我國自主研發的海圖服務軟件的功能設計

賴 力

（廣東省航海學會，廣州, 510006）

1 前言

智能船舶是未來船舶發展的重點方向。在CCS《智能船舶規范》中，智能航行的基本概念是：利用相關先進技術，為船舶航行提供航路與航速設計和優化的決策建議，在不同航行場景和復雜環境下實現船舶的自主航行；通過海圖服務軟件裝載電子海圖顯示與信息系統（ECDIS）的場景感知設備，是實現自主航行基本功能的關鍵要素之一。

基于S-63 數據保護方案的國內首款自主研發并擁有自主知識產權的新一代電子海圖服務軟件，打破了國外軟件長期以來的壟斷局面，作為粵港澳大灣區航運科技發展的重要成果之一，為推進我國智能船舶的發展發揮積極的作用。我國作為世界海運大國，海運規模不斷發展，船員規模已位居全球第一，開發適用于中國未來智能船隊和中國船員的海圖服務軟件具有重要的意義。

2 海圖軟件現狀

目前符合國際海道測量組織S-57 標準的電子海圖服務軟件大部分是國外產品，且大部分軟件僅能滿足海圖的選購和更新的功能要求，而岸端海務管理功能較為欠缺。我國商用電子海圖服務軟件的研發雖然起步較晚，在國家出臺《智能航運發展指導意見》的背景下，研發團隊嚴格遵循國際海道測量組織（IHO）的相關標準和規范，在功能設計上充分考慮了岸端海務管理、全球客戶通用等多種需求，通過研發設計了多個具有自主知識產權的軟件模塊，提供海圖選購、海圖更新、海圖顯示、船運公司審核與結算管理等多種功能集成一體的本土化解決方案。

2020 年10 月，我國首款自主研發并擁有自主知識產權的電子海圖服務軟件（以下簡稱“該軟件”），在第三屆灣區港航發展論壇中首次公開亮相。

3 系統框架及關鍵技術

3.1 系統框架

本系統由應用船端和岸端服務及應用前端等部分組成：應用船端主要是安裝在船上給船員使用，用來進行電子海圖與電子圖書的采購、數據更新及下載等內容；單端服務對接各個電子海圖及電子圖書供應商的服務平臺，將不同供應商服務平臺接口接入后，統一規劃、部署成遵循同樣規范的接口，并提供給船端軟件和岸端服務使用；應用前端部分提供在線選圖、航線審批、訂單處理等多個功能模塊。整個系統模塊可以抽象成應用層、網絡層/接口層以及數據層三層架構，如圖1 所示。

圖1 系統整體架構

（1）應用層

應用層包含桌面應用船端軟件以及前端應用兩大塊：船端軟件目前整體采用C++語言開發，支持windows 7 及以上操作系統；船端軟件主要是針對船舶工作人員，可以利用該軟件進行必要的電子海圖及電子圖書的訂購、電子海圖及電子圖書的數據更新與下載，確保航行過程中的數據服務；前端應用主要是針對船舶公司的海務管理人員、電子海圖及電子圖書等產品的代理服務人員。海務管理人員利用前端應用可以方便的對本公司的船舶的航行計劃進行審核，查看船舶電子海圖及電子圖書的訂購情況及對訂單進行審批和檢查；代理服務人員利用前端應用可以進行產品訂購、賬單管理，以及對船舶的數據更新進行服務，對于無法通過網絡使用船端應用的客戶，提供郵件發送數據等服務。

（2）網絡層/接口層

岸端服務與應用層之間采用網絡通信技術中常用的HTTP 協議，應用層請求指定端口的TCP 連接訪問岸端服務。為了保證數據傳輸過程中的安全性，接口服務需要應用層提供TOKEN 字段進行合法性驗證。

（3）數據層

數據層基于關系型數據庫管理系統MySQL 搭建而成，數據庫需要存儲電子海圖的圖幅數據信息、電子圖書的圖幅數據信息、用戶信息、船舶信息、航線數據，用戶日志等數據信息。

3.2 關鍵技術點

（1）通過線段緩沖區域和半徑弧度環形區域自動生成算法，將航線的左右偏航距離及轉彎區域實時標繪在圖層上，設置航線的左右偏航距離和回旋區域大小，以及在航線內對航路點進行增刪、移動操作；

（2）通過構建標準統一的航線數據模型，將航線點導入統一的數據模型中，并細分不同種類的航路點數據格式，重新進行編碼，從而實現不同品牌相對應的航路點文件導入導出功能；

（3）通過海圖數據的多圖層疊加標繪、比例尺分級顯示等技術，實現產品圖框的顯示功能；

（4）通過多路徑緩沖區與產品區域的疊加判斷，實現產品根據航線的自動選取功能。

4 功能優勢和應用前景

4.1 功能優勢

對比國外的同類軟件，該軟件在功能設計上具備以下優勢：

（1）設置了中英文雙語操作界面，轉換方便，體現了該軟件立足服務中國船員、面向全球通用的功能設計理念；

（2）可同時支持英國皇家航道測量局、中國海軍航道測量局和中國海事局發行的海圖數據，是目前全球唯一的一款同時支持中文版和英文版海圖數據選購和更新的軟件；

（3）可提供個性化的定制服務，融入了岸端管理功能，滿足船運公司管理體系要求，提高工作效率；

（4）數據存儲在大陸境內，確保安全；

（5）該軟件在有效滿足船舶航行安全的基礎上，可以根據用戶需求更貼近地支持船舶智能航行的技術要求，同時還能為用戶降低船舶海圖采購成本。

4.2 功能概覽

該軟件設計的人機交互界面簡明清晰，設置為九宮格的功能窗口，功能齊全，船員操作簡便。

該軟件九項功能分別是：

（1）圖書目錄同步信息（對船舶的庫存、產品目錄等進行更新）；

（2）電子海圖更新下載（對電子海圖數據、臨時通告航行警報數據進行更新）；

（3）電子海圖導出（可導出完整數據包，也可以根據更新期數導出數據）；

（4）選圖下單（進入選圖界面）；

（5）電子圖書更新下載（下載查閱ADP、ENP基礎數據）；

（6）電子圖書導出（導出已下載的電子圖書數據）；

（7）訂單管理（對創建的海圖、圖書訂單進行管理，可上傳回執）；

（8）報表統計（導出圖號，取消替代明細、電子海圖數據證書、數據下載更新狀況等報表）；

（9）U 盤同步（提供專用的U 盤與軟件綁定，更新數據只會在原有U 盤內進行增減，可減少每次導出數據的時間）。

該軟件的核心技術支持，是采用獨創技術開發的電子海圖航線規劃軟件、電子海圖分包打包下載軟件、U 盤數據自動備份軟件、航海保障信息服務平臺后臺管理軟件、航海保障信息服務平臺船端軟件等多項具有自主知識產權軟件模塊，不但能確保九項功能的正常安全使用，還可幫助用戶提高操作（選項）的智能化決策水平。

該軟件在選圖可靠性、數據完整性和有效性等方面都經過UKHO 嚴格的測試，并獲得技術認可，可有效避免因缺圖、漏圖等產生的問題。而且軟件符合計算機軟件配置管理計劃規范GB/T12505-90、計算機軟件質量保證計劃規范GB/T12504-90、信息技術軟件包質量要求和測試 GB/T 17544-1998 等標準。

4.3 支持智能航行功能

智能航行的基本要求是航路設計和優化。該軟件的航線規劃功能可以幫助用戶實現智能優選航線，例如：圖書目錄同步信息功能可實現對海圖產品目錄、船舶的庫存等信息進行實時更新，并確保目錄在最新數據版本下進行有效、快速地選購海圖和圖書，根據用戶需求自動生成訂單。

當用戶接到任務確定航線后，該功能支持手動繪制航線、自動推薦航線、歷史航線、常見品牌ECDIS航線文件導入等方法進行航線選圖；能精準匹配船舶庫存，幫助船員判斷航線內到期海圖狀態，避免重復購買；系統內置了多個海圖數據供應源，包括中國海軍航保局（CNHO）、中國海事局（MSA）以及英國海軍水道測量局（UKHO）。在國內海域使用中國的海圖數據和水文信息等數據更加精確，費用更加便宜。

實現船岸數據交互是智能船舶重要指標之一，該軟件可以根據各船運公司實際提供個性化支持，實現自動生成航次計劃表等信息并提交到岸端系統。船運公司或海務主管部門，可實時查閱船舶動態、訂單金額、訂單航線、航線缺失海圖情況及航線水域的海圖信息等，對船舶訂單、船舶航線、航次計劃等進行確認審批。

該軟件系統不但為審批人員提供了可視化操作場景，還針對航線訂單可復選的特殊選項來判斷是否有漏買海圖的情況，并且可更快捷地判斷航線海圖是否滿足航行要求，提高了船岸數據交互的智能化，有利于對航線規劃操作風險的防范。

此外，岸端系統還提供AIS 船位監控、歷史軌跡查詢、計劃航線和實際軌跡的偏差分析、水文氣象、海盜區、特戰區的提醒以及航警提醒等安全管理的輔助功能，很大程度地確保了船舶符合安全航行和智能航行相關規范的要求。

4.4 數據更新

該軟件充分考慮了船舶網絡通信的情況，提供了多種更新方式，可避免因目錄未更新而導致的海圖漏買或錯買等問題，確保順利通過PSC 檢查；更新下載的數據均為增量更新，只對增改的數據內容進行調整并通過特殊方式壓縮發送到船上，可有效減少下載的海圖數據量，節約通信成本。

在網絡暢通、流量充足的情況下，可設置為無人值守的自動更新模式，只需打開軟件等待即可；在網絡暢通、流量有限的情況下，可設置為手動更新模式，可根據當前需求自主選擇需要更新的庫存數據；在網絡不暢通的情況下，可采用傳統的郵件更新模式，通過郵箱發送更新請求到服務器，生成郵件數據包后手動更新；此外，還支持導入Permit，使用AVCS 光盤進行更新后，再用網絡或郵箱進行補充更新。

4.5 海圖和圖書顯示

該軟件支持安裝船舶庫存海圖的數據，可支持包括CNHO、MSA 及UKHO 在內的所有S-63 格式海圖顯示；軟件按照IHO 文件要求，提供與ECDIS 一致的三種顯示模式供船員查閱；還支持在海圖顯示的基礎上，疊加包括無線電信號書、燈標霧號表、潮汐表的圖標及數據，大大加強了使用期間的便捷性和安全性；假設在兩臺ECDIS 均發生故障的極端情況下，可使用該軟件查看電子海圖，可為船舶提供臨時可靠的航行參考，確保船舶安全航行到港口后修理電子海圖機。

4.6 應用前景

綜合上述可見，該軟件的功能設計覆蓋了從船舶接到航行任務，到規劃航線、選購海圖、船運公司審核、數據傳輸、確認審批、訂單結算等業務全過程，實現了海圖業務的智能化管理，極大地提高了用戶的運作效率，也降低了差錯率。該軟件自公開亮相以來，已經在52 家船公司、400 多艘遠洋商船上安裝使用，其安全穩定的運行狀況和智能、友好的操作體驗，獲得了船東的認可，受到了廣大船員的歡迎，應用前景廣闊。

5 結束語

我國首款自主研發并擁有自主知識產權的電子海圖服務軟件，獲得了英國海軍水道測量局（UKHO）的技術認可。該軟件能夠為用戶提供個性化支持，可成為各類型船舶優選和值得信賴的海圖服務軟件，尤其是該軟件具有支持船舶智能航行的核心技術保障，順應國家大力發展智能船舶，加快信息技術、智能技術與船舶技術跨界融合應用的要求。該軟件的不斷推廣應用，將會為推進我國智能船舶發展發揮積極的作用。