面向船舶智能航行系統的信息服務標準化實現方案研究

岳博文，田為民，王 寶，王高峰

（交通運輸部北海航海保障中心天津通信中心，天津 300456）

0 引言

2018年我國三部門聯合印發《智能船舶發展行動計劃（2019-2021年）》，2019年七部委聯合印發《智能航運發展指導意見》，同年3月，中國開啟了“基于岸基協同的船舶智能航行與控制關鍵技術”的研究，以期引領和指導智能船舶航行領域發展。因目前智能航運領域發展程度還不高，智能船舶與非智能船舶將長期并存，在信息服務方面二者所需主要信息種類雖基本一致，但智能船舶更需符合機器理解的語義表述和信息標準，此外，岸基管理服務平臺還需AIS信息、航標遙測遙控信息等，這些信息的來源、格式、傳輸途徑龐雜不統一，多途徑的異構信息源難以高效匹配各有所需的信息使用者。在這種情況下，建立一套統一規范的信息標準可供智能船舶使用、可使信息整合高效便捷，就顯得十分重要。

國際海道測量組織（IHO）提出的S-100標準目前只給出了結構框架，并沒有數據格式的具體標準，智能航行領域尚無通用的信息服務標準，因此，需結合現行其他信息標準和實際使用需求制定一套完整的針對智能航行的信息服務標準，且應充分考慮標準的服務對象。如圖1所示。

圖1 智能航行信息標準服務對象

1 信息標準化實現方案研究

1.1 信息分類

智能航行具有數據量大、來源多、變化快等特點，需要高效的管理和傳輸支持，其中，海上安全信息、交通組織信息、航線計劃信息、水文氣象信息、航行控制信息為必不可少的關鍵信息類型，參照e-航海標準數據框架的S-100協議并根據中國船岸協同智能航行技術研究需要，確定了包括助航標志、礙航物等在內的可用于實際信息交換的15類信息服務格式。

1.2 信息格式標準化

標準化生成主要是對各種信息按一定編碼規則進行標準化的數據庫生成，便于系統規范應用和傳輸，滿足智能航行系統快速、便捷、規范接收和應用。下面從結構化的二進制格式標準和可擴展標記語言XML格式標準兩方面，對智能航行信息進行標準化實現。

1.2.1 二進制格式標準化

相較傳統語音模擬信號傳輸和文本傳輸，二進制報文傳輸具有諸多優勢，目前我國有關二進制化的海事服務信息的行業標準有《船舶自動識別系統（AIS）中國區域二進制信息技術規范》（JT/T 1276-2019），該標準以二進制形式規范了AIS中國區域二進制應用信息的結構、分類和編碼規則。從智能航行信息支持需求來看，選用6號尋址報文作為標準基礎更為合適。該標準規定的AIS二進制報文由三部分組成：標準AIS的數據幀格式；應用標識符（AI）；應用數據（長度可變）。由于是現行標準，考慮到數據標準銜接性，對于數據幀格式部分及應用標識符（AI）部分不做改變。應用數據部分則有如下不足需變更與補充：信息規則種類有欠缺；語義結構上無法充分滿足航行警告類信息服務；規則內部給出的內容種類不足，且預留的可拓展比特位也不足以滿足要求。

下面以助航標志類信息標準化方案法為例，講解上述3點的修改辦法，修改前后對照見表1及表2，解釋見表后文段。

表1 航標工作預報編碼規則

表2 視覺航標狀況編碼規則（新增）

語義結構及信息規則方面的修改補充重點參照《中華人民共和國航行警告標準格式》（GB 17577- 2009）以及新版送審稿，按照“主體、地點、主述、時間、補充”的語義結構劃分，對原有類別進行調整：將表1中的“狀態”改為“分類”，并劃分為視覺航標狀況、視覺航標動態、無線電航標三類，新增相應規則（其一見表2），內容按照國標，添加熄滅、燈光失常、損壞、移位等7個內容；此外根據16類信息服務實際需求，需逐個進行規則補充，此處不再一一列舉。筆者將全部的16類信息進行了二進制的標準化，形成完整的二進制格式標準方案成果（略）。

模擬信息二進制標準化后具有如下優點：一是傳輸效率大大提高，僅需幾個比特位即可完成傳輸，適合海上帶寬不足的情況，還可滿足智能船舶低時延、實時性高的信息需求；二是規范化，異構數據的描述方式均被惟一化；三是易于機器理解，方便智能船舶使用以及軟件二次開發；四是易修改易拓展，未來可通過增減規則類別、使用預留擴展位、拓展比特位數等方式滿足變化的需求。

1.2.2 XML格式標準化

XML即可擴展標記語言，它獨立于平臺和應用，可解決異構數據交互及共享問題，較于二進制格式其更適合寬帶系統的信息傳輸。XML同時也是IMO確認采用的S-100標準中推薦使用的用于進行不同接口間技術交換和模型描述的標記語言。

因目前尚無可參考的具有完整體系的XML格式的智能航行行業標準，所以在標準化過程中，依舊以JT/T 1276-2019、GB 17577-2009以及其最新送審稿為標準依據，并結合二進制標準化成果進行架構。

XML標準化首要工作就是將16個海事服務信息內容層次化、結構化，下面以GB 17577-2009航警標準中的視覺航標動態語義結構表為例。如表3所示。

表3 視覺航標動態

根據表3的基本內容，保留原本的5結構劃分方式，將各部分內容進行歸類，將同一類信息總結成一個元素名，并且確保元素種類足夠覆蓋所有原內容，總結后的元素名如表4所示。

表4 視覺航標動態元素

而后對每一個元素再進行細化完善，并補充消息ID等標志元素，最終形成完整的元素結構。如圖2所示（部分元素展開略）。

圖2 視覺航標動態類XML元素結構

元素結構完成后，需通過比對現有標準逐一確定元素的類型、取值、值限制等內容，保證充分滿足要求。以燈光“顏色”元素為例，因其具有離散取值范圍，所以類型定為simpleType，并逐一列出可能的取值：“白、紅、綠、黃、藍、黑”，值類型為string，又因其可以出現黃/藍等顏色組合，且非“主述內容”元素的必要值，所以最小出現次數為0，最大不做限制。需注意的是，XML結構定義文檔為英文，專用名詞及表述方式當遵守GB 17577-2009中的英文標準。逐一對16類信息進行加工，即可形成完整XML結構定義文檔（成果略）。

XML格式標準可解決多源異構數據匯聚及多樣化信息服務輸出等問題；相較二進制標準格式，其更適合高帶寬信息傳輸環境，信息更具可讀性，信息接收方、平臺接入方無須對照表即可知曉信息含義；此外，XML格式也兼具機器易于理解、易修改拓展等優點。

2 應用拓展和前景展望

2.1 海岸電臺數字化

當下中國的海岸電臺數字化僅實現了傳輸信道或載波調制的數字化，而未實現信息本身的數字化，航警信息在傳送各環節中還無法做到語義識別和自動轉發，信息傳輸速率還有較大提升空間，本文給出的二進制信息標準化實現方案或可為當下海岸電臺數字化改造提供參考。

2.2 定制化信息服務

經本文提出的方案標準化后的海事服務信息，不論是二進制格式還是XML格式，均可同時“標簽化”，每條信息都可以提煉出若干信息標簽，通過對包含特定標簽的信息篩選、歸類、封裝，可以形成具有特定價值、指定范圍的信息集，結合北斗系統的高精度定位及授時功能，從而提供高定制化信息服務。

3 結束語

“智能航運”是我國實現交通強國、航運強國的重要抓手，而高質量的通信信息服務則是智能航海保障的重點和難點，本文面向對智能航運背景下基于船岸協同的船舶智能航行的信息服務需求，從二進制格式傳輸和XML格式傳輸兩方面給出了信息標準化實現方案，并對方案優勢進行了分析，同時也為方案在其他領域應用進行了拓展和展望。