內河電子航道圖發展現狀及思考

徐海潮，謝 斌

(華設設計集團股份有限公司 江蘇省綜合交通智能感知與管控重點實驗室, 江蘇 南京 210014)

0 引 言

內河航運是我國綜合交通運輸體系中不可或缺的部分，近年來，我國交通運輸業快速發展，急需內河航運提供強有力的支撐。在國家的大力支持下，國家有關部門相繼印發了《智能船舶發展行動計劃(2019—2021年)》《智能航運發展指導意見》和《交通強國建設綱要》等政策性文件，要求將數字航道、智能船舶和智能航運作為現階段信息化發展的目標。在此背景下，各級航道和海事主管部門積極研究探索借助信息化手段提升業務管理和服務水平，各種水運地理信息平臺開始出現。然而，內河電子航道圖(Inland Electronic Navigation Chart,IENC)作為這些平臺的核心組成部分和數據基礎，由于缺乏國家層面的頂層設計和統一標準，加上我國水系眾多，各水系獨自建設，并自成體系，易形成信息孤島[1-2]。因此，為實現內河數據資源共享，形成規范、統一的IENC資源，有必要研究并解決IENC技術問題。本文主要對國內外IENC的發展現狀進行分析，指出IENC存在的問題，并提出解決思路，為繪制互聯互通、數據共享的統一標準IENC提供參考。

1 IENC國外發展現狀

1.1 國際組織

歐洲內河電子海圖顯示與信息系統(Electronic Chart Display and Information System,ECDIS)專家小組與內河電子航道圖協調組(IENC Harmonization Group,IEHG)共同組成了IENC的國際組織，其中：歐洲內河ECDIS專家小組由歐洲多個國家的專家組成，旨在開發和維護基于統一標準的俄羅斯和歐洲內河ECDIS；IEHG由美洲、歐洲和亞洲等地的多個國家的政府、學術界和工業界的杰出代表組成，成立于2003年，旨在促進IENC數據國際標準的研究和發展，我國于2009年加入IEHG[3-5]。

1.2 美洲、歐洲和亞洲地區

美國的內河航道由莫比河水系、哥倫比亞河水系、墨西哥灣沿海水系、密西西比河水系和大西洋沿海水系構成，總里程達41 000 km。截至2015年底，美國已完成20條內河水域的電子航道圖制作，電子航道圖總里程達13 197 km，另外還有懷特河的394 km河段正在開發。因具有先進的科技作為支撐，美國基于IEHG2.2版和IHO S-57標準研發了IENC，覆蓋率很高。巴西的海道測量導航委員會基于IEHG2.2版標準研發了亞馬遜河干流和支流、巴拉圭河巴西段、亞馬遜河支流雅里河和支流等河流的14 520 km里程IENC[4-5]。

截至2013年11月，歐洲IENC總里程為10 250 km，主要覆蓋萊茵河、摩澤爾河、多瑙河、薩瓦河、易北河、龍河和德拉瓦河等流域；亞洲IENC總里程約為30 000 km，主要覆蓋鄂畢河、勒拿河、葉尼塞河和黑龍江等流域[4-5]。

1.3 國際IENC標準

歐洲內河ECDIS專家小組和IEHG自成立以來，一直在不斷完善國際IENC標準，制訂了數十項標準，其中具有代表性的標準見表1。

表1 部分具有代表性的國際IENC標準

2 IENC國內發展現狀

2.1 國內相關組織

我國內河有長江、贛江、漢江、珠江、西江、京杭大運河、黃河和黑龍江等水系，各水系的IENC是單獨研究制作或籌劃制作的，目前尚未成立統一的IENC標準委員會。

2.2 國內內河水系

根據IEHG組織2013年的會議記錄，當我國各水系的IENC全部完成時，IENC里程將達到124 200 km，具備完善的IENC網絡，其中五大水系規劃的IENC里程見表2。

表2 我國內河五大水系規劃的IENC里程

目前，長江IENC 3.0版本已覆蓋2 687.8 km長江全線、388 km贛江樟樹至湖口及環鄱陽湖航道和75 km漢江航道；珠江約300 km航道測繪數據導入航道基礎地理信息數據庫已基本完成，并已籌劃逐步建立地理信息系統(Geographic Information System,GIS)與IHO S-57標準并存的IENC體系；松花江和黑河區段分別完成了約900 km和130 km的IENC制作；湘江依托2 000噸級航道建設工程，開啟了IENC制作工作；京杭大運河已制作約400 km數字化地形圖，并已謀劃電子航道圖系統建設工程[5]。

2.3 國內IENC標準

目前國內尚未成立IENC標準委員會，與之相關的標準較少。長江航務管理局、長江航道局及其直屬的長江航道測量中心等單位根據我國長江的特點，結合IHO和IEHG發布的內河國際標準，制定了數項長江IENC標準，規范和指導長江IENC健康有序發展，主要標準見表3。

表3 我國長江IENC標準

3 國內IENC技術

3.1 國內內河航道體系

就IENC而言，當前僅有長江航道局建立了較為完備的長江航道體系，可解決長江航道科研、設計、生產、制作和維護等方面的問題，具體任務由長江航道局直屬的長江航道規劃設計研究院、長江航道測量中心和各區域航道局承擔。長江航道體系架構和業務工作圖見圖1。

圖1 長江航道體系架構和業務工作圖

3.2 IENC制作技術

目前長江IENC制作技術較為成熟，代表著我國IENC制作技術的最高水平，主要分為清華山維制作技術和基于空間地理數據庫(Geo Data Base,GDB)模板的制作技術2種。

1)清華山維制作技術的應用過程是對數據進行處理，將處理后的外業測量數據導入航海信息系統(Nautical Information System,NIS)庫，并根據圖幅范圍制作長江IENC，基于該技術的長江IENC制作流程見圖2。外業測量的陸域要素(橋梁)和水域要素(水深、航標等)儲存在CAD文件中，碼頭、港口、河流和公路等專題要素儲存在EXCEL文件中，清華山維軟件可自動對CAD文件和EXCEL文件進行數據處理，并使處理后的數據符合《長江電子航道圖數據傳輸標準》(CJ-57)的要求。依托數據標注和水深點數據構建航道水深三角網，根據三角網生成等深線和等深面，檢查數據質量，判斷生成的IENC成果文件與制圖模板的一致性[6-10]。

圖2 基于清華山維制作技術的長江IENC制作流程

2)GDB模板制作技術也是制作長江IENC常用的技術之一，數據采集GDB模板和建立地物要素與S-57的物標之間的關系是其關鍵所在。根據CJ-57標準、NIS模型和研究區內地物要素的種類制作GDB模板；建立地物要素與CJ-57的物標之間的關系，該對應關系和GDB模板中的每個要素類與NIS模型中的每個要素類的對應關系完全一致；將處理后的要素數據存儲至NIS庫內，根據圖幅范圍和研究區域制作IENC[6]，制作流程見圖3。

圖3 基于GDB模板的長江IENC制作流程

3.3 長江數字航道與長江IENC融合更新技術

近年來，長江內河航道信息化建設在國家有關部門的高度重視下得到了快速推進。2019年底，長江航道全線6 529座航標和154座水位站均已具備遙測遙控能力，初步建成貫穿整個長江的數字航道。然而，長江數字航道與長江IENC的數據交換共享缺乏機制和標準，航標異動和水位等航道動態信息采集之后無法及時共享給長江IENC系統，導致提供的最新電子航道圖數據信息的時效性變差。鑒于此，長江航道測量中心研發了長江數字航道系統與IENC融合技術，該技術采用“交換+服務”的運行模式，即先在區域航道局數字航道系統內獲取航標和水位等關鍵數據，在IENC系統內獲取IENC數據，然后將這些數據整合至數據交換與共享平臺內，由該平臺完成數據匹配、融合，并向IENC公共服務平臺和區域航道局數字航道系統推送最新的.000航道圖(更新航標和水位數據)文件，向長航相關業務系統推送與之對應的服務[11]。

4 我國IENC發展面臨的困難

由于我國IENC起步較晚，水系多而分散，內河航道測繪技術發展緩慢，信息資源孤立，IENC標準匱乏，導致IENC發展過程中存在很多困難，主要如下。

4.1 建設各自為陣，標準不一

我國內河各水系研究的IENC相互獨立，導致長江與其各支流之間的IENC不兼容，水系與水系之間的IENC不兼容，水系與海洋之間的IENC也不兼容。例如珠江流經廣西和廣東兩省，廣西省航道管理部門基于S-57標準開發IENC，而廣東省航道管理部門采用ArcGIS技術研發IENC，致使該水系在不同航段需執行不同的標準，不僅給船舶帶來了極大不便[12-14]，而且使得跨部門、跨航段、跨流域用戶的個性化和多樣化需求無法得到滿足。

4.2 動態數據豐富，共享困難

我國長江、贛江、漢江、珠江和西江等水系建設有航標遙測遙控系統，長江干線建設有水位遙測遙報系統，豐富了內河航道水深實時數據。然而，除了長江航道，其他水系暫無較為成熟的航道感知信息融合技術，難以準確、及時、可靠、全面地感知航道、航標、水位和氣象等環境要素，導致IENC更新頻率較慢，無法為社會及時、高效地提供最新的IENC。

4.3 定位精度不高，阻礙發展

當前水運行業的導航定位精度一般約為10 m，僅能適應船員駕駛船舶的需求。若要深入推進《智能船舶發展行動計劃(2019—2021年)》《智能航運發展指導意見》和《交通強國建設綱要》政策的實施，需要以高精度位置服務為支撐，以IENC為載體，為航運管理、船舶安全航行和水上應急等提供實時、精準、便捷的服務。然而，現有定位精度下的IENC在智能船舶、自主航行、智能航保和智能監管等方面提供助航、導航位置服務時無法滿足上述要求，阻礙了智能航運的發展。

4.4 航道科技發展緩慢，缺乏前沿技術

當前，IENC水深主要依靠航道測量船測量，航道水文主要依靠沿途建設的水文站監測，橋梁凈空依靠人工測量，這些方法均需消耗大量的人力和物力，且易受外界環境影響，難以滿足智能航運的發展需求。

4.5 系統建設較好，維護性差

信息化系統遵循“三分建設，七分維護”的原則，但當前我國的水系大都重視IENC研發，很少對系統建設之后的運維進行研究。

5 我國IENC未來發展思考

為確保IENC統一、協調、健康發展，建議采取以下措施：

5.1 共同成立委員會，制定統一標準

由全國所有內河水系的專家共同成立IENC標準委員會，結合我國各大水系中有代表性的內河、運河、湖泊和水庫等水系的主要特點，研究制定符合國情的《內河電子航道圖技術規范》。此外，制定IENC數據采集、航道感知要素信息交換共享和應用服務等方面的標準，確保IENC生產、制作、校驗和維護等各階段的數據均有據可依。同時，保持與IEHG的溝通和合作機制，積極參與編制IEHG相關標準，力爭使我國IENC標準早日與國際IENC標準接軌。

5.2 學習先進案例，吸收成功經驗

長江航道局及其直屬單位已從事電子航道圖研究十余年，為社會輸出了一些寶貴的科研成果，建議其他水系與長江航道局保持密切的溝通交流，并借鑒其成果和經驗(如IENC制作技術、數字航道與IENC融合技術和CJ-57標準等)，針對本水系的特點進行優化完善，研發具有特殊性、落地性、兼容性和可操作性的電子航道圖。

5.3 建立增強服務，生產高精度航道圖

智能船舶、自主航行和智能航運等應用場景需精確反映出航道的水深情況，以便更好地為船企、港口、海事和航道等單位提供服務，迫切需要建立CORS增強定位服務，以提高IENC外業采集數據的精度，為制作生產高精度IENC提供基礎數據。

5.4 利用前沿科技，提高生產服務能力

當前人工智能和大數據已在很多行業得到應用。建議利用智能船自動采集、測量航道水深數據，利用機器視覺系統自動獲取水位站數據。此外，建議利用自身的航標遙感遙測、水位遙測遙控和視頻結構化與半結構化數據，以及與外部交換共享的船舶自動識別系統(Automatic Identification System,AIS)數據、船舶交通管理系統(Vessel Traffic Service,VTS)數據、水文和氣象數據，綜合研判，自動預報未來幾天的航道水深，為社會提供智能化的IENC服務。

5.5 建立維護機制，確保長效運維

建議航道管理部門成立專門的系統運維管理機構，統籌協調系統運維工作，落實專項運維資金，建立可靠、穩定的技術維護力量，構建完善的運維保障體系(運維技術方案、運維人員、運維職責和運維管理制度)；相關行業管理部門密切配合，以保證IENC系統長效運行和可持續發展。

6 結 語

本文在綜述國內外IENC發展現狀和國內IENC技術的基礎上，深入分析了國內IENC發展面臨的問題，并提出了應對措施，供航道管理部門參考。隨著相關航運政策的出臺，以及人工智能、大數據、無人船和5G等科技的日益成熟，IENC對智能航道、智能航運的促進作用日益顯著，其將引領內河航運朝著高端化、精細化和智能化方向發展，并全面提升內河航運應用、服務和管理水平，充分發揮內河航運的優勢，助力智能航運發展。