E-航海航線服務(wù)設(shè)計與實踐

余錦超

摘 要：總結(jié)E-航海項目建設(shè)經(jīng)驗，闡述E-航海航線服務(wù)設(shè)計規(guī)范和技術(shù)細(xì)節(jié)，說明E-航海航線服務(wù)的實際應(yīng)用場景。

關(guān)鍵詞：E-航海 航線服務(wù) 智能導(dǎo)航

在E-航海時代，高速海上數(shù)字通信將廣泛應(yīng)用，船岸、船船之間將更緊密地連結(jié)在一起。E-航海岸基系統(tǒng)可為船舶提供更準(zhǔn)確更實時導(dǎo)航服務(wù)，船船之間的人工無線語音交流和人工判斷，向人工智能協(xié)商轉(zhuǎn)變。航線服務(wù)是E航?；A(chǔ)服務(wù)之一，通過航線服務(wù)可使船舶間航行意圖互知，實現(xiàn)智能船舶避碰，支撐無人船技術(shù)發(fā)展；同時，主管部門可以掌握船舶航行計劃，使得安全監(jiān)管和生產(chǎn)調(diào)度更加科學(xué)高效。船舶航行全球性要求航線服務(wù)必須符合國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，這是IMO/IHO HGDM工作組正在積極開展的工作。

1.航線服務(wù)E-航海技術(shù)服務(wù)規(guī)范

航線服務(wù)規(guī)范遵從IALA G1128《Guideline on specification of e-navigation Technical Services》的有關(guān)要求，按照航線服務(wù)的規(guī)范模型、技術(shù)方案、實例模型等三部分進行定義說明。這三部分逐步從抽象向?qū)嵗?、具體化、可用化演進。航線服務(wù)規(guī)范參考“海事互聯(lián)互通平臺（MCP）”模式，采用REST服務(wù)架構(gòu)的數(shù)據(jù)接口進行交互。

2.航線服務(wù)數(shù)據(jù)模型

IHO S-421是E-航海航線服務(wù)數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)，目前正在參考IEC61174-2015標(biāo)準(zhǔn)進行起草修訂，預(yù)計在2020年發(fā)布。按照IEC61174-2015標(biāo)準(zhǔn)，航線服務(wù)數(shù)據(jù)模型由航線數(shù)據(jù)，航行計劃、航線信息等部分組成。以航線服務(wù)數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)，開發(fā)出三個重要的應(yīng)用功能，分別是航線推薦、航線檢查、航線交換。下文將重點詳述這三個航線服務(wù)應(yīng)用功能。

2.1航線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫

航線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采用“航線段組”來構(gòu)建，每個航線段由起點航路點、終點航路點和兩點之間的折線構(gòu)成。航線段的空間坐標(biāo)表達采用開放地理空間聯(lián)盟（OGC）制定的WKT方式。多個航線段的起點和終點互相連結(jié)，構(gòu)成整個航線網(wǎng)絡(luò)。只有航線段組的起點和終點才參與航線推薦尋路算法。

在現(xiàn)實環(huán)境中，雖然小型船舶可以安全地航行在大中型船舶的習(xí)慣航線上，但是小型船舶和大中型船舶的微觀航路具有較大差異。這個差異主要是由于小型船舶的航路在滿足安全性的基礎(chǔ)上更加經(jīng)濟。為了滿足不同大小船舶航線推薦尋路的需要，按照船舶VL=長×寬的經(jīng)驗值作為分級標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建適航不同大小船舶的7個等級航線網(wǎng)絡(luò)，分別為第一級：VL >320×45；第二級：180×32< VL≤320×45；第三級：120×22< VL≤180×32；第四級：90×18< VL≤120×22；第五級：65×15< V L≤9 0×18；第六級：50×11< VL≤65×15；第七級：VL≤50×11。

2.2航線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫制作

對AIS船舶航行軌跡進行數(shù)據(jù)分析，按照2.1所述提取不同船舶等級的軌跡分布，通過對軌跡最大密度提取和海圖數(shù)據(jù)的安全性比較，確定不同等級的航線軌跡空間分別。為了支持尋路算法運行，對于航線軌跡進行航線段化。通過航線段構(gòu)建航線網(wǎng)絡(luò)步驟如下：第一，設(shè)置航線段的空間數(shù)據(jù)。將航線軌跡分叉位置作為航線段的起點和終點，航線段內(nèi)的空間折點為航線段中間點。第二，設(shè)置航線段的其他參數(shù)，主要包括航線段的單（雙）向?qū)傩浴⒑骄€段左右側(cè)安全距離、前后安全距離、安全深度、限高數(shù)值、適宜航速、適航船舶類型等等參數(shù)。航線網(wǎng)絡(luò)通過空間數(shù)據(jù)圖形化顯示如圖一所示。

3.航線推薦

航線推薦是航線數(shù)據(jù)模型應(yīng)用之一，按照用戶航線請求做出正確的最佳尋路計算，并以正確的推薦航線數(shù)據(jù)返回給用戶。航線推薦服務(wù)建立在航線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，按照航線服務(wù)規(guī)范的定義提供標(biāo)準(zhǔn)請求接口，航線尋路算法推薦出最佳的航線結(jié)果，從接口返回給用戶。

用戶請求航線推薦服務(wù)，需傳入船舶MMSI、吃水、高度、起點坐標(biāo)、終點坐標(biāo)、計劃航速、計劃起航時間、計劃抵達時間等參數(shù)。航線推薦服務(wù)根據(jù)下文3.1、3.2、3.3所述方法尋路計算推薦航線依次經(jīng)過的航線段組，并將每個航線段分解為依次相連的航路點組，最后將航線點組數(shù)據(jù)編序返回給請求用戶；同時，航線推薦服務(wù)根據(jù)請求航線的計劃時間、計劃航速等計劃相關(guān)參數(shù)，自動附帶提供與航線相關(guān)的海上安全信息。不同的航線請求傳入?yún)?shù)將導(dǎo)致不同航線推薦結(jié)果，例如船舶吃水深度從3米修改為6米，系統(tǒng)推薦出不同的航線如圖二所示，下文將闡述航線推薦的方法。

3.1航線網(wǎng)絡(luò)等級和通航條件預(yù)篩選

使用與船舶對應(yīng)等級的航線網(wǎng)絡(luò)推薦航線，可以獲得符合該船舶的最佳航線。由于分級航線網(wǎng)絡(luò)縮小了每次尋路算法的運算規(guī)模，可以縮短推薦航線的響應(yīng)時間。

在該船對應(yīng)等級的航線網(wǎng)絡(luò)中，可能部分航線段不能滿足該船關(guān)于吃水、限高、航道寬度、限速、適航船種等的航行安全要求。因此，在運行推薦航線算法前，可預(yù)先過濾掉不滿足該船航行安全要求的航線段，只將適用航線段先緩存到計算機內(nèi)存中，作為本次推薦航線可用的內(nèi)存航線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫。該船的航線尋路運算在此臨時的內(nèi)存航線數(shù)據(jù)庫中展開。這種過濾處理，減少參與尋路算法的航線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，可以加速航線推薦的響應(yīng)速度。

3.2Dijkstra尋路算法

由于預(yù)先繪制的航線網(wǎng)絡(luò)全面覆蓋通航水域，網(wǎng)格尋路算法是主要的航線推薦方式。通過對Dijkstra、A*、Best-Frist-Search、JumpPoint-Search等常見的網(wǎng)格尋路算法進行各種場景的對比試驗，Dijkstra尋路算法具有最經(jīng)濟最可靠的結(jié)果，而且在海上航線網(wǎng)絡(luò)規(guī)模并非特別大的情況下，航線推薦響應(yīng)速度仍能滿足。在復(fù)雜航行水域中，Dijkstra尋路算法在3.2和3.3小節(jié)描述的前提下運行，可在不超過1秒的響應(yīng)時間內(nèi)獲得正確航線推薦結(jié)果。Dijkstra尋路算法可以較好地解決起航點和終點位置在航線網(wǎng)路附近的航線推薦問題。

3.3繞障尋路算法

船舶起航點很可能并不處于航線網(wǎng)絡(luò)之上，繞障尋路算法就可以獲得接入航線網(wǎng)絡(luò)的最佳路徑。繞障尋路算法并不能只考慮與航線網(wǎng)絡(luò)距離最短，因為航線網(wǎng)絡(luò)最近節(jié)點，距離終點可能有較長的路線。

繞障尋路算法原理如下：第一步，就是將目的點和附近一定范圍內(nèi)的航線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行連線。該連線可能穿越了陸地、水深不足區(qū)域，以礙航物的安全邊沿作為節(jié)點進行再次與起點和終點進行連線，假如連線再次穿越了礙航物，類似上述方式再次迭代，最終找出安全通往航線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的路線，這時可能獲得多個可供選擇的航線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點；第二步，將多個候選航線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點到終點Dijkstra最短路徑距離與第一步中繞障尋路距離進行累加，獲得整體上最短路徑的安全航線。

4.航線檢查

航線檢查是航線數(shù)據(jù)模型應(yīng)用之一。由于推薦航線可能會被用戶修改，或者存在自行人工繪制的航線，為了保證人工處理航線的安全性，設(shè)計三種航線檢查，分別是電子海圖要素航線檢查、海上安全信息航線檢查、航行規(guī)則航線檢查。

4.1電子海圖要素航線檢查

通過航線與電子海圖危險或特定要素的空間對比，識別航線安全通航條件不足、違反航行規(guī)則的航線部分，向用戶返回航線存在的風(fēng)險。電子海圖數(shù)據(jù)目前采用S57標(biāo)準(zhǔn)，在未來更新為S-101標(biāo)準(zhǔn)。如圖三所示，航線檢查結(jié)果指出該航線穿越水深不足的DEPARE（等深區(qū)），以及在分道通航制分道（TSSLPT）中逆行。

4.2海上安全信息的航線檢查

海上安全信息對船舶航行安全十分重要，可能沒有及時反映在電子海圖上，例如短期的航行通警告。因此需要對航線是否靠近或穿越不適航海上安全信息所在區(qū)域進行檢查。海上安全信息具有時間屬性，例如與臺風(fēng)未來路徑時空交叉的計劃航線是危險的，因此對海上安全信息的航線檢查，需要考慮船舶航速和計劃時間，預(yù)計船位是否可能與不適航海上安全信息在時空上重合。海上安全信息的航線檢查向用戶返回航線問題和文字描述，以及影響航線安全的海上安全信息詳細(xì)情況。

4.3航行規(guī)則的航線檢查

在航行復(fù)雜水域，海事部門制定了有助于安全通航的航行規(guī)則指南。將航行規(guī)則指南作為航線檢查內(nèi)容之一，可為船舶提供更豐富全面的助航信息。航行規(guī)則的航線檢查主要產(chǎn)生兩類結(jié)果，第一類是危險警告，例如對于航線穿越“禁航區(qū)、施工區(qū)、受限區(qū)域”或在“定線制”逆行，檢查結(jié)果提示航線存在嚴(yán)重風(fēng)險；第二類是指引提示，航線正常穿越“航道轉(zhuǎn)向、定線制、警戒水域、限速區(qū)域、錨地區(qū)域”，檢查結(jié)果提示航行方法須知信息。

5.航線交換

航線交換是航線服務(wù)數(shù)據(jù)模型最重要的應(yīng)用。通過航線交換讓船船之間互相了解對方航行意圖，可大大節(jié)約船舶會遇溝通成本，降低船舶碰撞風(fēng)險，具有重要的實用價值。航線交換的前提是船舶設(shè)置了計劃航線，啟用航線并沿計劃航線航行。基于現(xiàn)有通信方式，航線交互可以通過移動互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（即IP網(wǎng)絡(luò)）或AIS/ VDES的ASM通信方式實現(xiàn)。航線交換的應(yīng)用終端包括ECDIS/ECS或APP。

5.1航線交換狀態(tài)控制

為了保證航線交換數(shù)據(jù)的實用價值，通過多個狀態(tài)參數(shù)來控制航線交換的時機和內(nèi)容。

航線有效性：應(yīng)用終端使用計劃航線開始進行導(dǎo)航，意味著計劃航線啟用生效。只有處于有效狀態(tài)的航線才能參與航線交換，而失效或完成的航線則不再參與航線交換。航線失效或完成有以下多種可能情況：第一種，用戶主動設(shè)置航線失效或完成；第二，船舶按照航線導(dǎo)航，最終抵達目的地，航線交換自動完成結(jié)束；第三種，船舶偏離航線一定距離L并超過一定時間T1，認(rèn)為航線失效；第四種，應(yīng)用終端TCP/IP連接離線超時T2，并且ASM航線交換信息播發(fā)暫停超時T3，認(rèn)為航線失效。L、T1、T2、T3等參數(shù)均可調(diào)節(jié)設(shè)置。

航線共享性：為了充分尊重船舶用戶航線交換的決定權(quán)，用戶可以選擇是否設(shè)置航線為共享狀態(tài)，只有處于共享狀態(tài)的航線才會參與航線交換，而且每次交換共享的航路點數(shù)量或航行距離也可由用戶設(shè)置控制。

空間相關(guān)性：通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的航線交換，是查詢以本船為中心一定半徑以內(nèi)的附近船舶實時導(dǎo)航共享的“交換航線數(shù)據(jù)”。在本船航行中附近船舶不斷變化，與本船航線交換的其他船舶都是空間上密切相關(guān)的。

時間相關(guān)性：“交換航線數(shù)據(jù)”只限制在未來一定時間或一定航路點數(shù)量內(nèi)。接收到的“交換航線數(shù)據(jù)”只在一定時間內(nèi)保持有效，超時的“交換航線數(shù)據(jù)”將自動失效和主動刪除。只有通過不斷查詢更新才能獲得最新的“交換航線數(shù)據(jù)”。

5.2IP網(wǎng)絡(luò)航線交換

只有航線狀態(tài)滿足5.1小節(jié)所述才可以進行航線交換。通過IP網(wǎng)絡(luò)的航線交換，只可以獲得本船附近船舶同意公開的一定時間內(nèi)的航路點信息，目的是控制航線數(shù)據(jù)有限度交換，保障船舶航行計劃不會被無限公開，保護船舶的商業(yè)利益。航行過程中，用戶終端只有不斷周期請求，才可以獲得附近其他船舶“交換航線數(shù)據(jù)”的更新信息。當(dāng)原先“交換航線數(shù)據(jù)”的船舶相互遠(yuǎn)離，查詢范圍超過附近的距離閾值，將不再獲得到該船的“交換航線數(shù)據(jù)”，本地終端之前緩存的“交換航線數(shù)據(jù)”將在一定超時后自動消除。

5.3ASM自主航線交換

隨著通信距離增大，LTE等高頻信號通信質(zhì)量快速降低。頻率較低的AIS/VDES是解決海上通信的有效可選方案。船載ECS/ECDIS可以控制AIS船載設(shè)備按照ITU-1371.5 ASM的12#消息或VDES船載設(shè)備按照ITU-R M.2092-0 ASM的2#消息進行廣播未來一定時間內(nèi)即將到達的計劃航線航路點?！敖粨Q航線數(shù)據(jù)”按照IMO SN.1 /Circ.289導(dǎo)則進行封裝，處于航線交換狀態(tài)的ECS/ ECDIS按照小于“交換航線數(shù)據(jù)”航程時間的周期，自動播發(fā)ASM消息。附近船舶支持上述標(biāo)準(zhǔn)的ECS/ ECDIS就可以把消息正確解析并顯示在電子海圖界面上。對于同一艘船舶“航線交換數(shù)據(jù)”，ECS/ECDIS每接收到最新一次的ASM，即把上一次接收到的ASM航路點信息顯示刪除。

圖四顯示兩船進行航線交換的情形，通過IP網(wǎng)絡(luò)和ASM的航線交換數(shù)據(jù)同時顯示在一起。實線是IP網(wǎng)絡(luò)的航線交換數(shù)據(jù)，已經(jīng)航經(jīng)的計劃航線顯示為紅色，并在一定時間內(nèi)消除，未來航線部分顯示為墨綠色；標(biāo)簽點是ASM的航線交換數(shù)據(jù)，每次收到新ASM即覆蓋上次的ASM航線交換數(shù)據(jù)。通過航線交換，兩船可互知對方航行意圖，若存在碰撞風(fēng)險可以提前采取避碰措施。

6.航線服務(wù)應(yīng)用

6.1船舶碰撞風(fēng)險自動識別

傳統(tǒng)的ECDIS以本船為中心對一定范圍內(nèi)附近船舶進行DCPA/ TCPA計算，當(dāng)雙方船舶距離較遠(yuǎn)，航艏向、對地航向、航速、船位坐標(biāo)等參數(shù)在實時變化的時候，傳統(tǒng)的DCPA/TCPA計算方法容易出現(xiàn)漏判或者錯判。

航線交換可以實現(xiàn)更高效的船舶避碰。當(dāng)兩船均在各自的計劃航線上航行，兩船ECS/ECDIS均可以接收到對方“交換航線數(shù)據(jù)”。當(dāng)他船與本船的計劃航線在時間和空間上存在過分接近的情況，即可提醒駕駛者采用避讓措施。由于“航線交換數(shù)據(jù)”可以獲知更遠(yuǎn)距離船舶的航行意圖，一般可以比DCPA/TCPA更早更準(zhǔn)確地預(yù)知碰撞風(fēng)險。

6.2航線微調(diào)自動協(xié)商避碰

在E -航海發(fā)展中，不再局限于目視會遇態(tài)勢經(jīng)驗判斷，船船之間可以通過實時航線交換互知對方航行意圖，雙方人工智能終端以此進行避碰自主協(xié)商，通告對方知曉本船將采取的避讓航線，經(jīng)過雙方自動確認(rèn)或人工確認(rèn)后，由船載導(dǎo)航系統(tǒng)精準(zhǔn)執(zhí)行避讓航線，從而實現(xiàn)高效安全會遇通過，運行模式如圖五所示?；诤骄€交換的船舶避碰技術(shù)出現(xiàn)，將促使《1972年國際海上避碰規(guī)則》開展系統(tǒng)性的重新審視和修訂。

7.總結(jié)

航線服務(wù)是E-航海技術(shù)倡導(dǎo)“泊位到泊位”全程服務(wù)的關(guān)鍵紐帶，可以為船舶提供針對性的導(dǎo)助航服務(wù)，具有十分重要的現(xiàn)實意義。我們將繼續(xù)積極參與航線服務(wù)的開發(fā)和應(yīng)用，努力爭取海事行政部門、船檢機構(gòu)、船載導(dǎo)航設(shè)備廠家、船舶用戶的肯定和支持，通過推進E-航海發(fā)展，進一步保障船舶航行安全，提高船舶航運效益。

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