聚焦智慧航海，助力產(chǎn)業(yè)升級
——以e-航海信息服務(wù)系統(tǒng)為例

◎ 中國運載火箭技術(shù)研究院 曹建文 許 昶 于翀熠

隨著IMO（國際海事組織）提出的“e-航?！睉?zhàn)略進入實施階段，船舶航行領(lǐng)域正在不斷更新完善并陸續(xù)推出國際標準體系，船舶電子領(lǐng)域的產(chǎn)品即將按照新的國際標準實現(xiàn)升級換代，以進一步提升船舶航行領(lǐng)域的信息化水平，提高船舶運行安全水平和監(jiān)管效率。未來5～10年，船舶電子信息技術(shù)領(lǐng)域?qū)⑼瓿尚乱惠啴a(chǎn)業(yè)升級，此次產(chǎn)業(yè)升級在帶來巨大市場商機的同時，也給我國航海領(lǐng)域電子技術(shù)發(fā)展及實現(xiàn)“彎道超車”提供了難得的歷史機遇。

針對我國海上電子信息產(chǎn)業(yè)智能化、自主化的發(fā)展需求，2015年底，中國運載火箭技術(shù)研究院（以下簡稱“火箭院”）聯(lián)合大連海事大學（以下簡稱“大連海大”），圍繞IMO提出的 e-Navigation（e - 航 海/電子航海）方向開展了技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用研究。為加快產(chǎn)業(yè)孵化工作，2017年5月，由火箭院和大連海大聯(lián)合組建的船舶電子信息技術(shù)研發(fā)中心（大連）（以下簡稱“大連中心”）正式運行。大連中心立足于融合航天航海技術(shù)，研究開發(fā)符合國際標準的船舶電子信息系統(tǒng)和滿足不同用戶需求的海上大數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)，力求為船舶航行提供天海一體的信息支持解決方案，同時，推動我國船舶電子信息技術(shù)領(lǐng)域轉(zhuǎn)型升級，維護我國海事領(lǐng)域的信息安全，引領(lǐng)制定國際海事標準。

目前，大連中心主要圍繞e-航海方向，完成了遨海通甚高頻數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)（VHF Data Exchange System，VDES）、遨海云海事信息服務(wù)系統(tǒng)（Maritime Information Service System，MISS）及遨海橋船舶綜合導(dǎo)航系統(tǒng)（Integrated Navigation System，INS）這3類產(chǎn)品的核心技術(shù)攻關(guān)，構(gòu)建了“云—網(wǎng)—橋”一體的e-航海信息服務(wù)系統(tǒng)，并開展了相關(guān)試驗系統(tǒng)部署及推廣應(yīng)用工作，相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)達到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

▲e-航海信息服務(wù)系統(tǒng)總體概念

遨海通VDES

VDES是針對水上移動業(yè)務(wù)領(lǐng)域自動識別系統(tǒng)（Automatic Identif i cation System，AIS）進行加強和升級的一種新型數(shù)字通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)是e-航海的關(guān)鍵核心通信系統(tǒng)，包含AIS、ASM和VDE三項數(shù)據(jù)交換業(yè)務(wù)。AIS作為第一代海上數(shù)字通信系統(tǒng)，不足以支撐現(xiàn)有海上數(shù)字通信業(yè)務(wù)需求，而VDES具有自組織接入和海上寬帶數(shù)據(jù)交換的優(yōu)勢（通信速率由9.6×103bit/s提升至307.2×103bit/s，可容納超過1000個移動節(jié)點），可承擔未來海上船舶航行安全的各類信息交換工作，是目前常用的海上通信（海上數(shù)字通信、商業(yè)陸地數(shù)字通信、商業(yè)衛(wèi)星通信等）中唯一一種用于船-船之間的廣播式數(shù)字通信系統(tǒng)，將是智能船舶和無人駕駛船舶間交通環(huán)境感知及信息交換的基本通信方式。同時，該系統(tǒng)的核心技術(shù)可廣泛應(yīng)用于遇險搜救、災(zāi)難救助、偏遠區(qū)域作業(yè)及特種應(yīng)用等領(lǐng)域，具有十分廣闊的市場前景。

大連中心以國際電信聯(lián)盟（ITU）相關(guān)標準為技術(shù)框架，設(shè)計研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的VDES岸站設(shè)備、VDES船站設(shè)備和VDES管理中心，并持續(xù)跟蹤VDES衛(wèi)星載荷的國際標準進展，后續(xù)將適時啟動VDES衛(wèi)星載荷的研制。

我國幅員遼闊，海岸線長，各海區(qū)分區(qū)管理，多數(shù)船舶通信需要跨區(qū)域進行數(shù)據(jù)交換，為此建設(shè)了數(shù)百座通信基站。為適應(yīng)我國市場需求，在吸納國際研究成果和需求基礎(chǔ)上，大連中心全面設(shè)計了“船—岸—星”一體化的VDES岸基核心交換網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，保證了VDES管理中心在設(shè)計初期就能滿足未來我國復(fù)雜的市場應(yīng)用和國際市場需求。該系統(tǒng)在我國應(yīng)用成熟后，可將其核心技術(shù)成果作為基礎(chǔ)，推進國際航標協(xié)會（IALA）等國際組織制定VDES核心網(wǎng)國際標準。

遨海通VDES采用自組織聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，可實現(xiàn)各終端設(shè)備間的高速數(shù)據(jù)通信，為海上船舶之間的避碰、救助、遇險通信等提供了基礎(chǔ)通信方式；為各類岸基用戶（如海事管理、船東、貨主、海關(guān)、邊檢、港口、保險等）和船舶提供了自主、智能的端到端直接通信和數(shù)據(jù)交換服務(wù)；為全面改善現(xiàn)有海上通信需要人工尋址岸站的問題，提供了有效的解決方案。

截至目前，遨海通VDES已完成樣機研制及測試工作，并在大連和深圳海域建設(shè)了兩套試驗系統(tǒng)，全面驗證遨海通VDES設(shè)備的各項性能指標，并以此為基礎(chǔ)，提出8項技術(shù)內(nèi)容寫入正在制定的VDES技術(shù)標準中。2018年以來，大連中心在積極驗證完善VDES各項技術(shù)性能的基礎(chǔ)上，開展了小型化、多用途VDES產(chǎn)品的系列化設(shè)計。預(yù)計2019年下半年，遨海通VDES產(chǎn)品將具備全面推向市場的能力。

▲遨海通VDES系統(tǒng)組成

▲遨海通VDES管理中心

▲遨海通VDES的試驗系統(tǒng)

遨海橋INS

為保障船舶航行安全，船舶上安裝了大量的電子導(dǎo)助航及通信系統(tǒng)設(shè)備。然而，隨著船岸電子信息技術(shù)的推廣應(yīng)用，這些設(shè)備在保障船舶航行安全的同時，也給船舶駕駛?cè)藛T增加了工作負擔；此外，各系統(tǒng)之間的信息孤島嚴重，亟需將各類不同來源信息進行有機融合。

INS作為船上實施船舶導(dǎo)航的系統(tǒng)，通過集中獲取傳感器信息、各種控制命令，執(zhí)行各種操縱控制，將有關(guān)導(dǎo)航、駕控、避碰和監(jiān)視等分散設(shè)備的功能從信息融合及人機工程角度進行集成，構(gòu)建了一個集導(dǎo)航、駕控、避碰和航行管理于一體的高度信息化、自動化的集成系統(tǒng)，實現(xiàn)了船舶的自動化航行，提高了駕駛?cè)藛T管理船舶的安全性和效率。

從20世紀80年代開始，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，以歐美、日本為首的傳統(tǒng)航海強國開始了INS系統(tǒng)的研制工作，目前世界上先進國家已研制推出了第三代、第四代新的INS。進入21世紀，我國的船舶工業(yè)技術(shù)得到了快速發(fā)展，但我國造船業(yè)的自動化技術(shù)相對落后，本土化船用設(shè)備裝船率較低，這些都是制約我國成為世界造船強國的瓶頸問題。近年來，國內(nèi)部分大學與科研院所在該領(lǐng)域開展了一系列的技術(shù)研發(fā)工作，取得了一些成果。但從整體來看，與國外差距較大。

遨海橋INS作為新一代船舶導(dǎo)航系統(tǒng)，應(yīng)用綜合定位導(dǎo)航授時（PNT）技術(shù)，實現(xiàn)對各類導(dǎo)航信息的綜合處理、評估，形成了統(tǒng)一、可靠的定位、導(dǎo)航和時間信息，大幅降低了選擇和使用多源信息的復(fù)雜度。系統(tǒng)可按照最優(yōu)路線或最經(jīng)濟的方式實現(xiàn)航線自主規(guī)劃，通過與航行控制系統(tǒng)配合，可以實現(xiàn)船舶自動航行，減輕船員駕駛負擔。系統(tǒng)采用基于標準模式、可配置的人機界面設(shè)計，讓操作更簡單、維護更便捷。系統(tǒng)完全滿足國際海事組織規(guī)范及標準要求。

▲遨海橋INS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

▲遨海橋INS系統(tǒng)人機交互界面

針對綜合導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)源種類多、數(shù)據(jù)內(nèi)容和格式龐雜、業(yè)務(wù)應(yīng)用需求多、功能復(fù)雜且交叉耦合的特點，遨海橋INS系統(tǒng)總體采用分層架構(gòu)設(shè)計，各層級間采用統(tǒng)一協(xié)調(diào)的數(shù)據(jù)交換格式和交互模式。各層級內(nèi)部采用模塊化設(shè)計，各功能模塊能夠靈活配置、便于擴展和替換。層級式和模塊化的架構(gòu)能夠較好地支持綜合導(dǎo)航系統(tǒng)實現(xiàn)各類用戶業(yè)務(wù)需求，同時具有良好的可擴充性。

目前該系統(tǒng)已在深圳遠洋運輸股份有限公司所屬六萬噸級“鵬德”輪上開展試運行，經(jīng)過近一年的測試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

基于模塊化、信息化、智能化的遨海橋綜合導(dǎo)航系統(tǒng)，結(jié)合了新一代船岸通信技術(shù)，以信息融合和智能航行控制為依托，可廣泛應(yīng)用于船舶的智能化航行。

遨海云MISS

遨海云是為滿足航海保障、船舶管理及海事監(jiān)管等需求而構(gòu)建的綜合性信息服務(wù)系統(tǒng)。它由海事互通平臺和多項海事業(yè)務(wù)服務(wù)組成，基于船舶航線、船舶位置、安全信息、港口管理、水文氣象等信息，能夠為航海保障機關(guān)、海事管理機構(gòu)、航運相關(guān)用戶等海事/航運活動參與者提供端到端的信息交互、行業(yè)監(jiān)管、業(yè)務(wù)支持等海上信息服務(wù)系統(tǒng)解決方案。

其中，海事互通平臺（MCP）以國際海事組織提出的海事領(lǐng)域通用岸基系統(tǒng)架構(gòu)（CSSA）為系統(tǒng)框架，以S-100數(shù)據(jù)模型為數(shù)據(jù)交換體系框架，在所有授權(quán)海事活動參與者（含船舶）和授權(quán)服務(wù)之間，智能地按需完成路由控制，并建立動態(tài)連接和通信鏈路，提供無感知的端到端服務(wù)，確保用戶與服務(wù)間數(shù)據(jù)的可靠交互。海事互通平臺具有以下特點：（1）松耦合、模塊化、開放性、標準化的體系架構(gòu)； （2）信息交換高效、安全、可靠、無縫； （3）可按需配置用戶對服務(wù)的訪問；（4）業(yè)務(wù)擴展靈活。

▲“鵬德”輪隨航測試的遨海橋INS

▲遨海云MISS系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

▲海事互通平臺的系統(tǒng)架構(gòu)

海事業(yè)務(wù)服務(wù)以國際航標協(xié)會（IALA）提出的海事服務(wù)集（MS）規(guī)范為基礎(chǔ)，為海事/航運用戶提供“高內(nèi)聚”的業(yè)務(wù)功能支持服務(wù)，滿足各類不同用戶的服務(wù)需求。服務(wù)包括：（1）海上安全信息播發(fā)服務(wù)：按照IMO Circ.289報告要求，提供船舶安全相關(guān)信息發(fā)送服務(wù)；（2）船舶進出港報告服務(wù)：提供船舶進出港申報、港口泊位申請、引航申請、進出港報告和管理，以及船舶在港口內(nèi)的移泊、離泊等業(yè)務(wù)服務(wù)；（3）航線規(guī)劃服務(wù)：以大數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ)，結(jié)合實時航道情況（航行警告），給出泊位到泊位的船舶航線規(guī)劃，輔助船舶航行；（4）地基VDES信道服務(wù)：依托自主研發(fā)的VDES岸站，為不同用戶提供信息播發(fā)、信息采集、信息監(jiān)測等服務(wù)。

▲基于海事互通平臺的海事業(yè)務(wù)服務(wù)概念

海事互通平臺及航線規(guī)劃服務(wù)目前已在東海航海保障中心的長江口e-航海建設(shè)工程中得到應(yīng)用，該工程主要為滿足在長江口深水航道利用邊坡航道進行超寬船舶交匯通航，以提高通航效率的需求而建設(shè)。其中，海事互通平臺為工程所涉及的航標服務(wù)、航路規(guī)劃服務(wù)和智能導(dǎo)航終端、綜合信息服務(wù)系統(tǒng)提供了用戶注冊、服務(wù)注冊、服務(wù)獲取等業(yè)務(wù)支持。航路服務(wù)為工程涉及的深水航道中超寬船舶的交互通航提供了交匯點預(yù)測、交匯信息發(fā)布、流量監(jiān)控等功能。

結(jié)束語

綜上，e-航海信息服務(wù)系統(tǒng)可以通過建立符合e-航海戰(zhàn)略的高速寬帶通信網(wǎng)絡(luò)及信息服務(wù)系統(tǒng)，支撐我國海洋、海事、漁業(yè)等領(lǐng)域的信息化發(fā)展，為后續(xù)無人船舶、海上大數(shù)據(jù)、下一代海事基礎(chǔ)通信標準的技術(shù)研究及行業(yè)發(fā)展提供全面的研制保障服務(wù)，支撐我國海上智慧交通、人工智能的發(fā)展需求。同時，該系統(tǒng)的可擴展性強，能夠廣泛應(yīng)用于海上、港口、島礁等特殊區(qū)域，具有為我國海權(quán)保護、航道安全、島礁建設(shè)等提供體系化信息服務(wù)的能力。