摘要：介紹電子海圖導航系統(tǒng)的分類、標準化進程和應用現(xiàn)狀，從智能化發(fā)展角度，著重分析電子海圖導航系統(tǒng)在應用形態(tài)、環(huán)境感知和岸基支持三方面的研究進展和發(fā)展趨勢：應用形態(tài)包括移動化、多維化和增強現(xiàn)實技術的應用，環(huán)境感知強調(diào)多源數(shù)據(jù)感知和融合的重要性，岸基支持主要闡述發(fā)展E-Navigation和VDES通信技術的重要性。最后對這些關鍵技術的發(fā)展和突破進行展望。

關鍵詞：電子海圖導航系統(tǒng)；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部門聯(lián)合發(fā)布的《智能航運發(fā)展指導意見》提出，我國到2025年， 要突破一批制約智能航運發(fā)展的關鍵技術，成為全球智能航運發(fā)展創(chuàng)新中心，構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，將先進的信息技術與交通運輸有機融合，全方位賦能交通發(fā)展，推動發(fā)展自動駕駛、智能航運等技術發(fā)展與試點應用。作為智能航行系統(tǒng)的核心，船舶導航系統(tǒng)的發(fā)展就顯得尤為重要。電子海圖導航系統(tǒng)的出現(xiàn)是船舶導航系統(tǒng)發(fā)展的里程碑，被譽為繼雷達之后航海技術領域又一革命性的突破。隨著新的研究成果和技術的涌現(xiàn)以及智能船舶的快速發(fā)展，必將有更多創(chuàng)新性的理念和技術不斷影響電子海圖導航系統(tǒng)的發(fā)展和應用形態(tài)。

        二、系統(tǒng)分類 

        電子海圖導航系統(tǒng)將船載雷達、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備的數(shù)據(jù)進行融合處理，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(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)，幫助航海人員進行導航和避碰，但二者有根本的區(qū)別。區(qū)別在兩點：一是ECDIS完全符合相關標準和規(guī)范的要求，ECS不要求完全滿足；二是如果ECDIS具有適當?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(xiàn)狀 

        電子海圖導航系統(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)其標準化和國際化，發(fā)布了一系列規(guī)范和相關的性能要求文件，來統(tǒng)一各國生產(chǎn)商的生產(chǎn)和開發(fā)標準。

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

        ( 1 ) IHO S-52標準 ( ECDIS內(nèi)容和顯示標準 ) 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標準 ( 數(shù)字化海道測量數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)格式，使他們之間的相互傳輸和交換達成了統(tǒng)一。 

        ( 3 ) IHO S-63標準 ( 數(shù)據(jù)保護方案 ) 是由IHO數(shù)據(jù)保護方案組編寫的，其主要作用是通過對數(shù)據(jù)的壓縮、加密、許可、驗證等手段保護電子海圖數(shù)據(jù)在分發(fā)、服務、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 行測試的方法和應該出現(xiàn)的結果，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、系統(tǒng)報警、時效性目標、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標準。該標準為通用海道測量數(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)基礎設施等更廣泛的海道測量相關數(shù)據(jù)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(guī)范了電子海圖導航系統(tǒng)的功能、數(shù)據(jù)結構、顯示規(guī)范以及數(shù)據(jù)保護方案，保障了國際通用性，推動了電子海圖導航系統(tǒng)的發(fā)展和進步。從2012年到2018年，全球遠洋船舶、國內(nèi)海上和內(nèi)河航行船舶都按照相應規(guī)則進行了分階段強制安裝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準研發(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、研究進展及發(fā)展趨勢

        隨著當前遠程通信、船聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術的發(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]。順應這種趨勢，許多科研機構、相關企業(yè)在船舶導航系統(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航系統(tǒng)，其應用形態(tài)除了向移動化擴展外，更主要是以多維化為顯示模式，并疊加增強現(xiàn)實的可視化效果。

        ( 一 ) 應用形態(tài) 

        1.移動化

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

       移動端導航系統(tǒng)主要基于Android、IOS 及Windows移動平臺研發(fā)，以Wi-Fi、藍牙和3G/4G網(wǎng)絡為信息傳輸通道，實現(xiàn)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。

       移動端導航產(chǎn)品具有操作簡單、攜帶方便、應用靈活等特點，主要符合小型船舶導航的需求。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，沒有配備符合標準的電子海圖導航系統(tǒng)，給航行帶來較大的安全隱患。移動導航終端的出現(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為一種移動端導航系統(tǒng)運行界面。 

圖1 移動端導航系統(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、線、面幾何圖形和二維符號進行顯示，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)界在本世紀初提出了一個新的概念——三維電子海圖，并且隨著技術的發(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 ( 如水深、等深線、等深區(qū) ) 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(shù)據(jù)來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、地形、臨水建筑物、港航設施等數(shù)據(jù)進行疊加和融合，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.增強現(xiàn)實

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

        增強現(xiàn)實技術在航海領域大有用處，比如虛擬航標，就是一種增強現(xiàn)實的使用案例。在船舶導助航中使用 AR 技術，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(shù)據(jù)進行疊加和融合，將一些現(xiàn)實中看不到的信息進行直觀展現(xiàn)，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、轉向時的回旋路徑，在攝像頭視野盲區(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航道邊線、航標等航行信息的顯示等。未來的船舶導航系統(tǒng)要在深度挖掘和利用AR技術上下功夫，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擔和強度^[6]。

        ( 二 ) 環(huán)境感知

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

       當前船舶主要依靠AIS、船載雷達、風向和風速傳感器、計程儀、水深儀以及一些船岸交互系統(tǒng)和設備等，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，需要借鑒無人駕駛汽車的感知設備，將攝像機 ( 包括可見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框架下進行積極的試點工作。所謂“E-Navigation”，就是通過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、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)，促進全球海上業(yè)務的大融合。

        E-Navigation不是簡單的硬件設備，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管理機構為主要用戶，以海事服務集 ( MSP，maritime service portfolios ) 為服務內(nèi)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(qū)域時，岸基會提供給航海人員一組標準化的涉及業(yè)務和技術的海事服務信息集合，包括VTS信息服務、港口服務、引航服務、拖船服務、海圖服務、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

        AIS在船舶導航和監(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，它在現(xiàn)有AIS功能的基礎上，通過引入特 殊應用消息 ( ASM ) 和寬帶甚高頻數(shù)據(jù)交換 ( VDE ) 技術，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”的關鍵技術。

      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進入新的階段。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助航服務、安全航行信息服務 ( 如航警、搜救、冰況等信息 )、水文氣象服務、海圖更新服務等責任和義務，而這些信息之前多數(shù)通過硬介質(zhì) ( 如紙質(zhì)、光盤等 ) 進行更新，部分通過衛(wèi)星提供服務，致使信息更新不及時，影響船舶航行安全。VDES技術的推廣應用，將徹底解決這些問題。船舶到達相關區(qū)域后，岸基VDES系統(tǒng)會輔助岸基服務系統(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)字通信相關業(yè)務的變革，對智能導航、無人駕駛等技術的發(fā)展都具有里程碑意義。

        五、結語 

       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)展船舶導航系統(tǒng)的智能化是當務之急。本文在介紹系統(tǒng)分類、主要標準和應用現(xiàn)狀之后，詳細闡述了電子海圖導航系統(tǒng)在智能化進程中應用形態(tài)、環(huán)境感知和岸基支持三方面的研究進展和發(fā)展趨勢，這些關鍵技術的實現(xiàn)，將為未來智能船舶、無人駕駛等奠定基礎。

參考文獻： 

[1] 王志豪.利用電子海圖技術應用事故案例經(jīng)驗教訓的建議 [J].中國海事,2020(4):46-49. 

[2] 龔安祥,劉加釗.ECDIS新標準的影響與應對措施[J].青島遠洋船員職業(yè)學院學報,2017(4):1-4.

[3] 洛佳男,萬曉霞,孫東禮,等.海洋測繪地理空間數(shù)據(jù)模型(S-100)綜述[J].測繪通報,2019(3):91-97. 

[4] 嚴新平,劉佳侖.智能船舶技術發(fā)展與趨勢簡述[J].船舶工程,2020(3):6-9. 

[5] 郝江凌,單雄飛,趙麗寧,等.電子海圖導航系統(tǒng)的研究進展與未來趨勢[J].大連海事大學學報,2021(3):1-7.

[6] 鄒帆,霍虎偉.增強現(xiàn)實技術在船舶導助航領域的應用[J], 水運管理,2018(3):9-11. 

[7] 李建民,王滿博,張瑞恒,等.GMDSS現(xiàn)代化與E-Navigation戰(zhàn)略的關系[J].中國航海,2018(4):7-11. 

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

作者簡介： 

郝江凌，大連海事大學航海學院，副教授。 

李超，大連海事大學航海學院，高級實驗師。