船舶電子海圖數(shù)據(jù)自動(dòng)申領(lǐng)系統(tǒng)分析

李乾源 孫 超

一、引言

隨著ECDIS（Electronic Chart Display and Information System，電子海圖顯示與信息系統(tǒng)）的強(qiáng)制安裝，船員在實(shí)踐中已經(jīng)逐步接受并熟悉通過(guò)ECDIS來(lái)輔助航海工作。在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，船舶安裝的ECDIS設(shè)備需要經(jīng)由ADC（Admiralty Digital Catalogue）選圖軟件選用航海圖后方能使用。此外，每當(dāng)船上的航次計(jì)劃任務(wù)工作完成后，航線選圖、電子海圖數(shù)據(jù)購(gòu)買更新以及安裝流程都需要通過(guò)ADC輔助完成[1]。基于企業(yè)管理規(guī)范的要求，船舶一個(gè)航次任務(wù)所需購(gòu)買的海圖往往必須提交至岸端海務(wù)主管部門(mén)審核之后，再轉(zhuǎn)發(fā)給海圖代理公司來(lái)完成采購(gòu)申請(qǐng)。然而，由于船舶的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境常常無(wú)法正常建立Internet連接，ADC選圖結(jié)果無(wú)法系統(tǒng)間直接同步給海務(wù)主管部門(mén)，因此需要船舶操作人員手動(dòng)地從ADC軟件導(dǎo)出申購(gòu)海圖數(shù)據(jù)的文件，然后通過(guò)郵件/報(bào)文的方式發(fā)送給海務(wù)主管審核人員，造成海圖申領(lǐng)流程繁瑣從而增加了船上工作量。

針對(duì)這一現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種海圖申領(lǐng)流程的優(yōu)化方案，它基于Web電子海圖技術(shù)架構(gòu)，通過(guò)UKHO開(kāi)放的WebService接口，在電子海圖業(yè)務(wù)與船舶現(xiàn)存業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間建立數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)，在船舶、海務(wù)主管和海圖代理公司之間形成閉環(huán)鏈，從而使得整個(gè)海圖申領(lǐng)業(yè)務(wù)流程透明、高效，達(dá)到數(shù)據(jù)共享和管理協(xié)同的目標(biāo)。

二、總體方案

系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

本文研究的船舶電子海圖自動(dòng)申領(lǐng)系統(tǒng)包括以下三個(gè)主要部分：

1.船端選圖模塊

基于先進(jìn)的Web應(yīng)用技術(shù)，利用典型三層架構(gòu)開(kāi)發(fā)Web電子海圖選圖系統(tǒng)，并通過(guò)AVCS_Catalogue.XML文件的融合，實(shí)現(xiàn)全域環(huán)境對(duì)ADC軟件選圖的模擬和替代。

2.船岸通信模塊

基于VSTO（Visual Studio Tools for Office）開(kāi)發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)Microsoft Outlook郵件客戶端的無(wú)縫集成，在適應(yīng)船舶作業(yè)的復(fù)雜環(huán)境下，架起船、岸之間數(shù)據(jù)交互的橋梁[2]。

3.岸基訂購(gòu)模塊

基于UKHO開(kāi)放的B2B Service通用接口標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用WebService平臺(tái)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)岸端自建管理系統(tǒng)直接生成電子海圖訂單，并獲取對(duì)應(yīng)的Permits文件及對(duì)應(yīng)的更新光盤(pán)類文件等數(shù)據(jù)直接供船。

圖1 系統(tǒng)整體框架

三、基于Web電子海圖的船端選圖系統(tǒng)

1.總體結(jié)構(gòu)

隨著Web技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用日趨成熟，關(guān)于Web電子海圖信息系統(tǒng)應(yīng)用的研究也越來(lái)越廣泛。有基于WebGIS并結(jié)合Java Applet技術(shù)實(shí)現(xiàn)的WebChart船舶導(dǎo)航系統(tǒng)[3]，有通過(guò)SVG技術(shù)與Applet的融合形成的基于XML的電子海圖系統(tǒng)[4]，也有基于矢量瓦片技術(shù)的Web電子海圖系統(tǒng)。船端選圖系統(tǒng)滿足船舶實(shí)操中對(duì)軟件系統(tǒng)獨(dú)立性的場(chǎng)景需求，選圖人員可以在任何一臺(tái)位于局域網(wǎng)的計(jì)算機(jī)設(shè)備上通過(guò)Web瀏覽器的方式訪問(wèn)海圖數(shù)據(jù)。船端選圖系統(tǒng)根據(jù)OpenGIS Web服務(wù)器規(guī)范開(kāi)發(fā)，其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。展示層是呈現(xiàn)海圖數(shù)據(jù)的OpenLayers客戶端（運(yùn)行于Web頁(yè)面），它發(fā)出海圖數(shù)據(jù)請(qǐng)求，事物處理層的GeoServer地圖服務(wù)器（運(yùn)行于Tomcat）將從數(shù)據(jù)持久層的Shapefile、Geojson和XML等數(shù)據(jù)文件獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，返回給OpenLayers客戶端進(jìn)行展示。

圖2 總體結(jié)構(gòu)

2.系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)整體邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)劃分為展現(xiàn)層（OpenLayers客戶端）、中間事務(wù)處理層以及數(shù)據(jù)持久層（空間數(shù)據(jù)庫(kù)）三個(gè)部分。中間層的服務(wù)處理機(jī)制又被分割為兩個(gè)部分，即簡(jiǎn)單事務(wù)處理子層和定制事務(wù)處理子層，是為了方便針對(duì)當(dāng)前船舶的各級(jí)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的特征需求做擴(kuò)展性的開(kāi)發(fā)和提高軟件的可復(fù)用性。在簡(jiǎn)單事務(wù)處理子層中，概括抽象出世界海圖顯示、AVCS的圖層疊加（公司ECDIS設(shè)備大多使用AVCS的ENC）等基礎(chǔ)功能的全局版本，并銜接下一層提供通用的功能模塊。后者可根據(jù)集成不同的業(yè)務(wù)系統(tǒng)增加定制化程序，可與上層簡(jiǎn)單事務(wù)服務(wù)之后建立通信，擴(kuò)展如經(jīng)緯度列表導(dǎo)入選圖、海圖號(hào)智能匹配、航線規(guī)劃選圖、航線回顯、海圖訂單價(jià)格等功能。底層采用了輕量級(jí)的Derby數(shù)據(jù)庫(kù)持久化上層傳遞的空間位置數(shù)據(jù)、航線信息、海圖資料訂單列表（如資料購(gòu)買周期、訂單價(jià)格等數(shù)據(jù)），增加了與業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)撵`活性，而且支持通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)存取事務(wù)接口訪問(wèn)海圖數(shù)據(jù)。由于目前主要的海圖矢量數(shù)據(jù)來(lái)源是UKHO，因此底層還包含了原生的XML數(shù)據(jù)文檔。

3.主要功能

系統(tǒng)的主要功能模塊如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)支持對(duì)世界海圖及AVCS圖層的移動(dòng)、縮放、鷹眼圖（地圖縮略圖）、地圖比例尺、瀏覽等基本操作，以及對(duì)當(dāng)前鼠標(biāo)位置的追蹤，可以計(jì)算出用戶使用鼠標(biāo)在地圖上繪制的多邊形的面積或者折線的長(zhǎng)度。實(shí)現(xiàn)的高級(jí)操作包括多圖層可視化管理，海圖高亮，智能選圖，海圖資料購(gòu)買、更新及航線管理等。

圖層管理模塊包含世界海圖和AVCS圖層兩個(gè)可視化管理的基本功能，后者是將不同類型的圖層數(shù)據(jù)文件按照ADC選圖軟件的圖層分類標(biāo)準(zhǔn)，放到各個(gè)圖層中，可進(jìn)行統(tǒng)一的顯示和隱藏操作，或者自定義該圖層的透明度，實(shí)現(xiàn)在多圖層疊加顯示的狀態(tài)下可以獲得更加直觀的觀察效果和美觀感受的目的。訂單管理模塊包含海圖高亮、航線選圖下單以及導(dǎo)入航線下單的高級(jí)功能，可根據(jù)海圖編號(hào)、標(biāo)題、空間關(guān)系等條件搜索查詢后在瀏覽器中高亮顯示匹配到的海圖（區(qū)）；航線選圖是利用鼠標(biāo)的追蹤位置與地圖中矢量數(shù)據(jù)的空間關(guān)系，在進(jìn)入或者臨界矢量區(qū)域時(shí)，對(duì)矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)記。值得注意的是，在完成智能匹配后的電子海圖申請(qǐng)購(gòu)買訂單列表中，并沒(méi)有完成對(duì)船存電子海圖資料有效期的過(guò)濾，即選圖工具中沒(méi)有保存船舶的電子海圖資料歷史購(gòu)買訂單明細(xì)數(shù)據(jù)，將庫(kù)存管理的功能集成在船端使用的業(yè)務(wù)系統(tǒng)內(nèi)，既滿足了企業(yè)對(duì)業(yè)務(wù)經(jīng)營(yíng)數(shù)據(jù)的管理要求，同時(shí)也提高了選圖工具的輕便性及高可復(fù)用性。航線管理模塊包含航線回顯及航線維護(hù)的基本功能，主要是為了提高船岸兩端之間的業(yè)務(wù)交流，船端完成的航線任務(wù)傳到岸端之后，岸端在訂單中可以將整個(gè)航線回顯出來(lái)并可進(jìn)行維護(hù)，作為本次航線任務(wù)的改正。

4.選圖操作流程

系統(tǒng)的選圖流程如圖5所示。

圖5 選圖操作流程

（1）打開(kāi)船舶業(yè)務(wù)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的訂單管理界面，點(diǎn)擊“選圖工具IP”按鈕在彈窗界面輸入本機(jī)的物理地址，然后點(diǎn)擊“航線選圖”按鈕即可打開(kāi)選圖工具瀏覽器客戶端。

（2）根據(jù)選圖需求，設(shè)置對(duì)應(yīng)的顯示參數(shù)，打開(kāi)航線繪制功能即可在Web海圖上通過(guò)鼠標(biāo)畫(huà)出任意折線，鼠標(biāo)單擊的位置作為折線的拐點(diǎn)。

（3）粗略繪制完航線后可以通過(guò)海圖（圖層）放大繼續(xù)進(jìn)行航線的精修編輯，如延長(zhǎng)、折回、繞過(guò)等操作。

（4）航線確定后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)匹配出路徑所經(jīng)過(guò)的所有海圖資料，通過(guò)瀏覽海圖資料列表的明細(xì)最終確認(rèn)需要申請(qǐng)購(gòu)買的海圖，并填寫(xiě)航線名稱后提交訂單，至此，選圖工具中的電子海圖購(gòu)買申請(qǐng)流程完成。

四、船岸通信

1.總體方案

船岸的數(shù)據(jù)通信是船舶的服務(wù)器與岸基對(duì)應(yīng)的管理單位的服務(wù)器之間的雙向數(shù)據(jù)同步的過(guò)程。目前，在船舶數(shù)據(jù)交互過(guò)程中使用最多的方式是郵件通信。本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的船岸數(shù)據(jù)同步方式是在基于VSTO技術(shù)的船岸同步軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的研究基礎(chǔ)上增加了可配置的自定義模塊。根據(jù)不同船公司對(duì)數(shù)據(jù)同步的個(gè)性化需求，可在船端程序中設(shè)置不同標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)同步定時(shí)任務(wù)。

（1）當(dāng)程序檢測(cè)到發(fā)送郵件的服務(wù)器連接上3G、4G網(wǎng)絡(luò)時(shí)，會(huì)自動(dòng)將生成的數(shù)據(jù)包優(yōu)先通過(guò)Internet的形式發(fā)回岸基服務(wù)器。

（2）在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境持續(xù)斷開(kāi)的情況下，程序會(huì)根據(jù)定時(shí)任務(wù)的數(shù)據(jù)交換頻次設(shè)置，在固定的時(shí)間點(diǎn)通過(guò)Inmarsat（海事衛(wèi)星）將數(shù)據(jù)發(fā)回。

（3）如果有迫切的數(shù)據(jù)交換需求，也可以通過(guò)直接手動(dòng)觸發(fā)數(shù)據(jù)同步任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了高效與經(jīng)濟(jì)并存。船岸數(shù)據(jù)同步模型如圖6所示。

圖6 船岸數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.基于Internet的數(shù)據(jù)同步流程

船舶靠港停泊或者在近岸漂航時(shí)，船端的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境可以通過(guò)3G、4G網(wǎng)絡(luò)與岸基的網(wǎng)絡(luò)通信基站建立Internet連接，實(shí)現(xiàn)較為廉價(jià)的通信模式。在這種情況下，船舶提交的電子海圖購(gòu)買申請(qǐng)以及岸端的許可文件、海圖更新包等數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)完成船岸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步。

3.基于Inmarsat的數(shù)據(jù)同步流程

在船舶處于“斷網(wǎng)”狀態(tài)的情況下，基于VSTO技術(shù)開(kāi)發(fā)的船岸數(shù)據(jù)同步解決方案是利用船舶服務(wù)器安裝的郵件系統(tǒng)，即主要以船端使用的專門(mén)的郵件通信客戶端作為宿主程序，連接Inmarsat（海事衛(wèi)星）實(shí)現(xiàn)船岸數(shù)據(jù)包交換的目的。

五、電子海圖購(gòu)買和更新流程

1.電子海圖購(gòu)買申請(qǐng)

當(dāng)船舶制訂好航次計(jì)劃后，可以直接使用選圖工具繪制航線并生成對(duì)應(yīng)的電子海圖數(shù)據(jù)資料，確認(rèn)申請(qǐng)購(gòu)買后，系統(tǒng)會(huì)將航線匹配到的所有海圖資料明細(xì)與船舶庫(kù)存的電子海圖進(jìn)行比對(duì)，去除有效期在一周內(nèi)或者已經(jīng)過(guò)期的資料，才會(huì)生成最終的申領(lǐng)單。船端等待程序自動(dòng)同步數(shù)據(jù)到岸端，岸端對(duì)應(yīng)的船舶管理系統(tǒng)接收到船端業(yè)務(wù)系統(tǒng)提交的電子海圖購(gòu)買申請(qǐng)單數(shù)據(jù)后，海務(wù)主管登錄系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)應(yīng)申請(qǐng)單的審核或者航線修正操作，確認(rèn)無(wú)誤后，可以選擇相應(yīng)的海圖代理服務(wù)商，確定后將詢價(jià)單提交到對(duì)方的系統(tǒng)中等待反饋。

2.UKHO B2B Service下單

海圖代理服務(wù)商在系統(tǒng)中接收到岸基的海圖購(gòu)買申請(qǐng)后，通過(guò)B2B SOAP APIs向UKHO提交訂單購(gòu)買的詳細(xì)內(nèi)容，并獲得反饋，內(nèi)容包括提交結(jié)果、Permits下載路徑等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以通過(guò)“一站式”的流程完整地返回至船端。

3.電子海圖數(shù)據(jù)更新

岸端分發(fā)文件系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖7所示。

圖7 岸到船數(shù)據(jù)分發(fā)拓?fù)鋱D

根據(jù)UKHO電子海圖資料的周更新機(jī)制，參照官方接口開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，在岸端搭建文件服務(wù)器并通過(guò)自動(dòng)獲取的形式增量同步數(shù)據(jù)資料，并在海圖代理服務(wù)使用的岸端管理系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)船舶庫(kù)存與更新資料的智能匹配工作，標(biāo)記出已經(jīng)申請(qǐng)購(gòu)買過(guò)對(duì)應(yīng)電子海圖資料并且臨近過(guò)期的船舶，實(shí)現(xiàn)“主動(dòng)式”的銷售服務(wù)。

六、結(jié)語(yǔ)

電子海圖信息系統(tǒng)已經(jīng)成為船端不可或缺的航海導(dǎo)航輔助設(shè)備，因此有關(guān)ECDIS的周邊產(chǎn)品（如Permits）亦是使用者十分關(guān)心的內(nèi)容。市場(chǎng)上提供的ADC選圖工具軟件雖然功能已經(jīng)比較完善，但是由于受到生產(chǎn)業(yè)務(wù)過(guò)程中管理需求的制約，無(wú)法真正解決使用者的痛點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的“一站式”系統(tǒng)在操作功能以及方法上無(wú)縫對(duì)接船端使用人員，并增加了個(gè)性化服務(wù)的內(nèi)容，不僅為船端電子海圖資料申請(qǐng)的操作人員提供了簡(jiǎn)便性，而且滿足了岸端主管部門(mén)的管理需求，還為海圖代理服務(wù)供應(yīng)商拓寬了業(yè)務(wù)開(kāi)展空間，為整個(gè)業(yè)務(wù)閉環(huán)鏈的數(shù)據(jù)運(yùn)營(yíng)提供了技術(shù)基礎(chǔ)保障。

然而，由于電子海圖數(shù)據(jù)資料的下單購(gòu)買依賴于UKHO官方提供的接口，如果該接口被關(guān)閉或者技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生變化，下單程序也將相應(yīng)地失效。未來(lái)需進(jìn)一步研究同行業(yè)替代服務(wù)提供商的可行性解決方案，使得“一站式”系統(tǒng)服務(wù)更具生命力。