海上電子公路
101/05/08
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張淑淨｜
臺灣海洋大學通訊與導航工程學系
1912年的鐵達尼號沉船事件催生了「海上人命安全國際公約」，但直到今日，雖然科技發展已不可同日而語，但如何從法規、技術與人的層面，建構一個安全而有效率的航行環境，仍是國際共同努力的重要課題。
結合全球衛星定位系統（global positioning system, GPS）與電子地圖的導航系統，已逐漸成為汽車與智慧型手機的標準配備，但最早開始發展並應用這項技術的其實是航海。
早在二十多年前GPS還沒達到24顆衛星的初步運作能力時，加拿大、挪威等國家就已經開始設計電子海圖系統的雛形，進行各種應用構想的海上試驗。國際海事組織依據各國的試驗結果於1995年通過設備的性能標準，正式名稱是「電子海圖顯示與資訊系統」（electronic chart display and information system，簡稱ECDIS），ECDIS被視為繼雷達之後再次的航海技術革命。但這革命之路實在漫長，雖然2012年ECDIS將開始正式成為「海上人命安全國際公約」中強制船舶安裝的配備，還是有許多尚待解決的問題。
「海上人命安全國際公約」要求各船旗國政府確保該國國輪的建造、配備與操作都符合航行安全的標準，也明訂沿岸國政府應盡的責任。要求之一是船舶必須依其預定航程攜帶充分的海圖與航海刊物（潮汐表、燈塔表等），並隨時改正更新。
航海圖呈現了海道測量的成果，累積了航海人員的海域航行經驗，也標繪著沿岸國的助導航設施服務或航行限制規則。航海人員在海圖上規劃航路，並且以圖載資訊搭配潮汐表等刊物預先檢查航路的安全性。航行中隨時對照各種航儀資料，在海圖上量測、繪算、標註本船航跡，並評估將遭遇的環境狀況，以及是否有偏離航道或擱淺觸礁的危險。愈接近沿岸與港口，可以安全航行的範圍愈有限，愈需要更精確且詳細的海圖。
然而紙海圖標繪的圖徵資料受圖幅限制，而且比例尺愈小圖徵的精確度愈差，例如小島或礁石在小比例尺海圖上可能縮小成一個點，甚至省略消失，因此每趟航程需要用到不同比例尺且範圍互相重疊的海圖。航海人員還得依照收到的「航船布告」逐一改正相關海圖，使其維持在最新也最正確的狀態，並在不同比例尺的紙海圖之間規劃航路、標繪航跡，而從各航儀讀取的數值也必須以人力整合判讀。這些過程不僅容易疏忽出錯，航海人員一旦遇到緊急情況，甚至多個航儀同時發出警報時，他們的忙亂與壓力可想而知。
船舶自動化使船舶人力配置隨之精簡，但船舶大型化、高速化，以及航行密度的提高，使航海人員的工作負荷與壓力增大，面對危機的反應時間縮短。幾乎所有統計資料都指出，至少50％的海上事故是因人員失誤而起的，另有30％的事故是應可避免卻因人員疏失而發生的。
根據國際海事組織，E化航行是「利用電子方式調和船上、岸上，以及船岸之間海事資訊的蒐集、整合、交換、呈現與分析，強化與航行相關的服務，提升海上安全、保安與海洋環境的保護」。因此，E化航行能減低航海人員的工作負荷及壓力，避免人員疏失，而它的首要關鍵在於以「電子海圖」取代傳統紙海圖。
所謂「取代」，除了要能像紙海圖一樣可靠地表達海圖資訊以外，也要能減輕航海工作負荷，使航海人員能以更省時方便的方式，執行目前在紙海圖上執行的所有海圖作業，以減低人為疏失，提高航行安全與效率。因此電子海圖絕對不只是把紙海圖掃描成影像檔，而必須是人與電腦都能輕鬆看懂並運用自如的一套資料庫與系統。
最後被國際公約認可（可合法取代紙海圖）的是使用「官方發行的國際標準電子海圖」的ECDIS系統。這是融合多種跨領域專家知識的系統，是從空間與物件屬性資料模型、資料結構、資料傳輸與自動更新、不同環境光線下都清晰可辨的色彩符號、各類資訊的篩選顯示規則、人機介面、品質檢核、資料安全等的設計都以航行安全為最高原則，可以介接定位系統、測速儀、電羅經、雷達、船舶自動辨識系統等多種航儀資訊，即時分析提供決策支援的地理資訊系統。
在這樣的設計下，當航海人員旋轉ECDIS的地球儀，框選區域或選擇港口時，系統就會依縮放範圍自動載入適當比例尺的電子海圖。接著可以從現有的航路網絡中，選擇預定航路或直接在海圖上設定轉向點或目的地，選擇各轉向點之間的航法，而不必考慮換圖接圖的問題。
系統可以依據船的水深、高度和航行誤差安全值，自動以最大比例尺的海圖資料檢查目前選定航路的安全性，凸顯（標示）出航路沿線設定範圍內可能的淺灘、暗礁或過低的橋梁電纜等其他礙航危險，以供調整規劃航路後重新檢查，避免因為海圖畫面沒顯示或人員疏漏而導致危險。
在自動更新方面，系統的海圖資料可以透過衛星通訊等方式接收更新檔，由系統自動執行海圖改正或更新版本。另外，當規劃的航路不得不經過一些只有在漲潮時段才能安全通過的水域時，系統的航路檢查功能可設計結合潮汐表和航程估算，以到達這個水域時的潮汐水位來評估航路計畫的安全性。
航行中，ECDIS系統可依船上的GPS定位自動載入適當海圖，放大時還可以依據船的長寬、GPS天線和艏向（從電羅經取得）以真實比例顯示船形，以呈現本船與周遭礙航危險的空間關係，對於安全通過狹窄受限水域特別有用。
電子海圖擺脫了紙張大小的限制，雖然在顯示上還是受限於螢幕視窗，依然必須篩選資訊，卻可以要求系統持續執行全面監視分析，並且依據船的條件自動調適資訊的篩選顯示。ECDIS的航路監視功能正是依據船的航向航速與動態特性，推估一段時間內可能走的航跡或區域（通常是個扇形，角度依設定和轉向情形而定），並隨時以電子海圖資料庫分析是否進入限制區或有擱淺、觸礁等危險。
此外，系統除了可以把從船載自動辨識系統或雷達偵測到的動態目標（周遭船舶）顯示在海圖上之外，還可以計算是否可能與本船碰撞，以適時發出警告。
這樣的電子海圖系統，因為符合需求而且確實有提升航行安全與效率的效益，所以不必等到法規要求，大部分商船就已安裝。可惜有些船舶採用的系統功能未能達到上述設備標準；有些沿岸國仍缺少技術或經費製作並維護電子海圖；GPS也需要有岸上的參考系統提供輔助修正與監測，才能滿足近岸或通過狹窄水域時準確可靠的定位要求，並且在偵測到衛星出問題時於10秒內警告船舶。
在船員缺乏適當訓練，不了解系統原理與限制的情形下，已發生多起因為過度依賴或誤解系統而導致的災難，彷彿是1950年代「雷達輔助碰撞」事件的重現。
「海上電子公路」的概念，就是以重新掃測繪製的電子海圖，在船載系統上呈現可安全航行的道路，由岸端傳送GPS的輔助修正訊息，讓船舶精準可靠地定位航行，同時把岸上監測與預測所得的船舶動態和潮汐海流風浪等，相當於把路況的資訊，即時傳送給船上的系統整合，以應用於航行決策。
目前最主要的區域「海上電子公路」計畫，就是由聯合國國際海事組織主導，世界銀行資助，在麻六甲至新加坡海峽這個壅塞狹窄又牽涉多國的重要通道上進行。目標是以這樣的基礎建設，預防事故的發生，並用於搜救、溢油防控與海嘯預警等緊急應變。
研究顯示，在決策過程中若有另一人協助檢查，可以讓人員的可靠度提高10倍。ECDIS相當於船上另一航行當值船員來協助檢查，各港口或沿岸設置的「船舶交通服務」則可看成是以更精確充分的環境監測資訊協助各船的另外一個人。
無論是船舶或岸上負責航行安全的人員，都需要更現代化的裝備、更可靠好用的海上導航通訊技術，以提供最佳決策支援、增進航行安全並減少錯誤。但如果科技在缺乏協調的情況下持續進展，很可能會因為缺乏標準化，船舶或船岸之間不一致而增加不必要的複雜度，使人員與科技間的落差更大而帶來風險。
為此，國際海事組織正在擬訂「E化航行策略」的實行計畫，除了推動各區域「海上電子公路」的建置之外，更希望從法規、技術與人的層面建構一系統架構，以人機介面、船載設備間、船舶之間、船與岸之間的多方整合強化，避免單一疏失造成災難。
