接入船舶报港数据、引航计划数据、深水航道申报等数据，为科学高效的交通组织工作提供重要的依据。协查船舶、违章船舶和重点跟踪船舶信息的接入，使得VTS有条件从原来仅关注船舶通航安全动态，向履行海事综合行政管理方向进行转变，突出了信息中心和指挥中心的职能，实现从“一个中心（船舶交通管理中心）”向“三个中心”（船舶交通管理中心、数据和信息中心、指挥中心）的转变。并可以根据用户需求设置差异化权限等级，为内部用户和引航站、港务局、航运公司、外轮代理等外部用户提供数据服务，有效提升了业务主体与VTS之间的协同化水平，有利于促进全要素“水上大交管”的推进和实施。

（5）与邻近水域的VTS实现交叉覆盖、无缝连接。新系统接入邻近水域雷达站信号，实现了与江苏和浙江水域的交叉覆盖，有利于区域船舶动态监管和交通组织的一体化管理，有助于强化违法船舶的持续跟踪和妥善处置，有利于应急处置的区域间协同和应对。

（6）突出人性化设计，工作环境更加健康友好。充分考虑到VTS值班工作的特殊性和个性化需求，采用升降式的值班台、多维度可调节的座椅、KVM技术下的一键多控、无线蓝牙耳机等新设备和新技术，通过提升值班人员工作过程中的直观感受，提高值班效率。

五、未来VTS的发展趋势

VTS自诞生以来，一直在不断发展和演变。根据VTS的系统特点和应用目的，结合上海VTS升级改造情况，未来VTS的发展将呈现以下四个方面的特点：

（1）VTS定义和规则框架将持续演变。首先是VTS定义的演变。目前，IMO和IALA相关文件都将VTS目的和实现的技术手段作为VTS的定义[6，7]。随着通信技术、计算机技术以及人工智能技术的发展，VTS系统的科技含量和智能化水平将不断提高，监控角度将多维化。VTS功能和性能的提升，也将促进VTS使用需求的扩展。因此，VTS的定义中，其服务范围、功能效用等方面的内容将进一步拓展，如将人员搜寻救助、水上安保等内容纳入其中。其次是法律框架方面的演变。《SOLAS公约》第5章第12节第3款规定：仅在沿海国家的领海内，VTS才具有强制性[8]。随着雷达和通信技术的发展，VTS在监管和服务方面的优势将在IMO认可的重要水道、航道、海峡等水域（即使这些水域在领海外）或重要的内河水域得以充分发挥。与此同时，世界各国关于VTS的法律法规等规则也将随着VTS内涵和应用的改变而演变。

（2）VTS的管理和运行更加高效。在构建“陆海空天”一体化水上交通运输安全保障体系和打造全要素“水上大交管”新格局的背景下，VTS的管理将向区域协同化和立体化转变。相邻VTS的有效协同与合作不仅有助于信息互通、监管互动、资源共享海事监管体系的建设，还有助于综合航海保障能力和海上应急救援能力的提升。此外，VTS运行理念将持续转变。目前，各国VTS的运行理念主要以服务为主，VTM的概念已经产生，在MIS系统的数据和信息的支持下，未来VTS中心的服务将向“基于VTS-MIS的服务+管理”的模式转变。

（3）应用技术更加智能化，系统突出个性化。首先，VTS作为现代化的信息集成系统，伴随技术进步持续更新是必然的。随着5G技术、区块链、大数据、人工智能等科技创新，以及无人船、e-航海等领域的进步，VTS在智能化和互联互通等方面的发展未来可期。其次，VTS系统的个性化定制。VTS作为智慧港口的重要支撑，未来将进一步强化根据不同水域的通航特点个性化定制VTS系统、信息显示和自动预警等方面的功能。第三，MIS系统的定制开发与应用。MIS系统作为VTS系统的重要组成部分，在大数据、智能船舶和无人船的发展背景下，系统设备所收集的数据类型越来越多，数据量越来越大，数据对VTS运行和管理的推动效应未来将越来越显著，结合运行和管理需求个性化定制MIS系统实施数据整理、存储、计算、统计和分析，未来也将进一步强化。

（4）人员适任将面临新的挑战。伴随着新技术、新设备和新功能的应用，VTS值班人员不仅需要适应操作原则方面的变化，还需要适应规则适用方面的变化。尤其是无人船的发展，将会对VTS与传统船舶之间的关系产生颠覆性的影响，而现行的操作原则和适用规则都是基于传统船舶制定的，VTS从业人员为适应新业态的发展将面临新的挑战。

六、结语

VTS系统是时代的产物，也推动着时代的进步。不同的时代将赋予其不同的内涵，也对其提出了不同的时代要求。VTS系统作为船舶交通管理领域的重要组成部分，其核心职能是通航安全评估和风险管理，目的在于更有效地发现风险源和应对风险。如何更有效地实现VTS的运行和管理效能，将是VTS发展与演变过程中永恒的话题。随着信息技术的发展和VTS智能化水平的提升，VTS系统也将步入“大数据”时代，数据在未来综合交通管理和规划中将发挥更加重要的作用，VTS数据和信息中心的地位也将更加凸显。