在全球氣候變暖的大背景下，北極地區正經歷著前所未有的變革。海冰的快速消融不僅改變了北極的生態環境，也為全球航運業帶來了新的機遇與挑戰。北極航道，尤其是東北航道，因其獨特的地理位置和潛在的通航價值，逐漸成為各國競相探索的熱點。
然而，極地環境的復雜多變，使得北極航線的規劃與運營充滿了未知與風險。正是在這樣的背景下，中國科學院西北生態環境資源研究院冰凍圈科學與凍土工程全國重點實驗室為此研發的RouteView 2.0（北極冰區航線智能規劃）的智能航運系統發布，為北極航線的安全與高效運行提供了強有力的支持。相關論文發表于《環境建模與軟件》期刊。
航線實時規劃系統界面（基于實時提取的浮冰、海霧及船舶結冰分布，評估船舶通航風險，實現船舶航行前方航線的精準規劃與優化調整）。西北生態環境資源研究院供圖。
為何要研發RouteView 2.0
北極航道，被譽為“冰上絲綢之路”，其通航潛力的提升，對于促進國際貿易、加強區域合作具有重要意義。隨著海冰的消融，北極航道的通航窗口期逐漸延長，為我國乃至全球的航運業帶來了前所未有的發展機遇。
西北生態環境資源研究院高級工程師吳阿丹表示：“我國對北極航道的開發利用需求將顯著增強。在此背景下，面向商船開展北極航線規劃的前瞻性研究，實現北極冰區航線智能規劃，具有重要的應用價值。”
然而，機遇總是與挑戰并存。極地環境的極端性，如嚴寒、海霧、浮冰等，對船舶的航行安全構成了巨大威脅。特別是在航線規劃方面，傳統的靜態規劃方法已難以滿足實際需求，亟需一種能夠實時響應環境變化、動態調整航線的智能系統。
“智能航運是未來北極航運的核心趨勢，但當前我國在北極的遙感、助航保障能力與需求存在差距。”吳阿丹解釋道，現如今航道保障缺乏實時高精度浮冰運動數據、航線規劃依賴人工經驗等難點，亟需發展面向極地浮冰運動短臨預報、航線規劃智能方法，滿足航運保障對高分辨率浮冰信息的需求，破解極地航線規劃受限局面。
面對北極航道的復雜挑戰，研究團隊早在2018年便啟動了北極冰區航線規劃系統（RouteView 1.0）的研發工作。經過五年的不懈努力，1.0系統終于問世。
該系統能夠在線實時計算不同條件約束下未來60天東北航道的最優航線分布，為北極船舶的短-中-長期航行規劃提供了科學依據。然而，1.0雖然解決了開航的前瞻性規劃問題，但在實際航行中，航線的動態調整與優化仍是一大難題。
“1.0是我們探索北極航線規劃的第一步，但它并不完美。”吳阿丹坦言，“在實際航行中，現有北極航線規劃模型普遍存在對局部海域環境動態變化響應不足，難以實現復雜極地條件下的實時航線優化與調整因此，我們需要一個更加智能、更加靈活的系統來應對這些挑戰。”
航行場景實時模擬。西北生態環境資源研究院供圖。
獨立浮冰的“千里眼”
正是在這樣的背景下，2.0系統應運而生。作為1.0的升級版，2.0在繼承前代系統優點的基礎上，進行了全方位的創新與升級。該系統創新性地將多源環境要素實時監測技術融入其中，能夠精準識別船舶前方500公里范圍內的獨立浮冰分布、海霧能見度及海浪飛沫結冰等風險因子。通過動態路徑優化算法，實現了航線的自適應規劃與實時調整，顯著提升了極地航行決策的時效性和可靠性。
值得一提的是，在2.0系統中，獨立浮冰的實時監測是一項核心功能。傳統的北極航線規劃模型往往只考慮靜態冰情數據，而忽略了浮冰的動態變化。
“海冰信息資源很難直接應用于船舶航行規劃，技術人員往往需要進一步借助人工分析方法才能提取出更有價值的船舶規劃信息，很難滿足船舶航行高時效性的要求。”
吳阿丹解釋，在北極航道中，獨立浮冰的快速移動往往能在短時間內改變通航環境，對船舶航行構成嚴重威脅。研究團隊將影像預處理、浮冰圖像識別等關鍵方法與模型集成到大數據計算環境，實現了船舶航行前方浮冰信息的實時提取，解決了浮冰信息提取靈活性差、實時性低的問題。在2.0系統中通過構建次公里級獨立浮冰在線計算框架，突破了傳統千米級冰情數據的粗分辨率限制，實現了東北航道浮冰分布的實時動態解析。
“我們利用深度學習模型，對浮冰的運動軌跡和速度進行了實時監測。”吳阿丹介紹道，“這樣一來，船舶就能提前知道前方是否有浮冰障礙，從而及時調整航線，避免碰撞。”
除了浮冰外，海霧也是北極航道中的一大隱患。海霧的形成往往伴隨著能見度的急劇下降，給船舶航行帶來極大的安全隱患。2.0系統集成了Polar WRF數值模型，實現了對海霧形成、發展及影響區域的精細化反演。通過高分辨率的海洋邊界數據和精細化地形資料，系統能夠準確刻畫船舶航線前方500公里范圍的熱力梯度和海陸風過程，從而提升對海霧發生位置和范圍的模擬能力。
“在海霧高風險區域，系統會自動調整航線，避開能見度低的區域。”吳阿丹補充道，“這樣一來，船舶就能更加安全地航行。”
此外，2.0系統的另一大亮點在于其數字孿生技術的應用。通過構建北極航道船舶及航行環境的三維實景模型，系統能夠實時接入浮冰、海霧等模型計算數據，實現東北航道局部海域船舶航行的沉浸式展示。這種全新的航線規劃可視化手段，不僅提高了決策效率，還增強了船員對航行環境的直觀感知。
“在數字孿生系統中，船員可以像玩游戲一樣直觀地看到航線的變化和風險因子的分布，還可以實現高分辨波浪（如風浪與涌浪）的實時合成。”吳阿丹形象地比喻道，“這樣一來，他們就能更加快速地做出決策，確保航行的安全。”
同時，系統建立了人機協同的智能決策閉環，既保留了船長經驗判斷的寶貴財富，又通過算法持續學習優化風險預測模型，如同一位不斷進步的學徒。
RouteView 2.0的展望與挑戰
“2.0系統在航線規劃上展現出了強大的能力。它擁有“戰略”級與“戰術”級雙重規劃模式。”吳阿丹表示，“戰略”級規劃，如同一位高瞻遠矚的指揮官，提前10-20天為船舶規劃出最優航線分布，就像為航行繪制了一張宏觀的藍圖。而“戰術”級規劃則更像是一位靈活機動的戰士，在船舶航行過程中，實時精準地規劃與優化調整前方最優航線。
然而，2.0系統在極地航運領域的應用推進并非一帆風順，它面臨著雙重挑戰。極地航海人員長期依賴傳統導航經驗，對新系統的人機交互界面與多源數據整合功能感到陌生，需要接受適應性訓練。特別是要掌握突發狀況下的系統干預能力，這對于資深船員群體來說，就像讓他們放棄熟悉的武器，去學習使用全新的高科技裝備，技能轉型的要求極高。
與此同時，傳統航運企業在系統部署過程中也困難重重。船舶設備數字化基礎薄弱、船岸系統兼容性不足等問題，就像一道道難以跨越的溝壑。企業既要重構航行管理流程，又需平衡智能化升級的投入產出比，這些因素如同沉重的枷鎖，可能影響系統的推廣進度。
為了加速2.0系統的應用落地，研發團隊將發展高精度衛星反演和通信、物聯網邊緣計算及AI大語言模型等關鍵技術，進一步提升系統的智能化水平。同時，聯合中遠海運特種運輸股份有限公司、上海船舶運輸科學研究所有限公司、中國極地研究中心，在技術革新和場景驗證兩個方面發力。在技術革新層面，他們要開發具備自適應能力的智能交互界面，大幅簡化船員操作流程。
“團隊將優先選擇3-5艘北極航線常航船舶進行為期一年的系統實測。他們將實時對比傳統航行與智能規劃模式在燃油消耗、航行時間、風險規避等維度的實際數據，就像兩位實力相當的選手進行一場公平的較量，最終形成具有說服力的效益分析報告，為系統的推廣提供有力的依據。”吳阿丹說。
相關論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2025.106464
本文鏈接：RouteView 2.0：北極新航道“守護神”http://m.sq15.cn/show-11-20948-0.html
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