一種智能航行岸基氣象服務系統的設計*

（中船航海科技有限責任公司 北京 100070）

1 引言

在大宗商品的交易過程中，海洋貿易一直以其高性價比，高效率和環保占據優勢，承擔著將近百分之九十的世界貿易運輸量。但全球航運市場卻自2008年以來經歷了前所未有的寒冬［1］，而且隨著生活水平的提高，不少年輕船員“棄海上岸”，逐步放棄這個枯燥乏味而又危險的古老行業；船員工資水漲船高，已成為船東最大的支出成本之一。海上事故頻發，位于德國慕尼黑的安聯保險2012年公布報告稱：75%～96%的海上事故是人為錯誤導致的結果，而且常常都是疲憊致使。近年來，信息、計算機、通信、網絡、新能源、人工智能等技術的發展以及物聯網、大數據、綜合船橋系統和信息物理系統的應用，大大推進了船舶智能化的進程，使實現真正綠色、安全、高效、無人化的智能船舶［2］成為可能。智能船的研究已經成為整個航運市場的熱點話題，雖然目前船舶駕駛擁有衛星導航、導航雷達、電子航道圖和自動舵的輔助，但船舶還遠未實現智能化。

2 智能船國內外發展現狀

近年來，在全球智能制造興盛的背景下，國內外大量研究機構和公司開始了船舶智能化甚至無人船的研究，力爭抓住智能船這一時代契機。

歐盟的MUNIN（海上智能無人駕駛航行網絡）項目，主要目標是展示一艘自主無人船舶的可行性。除此之外，該項目還旨在開發獨立船舶的各個組件，以便可以對現有船舶進行改造，從而在短期內提高其技術或航行性能。

我國在智能船領域已經走在了世界的前列，中國自主研發的全球首艘獲英國勞氏船級社（LR）和中國船級社（CCS）雙船級社認證的智能船舶Idolphin 38800噸智能散貨船“大智”輪于2017年12月5日在中國國際海事會展上正式交付。該船獲得LR的智能船符號CYBER-SAFE、CYBER-PERFORM、CYBER-MAINTAIN和CCS智能船符號I-SHIP（N M E I），技術性能達到世界領先水平。在標準和規范方面，中國船級社分別于2015年發布了《智能船舶規范》［5］，以規范和引導智能船舶發展。

3 船-岸系統架構設計

智能航行作為中國船級社《智能船舶規范》中所規定的六大智能系統之一［6］，通過傳感器、通信、物聯網、互聯網等技術手段，在傳統的船舶導航基礎上利用計算機技術、控制技術等對感知和獲得的信息進行分析和處理，對船舶航路和航速進行設計和優化。航路設計和優化一般由船載系統和岸基支持中心組成，在優化過程中需要充分考慮風、浪、流、涌等氣象數據的因素。

實現智能航行的基礎是氣象服務，傳統的氣象導航產業［7～8］，都是航運公司向氣象導航公司如WNI、AWT、MeteoGroup等直接購買其氣導服務，氣導公司僅僅根據氣象條件提供一條整個航程中航速不變的航線，所提供的航線也有可能會跨越島礁或者淺水區，需要手工去修正這些航線，不僅效率低下而且不得不進行繞行，傳統氣導能夠帶來的收益及其有限。但智能航行除了需要考慮氣象因素外，還要實時感知船周圍的各種傳感器狀態，有獨立思考的“大腦”，根據自身的狀態來自動調整航行策略，還可以根據實際情況在不同航段調節相應的航速和進行自動避障，而且具備在整個航行過程中持續優化航線的能力。

根據智能航行的定義和要求，需要船-岸一體化協同工作，設計一種岸基提供基礎氣象服務，船端智能航行進行實時信息感知、處理和決策的系統。圖1中所示的架構可滿足《智能船舶規范》中智能航行的基本功能——航路設計和優化。

圖1 智能航行船-岸系統架構示意圖

智能航行系統由船端系統、通信系統（VSAT或其他通信網絡）、岸端氣象服務系統構成。

磨礦是選礦過程中的一個重要環節，尤其是對硫化礦來說，磨礦會使其礦漿性質(如礦漿電位、pH)產生較大的改變[1]，這些改變對浮選回收率起著至關重要的作用。因此，磨礦對方鉛礦礦漿電位及浮選行為影響的研究十分必要。

智能航行系統（船端）：用于接收岸端氣導數據，采集傳感器實時數據，結合船舶技術參數、航次參數等綜合運算并輸出推薦的航線和航速。

岸基氣象服務系統（岸端）：負責從氣象數據源獲取氣象數據，并根據船端上傳的船舶狀態進行裁減，壓縮處理后發送到船端。

岸端通過Internet網絡從氣象數據服務商下載氣象數據文件，并拆分成區域氣象數據文件存儲在岸基服務器中；船端在設置好船舶參數、航次參數后向岸端請求氣象數據；岸端接收到船端的氣象數據請求之后，根據航次的航行區域通過衛星通信系統下發區域氣象數據文件到船端，船端利用氣象數據進行航線的設計和優化工作，進行航線避障等處理，輸出推薦的優化航線。在船舶航行過程中，會定期根據航行位置、最新的氣象數據信息對航線進行動態優化。每次優化后的航線都應送入ECDIS系統中進行航線安全檢查。

此外，船舶應配有導航測量子系統，在航行過程中，船端系統收集實時導航信息，船端將本次航行中所采集的測量信息上傳到岸基服務站，用于積累航行數據，為未來大數據分析做準備。

4 智能航行岸基氣象服務功能設計

智能航行岸基信息系統統采用分層結構設計，系統由客戶端、業務層和數據層組成，其設計架構如圖2。

客戶層包括氣象數據源和后臺管理兩個部分。

氣象數據源是指提供全球氣象和海洋預報數據［9］下載服務接口的外部系統，例如NOAA、ECMWF、海洋局、國家氣象局等可選數據源。后臺管理是指岸基服務站的后臺管理中心人機交互界面，屬于Web前端，可通過瀏覽器訪問。

圖2 智能航行系統岸基架構示意圖

客戶層主要通過http協議與岸基服務站的業務層web服務進行交互。船端通過向岸基服務器發起http請求，進行氣象數據下載、午報和航次總結報告提交、優化航線數據和其他航行數據上傳等操作。岸基服務器主要通過http協議從氣象數據源下載氣象數據。后臺管理中心Web端［9］采用Ajax開發技術，以實現網頁異步刷新，HTTP+CSS+JS組合開發語言。

業務層劃分為控制層、業務邏輯層和基礎服務層。控制層實現服務端的http連接管理、會話保持、參數解析、數據包打包和解包處理等功能，以便與客戶端進行交互。控制層在物理上是基于Java web 技術開發的一系列 Servlet［10］，這些 Servlet實現與客戶端之間的交互界面，交互背后的業務處理、則通過調用業務邏輯層Java Class實現。業務邏輯層主要利用基礎服務層中的各種服務對業務邏輯進行Java Class封裝。控制層通過調用這些Java Class實現交互服務中的業務處理邏輯。業務邏輯層的主要組件包括岸基服務的一系列功能：參數設置、后臺服務、服務監控、航次分析和系統管理。

數據層包括數據訪問層和數據存儲層。數據訪問層提供MySQL數據庫和數據文件的讀寫操作組件，數據存儲層采用MySQL數據庫服務器進行關系型數據的存儲。

在岸基氣象服務中心的設計過程中涉及到以下核心問題。

4.1 氣象數據區域劃分

船岸的遠洋通信受限于衛星的穩定性、帶寬和價格等因素，目前主流的通訊方式包括商用通訊衛星 VSAT［11］和海事衛星 Inmarsat。在向船端下發氣象數據的過程中，應盡量壓縮傳輸數據量來降低數據傳輸失敗率并降低衛星使用費用。為達到這一目的，同時便于數據管理和存儲，應設置一個簡單的規則，將全球氣象區域進行拆分，盡可能保證全球主要商船航線跨越較少的區域，默認劃分為14個航區，如表1所示。

表1 全球航線氣象區域劃分表

4.2 氣象數據源選擇

岸基氣象服務系統以一定的時間間隔（時間可設）檢查下載源的數據更新情況，如有更新則將氣息數據文件下載數據到岸基服務站。近幾年來氣象預報準確度和精度在不斷的進步，一些氣象機構如NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration）也向公眾開放了免費的氣象數據接口，進一步使得氣象數據服務的成本降低。

一般對于船舶航行影響較大的氣象因素包括風、浪、涌浪和洋流等因素，可選擇的公開氣象數據源［12］包括GFS［13］（Global Forecasting System），WW3，RTOFS，ECWMF等。

GFS全稱Global Forecasting System，是由美國國家海洋和大氣管理局NOAA推出的全球數值天氣預報計算模式，可以獲取風、氣壓、浪、500hPa、氣溫等數據；WW3則是由美國國家環境預報中心NCEP基于WAM模式思想開發的第三代海浪模型，可獲取風、浪高、風浪向、風浪周期等數；歐洲中期天氣預報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）可以提供風、浪、氣壓、降雨等數據；RTOFS是基于混合坐標大洋環流模式（HYCOM）［14］的全球洋流預報系統。

除以上氣象數據源外，系統可以自定義數據源訪問地址，獲取其他氣象數據源的數據。并可根據實際應用情況自定義選擇氣象數據的精度和預報時效。氣象數據源設置如圖3所示。

圖3 氣象數據源界面示意圖

4.3 氣象數據下發及與船端系統的交互

系統時鐘按照設定的數據獲取規則，定時觸發氣象數據下載程序到對應的網站下載氣象數據到岸基服務站。然后將下載的氣象格點數據文件進行拆分、解碼處理，并加載到本地數據庫。

船端智能航行系統通過VSAT終端設備或其他通訊設備建立衛星通訊鏈路，接入互聯網，向岸基服務站發送氣象數據Http請求，岸基服務站根據請求參數返回相應區域范圍和時間范圍內的氣象海洋預報數據。具體處理流程說明如下：

1）船端智能航行系統啟動初始航線優化和動態優化；

2）計算航線優化區域，并確定當前時間所在的氣象預報數據發布時間區間；

3）檢查船端是否存在該優化區域、時間區間的氣象預報數據；

4）如果存在，則直接采用這些氣象預報數據進行優化計算；否則以船舶license（在部署智能航行船端系統時會為每一條船舶生成唯一的license并將其存儲于岸基的數據庫中）、該時間區間、該優化區域作為參數，向岸基發起氣象預報數據下載請求；

5）岸基接收船舶發出的氣象預報數據下載請求后，首先進行license驗證，如果驗證不通過，則返回出錯代碼。如果驗證通過，則根據時間、區域范圍進行氣象預報數據的切割、打包，壓縮成氣象預報數據文件，返回給船端；

6）船端接收岸基返回結果，更新本地的氣象預報數據文件，再讀取氣象預報數據進行優化計算。

4.4 航行數據收集

我國是海洋大國，擁有大量的船舶，之所以在船舶智能導航領域與世界先進水平有所差距，其中很大一部分原因就是不注重航行數據的積累，缺乏真實數據去訓練算法模型去提高航線規劃的準確性以及最大程度保障航行安全、減少能源消耗、增加經濟效率和實現綠色航運。在大數據和人工智能的時代，擁有數據對于一個行業有決定性的意義。為此岸基氣象服務系統應具有數據收集接口，船端智能航行系統收集船舶航行期間的各類信息，包括但不限于船舶的位置、地速、水速、艏向、航向、風速風向、浪高浪向、涌浪、洋流、吃水、縱橫搖、轉速、油耗、載重等信息，按照一定的時間頻率將數據回傳至岸基，岸基服務器將數據存儲到數據庫中，為后續展開大數據分析奠定基礎。

5 結語

目前岸基系統仍有較多需要改進的地方，氣象數據雖然按照區域下發可以減少數據傳輸量，但數據仍可利用算法進行進一步的壓縮；岸基系統的功能較為單一，后續應加入全時段支持中心，以應對惡劣天氣的航行和應急事態的處理。近年來衛星通訊及5G技術發展迅猛，預計很快會打破船岸通信的限制條件，船舶岸基服務中心的建設將是大勢所趨，Rolls-Royce岸基運營測試中心已經在建造中并計劃2020年完工。未來的岸基系統將不僅僅局限在氣象服務，還具備提供航行規劃服務，能效管理服務，健康維護服務和故障排除服務等內容。