e-航海及其數(shù)據(jù)標準分析*

王程博 張新宇 黃文偉 張輝輝

e-航海及其數(shù)據(jù)標準分析*

王程博 張新宇 黃文偉 張輝輝

為保障船舶航行安全與航運經(jīng)濟效益，IMO提出e-航海戰(zhàn)略。隨著S-57數(shù)據(jù)標準的局限性不斷顯現(xiàn)，IMO采納新的國際海道測量數(shù)據(jù)模型S-100作為e-航海數(shù)據(jù)標準。剖析e-航海概念，分析e-航海總體技術(shù)構(gòu)架和IHO S-100數(shù)據(jù)標準，通過對比S-57數(shù)據(jù)標準的局限性和IHO數(shù)據(jù)標準S-100，進一步闡明e-航海數(shù)據(jù)標準S-100的作用及應(yīng)用，對我國開啟e-航海新型數(shù)據(jù)標準時代具有積極作用。

e-航海；S-100；數(shù)據(jù)標準；國際水道測量組織（IHO）

一、e-航海概念的提出

隨著經(jīng)濟發(fā)展，海上貿(mào)易活動日益頻繁，進而對海運安全的要求也就越來越高，從而推動了數(shù)字化航海技術(shù)迅速發(fā)展。船舶定位系統(tǒng)（GPS/DGPS）、電子海圖顯示與信息系統(tǒng)（ECDIS）、船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）、無線電通信系統(tǒng)（VHF）、雷達、GMDSS和計算機數(shù)字網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代電子科技在航海領(lǐng)域得以廣泛普及。然而，這些為船舶和岸基應(yīng)用的信息服務(wù)系統(tǒng)都有著各自特色的數(shù)據(jù)顯示規(guī)范和數(shù)據(jù)信息交換標準，為航海帶來方便與精準數(shù)據(jù)的同時，也給船舶作業(yè)人員增添了許多工作量，反而影響了船舶安全和運輸效率。

2005年Japan、Marshall Archipelago、Netherlands、Singapore、UK、Norway、USA等八國提交了e-航海戰(zhàn)略發(fā)展的提案。2006年在第十六屆上海國際航標協(xié)會（IALA）大會上，將e-航海概念正式提上議程，并引起了IMO的高度重視以推動e-航海的發(fā)展進程。2008年國際海事組織定義了e-航海以及規(guī)定了它的范疇，并提出了e-航海的實施計劃的大體程序。IMO將其定義為，“通過智能計算機的手段，網(wǎng)絡(luò)、融合、互換、映現(xiàn)和剖析船方和岸方與航行有關(guān)的信息，以增強泊位到泊位航行和有關(guān)活動，進而保障海上駕駛環(huán)境的安全可靠，維護清潔的海洋環(huán)境”。e-航海的最終目標是讓“航行更安全，成本更低”。e-航海不是硬件設(shè)備，而是信息的集成的平臺，它虛擬一個同等標準的數(shù)據(jù)共享構(gòu)架，以達到數(shù)據(jù)信息準確無誤地交換和整合。正是由于各個IMO成員國的努力和有關(guān)國際組織的推動助力，“電子航海”的理論逐漸明確起來，電子航海逐步進入到“茁壯成長”的階段。

二、e-航海總體技術(shù)構(gòu)架的描述

e-航海系統(tǒng)架構(gòu)建設(shè)是以用戶需求為指導(dǎo)，主要包括船、岸系統(tǒng)以及導(dǎo)航與通信基礎(chǔ)設(shè)施。在日常航海運輸過程中，往往會有多船會遇局面發(fā)生，則需要航行信息交換與整合評估局面的安全性并作出合適的避讓行為；在船舶進出港或者遇險報警與搜救以及與公司交流匯報航行狀態(tài)等需要船對岸數(shù)據(jù)共享等，船舶運輸歸根結(jié)底就是船舶與岸基之間的兩兩數(shù)據(jù)的互換，所以e-航海總體技術(shù)構(gòu)架可以簡單概述為“硬幣的三個面”[1]，如圖1所示，即硬幣的正反兩個面分別代表船方和岸方，硬幣的側(cè)面代表著船岸之間的通信系統(tǒng)。在岸-岸、船-岸、船-船之間，隱藏著各種數(shù)據(jù)流和信息流。用戶之間的信息流以及應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)流是e-航海的核心。

圖1 e-航海總體架構(gòu)的簡單描述：硬幣的“三個面”

三、e-航海的數(shù)據(jù)標準IHO S-100及其應(yīng)用

1.IHO S-100標準介紹

隨著電子科技的高速發(fā)展，海圖數(shù)字化技術(shù)也迅猛發(fā)展。2010年，根據(jù)IALA的e-航海委員會研究成果，IMO統(tǒng)一采納更為規(guī)范全面的IHO S-100標準作為e-航海的通用數(shù)據(jù)模型，從而S-100為e-航海的數(shù)據(jù)與信息提供了標準的傳輸與共享架構(gòu)，進而為S-100在e-航海領(lǐng)域的應(yīng)用打開了廣闊的前景。

2.S-100產(chǎn)生的背景

（1）S-57的缺陷

S-57僅僅是一個數(shù)據(jù)傳輸標準，它已經(jīng)不能滿足未來航海科技的需要。S-100 是2010年IHO公布的一項海上通用數(shù)據(jù)建模標準，該標準是針對當前IHOS-57標準的不足而研發(fā)的。

S-57標準于1992年在第14次國際海道測量大會上被確立為IHO官方標準，隨后幾年又經(jīng)歷幾次改版和修訂。S-57標準的內(nèi)容包括：標準概述及參照標準和術(shù)語定義表、理論數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、1508200數(shù)據(jù)封裝的一般規(guī)則，還包括兩個附錄：附錄A為目標類目，附錄B為IHO認可的產(chǎn)品規(guī)范。但是隨著S-57的推廣和應(yīng)用，其局限性日益明顯，例如，S-57幾乎僅用于電子海圖顯示與信息系統(tǒng)（ECDIS）的電子導(dǎo)航海圖（ENCs）編碼，其維護機制不靈活，標準長時間不能更新，不利于生產(chǎn)且并沒有被GIS領(lǐng)域廣泛接受，而且很多人認為它是專門用于電子海圖數(shù)據(jù)生產(chǎn)和交換的標準，并不能滿足新時代航海數(shù)據(jù)與信息交換和傳輸標準的需求。

（2）S-100的推出

針對S-57標準的局限性，從2008年起，IHO試圖建造一項全新的空間信息數(shù)據(jù)建模技術(shù)標準。IHO S-100標準是海道測量技術(shù)發(fā)展到一定時段的衍生物，它并不是對S-57標準的補充，而是新一代海道測量數(shù)據(jù)模型，其采納了ISO19100 系列標準，應(yīng)用開放的注冊機制，支持多元的數(shù)據(jù)類型。[2]S-100標準中數(shù)據(jù)內(nèi)容與載體相分離，也就是說為了滿足不同用戶的需要數(shù)據(jù)交換格式不再唯一，充分靈活地適應(yīng)了各種產(chǎn)品規(guī)范的變化，使其能在其他地理信息領(lǐng)域使用。S-100構(gòu)建了一個不同于S-57的新架構(gòu)，在數(shù)據(jù)的接收、管理及傳輸?shù)确矫嬉玫淖钚录夹g(shù)，使S-100及其擴展的發(fā)展與地理信息工業(yè)的發(fā)展保持一致。IMO于2011年初決定采用S-100標準作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型，在SOLAS范圍內(nèi)，構(gòu)建新的技術(shù)框架，來規(guī)范與實現(xiàn)e-航海中數(shù)據(jù)的獲取、整合、處理和服務(wù)，因此S-100標準將在海上運輸領(lǐng)域發(fā)揮更廣泛的作用。

S-100標準采取了面向?qū)ο蟮谋硎痉椒ǎ唇y(tǒng)一建模語言方式編寫方式，并推薦利用XML擴展標記語言進行不同接口間的技術(shù)交換和模型描述。IMO希望S-100標準能夠達到如下目的：

①與國際標準化組織（ISO）地理信息標準化技術(shù)委員會（ISO TC 211）正在編制的ISO最新地理信息相一致的標準。

②使編碼格式與數(shù)據(jù)信息內(nèi)容分離，建立與格式無關(guān)的產(chǎn)品規(guī)范。

③為更廣泛的海道測量、數(shù)據(jù)信息整合和傳輸及相關(guān)數(shù)字化的數(shù)據(jù)、產(chǎn)品和用戶提供支持。

④提供一個IHO管理的，與ISO一致的注冊機制，其中包括要素概念字典和產(chǎn)品規(guī)范目錄等，使其能夠靈活地進行擴展管理。

⑤按照用戶的需求為不同的用戶機構(gòu)提供獨立而合適的注冊系統(tǒng)。

（3）e-航海數(shù)據(jù)標準的應(yīng)用

在海運貿(mào)易中，海員需要提前根據(jù)航行海域特點、航行風(fēng)險以及航行規(guī)則等信息和數(shù)據(jù)制定一個安全、高效的航行計劃；船舶所有人和岸基需要掌握船舶航次信息以及船舶航行的靜態(tài)信息和動態(tài)信息等。這樣，e-航海就充當了一個中間平臺以供這些公共數(shù)據(jù)在不同的系統(tǒng)中共享和操作。而作為e-航海的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型，S-100的主要作用體現(xiàn)在以下三個方面：

（1）定義各類數(shù)據(jù)的生產(chǎn)標準，規(guī)范各種多元的航海數(shù)據(jù)，以提升e-航海信息查詢等服務(wù)功能。比如S-101 ENC生產(chǎn)規(guī)范、基于S-100的S102水底表面測深數(shù)據(jù)。與目前使用的S-57相比，S-101在兼容性、數(shù)據(jù)內(nèi)容和數(shù)據(jù)多元化處理、編碼和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及格式與加密等方面都有很大的改進，替代S-57是海運發(fā)展的必然趨勢。基于S-100的水文氣象產(chǎn)品規(guī)范S10X，將為e-航海提供風(fēng)向和風(fēng)速、潮汐、流向和流速等氣象要素，以及導(dǎo)航、船舶交通服務(wù)等有關(guān)數(shù)據(jù)信息。

（2）提供航海信息注冊平臺，以便保障電子航海數(shù)據(jù)生產(chǎn)者所使用的元數(shù)據(jù)、要素與圖書規(guī)則等信息的一致性，包括要素概念注冊集、數(shù)據(jù)交換注冊集、交互注冊集、圖示注冊集、元數(shù)據(jù)注冊集、需求補充注冊集、產(chǎn)品規(guī)范補充注冊集等“航海信息注冊 器”[3]。例如海道測量、海洋水文與氣象的環(huán)境注冊項，港口建設(shè)、自動識別系統(tǒng)、航道助航標志的基礎(chǔ)設(shè)施注冊項，船舶系泊、離岸設(shè)施等部件注冊項，乘客、貨物、原料、船舶生活垃圾和廢棄物等輪機注冊項。

（3）為電子航海提供通用的公共數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以提高數(shù)據(jù)交換的標準化。S-100為e-航海的CMDS（公共航海數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）規(guī)范了詳細的要素模型、圖示目錄、要素空間屬性類型、要素目錄等內(nèi)容的定義，涉及數(shù)據(jù)獲取、整合與管理的全套方法。

S-100支持多元數(shù)據(jù)類型，因此更有利于同其他有關(guān)數(shù)據(jù)融合以具有更大的開放性。我們應(yīng)盡快加大力度組織力量，按船舶、岸基和航海服務(wù)部門的實際需求開展對S-100數(shù)據(jù)模型以及S-101系列數(shù)據(jù)生產(chǎn)標準的研究。例如，e-航海搜救機構(gòu)用戶需求：為拯救生命，搜救需要相關(guān)船舶及其所在區(qū)域的全方位信息，則搜尋與救助應(yīng)能夠獲取e-航海范疇內(nèi)的相關(guān)信息；在事故中，搜救機構(gòu)必須能夠利用e-航海基礎(chǔ)設(shè)施在所有參與方之間進行高效的通信和信息共享；在e-航海范疇內(nèi)遇險通信的優(yōu)先權(quán)應(yīng)該高于其他一切通信；為了最快地對事故作出響應(yīng)，搜救機構(gòu)需要能夠確定最佳的通信手段，進而需要獲取所有船載通信設(shè)備和設(shè)施詳細信息。為了適應(yīng)e-航海的需要，眾多航海研究組織開發(fā)了基于S-100的航海空間數(shù)據(jù)和產(chǎn)品，并對相應(yīng)的數(shù)據(jù)生產(chǎn)進行規(guī)范，進而提高e-航海的綜合助航功能和全面的服務(wù)功能，推動我國航海保障體系的信息化建設(shè)與發(fā)展。

四、結(jié)束語

隨著經(jīng)濟發(fā)展的迅速提高和人類在海上的頻繁活動，航運經(jīng)濟效益和航行安全保障要求也越來越高。e-航海在S-100的數(shù)據(jù)標準架構(gòu)下，滿足了智能航海的需求，推動了航運智能化、數(shù)字化的快速發(fā)展，使航行更高效、更安全，海洋環(huán)境更清潔。相信在電子科技的推動下，航運業(yè)會取得突飛猛進的發(fā)展。

[1]張鐵軍,王玉林,朱勇強.e-航海概論[M].北京：人民交通出版社,2015.

[2]IHO S-100 Universal Hydrographic Data Model[S].Monaco：International Hydrographic Bureau,2010.

[3]崔洪生,吳禮龍.IHO S-100在電子航海E-Navigation中的應(yīng)用[J].海洋測繪,2015(2)：55-57.

10.16176/j.cnki.21-1284.2017.01.005

王程博（1992—），男，大連海事大學(xué)航海學(xué)院，碩士研究生

張新宇（1978—），男，大連海事大學(xué)航海學(xué)院，副教授，博士

黃文偉（1966—），男，中國船級社質(zhì)量認證公司深圳分公司

張輝輝（1977—），女，中國船級社質(zhì)量認證公司深圳分公司

國家自然科學(xué)基金項目（51309043），遼寧省自然科學(xué)基金項目（2014025005），遼寧省高校杰出青年學(xué)者成長計劃（LJQ2014052），遼寧省教育廳重點實驗室項目（LZ2015009）