天津港復式航道e—航海試點工程實踐

夏啟兵 王玉林 于樹海

摘 要：本文以國內首個e-航海試點工程項目——天津港復式航道e-航海試點工程為例，介紹了工程背景、主要研究、建設內容，并展望了該工程發展和應用前景。

關鍵詞：復式航道；e-航海；岸基系統；導助航

1 工程背景

產業的發展與進步總是源于現實需求驅動和新技術革命引領。多年來，海上通信、定位、導航發生了天翻地覆的變化。電羅經、GPS、差分定位、AIS、自動操舵儀、計程儀、慣性導航儀、ARPA雷達、NAVTEXT等各種新技術和裝備層出不窮，為船舶駕駛起到了非常重要的輔助作用，航海已經進入了全面電子化時代。然而，現有的技術和服務也越來越凸顯一些弊端：在航海者方面，各類船載硬件系統不斷增加，有的功能重復，有的分散于不同顯示界面，給用戶帶來了操作負擔。在海事管理方面，船岸信息的交互和共享還存在很大的改進和提高空間，對船舶智能化監管手段未完全建立，精細化、定制化交通管理服務亟待提高。在航海保障方面，產品服務標準化、多樣化不足，許多正在發展中的技術和產品，亟待一個更加完善的標準框架去規范。在公共管理方面，海事信息化孤島現象尚未完全解決，海事信息融入政府信息化的途徑尚未完全打通。2006年，IMO成員國提出了e-航海的概念，興起了新一波的航海技術革命。10多年來，e-航海由理念到戰略、由抽象到具體、由框架到細節，逐步清晰、不斷完善，國際上許多國家也開展了e-航海相關的試點工程建設，取得了一些成果和經驗。

天津港是我國第二大外貿口岸，也是“一帶一路”國家戰略重要節點之一。2014年，為滿足吞吐量快速增長需要，天津港建設并開通了世界首條復式航道，采取大小船分道航行、雙進雙出的設計方案。該措施在提高港口運行效率的同時，也增加了交通組織管理的復雜性。為此，在天津港通過e-航海試點工程建設的實施，利用各種先進技術手段加強復式航道船舶航行的安全保障，加強海洋環境監測，共享各類助航和安全信息，進一步加強船舶航行安全，提高港口船舶運輸組織能力，具有很強的現實意義。

2 整體框架設計

跟蹤研究國際上e-航海最新的研究進展，深入研究e-航海整體框架，結合我國航海保障實際和天津港通航環境特點，研究確定天津港復式航道e-航海試點工程整體框架結構。試點工程分為數據資料采集系統、岸基系統、MSP服務、通信鏈路和應用端等5個部分，系統架構設計如圖1所示：

3 主要研究建設內容

3.1 數據資料采集系統

數據資料采集系統主要包含兩大部分：一是對電子海圖、航標動態、實時潮汐等現有航保信息資源的接入，整合全海區各比例尺電子海圖數據，接入北方海區海事驗潮網水文數據、航標要測遙控數據，從部海事局船舶導助航綜合應用系統中接入AIS船舶動態、通航環境、水文氣象數據等，二是在海上燈塔、浮標設置多要素的海上環境采集終端，建設2座水域環境監測多功能航標，搭載海流計、能見度儀、水質儀、風速儀、高精度北斗終端等，在天津港大沽燈塔、天津航標處南疆碼頭加裝能見度、風速、CCTV等傳感器，全方位采集海域實時環境信息。開發了天津港復式航道水域環境監測系統，實現數據資料管理和應用，系統界面如圖2所示：

3.2 岸基系統

岸基系統主要分為硬件和軟件兩部分。硬件部分是由本工程需要購置的內外網應用服務器、存儲服務器，以及用于內外網隔離的網閘設備等硬件支持環境。軟件部分主要研制了數據采集、處理、整合、存儲、應用模塊，形成岸基監控、服務信息系統功能軟件。為了節約資金、加快項目研究進度、盡量不影響現有業務系統，e-航海項目與現有業務系統信息對接的方式采用開發單獨數據獲取接口，而對原有業務信息系統保持不變的方式。例如，對航標遙測遙控系統數據的獲取，采用MYSQL數據庫接口協議，從航標遙測遙控系統備份數據庫讀入數據，不影響現有業務系統運行。對沿海驗潮網數據獲取，采用Web Service技術從服務器端實時獲取。

客戶端和服務端信息溝通和消息推送采用MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸）通信協議，該協議由IBM開發，支持所有操作系統平臺，幾乎可以把所有聯網物品和外部連接起來，被用來當作傳感器和制動器（比如通過Twitter進行智能家居聯網）的通信協議，它有可能成為未來物聯網的重要組成部分。由于MQTT協議是專門針對網絡帶寬低、高延時、通信不穩定的環境設計的，特別適合物聯設備，具有低通訊量連接保持、簡約輕便等優點，它還提供了發布/訂閱模式，只要客戶端進行了訂閱，即使發布時客戶端離線，等再次上線時還能收到消息。提供消息發布反饋，客戶端收到消息進行反饋，服務器端可進行對應處置。提供發布質量控制，消息接受可選擇至多一次、至少一次、只有一次三種模式，方便用戶進行分類控制。還提供了心跳機制，可自行設置心跳，以及鑒權機制。MQTT協議的諸多天然優點，使得它非常適合于具有復雜干擾、低信號強度、窄帶寬等缺點的海上網絡環境，為e-航海項目提供船岸信息交互的通信層協議。MQTT協議的客戶端實現和服務器端搭建，互聯網上均有現成可用資源，需要進一步開發的是MSP信息基于MQTT協議的業務邏輯實現。基于MQTT建立用戶注冊、登錄的管理控制，將e-航海MSP信息服務類別進行重要性分類，分別開發一種對應的訂閱主題。通過MQTT實現的e-航海MSP信息服務發布/訂閱，滿足客戶端基于主題的過濾、基于內容的過濾和基于類型的過濾，用戶對接收哪些e-航海MSP信息服務具有自主權，同時還能保證用戶對重要安全信息的接收確認。

3.3 MSP服務

MSP服務是國際e-航海發展的新概念，它將海事、搜救、航保等領域能夠提供的各類支撐、服務歸納總結為若干標準化MSP服務類別。根據IALA e-Nav委員會、國際海道測量組織IHO等提出的S-100及其應用的規范，歸納總結國際已有的S-100相關產品信息規范。在結合國內e-航海用戶需求，研究適合于我國的S-100產品規范，形成S-100相關產品規范標準。建設天津港e-航海MSP服務標準和接口實現，包括：電子海圖下載更新服務、實時水文氣象服務、海上安全信息服務、航行警通告服務，以及船舶動態監控、船舶相關信息查詢、港口信息等其他信息服務MSP。

MSP產品規范規定指定應用服務的所有特征、屬性、關系，以及數據集映射，包括數據識別的通用元數據信息以及數據結構、參考系統、內容、數據質量、數據傳輸信息等。數據產品規范一般要包含綜述、規范范圍、數據產品標識等、數據內容和結構。綜述部分介紹數據產品的標題、創建日期、責任部門、語言、空間范圍、時間范圍、具體目的等常規信息。規范范圍包含數據等級、地理覆蓋等信息數據內容和結構包含以XML為基礎的要素目錄、影像和覆蓋數據、坐標參考系統、數據質量、數據編碼產品格式等。

3.4 通信鏈路

通信鏈路部分，由于陸基基站的有限作用距離，導致公網不能有效覆蓋天津港主航道全部范圍，目前僅能勉強接近大沽燈塔，燈塔以東水域至今無法實現移動信號覆蓋。因此，協調天津市電信公司，利用大沽燈塔架設通信基站，安裝2G和4G通信設備，與岸基交管中心鐵塔實現微波互聯，實現以大沽燈塔為基點的基本覆蓋天津港復式航道的無線通信網絡。

采用陸基公網解決天津港復式航道e-航海試點工程的通信問題有我們周密的考慮。首先，天津港有大沽燈塔這座全國唯一矗立在近海的燈塔平臺，為移動基站架設提供了完美的基礎。其次，隨著VDES、NAVDAT、全球衛星互聯網等技術的飛速發展，在可以期待的三五年內，海上移動網絡通信將會成為新的通信手段，這樣現有e-航海通信方式可以實現快速對接。

3.5 船端應用端系統

船端應用端系統主要由兩部分組成：專用船臺的船載綜合導助航系統和基于手機、平板等終端設備的導助航智能終端系統。

研發基于差分北斗高精度定位的專用船臺設備，通過嵌入的綜合導助航系統程序，采集船端相關設備的數據和狀態，為船端用戶提供綜合導助航服務，并通過船岸間無線通信網絡進行信息交互，獲取岸基系統提供的信息服務。船載綜合導助航系統采用圣島安航信息科技有限公司的圣島ECS系統進行e-航海定制化開發，圣島ECS系統支持ECDIS系統的主要功能，通過中國船級社ECS認證，具有一定的市場用戶群，基于它進行升級改造具有起點高、實用性好和推廣便利的優點。圣島ECS系統底層采用C++語言開發，e-航海系統需要的其他船載功能模塊都能很好地集成整合到一起。專用船臺的船載綜合導助航系統界面如圖3所示。

導助航智能終端APP系統采用自主ECS核心技術，基于具有跨平臺支持的QT開發環境研制。導助航智能終端APP系統，可安裝在蘋果、Android手機和平板設備上，通過船岸間無線通信網絡進行信息交互，通過寬帶無線通信網絡接收基于海事服務集的導助航信息，獲取岸基系統提供的電子海圖、船舶動態、導助航信息等數據，通過移動設備的定位系統，以及采集本船其他傳感設備的位置、速度等實時數據，為小型的漁船、運沙船等無導助航設備的船舶提供簡單的導助航服務，也可為港口引航等單位的引航工作提供信息支持。Android版和蘋果版智能終端APP系統界面分別如圖4和圖5所示。

4 項目實施效果

目前，天津港復式航道e-航海試點工程已完成全部建設內容，進入試運行階段。實際應用表明，本工程項目研發的海上多功能采集浮標具有長自持力、模塊化、高可定制、采集要素廣等優點，適用于沿海海上環境綜合監測，可為航海用戶收集更多實時性資料。研發的船端應用端系統具有穩定性高、功能齊全、使用便捷、多操作系統兼容等優點，特別是首次嘗試了公網條件支持下的MSP岸基交互，為e-航海信息服務播發、應用積累了較好的經驗。形成的基于S-100的MSP信息服務產品規范，既考慮國際標準的現狀，又兼顧了我國航海保障和海事監管的現狀，部分研究成果可形成有價值的提案，為國際組織發展e-航海相關標準提供有益的參考。

下一步，將繼續優化完善相關軟硬件成果，并與航保現有業務系統做好對接。特別要對形成的S-100 MSP信息服務產品規范，進一步的細化、完善，盡早形成可大規模推廣應用的新一代信息服務標準。

參考文獻

[1] 郝勇，江長運，陳仕祥等.“e-航海”時代海事動態監管系統——電子巡航[J].武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2014（2）.

[2] 鮑建波，“e-航海（e—NAVIGATION）”概念的發展[J].中國海事， 2007（11）.

[3] 聶乾震，基于e-航海理念的現代化綜合航海保障系統研究[J].中國海事， 2016（12）.

[4] 鮑君忠，E-航海戰略實施計劃步入標準起草階段[J].中國海事， 2016（6）.

[5] 王程博，張新宇等.e-航海及其數據標準分析[J].世界海運， 2017， （40）.

[6] IHO.S-100.2009.http：//www.iho.int

[7] IHO.S-102.2009.http：//www.iho.int

作者簡介：

夏啟兵，高級工程師，（E-mail） 296274507@qq.com，18920280536