基于長江電子航道圖的內(nèi)河船舶動態(tài)信息顯示系統(tǒng)研究

陳志強(qiáng)

（長江水上交通監(jiān)測與應(yīng)急處置中心，湖北 武漢 430000）

隨著全球一體化進(jìn)程的推進(jìn)，水路運(yùn)輸活動越發(fā)重要，然而隨之而來的是對船舶通航安全的重視。目前，我國內(nèi)河已經(jīng)建立的VTS、AIS等系統(tǒng)尚未實(shí)現(xiàn)全線連接，無法快速、準(zhǔn)確地對船舶動態(tài)信息進(jìn)行持續(xù)跟蹤，導(dǎo)致相關(guān)應(yīng)急救援活動時效較長，錯過最佳救援時間，導(dǎo)致不可挽回的損失。基于上述情況，本文以電子航道圖為基礎(chǔ)，設(shè)計了一套內(nèi)河船舶動態(tài)信息顯示系統(tǒng)，能夠?qū)ο嚓P(guān)通航信息進(jìn)行全方位展示。

1 長江電子航道圖相關(guān)概述

長江電子航道圖的作用。長江電子航道圖是一種利用現(xiàn)代計算機(jī)計算和地理信息技術(shù)，將長江航道相關(guān)要素進(jìn)行技術(shù)處理，制作而成的內(nèi)河數(shù)字化地圖，它整合了航標(biāo)、礙航物等眾多航道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。電子航道圖能夠幫助船舶避免障礙物和危險區(qū)域，確保航行安全。其通常由航海電子設(shè)備上的顯示屏來展示，這些設(shè)備可以通過衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、雷達(dá)和其他傳感器來獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，并將其顯示在船舶上。另外，電子航道圖可以顯示航道的深度、航標(biāo)、船只位置和其他重要信息，以幫助船舶駕駛員做出正確的航行決策。與傳統(tǒng)的紙質(zhì)航道圖相比，電子航道圖的優(yōu)勢在于其實(shí)時性和準(zhǔn)確性，可以隨時更新，以反映最新的航道變化和通航條件。與此同時，電子航道圖還可以與其他航海設(shè)備集成使用。例如，它可以與自動導(dǎo)航系統(tǒng)配合使用，以自動控制船舶的航向和速度；它還可以與船舶通信系統(tǒng)集成，以實(shí)時傳輸航行數(shù)據(jù)和航道更新。盡管電子航道圖在內(nèi)河航行中起著重要的作用，但仍然需要船舶駕駛員具備良好的導(dǎo)航技能和判斷力。電子航道圖只是輔助工具，船舶駕駛員仍然需要依靠自己的經(jīng)驗(yàn)和知識來做出最終的決策。

2 基于電子航道圖的船舶動態(tài)信息顯示系統(tǒng)設(shè)計思路

2.1 系統(tǒng)需求分析

（1）該系統(tǒng)需要獲取船舶的動態(tài)信息。船舶動態(tài)信息是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的重要基礎(chǔ)，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，系統(tǒng)需要與現(xiàn)有的船舶AIS、VTS及北斗等設(shè)備及系統(tǒng)進(jìn)行通信，船舶上的導(dǎo)航設(shè)備通常會定期發(fā)送船舶的位置、速度、航向等信息。系統(tǒng)通過與船舶設(shè)備建立連接，實(shí)時接收船舶的動態(tài)信息。

（2）系統(tǒng)需要將船舶的動態(tài)信息與電子航道圖進(jìn)行集成。系統(tǒng)將船舶的動態(tài)信息與電子航道圖進(jìn)行匹配，通過圖形化的方式顯示船舶的位置和航行狀態(tài)。為了提高系統(tǒng)的實(shí)時性和準(zhǔn)確性，系統(tǒng)還需要實(shí)時更新電子航道圖。電子航道圖由長江航道局提供，包含最新的航道信息和浮標(biāo)位置。系統(tǒng)需要定期從數(shù)據(jù)源獲取最新的電子航道圖，并將其與船舶的動態(tài)信息進(jìn)行匹配。

（3）為了方便用戶查看船舶的動態(tài)信息，系統(tǒng)還需要提供用戶界面。用戶界面可以是一個圖形化的界面，顯示船舶的位置、速度、航向等信息。用戶可以通過界面進(jìn)行操作，如放大、縮小地圖、選擇特定的船舶、到達(dá)港口推薦航線等。此外，為了提高系統(tǒng)的可用性和安全性，系統(tǒng)還需要具備一定的功能。例如，系統(tǒng)可以設(shè)置警報功能，當(dāng)船舶出現(xiàn)異常情況時，自動觸發(fā)警報。系統(tǒng)還可以提供歷史數(shù)據(jù)查詢功能，用戶可以查詢過去一段時間內(nèi)的船舶動態(tài)信息。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計思路

基于電子航道圖的船舶動態(tài)信息顯示系統(tǒng)以長江航道局最新電子航道圖為基礎(chǔ)，利用數(shù)據(jù)交換平臺實(shí)現(xiàn)電子航道圖與應(yīng)急指揮所之間的數(shù)據(jù)融合的系統(tǒng)。

3 基于電子航道圖的船舶動態(tài)信息顯示系統(tǒng)具體設(shè)計

基于電子航道圖的船舶動態(tài)信息顯示系統(tǒng)主要由電子航道圖數(shù)據(jù)庫與顯示系統(tǒng)兩個部分組成。電子航道圖作為系統(tǒng)整體的數(shù)據(jù)源，完成相關(guān)信息的存儲與轉(zhuǎn)化，而顯示系統(tǒng)需要從數(shù)據(jù)庫中獲取通航相關(guān)數(shù)據(jù)，并將其展示給船舶駕駛員。

3.1 電子航道圖數(shù)據(jù)庫

3.1.1 電子航道圖數(shù)據(jù)庫構(gòu)成

根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)使用需求，可以將電子航道圖中的相關(guān)數(shù)據(jù)劃分為兩大類：一是現(xiàn)有數(shù)據(jù)信息；二是需要新建的補(bǔ)充信息。現(xiàn)有數(shù)據(jù)信息需要包括AIS信息、VTS 信息、北斗信息、船員基本信息、船員信息、違規(guī)信息、通信設(shè)備信息、船舶報港信息、船舶基本信息、船舶動態(tài)信息等，該部分信息的獲取主要是利用數(shù)據(jù)交換平臺從目前已經(jīng)建設(shè)完成的數(shù)據(jù)庫取得。還需要補(bǔ)充信息包括氣象信息、水文信息、專家信息以及搜救力量等應(yīng)急資源信息、協(xié)調(diào)單位信息等，此部分信息需要進(jìn)行專門的收集與整理。兩部分信息均利用數(shù)據(jù)庫的形式進(jìn)行儲存與管理。

3.1.2 相關(guān)數(shù)據(jù)處理流程

在船舶通航過程中，需要對相關(guān)通航信息進(jìn)行接收與處理，此功能可以通過利用數(shù)據(jù)交換平臺實(shí)現(xiàn)與電子航道圖的對接，以接收AIS設(shè)備信息、VTS設(shè)備信息以及北斗設(shè)備信息等。同時利用數(shù)據(jù)交換平臺以統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)格式、坐標(biāo)、時標(biāo)等的轉(zhuǎn)化處理，實(shí)現(xiàn)對點(diǎn)跡、航跡、單航軌跡、航跡跟蹤等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后，對相關(guān)信息進(jìn)行存儲管理，并向通過顯示系統(tǒng)展示給船舶駕駛員。如船舶航跡融合跟蹤功能，可以利用靜態(tài)權(quán)重和動態(tài)權(quán)重相結(jié)合的算法對權(quán)重進(jìn)行融合，靜態(tài)權(quán)重負(fù)責(zé)讀取相關(guān)文件，動態(tài)權(quán)重負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)延遲等進(jìn)行調(diào)整。利用卡爾曼算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對船舶航跡的數(shù)據(jù)跟蹤。該方法測得的航跡更加精準(zhǔn)，同時能夠避免因數(shù)據(jù)延遲出現(xiàn)船舶位置目標(biāo)突然跳變的情況。

3.2 船舶動態(tài)信息顯示系統(tǒng)

船舶動態(tài)信息顯示系統(tǒng)主要由電子航道圖子系統(tǒng)、航道圖作業(yè)子系統(tǒng)、航道圖更正子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)、信息查詢子系統(tǒng)以及接口管理子系統(tǒng)、動態(tài)跟蹤子系統(tǒng)組成。顯示系統(tǒng)的航道圖數(shù)據(jù)需要滿足IHO S-52國際標(biāo)準(zhǔn)，并符合《長江電子航道圖制作規(guī)范》《水運(yùn)工程測量規(guī)范》等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并且船舶駕駛員需要能夠?qū)降缊D進(jìn)行相關(guān)操作。

3.2.1 電子航道圖子系統(tǒng)

航道圖顯示是該系統(tǒng)最基礎(chǔ)的功能，同時也是為通航工作提供相關(guān)信息的直接手段。電子航道圖子系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)際情況，實(shí)現(xiàn)對航道圖的選擇、縮放、漫游等基本操作，同時還能夠?qū)崿F(xiàn)對航道圖的分層顯示、模式選擇、背景控制以及光標(biāo)復(fù)位、定位顯示、校正等功能。其中航道圖顯示可以根據(jù)船舶通航的實(shí)際需求在數(shù)據(jù)庫中選擇相關(guān)水域的航道圖；漫游功能可以實(shí)現(xiàn)船舶駕駛員對即將通航水域航道圖的提前了解，模式管理可以為船舶駕駛員根據(jù)實(shí)際通航情況選擇如地圖顯示模式或者S-52模式等；定位顯示功能能夠?qū)崿F(xiàn)船舶駕駛員自主定位并顯示定位點(diǎn)附近航道圖，或者根據(jù)報警求救信息位置自動定位并顯示航道圖。而其他與通航有關(guān)的位置信息或者天氣信息等都可以在航道圖上進(jìn)行疊加展示。

3.2.2 航道圖作業(yè)子系統(tǒng)

通過該子系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多方位距離測量、航道圖標(biāo)繪制以及修改、航線管理等功能。利用航道圖作業(yè)功能，能夠促使船舶航行有效避免惡劣天氣帶來的不利影響，同時實(shí)現(xiàn)對航線的繪制，并根據(jù)實(shí)際情況，選擇對既定航線進(jìn)行修正。船舶駕駛員可以利用航道作業(yè)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對通航過程中各種要素信息的查詢。

3.2.3 航道圖更正子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)具備身份驗(yàn)證、航線手動更正、自動更正3個主要功能。在船舶駕駛員需要對航道圖進(jìn)行更正時，需要利用身份驗(yàn)證功能，對船舶駕駛員的合法操作權(quán)進(jìn)行驗(yàn)證，只有在驗(yàn)證通過后，才能對航道圖進(jìn)行更正、修改、保存等操作。其中手動更正功能主要是通過航道圖更正工具進(jìn)行操作，手動更正航道圖需要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操作。而局域網(wǎng)用戶可以直接利用自動改更正功能進(jìn)行航道圖更正。

3.2.4 數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)包括身份驗(yàn)證、數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)修正以及數(shù)據(jù)備份等功能，在使用該功能前，需要對操作者的合法操作權(quán)進(jìn)行驗(yàn)證，利用相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入工具，能夠?qū)⑹噶亢D數(shù)據(jù)、光柵海圖數(shù)據(jù)、港口及設(shè)施、水域的氣象及水流/波浪等數(shù)據(jù)以及其他屬性數(shù)據(jù)與航道等相關(guān)信息或者全域地圖數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)中進(jìn)行保存，方便隨時取用。

3.2.5 信息查詢子系統(tǒng)

船舶駕駛員可以通過該子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對指定區(qū)域內(nèi)的船舶動態(tài)信息以及通航情況的詳細(xì)信息進(jìn)行查詢。可查詢的相關(guān)信息包括船舶的基本信息、船員基本信息、通信設(shè)備信息、船舶動態(tài)信息、危險品規(guī)則信息等。與此同時，還能夠?qū)崿F(xiàn)對求救船舶的相關(guān)信息查詢，如專家信息、氣象信息、水文信息、搜救力量信息、協(xié)調(diào)單位信息、應(yīng)急資源信息和通航環(huán)境等。

3.2.6 接口管理子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)能夠?qū)PS、VTS、AIS、北斗等相關(guān)設(shè)備的接口進(jìn)行管理。如通過GPS、北斗等接口，能夠讀取設(shè)備給出的船舶通航過程的動態(tài)信息等；利用Inmarst-C/F接口，能夠?qū)崿F(xiàn)對船舶的動態(tài)信息顯示系統(tǒng)的各類運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行配置、修改等操作，同時，還能夠?qū)崿F(xiàn)通航過程中與港口信息實(shí)現(xiàn)岸船通信。

3.2.7 動態(tài)跟蹤子系統(tǒng)

通過該子系統(tǒng)，船舶駕駛員能夠在顯示系統(tǒng)上直觀地看到船舶通航過程中的航向、航速、位置等動態(tài)信息，除了能夠?qū)崿F(xiàn)對自身船舶信息的顯示外，還可以對一定范圍內(nèi)其他船舶的動態(tài)信息進(jìn)行顯示，避免出現(xiàn)碰撞事件，對于目標(biāo)船舶的動態(tài)或者靜態(tài)信息，可以按照實(shí)際使用需求進(jìn)行區(qū)分，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對自身或者目標(biāo)船只的歷史航行軌跡查詢與顯示。

4 基于電子航道圖的船舶動態(tài)信息顯示系統(tǒng)測試與結(jié)果

通過對該系統(tǒng)的實(shí)際測量，可以確認(rèn)電子航道圖的主界面能夠?qū)崿F(xiàn)對通航附近的如水深、水文信息、水流方向以及岸線信息等相關(guān)信息的直觀展示，并且船舶駕駛員在具備合法操作權(quán)限的基礎(chǔ)上，可以對上述信息進(jìn)行查詢、操作。另外，在實(shí)際測試過程中，也對一定范圍內(nèi)的船舶通航情況進(jìn)行了測試驗(yàn)證。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對本船只通航范圍內(nèi)，其他船舶的經(jīng)緯度信息以及船向、航向、航速等相關(guān)信息的顯示，能夠?yàn)榇榜{駛員提供良好的通航安全保證。另外，通過本系統(tǒng)的船舶動態(tài)信息跟蹤子系統(tǒng)，能夠接收一定范圍內(nèi)的求救信息，包括求救信息的相關(guān)船舶形式信息以及預(yù)計到達(dá)所在地的時間等相關(guān)信息。而上述功能的實(shí)現(xiàn)，能夠有效減少在船舶發(fā)出求救信息后相關(guān)部門收集信息的時間，實(shí)現(xiàn)對求救信息實(shí)時收集，自動處理，極大程度上提高了相關(guān)部門的應(yīng)急響應(yīng)速度，有效地保證了船舶通航以及船員的人身安全。

另外，該系統(tǒng)配置的相關(guān)工具功能，可以有效地對電子航道圖進(jìn)行選擇、縮放、查詢、測距、更正以及航道圖下載，打印等功能，極大程度上提高了電子航道圖的可操作性與可讀性，使得應(yīng)急指揮工作更加便捷、快速。通過測試，結(jié)果顯示，區(qū)域性的較大電子航道圖的加載時間在15s內(nèi)，單幅航道圖能夠在4s內(nèi)完成加載，并且每秒對電子航道圖進(jìn)行一次刷新，每2～4s對船舶位置進(jìn)行標(biāo)繪，同時利用船舶自身的動力系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)該系統(tǒng)的全天候運(yùn)行。另外，該顯示系統(tǒng)具備較高的顯示精度，其中電子航道圖的航向等信息精度到小數(shù)點(diǎn)后一位，航速信息精確到小數(shù)點(diǎn)后1位；電子航道圖的比例尺可以實(shí)現(xiàn)1:2000～1:500萬之間的調(diào)整。

5 結(jié)語

綜上所述，目前國內(nèi)的船舶通航管理工作日趨復(fù)雜，船舶的動態(tài)跟蹤信息分布于各個系統(tǒng)中，無法形成統(tǒng)一的、直觀的獲取。而本文所設(shè)計的船舶動態(tài)信息顯示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對電子航道圖、VTS系統(tǒng)、AIS系統(tǒng)、北斗系統(tǒng)的連接整合。利用數(shù)據(jù)交換平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)在電子航道圖中對船舶通航的實(shí)時信息進(jìn)行動態(tài)跟蹤以及實(shí)時顯示，同時還能夠根據(jù)實(shí)際情況，對電子航道圖進(jìn)行更正等。上述功能的實(shí)現(xiàn)，為我國船舶通航應(yīng)急反應(yīng)與應(yīng)急救援指揮工作提供了良好的信息支撐，對于提升應(yīng)急指揮效率有著重要的推動作用。