電子海圖導航系統發展前瞻

郝江凌 李 超

一、引言

2019年5月，交通運輸部等7部門聯合發布的《智能航運發展指導意見》提出，我國到2025年，要突破一批制約智能航運發展的關鍵技術，成為全球智能航運發展創新中心，構建以高度自動化和部分智能化為特征的航運新業態。2021年《“十四五”綜合交通運輸發展規劃》指出，將先進的信息技術與交通運輸有機融合，全方位賦能交通發展，推動發展自動駕駛、智能航運等技術發展與試點應用。作為智能航行系統的核心，船舶導航系統的發展就顯得尤為重要。電子海圖導航系統的出現是船舶導航系統發展的里程碑，被譽為繼雷達之后航海技術領域又一革命性的突破。隨著新的研究成果和技術的涌現以及智能船舶的快速發展，必將有更多創新性的理念和技術不斷影響電子海圖導航系統的發展和應用形態。

二、系統分類

電子海圖導航系統將船載雷達、全球導航衛星系統（GNSS，Global Navigation Satellite System）、船舶自動識別系統（AIS，Automatic Identification System）、陀螺羅經、航行警告系統、計程儀、測深儀、航行記錄儀以及自動舵等各類設備的數據進行融合處理，顯示在電子海圖上，實現航路監視、計劃航線設計、航行報警、航行記錄、海圖改正等多種功能，保障船舶航行安全。

電子海圖導航系統主要分為兩種類型：電子海圖顯示與信息系統（ECDIS，Electronic Chart Display and Information System）和電子海圖系統（ECS，Electronic Chart Systems）。國際海事組織（IMO，International Maritime Organization）和國際海道測量組織（IHO，International Hydrographic Organization）對于ECDIS和ECS有明確的界定：雖然它們都是一種航行信息系統，幫助航海人員進行導航和避碰，但二者有根本的區別。區別在兩點：一是ECDIS完全符合相關標準和規范的要求，ECS不要求完全滿足；二是如果ECDIS具有適當的備用配置，且符合國際海上人命安全公約（SOLAS，International Convention for Safety of Life at Sea）中相關配備要求，則可在法律上取代紙質海圖，但ECS不行[1]。

三、主要標準及應用現狀

電子海圖導航系統在經歷了一個自由發展階段之后，IMO和IHO為了實現其標準化和國際化，發布了一系列規范和相關的性能要求文件，來統一各國生產商的生產和開發標準。

在眾多標準中，有4個標準非常重要，分別是IHO S-52、IHO S-57、IHO S-63和IEC 61174。

（1）IHO S-52標準（ECDIS內容和顯示標準）規范了ECDIS顯示ENC信息時的方式，包括顏色、符號樣式、線型等一系列問題，從而保證不同廠商生產的 ECDIS顯示海圖信息的方式、基本海圖功能保持一致，以利于航海人員的識別和使用。

（2）IHO S-57標準（數字化海道測量數據傳輸標準）描述了用于各國之間交換以及向航海人員、ECDIS生產商提供的電子海圖數據格式，使他們之間的相互傳輸和交換達成了統一。

（3）IHO S-63標準（數據保護方案）是由IHO數據保護方案組編寫的，其主要作用是通過對數據的壓縮、加密、許可、驗證等手段保護電子海圖數據在分發、服務、銷售過程中避免發生數據被篡改、偽造和盜用的情況，確保數據的安全性和完整性[2]。

（4）IEC 61174標準（船用導航及通信設備和ECDIS性能和測試標準）則明確了對 ECDIS設備進行測試的方法和應該出現的結果，以保證各廠商生產的電子海圖系統的軟、硬件都能符合海上航行要求。最新版ECDIS測試標準——《IEC 61174：2015 Ed4.0》已于2017年9月1日生效，對ECDIS的使用產生了積極的影響。新標準下，ECDIS 的信息查詢、系統報警、時效性目標、航線文件交換、ENC 狀態報告等的操作和顯示都發生了明顯改變。

此外，還有S-100標準。該標準為通用海道測量數據模型，2005年由IHO提出，并于2010年正式發布1.0.0版本。作為新一代海洋地理信息數據模型，S-100歷經了4次更新與完善，能夠支持影像數據、網格數據、三維數據以及海上空間數據基礎設施等更廣泛的海道測量相關數據和產品, 解決了S-57標準僅能應用于ENC編碼的局限性[3]。

國際標準規范了電子海圖導航系統的功能、數據結構、顯示規范以及數據保護方案，保障了國際通用性，推動了電子海圖導航系統的發展和進步。從2012年到2018年，全球遠洋船舶、國內海上和內河航行船舶都按照相應規則進行了分階段強制安裝ECDIS或ECS。國外、國內的產品雖然在用戶界面、操作方法以及一些航行信息的豐富程度方面存在差異，但基本功能和性能都遵循標準研發，沒有太大差別。從性價比來說，國內產品更具優勢。

四、研究進展及發展趨勢

隨著當前遠程通信、船聯網、大數據、人工智能等技術的發展，智能船舶、自動駕駛成為船舶未來發展的必然趨勢[4]。順應這種趨勢，許多科研機構、相關企業在船舶導航系統的智能化方面做了大量探索和研究。未來的船舶導航系統是一種在自主環境感知和岸基支持下的智能綜合導航系統，其應用形態除了向移動化擴展外，更主要是以多維化為顯示模式，并疊加增強現實的可視化效果。

（一）應用形態

1.移動化

隨著移動通信技術的迅猛發展，加上智能手機、平板電腦以及其他便攜式移動設備的性能不斷提高，移動APP的應用非常廣泛，已經滲透到了各個領域。航海領域的船舶導航系統也由PC端向移動端擴展和延伸。

移動端導航系統主要基于 Android、IOS 及Windows移動平臺研發，以Wi-Fi、藍牙和3G/4G 網絡為信息傳輸通道，實現海圖顯示、船舶導航、航跡記錄、位置標注以及預警/報警等常用功能，為船舶航行提供參考。

移動端導航產品具有操作簡單、攜帶方便、應用靈活等特點，主要符合小型船舶導航的需求。我國沿海漁船、內河小型運輸船舶眾多，其中很多船舶船況差，船員素質低，沒有配備符合標準的電子海圖導航系統，給航行帶來較大的安全隱患。移動導航終端的出現打破了這種僵局，為這些船舶的航行安全提供了保障。圖1為一種移動端導航系統運行界面。

圖1 移動端導航系統運行界面

2.多維化

傳統的二維電子海圖雖然應用非常廣泛，但也有其固有的局限性。它以平面圖形為基礎，采用點、線、面幾何圖形和二維符號進行顯示，本質上是對航行地理環境的一種抽象符號表示，不能直觀反映自然場景的真實面貌。這種表達方式容易形成抽象多義性，給用戶辨識符號意義、理解航行信息造成一定的困難。

隨著三維 GIS的發展，業界在本世紀初提出了一個新的概念——三維電子海圖，并且隨著技術的發展，其可以集成三維模型、海底地形、遙感影像、水面紋理等要素，具備更強的直觀性、真實性和可視化效果。但三維電子海圖同樣面臨一些難題，如無法顯示沒有物理實體的物標（如水深、等深線、等深區）和水下物標（如水下危險物、沉船、暗礁等），這對航行安全構成了威脅。

不同于單純的二維和三維電子海圖，多維電子海圖主要利用二維電子海圖的海上數據來彌補三維水上信息的不足，將二維電子海圖中的水上物標與三維的岸線、地形、臨水建筑物、港航設施等數據進行疊加和融合，在三維數字地球框架下實現海量、多源、多類型數據的顯示[5]。多維數字航道示意圖如圖2所示。

圖2 多維數字航道示意圖

3.增強現實

增強現實（Augmented Reality，AR）是一種能夠使自然界的真實環境和計算機生成的虛擬圖像相融合、提高人們對現實場景感知和認識的技術。簡單講就是“虛實結合”，進而增強可視化的效果。

增強現實技術在航海領域大有用處，比如虛擬航標，就是一種增強現實的使用案例。在船舶導助航中使用 AR 技術，可將從電子海圖、AIS以及其他通導設備獲取的信息，如視頻流、預測分析結果等數據進行疊加和融合，將一些現實中看不到的信息進行直觀展現，提升船舶航行的安全性和決策的準確性。例如在電子海圖上顯示船舶靠泊、轉向時的回旋路徑，在攝像頭野盲區下顯示被遮擋的小型船舶，夜航和能見度低的情況下增強航道邊線、航標等航行信息的顯示等。未來的船舶導航系統要在深度挖掘和利用AR技術上下功夫，最大限度避免主觀判斷失誤造成的海事事故，減輕駕駛員的工作負擔和強度[6]。

（二）環境感知

沒有環境感知，智能導航無從談起。環境感知就是船舶通過傳感器和通信、導航設備獲取自身狀態及周圍環境的各種信息，為航行提供準確、快速的信息。環境感知對安全駕駛至關重要，是智能導航的基礎。

當前船舶主要依靠AIS、船載雷達、風向和風速傳感器、計程儀、水深儀以及一些船岸交互系統和設備等，獲取和感知周圍船舶、航道、水深、氣象水文、助航物、礙航物等航行環境數據。然而，與無人駕駛汽車相比，船舶的感知設備在智能性、準確性以及安全性等方面還有較大的差距。因此，需要借鑒無人駕駛汽車的感知設備，將攝像機（包括可見光攝像機和紅外攝像機）、毫米波雷達、超聲波雷達以及激光雷達等智能化設備引入船舶，并解決感知過程中的多源數據融合、海量數據處理以及數據間的冗余和沖突等問題，才能真正實現智能導航。

（三）岸基支持

1.E-Navigation

自2005年E-Navigation戰略提出以來，全球各個成員國都在E-Navigation框架下進行積極的試點工作。所謂“E-Navigation”，就是通過標準化的信息交換協議、模型和接口，在船上和岸上收集、綜合、交換、顯示和分析海事信息，以增強船舶泊位到泊位的全程航行能力，提高海上服務、安全和保安能力以及海洋環境保護能力。其目的是融合各類海上信息，消除信息交換障礙，提升船船、船岸之間溝通效率， 打破信息“孤島”系統，促進全球海上業務的大融合。

E-Navigation不是簡單的硬件設備，而是海上信息的大集成、大融合，是一種更安全高效的航海保障措施。E-Navigation以船舶和岸上的相關管理機構為主要用戶，以海事服務集（MSP，maritime service portfolios）為服務內容。其在導助航方面的應用模式是：當船舶到達特定海域、航道、港口等區域時，岸基會提供給航海人員一組標準化的涉及業務和技術的海事服務信息集合，包括VTS信息服務、港口服務、引航服務、拖船服務、海圖服務、氣象信息、海上安全信息等，幫助船舶實現“泊位-泊位”的全航程高效、安全運行[7]。

2.VDES通信技術

AIS在船舶導航和監控中的作用不言而喻，而VDES（VHF Data Exchang System，甚高頻數據交換系統）就是AIS2.0。過去船岸通信通常依靠海事專網、海事衛星、移動通信網絡等，但它們都存在帶寬窄、延遲大、費用高的弊端。船與船之間的通信主要依靠AIS（VHF）。AIS在繁忙擁擠港口容易出現信息阻塞、數據丟失等問題，而且它的水上數據交換能力有限，不能承載復雜、大量的信息，比如它只能傳輸文字信息，不能傳輸圖片、語音和視頻信息。

VDES是新一代海上數字通信技術，它在現有A IS功能的基礎上，通過引入特殊應用消息（ASM）和寬帶甚高頻數據交換（VDE）技術 ，全面提升海上數據傳輸能力和效率，是突破海上通信“瓶頸”的關鍵技術。

VDES的主要目的是保障船舶航行安全，并推動岸基對船舶的安全信息服務進入新的階段。在過去，為保障船舶航行安全，沿岸國具有提供沿海水域航標助航服務、安全航行信息服務（如航警、搜救、冰況等信息）、水文氣象服務、海圖更新服務等責任和義務，而這些信息之前多數通過硬介質（如紙質、光盤等）進行更新，部分通過衛星提供服務，致使信息更新不及時，影響船舶航行安全。VDES技術的推廣應用，將徹底解決這些問題。船舶到達相關區域后，岸基VDES系統會輔助岸基服務系統根據船舶航行區域自動更新和推送上述各類航行安全信息，并能夠使船舶快速、自動、實時獲取，最大限度保障航行安全[8]。

未來，隨著VDES的確立和發布，它將成為海上數據通信的主要鏈路，這必將引起海上數字通信相關業務的變革，對智能導航、無人駕駛等技術的發展都具有里程碑意義。

五、結語

面對全球的智能化浪潮，智能船舶將是未來的發展方向，加快發展船舶導航系統的智能化是當務之急。本文在介紹系統分類、主要標準和應用現狀之后，詳細闡述了電子海圖導航系統在智能化進程中應用形態、環境感知和岸基支持三方面的研究進展和發展趨勢，這些關鍵技術的實現，將為未來智能船舶、無人駕駛等奠定基礎。