電子海圖導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展前瞻

郝江凌 李 超

一、引言

2019年5月，交通運輸部等7部門聯(lián)合發(fā)布的《智能航運發(fā)展指導(dǎo)意見》提出，我國到2025年，要突破一批制約智能航運發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，成為全球智能航運發(fā)展創(chuàng)新中心，構(gòu)建以高度自動化和部分智能化為特征的航運新業(yè)態(tài)。2021年《“十四五”綜合交通運輸發(fā)展規(guī)劃》指出，將先進(jìn)的信息技術(shù)與交通運輸有機(jī)融合，全方位賦能交通發(fā)展，推動發(fā)展自動駕駛、智能航運等技術(shù)發(fā)展與試點應(yīng)用。作為智能航行系統(tǒng)的核心，船舶導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展就顯得尤為重要。電子海圖導(dǎo)航系統(tǒng)的出現(xiàn)是船舶導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的里程碑，被譽(yù)為繼雷達(dá)之后航海技術(shù)領(lǐng)域又一革命性的突破。隨著新的研究成果和技術(shù)的涌現(xiàn)以及智能船舶的快速發(fā)展，必將有更多創(chuàng)新性的理念和技術(shù)不斷影響電子海圖導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用形態(tài)。

二、系統(tǒng)分類

電子海圖導(dǎo)航系統(tǒng)將船載雷達(dá)、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS，Global Navigation Satellite System）、船舶自動識別系統(tǒng)（AIS，Automatic Identification System）、陀螺羅經(jīng)、航行警告系統(tǒng)、計程儀、測深儀、航行記錄儀以及自動舵等各類設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，顯示在電子海圖上，實現(xiàn)航路監(jiān)視、計劃航線設(shè)計、航行報警、航行記錄、海圖改正等多種功能，保障船舶航行安全。

電子海圖導(dǎo)航系統(tǒng)主要分為兩種類型：電子海圖顯示與信息系統(tǒng)（ECDIS，Electronic Chart Display and Information System）和電子海圖系統(tǒng)（ECS，Electronic Chart Systems）。國際海事組織（IMO，International Maritime Organization）和國際海道測量組織（IHO，International Hydrographic Organization）對于ECDIS和ECS有明確的界定：雖然它們都是一種航行信息系統(tǒng)，幫助航海人員進(jìn)行導(dǎo)航和避碰，但二者有根本的區(qū)別。區(qū)別在兩點：一是ECDIS完全符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，ECS不要求完全滿足；二是如果ECDIS具有適當(dāng)?shù)膫溆门渲茫曳蠂H海上人命安全公約（SOLAS，International Convention for Safety of Life at Sea）中相關(guān)配備要求，則可在法律上取代紙質(zhì)海圖，但ECS不行[1]。

三、主要標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用現(xiàn)狀

電子海圖導(dǎo)航系統(tǒng)在經(jīng)歷了一個自由發(fā)展階段之后，IMO和IHO為了實現(xiàn)其標(biāo)準(zhǔn)化和國際化，發(fā)布了一系列規(guī)范和相關(guān)的性能要求文件，來統(tǒng)一各國生產(chǎn)商的生產(chǎn)和開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)。

在眾多標(biāo)準(zhǔn)中，有4個標(biāo)準(zhǔn)非常重要，分別是IHO S-52、IHO S-57、IHO S-63和IEC 61174。

（1）IHO S-52標(biāo)準(zhǔn)（ECDIS內(nèi)容和顯示標(biāo)準(zhǔn)）規(guī)范了ECDIS顯示ENC信息時的方式，包括顏色、符號樣式、線型等一系列問題，從而保證不同廠商生產(chǎn)的 ECDIS顯示海圖信息的方式、基本海圖功能保持一致，以利于航海人員的識別和使用。

（2）IHO S-57標(biāo)準(zhǔn)（數(shù)字化海道測量數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)）描述了用于各國之間交換以及向航海人員、ECDIS生產(chǎn)商提供的電子海圖數(shù)據(jù)格式，使他們之間的相互傳輸和交換達(dá)成了統(tǒng)一。

（3）IHO S-63標(biāo)準(zhǔn)（數(shù)據(jù)保護(hù)方案）是由IHO數(shù)據(jù)保護(hù)方案組編寫的，其主要作用是通過對數(shù)據(jù)的壓縮、加密、許可、驗證等手段保護(hù)電子海圖數(shù)據(jù)在分發(fā)、服務(wù)、銷售過程中避免發(fā)生數(shù)據(jù)被篡改、偽造和盜用的情況，確保數(shù)據(jù)的安全性和完整性[2]。

（4）IEC 61174標(biāo)準(zhǔn)（船用導(dǎo)航及通信設(shè)備和ECDIS性能和測試標(biāo)準(zhǔn)）則明確了對 ECDIS設(shè)備進(jìn)行測試的方法和應(yīng)該出現(xiàn)的結(jié)果，以保證各廠商生產(chǎn)的電子海圖系統(tǒng)的軟、硬件都能符合海上航行要求。最新版ECDIS測試標(biāo)準(zhǔn)——《IEC 61174：2015 Ed4.0》已于2017年9月1日生效，對ECDIS的使用產(chǎn)生了積極的影響。新標(biāo)準(zhǔn)下，ECDIS 的信息查詢、系統(tǒng)報警、時效性目標(biāo)、航線文件交換、ENC 狀態(tài)報告等的操作和顯示都發(fā)生了明顯改變。

此外，還有S-100標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)為通用海道測量數(shù)據(jù)模型，2005年由IHO提出，并于2010年正式發(fā)布1.0.0版本。作為新一代海洋地理信息數(shù)據(jù)模型，S-100歷經(jīng)了4次更新與完善，能夠支持影像數(shù)據(jù)、網(wǎng)格數(shù)據(jù)、三維數(shù)據(jù)以及海上空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施等更廣泛的海道測量相關(guān)數(shù)據(jù)和產(chǎn)品, 解決了S-57標(biāo)準(zhǔn)僅能應(yīng)用于ENC編碼的局限性[3]。

國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了電子海圖導(dǎo)航系統(tǒng)的功能、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、顯示規(guī)范以及數(shù)據(jù)保護(hù)方案，保障了國際通用性，推動了電子海圖導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展和進(jìn)步。從2012年到2018年，全球遠(yuǎn)洋船舶、國內(nèi)海上和內(nèi)河航行船舶都按照相應(yīng)規(guī)則進(jìn)行了分階段強(qiáng)制安裝ECDIS或ECS。國外、國內(nèi)的產(chǎn)品雖然在用戶界面、操作方法以及一些航行信息的豐富程度方面存在差異，但基本功能和性能都遵循標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)，沒有太大差別。從性價比來說，國內(nèi)產(chǎn)品更具優(yōu)勢。

四、研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢

隨著當(dāng)前遠(yuǎn)程通信、船聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，智能船舶、自動駕駛成為船舶未來發(fā)展的必然趨勢[4]。順應(yīng)這種趨勢，許多科研機(jī)構(gòu)、相關(guān)企業(yè)在船舶導(dǎo)航系統(tǒng)的智能化方面做了大量探索和研究。未來的船舶導(dǎo)航系統(tǒng)是一種在自主環(huán)境感知和岸基支持下的智能綜合導(dǎo)航系統(tǒng)，其應(yīng)用形態(tài)除了向移動化擴(kuò)展外，更主要是以多維化為顯示模式，并疊加增強(qiáng)現(xiàn)實的可視化效果。

（一）應(yīng)用形態(tài)

1.移動化

隨著移動通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，加上智能手機(jī)、平板電腦以及其他便攜式移動設(shè)備的性能不斷提高，移動APP的應(yīng)用非常廣泛，已經(jīng)滲透到了各個領(lǐng)域。航海領(lǐng)域的船舶導(dǎo)航系統(tǒng)也由PC端向移動端擴(kuò)展和延伸。

移動端導(dǎo)航系統(tǒng)主要基于 Android、IOS 及Windows移動平臺研發(fā)，以Wi-Fi、藍(lán)牙和3G/4G 網(wǎng)絡(luò)為信息傳輸通道，實現(xiàn)海圖顯示、船舶導(dǎo)航、航跡記錄、位置標(biāo)注以及預(yù)警/報警等常用功能，為船舶航行提供參考。

移動端導(dǎo)航產(chǎn)品具有操作簡單、攜帶方便、應(yīng)用靈活等特點，主要符合小型船舶導(dǎo)航的需求。我國沿海漁船、內(nèi)河小型運輸船舶眾多，其中很多船舶船況差，船員素質(zhì)低，沒有配備符合標(biāo)準(zhǔn)的電子海圖導(dǎo)航系統(tǒng)，給航行帶來較大的安全隱患。移動導(dǎo)航終端的出現(xiàn)打破了這種僵局，為這些船舶的航行安全提供了保障。圖1為一種移動端導(dǎo)航系統(tǒng)運行界面。

圖1 移動端導(dǎo)航系統(tǒng)運行界面

2.多維化

傳統(tǒng)的二維電子海圖雖然應(yīng)用非常廣泛，但也有其固有的局限性。它以平面圖形為基礎(chǔ)，采用點、線、面幾何圖形和二維符號進(jìn)行顯示，本質(zhì)上是對航行地理環(huán)境的一種抽象符號表示，不能直觀反映自然場景的真實面貌。這種表達(dá)方式容易形成抽象多義性，給用戶辨識符號意義、理解航行信息造成一定的困難。

隨著三維 GIS的發(fā)展，業(yè)界在本世紀(jì)初提出了一個新的概念——三維電子海圖，并且隨著技術(shù)的發(fā)展，其可以集成三維模型、海底地形、遙感影像、水面紋理等要素，具備更強(qiáng)的直觀性、真實性和可視化效果。但三維電子海圖同樣面臨一些難題，如無法顯示沒有物理實體的物標(biāo)（如水深、等深線、等深區(qū)）和水下物標(biāo)（如水下危險物、沉船、暗礁等），這對航行安全構(gòu)成了威脅。

不同于單純的二維和三維電子海圖，多維電子海圖主要利用二維電子海圖的海上數(shù)據(jù)來彌補(bǔ)三維水上信息的不足，將二維電子海圖中的水上物標(biāo)與三維的岸線、地形、臨水建筑物、港航設(shè)施等數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加和融合，在三維數(shù)字地球框架下實現(xiàn)海量、多源、多類型數(shù)據(jù)的顯示[5]。多維數(shù)字航道示意圖如圖2所示。

圖2 多維數(shù)字航道示意圖

3.增強(qiáng)現(xiàn)實

增強(qiáng)現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）是一種能夠使自然界的真實環(huán)境和計算機(jī)生成的虛擬圖像相融合、提高人們對現(xiàn)實場景感知和認(rèn)識的技術(shù)。簡單講就是“虛實結(jié)合”，進(jìn)而增強(qiáng)可視化的效果。

增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)在航海領(lǐng)域大有用處，比如虛擬航標(biāo)，就是一種增強(qiáng)現(xiàn)實的使用案例。在船舶導(dǎo)助航中使用 AR 技術(shù)，可將從電子海圖、AIS以及其他通導(dǎo)設(shè)備獲取的信息，如視頻流、預(yù)測分析結(jié)果等數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加和融合，將一些現(xiàn)實中看不到的信息進(jìn)行直觀展現(xiàn)，提升船舶航行的安全性和決策的準(zhǔn)確性。例如在電子海圖上顯示船舶靠泊、轉(zhuǎn)向時的回旋路徑，在攝像頭野盲區(qū)下顯示被遮擋的小型船舶，夜航和能見度低的情況下增強(qiáng)航道邊線、航標(biāo)等航行信息的顯示等。未來的船舶導(dǎo)航系統(tǒng)要在深度挖掘和利用AR技術(shù)上下功夫，最大限度避免主觀判斷失誤造成的海事事故，減輕駕駛員的工作負(fù)擔(dān)和強(qiáng)度[6]。

（二）環(huán)境感知

沒有環(huán)境感知，智能導(dǎo)航無從談起。環(huán)境感知就是船舶通過傳感器和通信、導(dǎo)航設(shè)備獲取自身狀態(tài)及周圍環(huán)境的各種信息，為航行提供準(zhǔn)確、快速的信息。環(huán)境感知對安全駕駛至關(guān)重要，是智能導(dǎo)航的基礎(chǔ)。

當(dāng)前船舶主要依靠AIS、船載雷達(dá)、風(fēng)向和風(fēng)速傳感器、計程儀、水深儀以及一些船岸交互系統(tǒng)和設(shè)備等，獲取和感知周圍船舶、航道、水深、氣象水文、助航物、礙航物等航行環(huán)境數(shù)據(jù)。然而，與無人駕駛汽車相比，船舶的感知設(shè)備在智能性、準(zhǔn)確性以及安全性等方面還有較大的差距。因此，需要借鑒無人駕駛汽車的感知設(shè)備，將攝像機(jī)（包括可見光攝像機(jī)和紅外攝像機(jī)）、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)以及激光雷達(dá)等智能化設(shè)備引入船舶，并解決感知過程中的多源數(shù)據(jù)融合、海量數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)間的冗余和沖突等問題，才能真正實現(xiàn)智能導(dǎo)航。

（三）岸基支持

1.E-Navigation

自2005年E-Navigation戰(zhàn)略提出以來，全球各個成員國都在E-Navigation框架下進(jìn)行積極的試點工作。所謂“E-Navigation”，就是通過標(biāo)準(zhǔn)化的信息交換協(xié)議、模型和接口，在船上和岸上收集、綜合、交換、顯示和分析海事信息，以增強(qiáng)船舶泊位到泊位的全程航行能力，提高海上服務(wù)、安全和保安能力以及海洋環(huán)境保護(hù)能力。其目的是融合各類海上信息，消除信息交換障礙，提升船船、船岸之間溝通效率， 打破信息“孤島”系統(tǒng)，促進(jìn)全球海上業(yè)務(wù)的大融合。

E-Navigation不是簡單的硬件設(shè)備，而是海上信息的大集成、大融合，是一種更安全高效的航海保障措施。E-Navigation以船舶和岸上的相關(guān)管理機(jī)構(gòu)為主要用戶，以海事服務(wù)集（MSP，maritime service portfolios）為服務(wù)內(nèi)容。其在導(dǎo)助航方面的應(yīng)用模式是：當(dāng)船舶到達(dá)特定海域、航道、港口等區(qū)域時，岸基會提供給航海人員一組標(biāo)準(zhǔn)化的涉及業(yè)務(wù)和技術(shù)的海事服務(wù)信息集合，包括VTS信息服務(wù)、港口服務(wù)、引航服務(wù)、拖船服務(wù)、海圖服務(wù)、氣象信息、海上安全信息等，幫助船舶實現(xiàn)“泊位-泊位”的全航程高效、安全運行[7]。

2.VDES通信技術(shù)

AIS在船舶導(dǎo)航和監(jiān)控中的作用不言而喻，而VDES（VHF Data Exchang System，甚高頻數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)）就是AIS2.0。過去船岸通信通常依靠海事專網(wǎng)、海事衛(wèi)星、移動通信網(wǎng)絡(luò)等，但它們都存在帶寬窄、延遲大、費用高的弊端。船與船之間的通信主要依靠AIS（VHF）。AIS在繁忙擁擠港口容易出現(xiàn)信息阻塞、數(shù)據(jù)丟失等問題，而且它的水上數(shù)據(jù)交換能力有限，不能承載復(fù)雜、大量的信息，比如它只能傳輸文字信息，不能傳輸圖片、語音和視頻信息。

VDES是新一代海上數(shù)字通信技術(shù)，它在現(xiàn)有A IS功能的基礎(chǔ)上，通過引入特殊應(yīng)用消息（ASM）和寬帶甚高頻數(shù)據(jù)交換（VDE）技術(shù) ，全面提升海上數(shù)據(jù)傳輸能力和效率，是突破海上通信“瓶頸”的關(guān)鍵技術(shù)。

VDES的主要目的是保障船舶航行安全，并推動岸基對船舶的安全信息服務(wù)進(jìn)入新的階段。在過去，為保障船舶航行安全，沿岸國具有提供沿海水域航標(biāo)助航服務(wù)、安全航行信息服務(wù)（如航警、搜救、冰況等信息）、水文氣象服務(wù)、海圖更新服務(wù)等責(zé)任和義務(wù)，而這些信息之前多數(shù)通過硬介質(zhì)（如紙質(zhì)、光盤等）進(jìn)行更新，部分通過衛(wèi)星提供服務(wù)，致使信息更新不及時，影響船舶航行安全。VDES技術(shù)的推廣應(yīng)用，將徹底解決這些問題。船舶到達(dá)相關(guān)區(qū)域后，岸基VDES系統(tǒng)會輔助岸基服務(wù)系統(tǒng)根據(jù)船舶航行區(qū)域自動更新和推送上述各類航行安全信息，并能夠使船舶快速、自動、實時獲取，最大限度保障航行安全[8]。

未來，隨著VDES的確立和發(fā)布，它將成為海上數(shù)據(jù)通信的主要鏈路，這必將引起海上數(shù)字通信相關(guān)業(yè)務(wù)的變革，對智能導(dǎo)航、無人駕駛等技術(shù)的發(fā)展都具有里程碑意義。

五、結(jié)語

面對全球的智能化浪潮，智能船舶將是未來的發(fā)展方向，加快發(fā)展船舶導(dǎo)航系統(tǒng)的智能化是當(dāng)務(wù)之急。本文在介紹系統(tǒng)分類、主要標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用現(xiàn)狀之后，詳細(xì)闡述了電子海圖導(dǎo)航系統(tǒng)在智能化進(jìn)程中應(yīng)用形態(tài)、環(huán)境感知和岸基支持三方面的研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢，這些關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)，將為未來智能船舶、無人駕駛等奠定基礎(chǔ)。