E-航海航線服務設計與實踐

余錦超

摘 要：總結E-航海項目建設經驗，闡述E-航海航線服務設計規范和技術細節，說明E-航海航線服務的實際應用場景。

關鍵詞：E-航海 航線服務 智能導航

在E-航海時代，高速海上數字通信將廣泛應用，船岸、船船之間將更緊密地連結在一起。E-航海岸基系統可為船舶提供更準確更實時導航服務，船船之間的人工無線語音交流和人工判斷，向人工智能協商轉變。航線服務是E航海基礎服務之一，通過航線服務可使船舶間航行意圖互知，實現智能船舶避碰，支撐無人船技術發展；同時，主管部門可以掌握船舶航行計劃，使得安全監管和生產調度更加科學高效。船舶航行全球性要求航線服務必須符合國際標準規范，這是IMO/IHO HGDM工作組正在積極開展的工作。

1.航線服務E-航海技術服務規范

航線服務規范遵從IALA G1128《Guideline on specification of e-navigation Technical Services》的有關要求，按照航線服務的規范模型、技術方案、實例模型等三部分進行定義說明。這三部分逐步從抽象向實例化、具體化、可用化演進。航線服務規范參考“海事互聯互通平臺（MCP）”模式，采用REST服務架構的數據接口進行交互。

2.航線服務數據模型

IHO S-421是E-航海航線服務數據模型標準，目前正在參考IEC61174-2015標準進行起草修訂，預計在2020年發布。按照IEC61174-2015標準，航線服務數據模型由航線數據，航行計劃、航線信息等部分組成。以航線服務數據模型為基礎，開發出三個重要的應用功能，分別是航線推薦、航線檢查、航線交換。下文將重點詳述這三個航線服務應用功能。

2.1航線網絡數據庫

航線網絡數據采用“航線段組”來構建，每個航線段由起點航路點、終點航路點和兩點之間的折線構成。航線段的空間坐標表達采用開放地理空間聯盟（OGC）制定的WKT方式。多個航線段的起點和終點互相連結，構成整個航線網絡。只有航線段組的起點和終點才參與航線推薦尋路算法。

在現實環境中，雖然小型船舶可以安全地航行在大中型船舶的習慣航線上，但是小型船舶和大中型船舶的微觀航路具有較大差異。這個差異主要是由于小型船舶的航路在滿足安全性的基礎上更加經濟。為了滿足不同大小船舶航線推薦尋路的需要，按照船舶VL=長×寬的經驗值作為分級標準，構建適航不同大小船舶的7個等級航線網絡，分別為第一級：VL >320×45；第二級：180×32< VL≤320×45；第三級：120×22< VL≤180×32；第四級：90×18< VL≤120×22；第五級：65×15< V L≤9 0×18；第六級：50×11< VL≤65×15；第七級：VL≤50×11。

2.2航線網絡數據庫制作

對AIS船舶航行軌跡進行數據分析，按照2.1所述提取不同船舶等級的軌跡分布，通過對軌跡最大密度提取和海圖數據的安全性比較，確定不同等級的航線軌跡空間分別。為了支持尋路算法運行，對于航線軌跡進行航線段化。通過航線段構建航線網絡步驟如下：第一，設置航線段的空間數據。將航線軌跡分叉位置作為航線段的起點和終點，航線段內的空間折點為航線段中間點。第二，設置航線段的其他參數，主要包括航線段的單（雙）向屬性、航線段左右側安全距離、前后安全距離、安全深度、限高數值、適宜航速、適航船舶類型等等參數。航線網絡通過空間數據圖形化顯示如圖一所示。

3.航線推薦

航線推薦是航線數據模型應用之一，按照用戶航線請求做出正確的最佳尋路計算，并以正確的推薦航線數據返回給用戶。航線推薦服務建立在航線網絡數據庫基礎上，按照航線服務規范的定義提供標準請求接口，航線尋路算法推薦出最佳的航線結果，從接口返回給用戶。

用戶請求航線推薦服務，需傳入船舶MMSI、吃水、高度、起點坐標、終點坐標、計劃航速、計劃起航時間、計劃抵達時間等參數。航線推薦服務根據下文3.1、3.2、3.3所述方法尋路計算推薦航線依次經過的航線段組，并將每個航線段分解為依次相連的航路點組，最后將航線點組數據編序返回給請求用戶；同時，航線推薦服務根據請求航線的計劃時間、計劃航速等計劃相關參數，自動附帶提供與航線相關的海上安全信息。不同的航線請求傳入參數將導致不同航線推薦結果，例如船舶吃水深度從3米修改為6米，系統推薦出不同的航線如圖二所示，下文將闡述航線推薦的方法。

3.1航線網絡等級和通航條件預篩選

使用與船舶對應等級的航線網絡推薦航線，可以獲得符合該船舶的最佳航線。由于分級航線網絡縮小了每次尋路算法的運算規模，可以縮短推薦航線的響應時間。

在該船對應等級的航線網絡中，可能部分航線段不能滿足該船關于吃水、限高、航道寬度、限速、適航船種等的航行安全要求。因此，在運行推薦航線算法前，可預先過濾掉不滿足該船航行安全要求的航線段，只將適用航線段先緩存到計算機內存中，作為本次推薦航線可用的內存航線網絡數據庫。該船的航線尋路運算在此臨時的內存航線數據庫中展開。這種過濾處理，減少參與尋路算法的航線網絡節點，可以加速航線推薦的響應速度。

3.2Dijkstra尋路算法

由于預先繪制的航線網絡全面覆蓋通航水域，網格尋路算法是主要的航線推薦方式。通過對Dijkstra、A*、Best-Frist-Search、JumpPoint-Search等常見的網格尋路算法進行各種場景的對比試驗，Dijkstra尋路算法具有最經濟最可靠的結果，而且在海上航線網絡規模并非特別大的情況下，航線推薦響應速度仍能滿足。在復雜航行水域中，Dijkstra尋路算法在3.2和3.3小節描述的前提下運行，可在不超過1秒的響應時間內獲得正確航線推薦結果。Dijkstra尋路算法可以較好地解決起航點和終點位置在航線網路附近的航線推薦問題。

3.3繞障尋路算法

船舶起航點很可能并不處于航線網絡之上，繞障尋路算法就可以獲得接入航線網絡的最佳路徑。繞障尋路算法并不能只考慮與航線網絡距離最短，因為航線網絡最近節點，距離終點可能有較長的路線。

繞障尋路算法原理如下：第一步，就是將目的點和附近一定范圍內的航線網絡節點進行連線。該連線可能穿越了陸地、水深不足區域，以礙航物的安全邊沿作為節點進行再次與起點和終點進行連線，假如連線再次穿越了礙航物，類似上述方式再次迭代，最終找出安全通往航線網絡節點的路線，這時可能獲得多個可供選擇的航線網絡節點；第二步，將多個候選航線網絡節點到終點Dijkstra最短路徑距離與第一步中繞障尋路距離進行累加，獲得整體上最短路徑的安全航線。

4.航線檢查

航線檢查是航線數據模型應用之一。由于推薦航線可能會被用戶修改，或者存在自行人工繪制的航線，為了保證人工處理航線的安全性，設計三種航線檢查，分別是電子海圖要素航線檢查、海上安全信息航線檢查、航行規則航線檢查。

4.1電子海圖要素航線檢查

通過航線與電子海圖危險或特定要素的空間對比，識別航線安全通航條件不足、違反航行規則的航線部分，向用戶返回航線存在的風險。電子海圖數據目前采用S57標準，在未來更新為S-101標準。如圖三所示，航線檢查結果指出該航線穿越水深不足的DEPARE（等深區），以及在分道通航制分道（TSSLPT）中逆行。

4.2海上安全信息的航線檢查

海上安全信息對船舶航行安全十分重要，可能沒有及時反映在電子海圖上，例如短期的航行通警告。因此需要對航線是否靠近或穿越不適航海上安全信息所在區域進行檢查。海上安全信息具有時間屬性，例如與臺風未來路徑時空交叉的計劃航線是危險的，因此對海上安全信息的航線檢查，需要考慮船舶航速和計劃時間，預計船位是否可能與不適航海上安全信息在時空上重合。海上安全信息的航線檢查向用戶返回航線問題和文字描述，以及影響航線安全的海上安全信息詳細情況。

4.3航行規則的航線檢查

在航行復雜水域，海事部門制定了有助于安全通航的航行規則指南。將航行規則指南作為航線檢查內容之一，可為船舶提供更豐富全面的助航信息。航行規則的航線檢查主要產生兩類結果，第一類是危險警告，例如對于航線穿越“禁航區、施工區、受限區域”或在“定線制”逆行，檢查結果提示航線存在嚴重風險；第二類是指引提示，航線正常穿越“航道轉向、定線制、警戒水域、限速區域、錨地區域”，檢查結果提示航行方法須知信息。

5.航線交換

航線交換是航線服務數據模型最重要的應用。通過航線交換讓船船之間互相了解對方航行意圖，可大大節約船舶會遇溝通成本，降低船舶碰撞風險，具有重要的實用價值。航線交換的前提是船舶設置了計劃航線，啟用航線并沿計劃航線航行?；诂F有通信方式，航線交互可以通過移動互聯網絡（即IP網絡）或AIS/ VDES的ASM通信方式實現。航線交換的應用終端包括ECDIS/ECS或APP。

5.1航線交換狀態控制

為了保證航線交換數據的實用價值，通過多個狀態參數來控制航線交換的時機和內容。

航線有效性：應用終端使用計劃航線開始進行導航，意味著計劃航線啟用生效。只有處于有效狀態的航線才能參與航線交換，而失效或完成的航線則不再參與航線交換。航線失效或完成有以下多種可能情況：第一種，用戶主動設置航線失效或完成；第二，船舶按照航線導航，最終抵達目的地，航線交換自動完成結束；第三種，船舶偏離航線一定距離L并超過一定時間T1，認為航線失效；第四種，應用終端TCP/IP連接離線超時T2，并且ASM航線交換信息播發暫停超時T3，認為航線失效。L、T1、T2、T3等參數均可調節設置。

航線共享性：為了充分尊重船舶用戶航線交換的決定權，用戶可以選擇是否設置航線為共享狀態，只有處于共享狀態的航線才會參與航線交換，而且每次交換共享的航路點數量或航行距離也可由用戶設置控制。

空間相關性：通過TCP/IP網絡的航線交換，是查詢以本船為中心一定半徑以內的附近船舶實時導航共享的“交換航線數據”。在本船航行中附近船舶不斷變化，與本船航線交換的其他船舶都是空間上密切相關的。

時間相關性：“交換航線數據”只限制在未來一定時間或一定航路點數量內。接收到的“交換航線數據”只在一定時間內保持有效，超時的“交換航線數據”將自動失效和主動刪除。只有通過不斷查詢更新才能獲得最新的“交換航線數據”。

5.2IP網絡航線交換

只有航線狀態滿足5.1小節所述才可以進行航線交換。通過IP網絡的航線交換，只可以獲得本船附近船舶同意公開的一定時間內的航路點信息，目的是控制航線數據有限度交換，保障船舶航行計劃不會被無限公開，保護船舶的商業利益。航行過程中，用戶終端只有不斷周期請求，才可以獲得附近其他船舶“交換航線數據”的更新信息。當原先“交換航線數據”的船舶相互遠離，查詢范圍超過附近的距離閾值，將不再獲得到該船的“交換航線數據”，本地終端之前緩存的“交換航線數據”將在一定超時后自動消除。

5.3ASM自主航線交換

隨著通信距離增大，LTE等高頻信號通信質量快速降低。頻率較低的AIS/VDES是解決海上通信的有效可選方案。船載ECS/ECDIS可以控制AIS船載設備按照ITU-1371.5 ASM的12#消息或VDES船載設備按照ITU-R M.2092-0 ASM的2#消息進行廣播未來一定時間內即將到達的計劃航線航路點。“交換航線數據”按照IMO SN.1 /Circ.289導則進行封裝，處于航線交換狀態的ECS/ ECDIS按照小于“交換航線數據”航程時間的周期，自動播發ASM消息。附近船舶支持上述標準的ECS/ ECDIS就可以把消息正確解析并顯示在電子海圖界面上。對于同一艘船舶“航線交換數據”，ECS/ECDIS每接收到最新一次的ASM，即把上一次接收到的ASM航路點信息顯示刪除。

圖四顯示兩船進行航線交換的情形，通過IP網絡和ASM的航線交換數據同時顯示在一起。實線是IP網絡的航線交換數據，已經航經的計劃航線顯示為紅色，并在一定時間內消除，未來航線部分顯示為墨綠色；標簽點是ASM的航線交換數據，每次收到新ASM即覆蓋上次的ASM航線交換數據。通過航線交換，兩船可互知對方航行意圖，若存在碰撞風險可以提前采取避碰措施。

6.航線服務應用

6.1船舶碰撞風險自動識別

傳統的ECDIS以本船為中心對一定范圍內附近船舶進行DCPA/ TCPA計算，當雙方船舶距離較遠，航艏向、對地航向、航速、船位坐標等參數在實時變化的時候，傳統的DCPA/TCPA計算方法容易出現漏判或者錯判。

航線交換可以實現更高效的船舶避碰。當兩船均在各自的計劃航線上航行，兩船ECS/ECDIS均可以接收到對方“交換航線數據”。當他船與本船的計劃航線在時間和空間上存在過分接近的情況，即可提醒駕駛者采用避讓措施。由于“航線交換數據”可以獲知更遠距離船舶的航行意圖，一般可以比DCPA/TCPA更早更準確地預知碰撞風險。

6.2航線微調自動協商避碰

在E -航海發展中，不再局限于目視會遇態勢經驗判斷，船船之間可以通過實時航線交換互知對方航行意圖，雙方人工智能終端以此進行避碰自主協商，通告對方知曉本船將采取的避讓航線，經過雙方自動確認或人工確認后，由船載導航系統精準執行避讓航線，從而實現高效安全會遇通過，運行模式如圖五所示?；诤骄€交換的船舶避碰技術出現，將促使《1972年國際海上避碰規則》開展系統性的重新審視和修訂。

7.總結

航線服務是E-航海技術倡導“泊位到泊位”全程服務的關鍵紐帶，可以為船舶提供針對性的導助航服務，具有十分重要的現實意義。我們將繼續積極參與航線服務的開發和應用，努力爭取海事行政部門、船檢機構、船載導航設備廠家、船舶用戶的肯定和支持，通過推進E-航海發展，進一步保障船舶航行安全，提高船舶航運效益。

參考文獻：

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[6]1972年國際海上避碰規則.

[7]張立華，朱慶，劉雁春，等.電子海圖平臺下的航線自動設計方法[J].大連海事大學學報，2007，08.