综述：增强现实技术在航海导航中的应用：面向年轻航海者的未来解决方案

《Future Transportation》：Augmented Reality in Maritime Navigation: Future Solutions for Young Navigators Artem Holovan, Vytautas Dubra and Andrii Holovan

　　

本研究探讨增强现实（AR）技术如何设计与集成至航海导航系统，以满足当代社会技术驾驶台环境中年轻航海者的需求。文章采用定性文献研究方法，通过对同行评审期刊论文及会议论文中与AR界面、人员绩效、决策支持和航海培训相关的文献进行结构化分析与综合。现有研究表明，AR通过将导航信息直接叠加至航海者视场中，可提升感知能力与情境意识（Situational Awareness, SA），从而减少低头时间（Head-Down Time, HDT）、改善信息空间对齐，并在低能见度和高交通密度条件下支持作业表现。文献同时指出，AR可视化与共享显示可通过促进驾驶台实时、情境感知的信息交互，支持个体与团队决策。安全效益被识别为感知改进与认知支持的间接结果，而非孤立的技术效应。与此同时，研究结果强调这些效益高度依赖于以人为本的界面设计与适当的培训。研究结论认为，当AR作为融合技术、人为因素与结构化教育的平衡型社会技术系统的一部分进行集成时，其在提升年轻航海者航海导航能力方面具有显著潜力。

1. 引言

航海导航是一个复杂的社会技术系统，操作人员需在动态且通常具有安全临界性的条件下持续与导航技术交互。航海者需要在维持情境意识的同时，感知、解释并对异质信息流采取行动，执行时效性决策，并在驾驶台团队内协调行动。在此背景下，信息碎片化、认知负荷与能见度降低等限制因素仍是导致航行风险与人因事故的持续性诱因。近年来，增强现实（AR）技术通过将数字导航信息直接融入操作人员的感知视场，成为提升航海导航能力的重要方向。与传统驾驶台系统需频繁低头查看多个显示器不同，AR能够将基于传感器的数据、导航提示与情境标注叠加于真实世界环境之上，从而在复杂交通与能见度恶化条件下支持感知连续性、改善信息空间对齐并减少注意力切换。尽管早期实验与模拟器研究已证实AR在航海导航中的技术可行性，但现有研究多聚焦于原型开发与孤立的性能提升，尚未系统阐明技术能力如何转化为稳定的作业效益。当前缺乏将感知增强、认知过程与安全结果在真实航行情境中进行整合的社会技术分析，且培训作为AR系统有效采用的中介因素亦未得到充分探索。因此，本研究以航海导航这一人技交互系统为对象，以AR技术的应用及其对情境意识、决策过程、运营安全与航海者培训的影响为主题，将AR集成视为界面设计、人员绩效与培训实践共同塑造作业结果的社会技术过程。研究旨在探讨AR技术如何设计与集成以提升年轻航海者的情境意识、支持决策过程并改善运营安全，并通过四个具体目标展开分析。

2. 研究方法

本研究采用定性文献研究方法，系统综合AR在航海导航中应用的现有科学知识。研究遵循PRISMA-like筛选流程，于2025年12月至2026年1月期间在Scopus、Web of Science、IEEE Xplore与ScienceDirect数据库中开展结构化检索，检索策略结合自然语言查询与布尔逻辑运算，限定检索字段为标题、摘要与关键词，以提升相关性并控制噪声。文献纳入标准涵盖同行评审期刊论文与会议论文集、明确聚焦AR/VR/MR在航海导航或培训中的应用、关注人员绩效或运营安全，并以英文发表。排除标准包括非航海情境研究、纯技术性AR研究、非同行评审文献与重复记录。经去重、标题摘要筛选与全文评估，最终纳入24项研究进行定性综合。数据分析采用结构化叙事综合法，从AR技术类型、作业或培训情境、方法论途径及对SA、决策与安全绩效的影响四个维度进行归纳，并将发现组织为感知与情境意识增强、认知与决策支持、运营安全与风险缓解三个相互关联的分析维度，同时将培训作为连接AR能力与航海者绩效的中介机制。本研究定位于基于结构化文献综述的概念框架论文，旨在通过异质性实证发现的整合构建解释性框架，而非传统意义上的系统综述或荟萃分析。

3. 航海导航中增强现实的概念框架

基于文献分析，研究构建了AR在航海导航中的整合概念框架，将AR的作用划分为感知与情境意识增强、认知与决策支持、运营安全与风险缓解三个主要方向，并以培训作为AR采纳的整合机制。感知增强为安全导航提供信息基础，认知支持实现对导航数据的解释与决策，安全结果则源于感知与认知的共同改进，三者通过培训实现与航海者能力的衔接。

3.1 通过AR实现感知与情境意识增强

AR主要通过维持外部环境与导航信息之间的感知连续性来提升情境意识。将传感器衍生数据直接嵌入航海者视场可减少传统显示器带来的注意力转移，支持更连贯的空间解读，尤其在低能见度与高交通密度条件下效果显著。研究显示，AR辅助决策支持系统可使操作员反应时间提升超过21%，定向错误率降低27%。然而，感知效益高度依赖视场（Field of View, FOV）、深度感知与投影精度等界面设计参数，有限的视场与错位叠加可能降低感知准确性并引入空间不确定性。技术层面可通过视觉同步定位与地图构建（vSLAM）、全球导航卫星系统（GNSS）与惯性导航数据融合提升港口环境下AR叠加的跟踪鲁棒性与空间稳定性，AR光提示等视觉辅助手段亦可提升受损能见度下的目标检测与空间定向能力。尽管如此，AR感知增强仍受限于空间配准精度与系统稳定性，船舶纵摇、横摇与垂荡等动态运动可能导致虚拟元素与现实参照错位，海面眩光、降水、雾与盐污等环境因素会进一步降低光学透视（OST）与视频透视（VST）系统的传感器性能与视觉清晰度，因此航海者仍需持续对照传统导航仪器进行交叉验证。

3.2 AR赋能的认知与决策支持

AR通过为船员提供共同参照点促进共享情境意识，同时将异质数据整合至统一界面以降低认知负荷，这对依赖集体情境意识的驾驶台团队决策至关重要。AR可将雷达、自动识别系统（AIS）与预测分析等多源数据流整合为统一可视化表征，支持更快速的判读与决策，并可作为混合人-人工智能决策支持系统中算法建议与人类判断的桥梁。实验与现场研究表明，共享AR可视化能够通过提供通用作业图景促进协作决策，情境感知视觉提示可支持预期推理与协调导航行动。总体而言，AR在提升感知连续性、决策协调与安全绩效方面具有显著潜力，但其效益的实现仍需持续的实证验证、审慎的界面设计与结构化的培训整合。

3.3 运营安全与风险缓解结果

AR对运营安全的贡献主要通过其对感知与决策的间接影响实现，而非孤立自动化功能。研究指出，AR可使低头时间减少2.67倍，低头行为发生率降低62%，并使单目标视觉评估时间缩短22.98%，从而显著提升导航信心。实时数据可视化与主动危险预报能力使船长能够在高风险环境中快速做出知情决策，多用户AR特征通过提供雷达、GPS、AIS与摄像头画面的共同视觉语境，将决策从个体解读转向集体情境推理，显著提升共享情境意识。在破冰船协助与编队作业等极端环境中，AR已被证明可通过提升危险意识与协调能力支持更安全的操纵。然而，AR系统在跟踪误差、传感器噪声与环境干扰下的可靠性限制了其独立应用，系统延迟与数据同步滞后亦可能在动态条件下削弱决策时效性。船舶持续运动导致的参照系变化、海面反射与眩光、降水与喷雾对相机系统的遮挡、盐沉积对外部摄像头的腐蚀，均对OST与VST系统构成环境敏感性挑战。硬件层面，头戴式显示器视场受限、亮度与对比度在强光下的不足、对GNSS与惯性测量单元等底层传感器的校准依赖，以及湿度与振动对硬件耐久性的影响，均凸显了稳健系统设计的需求。

3.3.1 AR与国际海上避碰规则（COLREG）的关系

AR对航海导航的益处可直接关联至《国际海上避碰规则》（COLREG）。尽管COLREG未规定具体技术，但其强调人类感知、持续情境意识与及时决策是避碰的基础。AR可通过增强视觉感知与减少低头时间，在技术可行条件下支持规则第5条（瞭望）要求的履行，但必须认识到AR系统存在延迟、错位或临时故障的风险，因此绝不能替代航海者的直接目视观察与判断，而应严格作为补充性决策支持工具，并与传统导航仪器和目视瞭望实践持续交叉验证。AR通过改善相对运动、最近会遇点（CPA）与潜在冲突场景的空间解读，支持第6条（安全航速）与第7条（碰撞危险）所要求的早期探测与持续评估。第8条（避免碰撞的行动）所要求的协同与审慎操纵决策，亦可通过AR支持的共享视觉参照间接促进驾驶台内部沟通与团队协作。AR不改变航海者在COLREG下的法律责任，而是作为强化人因核心的辅助工具。

3.3.2 AR与其他国际海事组织（IMO）监管框架的契合

AR的应用可与国际海事组织（IMO）多项核心监管文书的目标相契合。在安全层面，AR通过提升情境意识、减少低头时间与改善导航信息解读，支持《国际海上人命安全公约》（SOLAS）第V章（航行安全）的实施。在培训层面，AR支持的模拟器与混合现实训练环境有助于落实《海员培训、发证和值班标准国际公约》（STCW）关于胜任力导向培训、驾驶台资源管理（BRM）与压力下决策的要求。AR对异构传感器数据的直观整合亦响应了IMO e-航海战略关于信息统一呈现、减轻信息过载与优化人技交互的目标。此外，AR支持的安全管理与风险识别功能可纳入《国际安全管理规则》（ISM）的实施框架，并通过减少搁浅、碰撞与操作失误间接支持《国际防止船舶造成污染公约》（MARPOL）的环境保护目标。AR应被理解为支持现有IMO规范合规的赋能工具，而非独立的监管解决方案。

3.4 作为AR采纳整合机制的培训

AR的成功集成取决于航海者解读、信任并恰当依据AR信息行动的能力，对年轻航海者而言，针对性培训尤为关键。结构化AR培训需覆盖感知、认知与运营安全三类胜任力：感知胜任力包括解读增强视觉提示、维持有效视觉扫描模式与正确对齐AR叠加层；认知胜任力包括预测性与情境感知信息的解读、多数据源优先级排序与时间压力下的认知负荷管理；运营胜任力包括不确定性下的决策、基于共享AR界面的团队协作，以及在系统可靠性波动下维持安全航行实践。培训实施可采用模块化课程结构，包括AR熟悉与界面交互、AR辅助情境意识与视觉搜索、AR支持决策与风险评估、退化与失效条件下的AR应用、多用户AR与驾驶台资源管理等模块，并结合模拟器练习与绩效评估。场景设计应涵盖视觉搜索、交叉验证练习与退化模式模拟，使学员体验延迟、错位与不完整叠加等受控系统缺陷，以培养批判性评估能力与防过度依赖意识。该培训框架可直接对接STCW公约的胜任力结构，支持瞭望、危险探测、电子海图信息系统（ECDIS）与雷达集成使用、避碰决策及团队协作等核心要求的落实，并通过迭代的用户中心设计持续优化培训内容与评估标准。

4. 讨论

文献分析表明，AR的有效性不取决于技术本身的先进性，而在于其设计与航海者日常作业实践的集成方式。界面设计是决定驾驶台感知连续性、认知负荷与情境意识的关键因素，空间对齐良好的增强信息可促进快速解读并减少注意力碎片化，而设计不当的叠加层则可能增加认知负荷并分散注意力。协作型AR功能因支持共享情境意识与协调决策而具有突出价值，但亦存在过度依赖风险，因此AR应补充而非取代既有航海技能。真实航海环境中的极端天气、海面眩光与船舶持续运动对传感器性能与视觉清晰度构成显著约束，即使微小的跟踪误差也会严重影响AR支持的感知可靠性。现有实验与模拟器环境下的有效性结论不能直接外推至实际作业情境，AR应作为补充工具谨慎实施，航海者仍需以直接观察与传统导航系统为主要情境意识来源。与既往侧重技术分类的综述不同，本研究强调AR在真实作业环境中的社会技术整合，指出其有效性是界面设计、人为因素与结构化培训共同塑造的条件性结果。AR应被明确定位为次级决策支持工具，而非主要导航手段，其集成需遵循以人为本的设计理念，确保冗余性、信息透明度与现有驾驶台系统的兼容性。

5. 结论

本研究将AR置于航海导航这一人、技术与培训实践共同塑造绩效与安全的社会技术系统中进行分析，证实AR不应被视为传统导航系统的替代品，而是增强人类感知与认知处理的先进决策支持界面。结构化文献综合表明，以人为本的AR实施可显著提升感知连续性、减少低头时间，并支持在高交通密度与低能见度条件下对导航信息的连贯解读。AR通过直接将导航提示嵌入视场提升情境意识，并通过实时情境感知可视化支持认知与决策过程，这对依赖共享视觉参照的时效性协作导航场景尤为重要。运营安全效益并非孤立技术效应的产物，而是感知与决策改进的下游结果，包括危险探测能力提升、航行错误减少与风险缓解效果增强。培训在连接AR系统能力与现实安全结果中发挥关键中介作用，模拟器基础、场景驱动与协作式AR培训对培养年轻航海者的感知意识、决策胜任力与对增强信息的适度信任不可或缺。研究支持假设：在航海者接受适当培训的前提下，AR的有效集成可通过改善情境意识与决策过程提升运营安全。AR应作为界面设计、人员绩效与教育不可分割的整合型社会技术框架的一部分予以实施，该框架亦符合COLREG关于瞭望、早期风险探测与及时避碰行动的精神。本研究构建的整合框架为未来实证研究、培训导向AR解决方案的开发提供了基础，有望推动技术创新转化为可持续的航海安全改进。