聚焦智慧航海，助力產業升級
——以e-航海信息服務系統為例

◎ 中國運載火箭技術研究院 曹建文 許 昶 于翀熠

隨著IMO（國際海事組織）提出的“e-航?！睉鹇赃M入實施階段，船舶航行領域正在不斷更新完善并陸續推出國際標準體系，船舶電子領域的產品即將按照新的國際標準實現升級換代，以進一步提升船舶航行領域的信息化水平，提高船舶運行安全水平和監管效率。未來5～10年，船舶電子信息技術領域將完成新一輪產業升級，此次產業升級在帶來巨大市場商機的同時，也給我國航海領域電子技術發展及實現“彎道超車”提供了難得的歷史機遇。

針對我國海上電子信息產業智能化、自主化的發展需求，2015年底，中國運載火箭技術研究院（以下簡稱“火箭院”）聯合大連海事大學（以下簡稱“大連海大”），圍繞IMO提出的 e-Navigation（e - 航 海/電子航海）方向開展了技術研發及產業化應用研究。為加快產業孵化工作，2017年5月，由火箭院和大連海大聯合組建的船舶電子信息技術研發中心（大連）（以下簡稱“大連中心”）正式運行。大連中心立足于融合航天航海技術，研究開發符合國際標準的船舶電子信息系統和滿足不同用戶需求的海上大數據應用服務系統，力求為船舶航行提供天海一體的信息支持解決方案，同時，推動我國船舶電子信息技術領域轉型升級，維護我國海事領域的信息安全，引領制定國際海事標準。

目前，大連中心主要圍繞e-航海方向，完成了遨海通甚高頻數據交換系統（VHF Data Exchange System，VDES）、遨海云海事信息服務系統（Maritime Information Service System，MISS）及遨海橋船舶綜合導航系統（Integrated Navigation System，INS）這3類產品的核心技術攻關，構建了“云—網—橋”一體的e-航海信息服務系統，并開展了相關試驗系統部署及推廣應用工作，相關產品技術達到國內領先水平。

▲e-航海信息服務系統總體概念

遨海通VDES

VDES是針對水上移動業務領域自動識別系統（Automatic Identif i cation System，AIS）進行加強和升級的一種新型數字通信系統，該系統是e-航海的關鍵核心通信系統，包含AIS、ASM和VDE三項數據交換業務。AIS作為第一代海上數字通信系統，不足以支撐現有海上數字通信業務需求，而VDES具有自組織接入和海上寬帶數據交換的優勢（通信速率由9.6×103bit/s提升至307.2×103bit/s，可容納超過1000個移動節點），可承擔未來海上船舶航行安全的各類信息交換工作，是目前常用的海上通信（海上數字通信、商業陸地數字通信、商業衛星通信等）中唯一一種用于船-船之間的廣播式數字通信系統，將是智能船舶和無人駕駛船舶間交通環境感知及信息交換的基本通信方式。同時，該系統的核心技術可廣泛應用于遇險搜救、災難救助、偏遠區域作業及特種應用等領域，具有十分廣闊的市場前景。

大連中心以國際電信聯盟（ITU）相關標準為技術框架，設計研發了具有自主知識產權的VDES岸站設備、VDES船站設備和VDES管理中心，并持續跟蹤VDES衛星載荷的國際標準進展，后續將適時啟動VDES衛星載荷的研制。

我國幅員遼闊，海岸線長，各海區分區管理，多數船舶通信需要跨區域進行數據交換，為此建設了數百座通信基站。為適應我國市場需求，在吸納國際研究成果和需求基礎上，大連中心全面設計了“船—岸—星”一體化的VDES岸基核心交換網絡架構，保證了VDES管理中心在設計初期就能滿足未來我國復雜的市場應用和國際市場需求。該系統在我國應用成熟后，可將其核心技術成果作為基礎，推進國際航標協會（IALA）等國際組織制定VDES核心網國際標準。

遨海通VDES采用自組織聯網通信技術，可實現各終端設備間的高速數據通信，為海上船舶之間的避碰、救助、遇險通信等提供了基礎通信方式；為各類岸基用戶（如海事管理、船東、貨主、海關、邊檢、港口、保險等）和船舶提供了自主、智能的端到端直接通信和數據交換服務；為全面改善現有海上通信需要人工尋址岸站的問題，提供了有效的解決方案。

截至目前，遨海通VDES已完成樣機研制及測試工作，并在大連和深圳海域建設了兩套試驗系統，全面驗證遨海通VDES設備的各項性能指標，并以此為基礎，提出8項技術內容寫入正在制定的VDES技術標準中。2018年以來，大連中心在積極驗證完善VDES各項技術性能的基礎上，開展了小型化、多用途VDES產品的系列化設計。預計2019年下半年，遨海通VDES產品將具備全面推向市場的能力。

▲遨海通VDES系統組成

▲遨海通VDES管理中心

▲遨海通VDES的試驗系統

遨海橋INS

為保障船舶航行安全，船舶上安裝了大量的電子導助航及通信系統設備。然而，隨著船岸電子信息技術的推廣應用，這些設備在保障船舶航行安全的同時，也給船舶駕駛人員增加了工作負擔；此外，各系統之間的信息孤島嚴重，亟需將各類不同來源信息進行有機融合。

INS作為船上實施船舶導航的系統，通過集中獲取傳感器信息、各種控制命令，執行各種操縱控制，將有關導航、駕控、避碰和監視等分散設備的功能從信息融合及人機工程角度進行集成，構建了一個集導航、駕控、避碰和航行管理于一體的高度信息化、自動化的集成系統，實現了船舶的自動化航行，提高了駕駛人員管理船舶的安全性和效率。

從20世紀80年代開始，隨著電子技術的發展，以歐美、日本為首的傳統航海強國開始了INS系統的研制工作，目前世界上先進國家已研制推出了第三代、第四代新的INS。進入21世紀，我國的船舶工業技術得到了快速發展，但我國造船業的自動化技術相對落后，本土化船用設備裝船率較低，這些都是制約我國成為世界造船強國的瓶頸問題。近年來，國內部分大學與科研院所在該領域開展了一系列的技術研發工作，取得了一些成果。但從整體來看，與國外差距較大。

遨海橋INS作為新一代船舶導航系統，應用綜合定位導航授時（PNT）技術，實現對各類導航信息的綜合處理、評估，形成了統一、可靠的定位、導航和時間信息，大幅降低了選擇和使用多源信息的復雜度。系統可按照最優路線或最經濟的方式實現航線自主規劃，通過與航行控制系統配合，可以實現船舶自動航行，減輕船員駕駛負擔。系統采用基于標準模式、可配置的人機界面設計，讓操作更簡單、維護更便捷。系統完全滿足國際海事組織規范及標準要求。

▲遨海橋INS系統結構圖

▲遨海橋INS系統人機交互界面

針對綜合導航系統數據源種類多、數據內容和格式龐雜、業務應用需求多、功能復雜且交叉耦合的特點，遨海橋INS系統總體采用分層架構設計，各層級間采用統一協調的數據交換格式和交互模式。各層級內部采用模塊化設計，各功能模塊能夠靈活配置、便于擴展和替換。層級式和模塊化的架構能夠較好地支持綜合導航系統實現各類用戶業務需求，同時具有良好的可擴充性。

目前該系統已在深圳遠洋運輸股份有限公司所屬六萬噸級“鵬德”輪上開展試運行，經過近一年的測試，系統運行穩定。

基于模塊化、信息化、智能化的遨海橋綜合導航系統，結合了新一代船岸通信技術，以信息融合和智能航行控制為依托，可廣泛應用于船舶的智能化航行。

遨海云MISS

遨海云是為滿足航海保障、船舶管理及海事監管等需求而構建的綜合性信息服務系統。它由海事互通平臺和多項海事業務服務組成，基于船舶航線、船舶位置、安全信息、港口管理、水文氣象等信息，能夠為航海保障機關、海事管理機構、航運相關用戶等海事/航運活動參與者提供端到端的信息交互、行業監管、業務支持等海上信息服務系統解決方案。

其中，海事互通平臺（MCP）以國際海事組織提出的海事領域通用岸基系統架構（CSSA）為系統框架，以S-100數據模型為數據交換體系框架，在所有授權海事活動參與者（含船舶）和授權服務之間，智能地按需完成路由控制，并建立動態連接和通信鏈路，提供無感知的端到端服務，確保用戶與服務間數據的可靠交互。海事互通平臺具有以下特點：（1）松耦合、模塊化、開放性、標準化的體系架構； （2）信息交換高效、安全、可靠、無縫； （3）可按需配置用戶對服務的訪問；（4）業務擴展靈活。

▲“鵬德”輪隨航測試的遨海橋INS

▲遨海云MISS系統的體系結構

▲海事互通平臺的系統架構

海事業務服務以國際航標協會（IALA）提出的海事服務集（MS）規范為基礎，為海事/航運用戶提供“高內聚”的業務功能支持服務，滿足各類不同用戶的服務需求。服務包括：（1）海上安全信息播發服務：按照IMO Circ.289報告要求，提供船舶安全相關信息發送服務；（2）船舶進出港報告服務：提供船舶進出港申報、港口泊位申請、引航申請、進出港報告和管理，以及船舶在港口內的移泊、離泊等業務服務；（3）航線規劃服務：以大數據分析為基礎，結合實時航道情況（航行警告），給出泊位到泊位的船舶航線規劃，輔助船舶航行；（4）地基VDES信道服務：依托自主研發的VDES岸站，為不同用戶提供信息播發、信息采集、信息監測等服務。

▲基于海事互通平臺的海事業務服務概念

海事互通平臺及航線規劃服務目前已在東海航海保障中心的長江口e-航海建設工程中得到應用，該工程主要為滿足在長江口深水航道利用邊坡航道進行超寬船舶交匯通航，以提高通航效率的需求而建設。其中，海事互通平臺為工程所涉及的航標服務、航路規劃服務和智能導航終端、綜合信息服務系統提供了用戶注冊、服務注冊、服務獲取等業務支持。航路服務為工程涉及的深水航道中超寬船舶的交互通航提供了交匯點預測、交匯信息發布、流量監控等功能。

結束語

綜上，e-航海信息服務系統可以通過建立符合e-航海戰略的高速寬帶通信網絡及信息服務系統，支撐我國海洋、海事、漁業等領域的信息化發展，為后續無人船舶、海上大數據、下一代海事基礎通信標準的技術研究及行業發展提供全面的研制保障服務，支撐我國海上智慧交通、人工智能的發展需求。同時，該系統的可擴展性強，能夠廣泛應用于海上、港口、島礁等特殊區域，具有為我國海權保護、航道安全、島礁建設等提供體系化信息服務的能力。