摘要：介紹電子海圖導航系統的分類(lèi)、標準化進(jìn)程和應用現狀，從智能化發(fā)展角度，著(zhù)重分析電子海圖導航系統在應用形態(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：應用形態(tài)包括移動(dòng)化、多維化和增強現實(shí)技術(shù)的應用，環(huán)境感知強調多源數據感知和融合的重要性，岸基支持主要闡述發(fā)展E-Navigation和VDES通信技術(shù)的重要性。最后對這些關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展和突破進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：電子海圖導航系統；應用形態(tài)；環(huán)境感知；岸基支持；智能導航

        一、引言 

        2019年5月，交通運輸部等7部門(mén)聯(lián)合發(fā)布的《智能航運發(fā)展指導意見(jiàn)》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，構建以高度自動(dòng)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)展規劃》指出，將先進(jìn)的信息技術(shù)與交通運輸有機融合，全方位賦能交通發(fā)展，推動(dòng)發(fā)展自動(dòng)駕駛、智能航運等技術(shù)發(fā)展與試點(diǎn)應用。作為智能航行系統的核心，船舶導航系統的發(fā)展就顯得尤為重要。電子海圖導航系統的出現是船舶導航系統發(fā)展的里程碑，被譽(yù)為繼雷達之后航海技術(shù)領(lǐng)域又一革命性的突破。隨著(zhù)新的研究成果和技術(shù)的涌現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航系統的發(fā)展和應用形態(tài)。

        二、系統分類(lèi) 

        電子海圖導航系統將船載雷達、全球導航衛星系統 ( GNSS，Global Navigation Satellite System )、船舶自動(dòng)識別系統 ( AIS，Automatic Identification System )、陀螺羅經(jīng)、航行警告系統、計程儀、測深儀、航行記錄儀以及自動(dòng)舵等各類(lèi)設備的數據進(jìn)行融合處理，顯示在電子海圖上，實(shí)現航路監視、計劃航線(xiàn)設計、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。 

        電子海圖導航系統主要分為兩種類(lèi)型：電子海圖顯示與信息系統 ( ECDIS，Electronic Chart Display and Information System ) 和電子海圖系統 ( 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，幫助航海人員進(jìn)行導航和避碰，但二者有根本的區別。區別在兩點(diǎn)：一是ECDIS完全符合相關(guān)標準和規范的要求，ECS不要求完全滿(mǎn)足；二是如果ECDIS具有適當的備用配置，且符合國際海上人命安全公約 ( 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、主要標準及應用現狀 

        電子海圖導航系統在經(jīng)歷了一個(gè)自由發(fā)展階段之后，IMO和IHO為了實(shí)現其標準化和國際化，發(fā)布了一系列規范和相關(guān)的性能要求文件，來(lái)統一各國生產(chǎn)商的生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)標準。

       在眾多標準中，有4個(gè)標準非常重要，分別是 IHO S-52、IHO S-57、IHO S-63和IEC 61174。 

        ( 1 ) IHO S-52標準 ( ECDIS內容和顯示標準 ) 規范了ECDIS顯示ENC信息時(shí)的方式，包括顏色、符號樣式、線(xiàn)型等一系列問(wèn)題，從而保證不同廠(chǎng)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標準 ( 數字化海道測量數據傳輸標準 ) 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據格式，使他們之間的相互傳輸和交換達成了統一。 

        ( 3 ) IHO S-63標準 ( 數據保護方案 ) 是由IHO數據保護方案組編寫(xiě)的，其主要作用是通過(guò)對數據的壓縮、加密、許可、驗證等手段保護電子海圖數據在分發(fā)、服務(wù)、銷(xiāo)售過(guò)程中避免發(fā)生數據被篡改、偽造和盜用的情況，確保數據的安全性和完整性^[2]。

        ( 4 ) IEC 61174標準 ( 船用導航及通信設備和ECDIS性能和測試標準 ) 則明確了對ECDIS設備進(jìn) 行測試的方法和應該出現的結果，以保證各廠(chǎng)商生產(chǎn)的電子海圖系統的軟、硬件都能符合海上航行要求。最新版ECDIS測試標準——《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。新標準下，ECDIS的信息查詢(xún)、系統報警、時(shí)效性目標、航線(xiàn)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標準。該標準為通用海道測量數據模型，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據模型，S-100歷經(jīng)了4次更新與完善，能夠支持影像數據、網(wǎng)格數據、三維數據以及海上空間數據基礎設施等更廣泛的海道測量相關(guān)數據和產(chǎn)品，解決了S-57標準僅能應用于ENC編碼的局限性^[3]。 

        國際標準規范了電子海圖導航系統的功能、數據結構、顯示規范以及數據保護方案，保障了國際通用性，推動(dòng)了電子海圖導航系統的發(fā)展和進(jìn)步。從2012年到2018年，全球遠洋船舶、國內海上和內河航行船舶都按照相應規則進(jìn)行了分階段強制安裝ECDIS或ECS。國外、國內的產(chǎn)品雖然在用戶(hù)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準研發(fā)，沒(méi)有太大差別。從性?xún)r(jià)比來(lái)說(shuō)，國內產(chǎn)品更具優(yōu)勢。

      四、研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢

        隨著(zhù)當前遠程通信、船聯(lián)網(wǎng)、大數據、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，智能船舶、自動(dòng)駕駛成為船舶未來(lái)發(fā)展的必然趨勢^[4]。順應這種趨勢，許多科研機構、相關(guān)企業(yè)在船舶導航系統的智能化方面做了大量探索和研究。未來(lái)的船舶導航系統是一種在自主環(huán)境感知和岸基支持下的智能綜合導航系統，其應用形態(tài)除了向移動(dòng)化擴展外，更主要是以多維化為顯示模式，并疊加增強現實(shí)的可視化效果。

        ( 一 ) 應用形態(tài) 

        1.移動(dòng)化

       隨著(zhù)移動(dòng)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，加上智能手機、平板電腦以及其他便攜式移動(dòng)設備的性能不斷提高，移動(dòng)APP的應用非常廣泛，已經(jīng)滲透到了各個(gè)領(lǐng)域。航海領(lǐng)域的船舶導航系統也由PC端向移動(dòng)端擴展和延伸。 

       移動(dòng)端導航系統主要基于A(yíng)ndroid、IOS 及Windows移動(dòng)平臺研發(fā)，以Wi-Fi、藍牙和3G/4G網(wǎng)絡(luò )為信息傳輸通道，實(shí)現海圖顯示、船舶導航、航跡記錄、位置標注以及預警/報警等常用功能，為船舶航行提供參考。

       移動(dòng)端導航產(chǎn)品具有操作簡(jiǎn)單、攜帶方便、應用靈活等特點(diǎn)，主要符合小型船舶導航的需求。我國沿海漁船、內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(méi)有配備符合標準的電子海圖導航系統，給航行帶來(lái)較大的安全隱患。移動(dòng)導航終端的出現打破了這種僵局，為這些船舶的航行安全提供了保障。圖1為一種移動(dòng)端導航系統運行界面。 

圖1 移動(dòng)端導航系統運行界面

        2.多維化 

       傳統的二維電子海圖雖然應用非常廣泛，但也有其固有的局限性。它以平面圖形為基礎，采用點(diǎn)、線(xiàn)、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(guān)反映自然場(chǎng)景的真實(shí)面貌。這種表達方式容易形成抽象多義性，給用戶(hù)辨識符號意義、理解航行信息造成一定的困難。

       隨著(zhù)三維GIS的發(fā)展，業(yè)界在本世紀初提出了一個(gè)新的概念——三維電子海圖，并且隨著(zhù)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，具備更強的直觀(guān)性、真實(shí)性和可視化效果。但三維電子海圖同樣面臨一些難題，如無(wú)法顯示沒(méi)有物理實(shí)體的物標 ( 如水深、等深線(xiàn)、等深區 ) 和水下物標 ( 如水下危險物、沉 船、暗礁等 )，這對航行安全構成了威脅。 

       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據來(lái)彌補三維水上信息的不足，將二維電子海圖中的水上物標與三維的岸線(xiàn)、地形、臨水建筑物、港航設施等數據進(jìn)行疊加和融合，在三維數字地球框架下實(shí)現海量、多源、多類(lèi)型數據的顯示^[5]。多維數字航道示意圖如圖2所示。

圖2 多維數字航道示意圖

        3.增強現實(shí)

        增強現實(shí) ( Augmented Reality，AR ) 是一種能夠使自然界的真實(shí)環(huán)境和計算機生成的虛擬圖像相融合、提高人們對現實(shí)場(chǎng)景感知和認識的技術(shù)。簡(jiǎn)單講就是“虛實(shí)結合”，進(jìn)而增強可視化的效果。 

        增強現實(shí)技術(shù)在航海領(lǐng)域大有用處，比如虛擬航標，就是一種增強現實(shí)的使用案例。在船舶導助航中使用 AR 技術(shù)，可將從電子海圖、AIS以及其 他通導設備獲取的信息，如視頻流、預測分析結果等數據進(jìn)行疊加和融合，將一些現實(shí)中看不到的信息進(jìn)行直觀(guān)展現，提升船舶航行的安全性和決策的準確性。例如在電子海圖上顯示船舶靠泊、轉向時(shí)的回旋路徑，在攝像頭視野盲區下顯示被遮擋的小型船舶，夜航和能見(jiàn)度低的情況下增強航道邊線(xiàn)、航標等航行信息的顯示等。未來(lái)的船舶導航系統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(guān)判斷失誤造成的海事事故，減輕駕駛員的工作負擔和強度^[6]。

        ( 二 ) 環(huán)境感知

       沒(méi)有環(huán)境感知，智能導航無(wú)從談起。環(huán)境感知就是船舶通過(guò)傳感器和通信、導航設備獲取自身狀態(tài)及周?chē)h(huán)境的各種信息，為航行提供準確、快速的信息。環(huán)境感知對安全駕駛至關(guān)重要，是智能導航的基礎。

       當前船舶主要依靠AIS、船載雷達、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和設備等，獲取和感知周?chē)?、航道、水深、氣象水文、助航物、礙航物等航行環(huán)境數據。然而，與無(wú)人駕駛汽車(chē)相比，船舶的感知設備在智能性、準確性以及安全性等方面還有較大的差距。因此，需要借鑒無(wú)人駕駛汽車(chē)的感知設備，將攝像機 ( 包括可見(jiàn)光攝像機和紅外攝像機 )、毫米波雷達、超聲波雷達以及激光雷達等智能化設備引入船舶，并解決感知過(guò)程中的多源數據融合、海量數據處理以及數據間的冗余和沖突等問(wèn)題，才能真正實(shí)現智能導航。

        ( 三 ) 岸基支持

        1.E-Navigation

       自2005年E-Navigation戰略提出以來(lái)，全球各個(gè)成員國都在E-Navigation框架下進(jìn)行積極的試點(diǎn)工作。所謂“E-Navigation”，就是通過(guò)標準化的信息交換協(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)境保護能力。其目的是融合各類(lèi)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，促進(jìn)全球海上業(yè)務(wù)的大融合。

        E-Navigation不是簡(jiǎn)單的硬件設備，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)管理機構為主要用戶(hù)，以海事服務(wù)集 ( MSP，maritime service portfolios ) 為服務(wù)內容。其在導助航方面的應用模式是：當船舶到達特定海域、航道、港口等區域時(shí)，岸基會(huì )提供給航海人員一組標準化的涉及業(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(shí)現“泊位-泊位”的全航程高效、安全運行^[7]。 

        2.VDES通信技術(shù)

        AIS在船舶導航和監控中的作用不言而喻，而VDES ( VHF Data Exchang System，甚高頻數據交換系統 ) 就是AIS2.0。過(guò)去船岸通信通常依靠海事專(zhuān)網(wǎng)、海事衛星、移動(dòng)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信息阻塞、數據丟失等問(wèn)題，而且它的水上數據交換能力有限，不能承載復雜、大量的信息，比如它只能傳輸文字信息，不能傳輸圖片、語(yǔ)音和視頻信息。

        VDES是新一代海上數字通信技術(shù)，它在現有AIS功能的基礎上，通過(guò)引入特 殊應用消息 ( ASM ) 和寬帶甚高頻數據交換 ( VDE ) 技術(shù)，全面提升海上數據傳輸能力和效率，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(dòng)岸基對船舶的安全信息服務(wù)進(jìn)入新的階段。在過(guò)去，為保障船舶航行安全，沿岸國具有提供沿海水域航標助航服務(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)等責任和義務(wù)，而這些信息之前多數通過(guò)硬介質(zhì) ( 如紙質(zhì)、光盤(pán)等 ) 進(jìn)行更新，部分通過(guò)衛星提供服務(wù)，致使信息更新不及時(shí)，影響船舶航行安全。VDES技術(shù)的推廣應用，將徹底解決這些問(wèn)題。船舶到達相關(guān)區域后，岸基VDES系統會(huì )輔助岸基服務(wù)系統根據船舶航行區域自動(dòng)更新和推送上述各類(lèi)航行安全信息，并能夠使船舶快速、自動(dòng)、實(shí)時(shí)獲取，最大限度保障航行安全^[8]。 

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

        五、結語(yǔ) 

       面對全球的智能化浪潮，智能船舶將是未來(lái)的發(fā)展方向，加快發(fā)展船舶導航系統的智能化是當務(wù)之急。本文在介紹系統分類(lèi)、主要標準和應用現狀之后，詳細闡述了電子海圖導航系統在智能化進(jìn)程中應用形態(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(shí)現，將為未來(lái)智能船舶、無(wú)人駕駛等奠定基礎。

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[8] 姚治萱.VDES通信技術(shù)應用及其發(fā)展趨勢[J].世界海運, 2019(2):34-38. 

作者簡(jiǎn)介： 

郝江凌，大連海事大學(xué)航海學(xué)院，副教授。 

李超，大連海事大學(xué)航海學(xué)院，高級實(shí)驗師。