电子海图导航系统发展前瞻
摘要：介绍电子海图导航系统的分类、标准化进程和应用现状，从智能化发展角度，着重分析电子海图导航系统在应用形态、环境感知和岸基支持三方面的研究进展和发展趋势：应用形态包括移动化、多维化和增强现实技术的应用，环境感知强调多源数据感知和融合的重要性，岸基支持主要阐述发展E-Navigation和VDES通信技术的重要性。最后对这些关键技术的发展和突破进行展望。
关键词：电子海图导航系统；应用形态；环境感知；岸基支持；智能导航
一、引言
2019年5月，交通运输部等7部门联合发布的《智能航运发展指导意见》提出，我国到2025年， 要突破一批制约智能航运发展的关键技术，成为全球智能航运发展创新中心，构建以高度自动化和部分智能化为特征的航运新业态。2021年《“十四五”综合交通运输发展规划》指出，将先进的信息技术与交通运输有机融合，全方位赋能交通发展，推动发展自动驾驶、智能航运等技术发展与试点应用。作为智能航行系统的核心，船舶导航系统的发展就显得尤为重要。电子海图导航系统的出现是船舶导航系统发展的里程碑，被誉为继雷达之后航海技术领域又一革命性的突破。随着新的研究成果和技术的涌现以及智能船舶的快速发展，必将有更多创新性的理念和技术不断影响电子海图导航系统的发展和应用形态。
二、系统分类
电子海图导航系统将船载雷达、全球导航卫星系统 ( GNSS，Global Navigation Satellite System )、船舶自动识别系统 ( AIS，Automatic Identification System )、陀螺罗经、航行警告系统、计程仪、测深仪、航行记录仪以及自动舵等各类设备的数据进行融合处理，显示在电子海图上，实现航路监视、计划航线设计、航行报警、航行记录、海图改正等多种功能，保障船舶航行安全。
电子海图导航系统主要分为两种类型：电子海图显示与信息系统 ( ECDIS，Electronic Chart Display and Information System ) 和电子海图系统 ( ECS， Electronic Chart Systems )。国际海事组织 ( IMO，International Maritime Organization ) 和国际海道测量组织 ( IHO，International Hydrographic Organization ) 对于ECDIS和ECS有明确的界定：虽然它们都是一种航行信息系统，帮助航海人员进行导航和避碰，但二者有根本的区别。区别在两点：一是ECDIS完全符合相关标准和规范的要求，ECS不要求完全满足；二是如果ECDIS具有适当的备用配置，且符合国际海上人命安全公约 ( SOLAS，International Convention for Safety of Life at Sea ) 中相关配备要求，则可在法律上取代纸质海图，但ECS不行[1]。
三、主要标准及应用现状
电子海图导航系统在经历了一个自由发展阶段之后，IMO和IHO为了实现其标准化和国际化，发布了一系列规范和相关的性能要求文件，来统一各国生产商的生产和开发标准。
在众多标准中，有4个标准非常重要，分别是 IHO S-52、IHO S-57、IHO S-63和IEC 61174。
( 1 ) IHO S-52标准 ( ECDIS内容和显示标准 ) 规范了ECDIS显示ENC信息时的方式，包括颜色、符号样式、线型等一系列问题，从而保证不同厂商生产的 ECDIS显示海图信息的方式、基本海图功能保持一致，以利于航海人员的识别和使用。
( 2 ) IHO S-57标准 ( 数字化海道测量数据传输标准 ) 描述了用于各国之间交换以及向航海人员、ECDIS生产商提供的电子海图数据格式，使他们之间的相互传输和交换达成了统一。
( 3 ) IHO S-63标准 ( 数据保护方案 ) 是由IHO数据保护方案组编写的，其主要作用是通过对数据的压缩、加密、许可、验证等手段保护电子海图数据在分发、服务、销售过程中避免发生数据被篡改、伪造和盗用的情况，确保数据的安全性和完整性[2]。
( 4 ) IEC 61174标准 ( 船用导航及通信设备和ECDIS性能和测试标准 ) 则明确了对ECDIS设备进 行测试的方法和应该出现的结果，以保证各厂商生产的电子海图系统的软、硬件都能符合海上航行要求。最新版ECDIS测试标准——《IEC 61174：2015 Ed4.0》已于2017年9月1日生效，对ECDIS的使用产生了积极的影响。新标准下，ECDIS的信息查询、系统报警、时效性目标、航线文件交换、ENC状态报告等的操作和显示都发生了明显改变。
此外，还有S-100标准。该标准为通用海道测量数据模型，2005年由IHO提出，并于2010年正式发布1.0.0版本。作为新一代海洋地理信息数据模型，S-100历经了4次更新与完善，能够支持影像数据、网格数据、三维数据以及海上空间数据基础设施等更广泛的海道测量相关数据和产品，解决了S-57标准仅能应用于ENC编码的局限性[3]。
国际标准规范了电子海图导航系统的功能、数据结构、显示规范以及数据保护方案，保障了国际通用性，推动了电子海图导航系统的发展和进步。从2012年到2018年，全球远洋船舶、国内海上和内河航行船舶都按照相应规则进行了分阶段强制安装ECDIS或ECS。国外、国内的产品虽然在用户界面、操作方法以及一些航行信息的丰富程度方面存在差异，但基本功能和性能都遵循标准研发，没有太大差别。从性价比来说，国内产品更具优势。
四、研究进展及发展趋势 随着当前远程通信、船联网、大数据、人工智能等技术的发展，智能船舶、自动驾驶成为船舶未来发展的必然趋势[4]。顺应这种趋势，许多科研机构、相关企业在船舶导航系统的智能化方面做了大量探索和研究。未来的船舶导航系统是一种在自主环境感知和岸基支持下的智能综合导航系统，其应用形态除了向移动化扩展外，更主要是以多维化为显示模式，并叠加增强现实的可视化效果。 ( 一 ) 应用形态 1.移动化 随着移动通信技术的迅猛发展，加上智能手机、平板电脑以及其他便携式移动设备的性能不断提高，移动APP的应用非常广泛，已经渗透到了各个领域。航海领域的船舶导航系统也由PC端向移动端扩展和延伸。 移动端导航系统主要基于Android、IOS 及Windows移动平台研发，以Wi-Fi、蓝牙和3G/4G网络为信息传输通道，实现海图显示、船舶导航、航迹记录、位置标注以及预警/报警等常用功能，为船舶航行提供参考。 移动端导航产品具有操作简单、携带方便、应用灵活等特点，主要符合小型船舶导航的需求。我国沿海渔船、内河小型运输船舶众多，其中很多船舶船况差，船员素质低，没有配备符合标准的电子海图导航系统，给航行带来较大的安全隐患。移动导航终端的出现打破了这种僵局，为这些船舶的航行安全提供了保障。图1为一种移动端导航系统运行界面。 图1 移动端导航系统运行界面 2.多维化 传统的二维电子海图虽然应用非常广泛，但也有其固有的局限性。它以平面图形为基础，采用点、线、面几何图形和二维符号进行显示，本质上是对航行地理环境的一种抽象符号表示，不能直观反映自然场景的真实面貌。这种表达方式容易形成抽象多义性，给用户辨识符号意义、理解航行信息造成一定的困难。 随着三维GIS的发展，业界在本世纪初提出了一个新的概念——三维电子海图，并且随着技术的发展，其可以集成三维模型、海底地形、遥感影像、水面纹理等要素，具备更强的直观性、真实性和可视化效果。但三维电子海图同样面临一些难题，如无法显示没有物理实体的物标 ( 如水深、等深线、等深区 ) 和水下物标 ( 如水下危险物、沉 船、暗礁等 )，这对航行安全构成了威胁。 不同于单纯的二维和三维电子海图，多维电子海图主要利用二维电子海图的海上数据来弥补三维水上信息的不足，将二维电子海图中的水上物标与三维的岸线、地形、临水建筑物、港航设施等数据进行叠加和融合，在三维数字地球框架下实现海量、多源、多类型数据的显示[5]。多维数字航道示意图如图2所示。 图2 多维数字航道示意图 3.增强现实 增强现实 ( Augmented Reality，AR ) 是一种能够使自然界的真实环境和计算机生成的虚拟图像相融合、提高人们对现实场景感知和认识的技术。简单讲就是“虚实结合”，进而增强可视化的效果。 增强现实技术在航海领域大有用处，比如虚拟航标，就是一种增强现实的使用案例。在船舶导助航中使用 AR 技术，可将从电子海图、AIS以及其 他通导设备获取的信息，如视频流、预测分析结果等数据进行叠加和融合，将一些现实中看不到的信息进行直观展现，提升船舶航行的安全性和决策的准确性。例如在电子海图上显示船舶靠泊、转向时的回旋路径，在摄像头视野盲区下显示被遮挡的小型船舶，夜航和能见度低的情况下增强航道边线、航标等航行信息的显示等。未来的船舶导航系统要在深度挖掘和利用AR技术上下功夫，最大限度避免主观判断失误造成的海事事故，减轻驾驶员的工作负担和强度[6]。 ( 二 ) 环境感知 没有环境感知，智能导航无从谈起。环境感知就是船舶通过传感器和通信、导航设备获取自身状态及周围环境的各种信息，为航行提供准确、快速的信息。环境感知对安全驾驶至关重要，是智能导航的基础。 当前船舶主要依靠AIS、船载雷达、风向和风速传感器、计程仪、水深仪以及一些船岸交互系统和设备等，获取和感知周围船舶、航道、水深、气象水文、助航物、碍航物等航行环境数据。然而，与无人驾驶汽车相比，船舶的感知设备在智能性、准确性以及安全性等方面还有较大的差距。因此，需要借鉴无人驾驶汽车的感知设备，将摄像机 ( 包括可见光摄像机和红外摄像机 )、毫米波雷达、超声波雷达以及激光雷达等智能化设备引入船舶，并解决感知过程中的多源数据融合、海量数据处理以及数据间的冗余和冲突等问题，才能真正实现智能导航。 ( 三 ) 岸基支持 1.E-Navigation 自2005年E-Navigation战略提出以来，全球各个成员国都在E-Navigation框架下进行积极的试点工作。所谓“E-Navigation”，就是通过标准化的信息交换协议、模型和接口，在船上和岸上收集、综合、交换、显示和分析海事信息，以增强船舶泊位到泊位的全程航行能力，提高海上服务、安全和保安能力以及海洋环境保护能力。其目的是融合各类海上信息，消除信息交换障碍，提升船船、船岸之间沟通效率，打破信息“孤岛”系统，促进全球海上业务的大融合。 E-Navigation不是简单的硬件设备，而是海上信息的大集成、大融合，是一种更安全高效的航海保障措施。E-Navigation以船舶和岸上的相关管理机构为主要用户，以海事服务集 ( MSP，maritime service portfolios ) 为服务内容。其在导助航方面的应用模式是：当船舶到达特定海域、航道、港口等区域时，岸基会提供给航海人员一组标准化的涉及业务和技术的海事服务信息集合，包括VTS信息服务、港口服务、引航服务、拖船服务、海图服务、气象信息、海上安全信息等，帮助船舶实现“泊位-泊位”的全航程高效、安全运行[7]。 2.VDES通信技术 AIS在船舶导航和监控中的作用不言而喻，而VDES ( VHF Data Exchang System，甚高频数据交换系统 ) 就是AIS2.0。过去船岸通信通常依靠海事专网、海事卫星、移动通信网络等，但它们都存在带宽窄、延迟大、费用高的弊端。船与船之间的通信主要依靠AIS ( VHF )。AIS在繁忙拥挤港口容易出现信息阻塞、数据丢失等问题，而且它的水上数据交换能力有限，不能承载复杂、大量的信息，比如它只能传输文字信息，不能传输图片、语音和视频信息。 VDES是新一代海上数字通信技术，它在现有AIS功能的基础上，通过引入特 殊应用消息 ( ASM ) 和宽带甚高频数据交换 ( VDE ) 技术，全面提升海上数据传输能力和效率，是突破海上通信“瓶颈”的关键技术。 VDES的主要目的是保障船舶航行安全，并推动岸基对船舶的安全信息服务进入新的阶段。在过去，为保障船舶航行安全，沿岸国具有提供沿海水域航标助航服务、安全航行信息服务 ( 如航警、搜救、冰况等信息 )、水文气象服务、海图更新服务等责任和义务，而这些信息之前多数通过硬介质 ( 如纸质、光盘等 ) 进行更新，部分通过卫星提供服务，致使信息更新不及时，影响船舶航行安全。VDES技术的推广应用，将彻底解决这些问题。船舶到达相关区域后，岸基VDES系统会辅助岸基服务系统根据船舶航行区域自动更新和推送上述各类航行安全信息，并能够使船舶快速、自动、实时获取，最大限度保障航行安全[8]。 未来，随着VDES的确立和发布，它将成为海上数据通信的主要链路，这必将引起海上数字通信相关业务的变革，对智能导航、无人驾驶等技术的发展都具有里程碑意义。 五、结语 面对全球的智能化浪潮，智能船舶将是未来的发展方向，加快发展船舶导航系统的智能化是当务之急。本文在介绍系统分类、主要标准和应用现状之后，详细阐述了电子海图导航系统在智能化进程中应用形态、环境感知和岸基支持三方面的研究进展和发展趋势，这些关键技术的实现，将为未来智能船舶、无人驾驶等奠定基础。 参考文献： [1] 王志豪.利用电子海图技术应用事故案例经验教训的建议 [J].中国海事,2020(4):46-49. [2] 龚安祥,刘加钊.ECDIS新标准的影响与应对措施[J].青岛远洋船员职业学院学报,2017(4):1-4. [3] 洛佳男,万晓霞,孙东礼,等.海洋测绘地理空间数据模型(S-100)综述[J].测绘通报,2019(3):91-97. [4] 严新平,刘佳仑.智能船舶技术发展与趋势简述[J].船舶工程,2020(3):6-9. [5] 郝江凌,单雄飞,赵丽宁,等.电子海图导航系统的研究进展与未来趋势[J].大连海事大学学报,2021(3):1-7. [6] 邹帆,霍虎伟.增强现实技术在船舶导助航领域的应用[J], 水运管理,2018(3):9-11. [7] 李建民,王满博,张瑞恒,等.GMDSS现代化与E-Navigation战略的关系[J].中国航海,2018(4):7-11. [8] 姚治萱.VDES通信技术应用及其发展趋势[J].世界海运, 2019(2):34-38. 作者简介： 郝江凌，大连海事大学航海学院，副教授。 李超，大连海事大学航海学院，高级实验师。