夏启兵 王玉林 于树海
摘 要：本文以国内首个e-航海试点工程项目——天津港复式航道e-航海试点工程为例，介绍了工程背景、主要研究、建设内容，并展望了该工程发展和应用前景。
关键词：复式航道；e-航海；岸基系统；导助航
1 工程背景
产业的发展与进步总是源于现实需求驱动和新技术革命引领。多年来，海上通信、定位、导航发生了天翻地覆的变化。电罗经、GPS、差分定位、AIS、自动操舵仪、计程仪、惯性导航仪、ARPA雷达、NAVTEXT等各种新技术和装备层出不穷，为船舶驾驶起到了非常重要的辅助作用，航海已经进入了全面电子化时代。然而，现有的技术和服务也越来越凸显一些弊端：在航海者方面，各类船载硬件系统不断增加，有的功能重复，有的分散于不同显示界面，给用户带来了操作负担。在海事管理方面，船岸信息的交互和共享还存在很大的改进和提高空间，对船舶智能化监管手段未完全建立，精细化、定制化交通管理服务亟待提高。在航海保障方面，产品服务标准化、多样化不足，许多正在发展中的技术和产品，亟待一个更加完善的标准框架去规范。在公共管理方面，海事信息化孤岛现象尚未完全解决，海事信息融入政府信息化的途径尚未完全打通。2006年，IMO成员国提出了e-航海的概念，兴起了新一波的航海技术革命。10多年来，e-航海由理念到战略、由抽象到具体、由框架到细节，逐步清晰、不断完善，国际上许多国家也开展了e-航海相关的试点工程建设，取得了一些成果和经验。
天津港是我国第二大外贸口岸，也是“一带一路”国家战略重要节点之一。2014年，为满足吞吐量快速增长需要，天津港建设并开通了世界首条复式航道，采取大小船分道航行、双进双出的设计方案。该措施在提高港口运行效率的同时，也增加了交通组织管理的复杂性。为此，在天津港通过e-航海试点工程建设的实施，利用各种先进技术手段加强复式航道船舶航行的安全保障，加强海洋环境监测，共享各类助航和安全信息，进一步加强船舶航行安全，提高港口船舶运输组织能力，具有很强的现实意义。
2 整体框架设计
跟踪研究国际上e-航海最新的研究进展，深入研究e-航海整体框架，结合我国航海保障实际和天津港通航环境特点，研究确定天津港复式航道e-航海试点工程整体框架结构。试点工程分为数据资料采集系统、岸基系统、MSP服务、通信链路和应用端等5个部分，系统架构设计如图1所示：
3 主要研究建设内容
3.1 数据资料采集系统
数据资料采集系统主要包含两大部分：一是对电子海图、航标动态、实时潮汐等现有航保信息资源的接入，整合全海区各比例尺电子海图数据，接入北方海区海事验潮网水文数据、航标要测遥控数据，从部海事局船舶导助航综合应用系统中接入AIS船舶动态、通航环境、水文气象数据等，二是在海上灯塔、浮标设置多要素的海上环境采集终端，建设2座水域环境监测多功能航标，搭载海流计、能见度仪、水质仪、风速仪、高精度北斗终端等，在天津港大沽灯塔、天津航标处南疆码头加装能见度、风速、CCTV等传感器，全方位采集海域实时环境信息。开发了天津港复式航道水域环境监测系统，实现数据资料管理和应用，系统界面如图2所示：
3.2 岸基系统
岸基系统主要分为硬件和软件两部分。硬件部分是由本工程需要购置的内外网应用服务器、存储服务器，以及用于内外网隔离的网闸设备等硬件支持环境。软件部分主要研制了数据采集、处理、整合、存储、应用模块，形成岸基监控、服务信息系统功能软件。为了节约资金、加快项目研究进度、尽量不影响现有业务系统，e-航海项目与现有业务系统信息对接的方式采用开发单独数据获取接口，而对原有业务信息系统保持不变的方式。例如，对航标遥测遥控系统数据的获取，采用MYSQL数据库接口协议，从航标遥测遥控系统备份数据库读入数据，不影响现有业务系统运行。对沿海验潮网数据获取，采用Web Service技术从服务器端实时获取。
客户端和服务端信息沟通和消息推送采用MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输）通信协议，该协议由IBM開发，支持所有操作系统平台，几乎可以把所有联网物品和外部连接起来，被用来当作传感器和制动器（比如通过Twitter进行智能家居联网）的通信协议，它有可能成为未来物联网的重要组成部分。由于MQTT协议是专门针对网络带宽低、高延时、通信不稳定的环境设计的，特别适合物联设备，具有低通讯量连接保持、简约轻便等优点，它还提供了发布/订阅模式，只要客户端进行了订阅，即使发布时客户端离线，等再次上线时还能收到消息。提供消息发布反馈，客户端收到消息进行反馈，服务器端可进行对应处置。提供发布质量控制，消息接受可选择至多一次、至少一次、只有一次三种模式，方便用户进行分类控制。还提供了心跳机制，可自行设置心跳，以及鉴权机制。MQTT协议的诸多天然优点，使得它非常适合于具有复杂干扰、低信号强度、窄带宽等缺点的海上网络环境，为e-航海项目提供船岸信息交互的通信层协议。MQTT协议的客户端实现和服务器端搭建，互联网上均有现成可用资源，需要进一步开发的是MSP信息基于MQTT协议的业务逻辑实现。基于MQTT建立用户注册、登录的管理控制，将e-航海MSP信息服务类别进行重要性分类，分别开发一种对应的订阅主题。通过MQTT实现的e-航海MSP信息服务发布/订阅，满足客户端基于主题的过滤、基于内容的过滤和基于类型的过滤，用户对接收哪些e-航海MSP信息服务具有自主权，同时还能保证用户对重要安全信息的接收确认。
3.3 MSP服务
MSP服务是国际e-航海发展的新概念，它将海事、搜救、航保等领域能够提供的各类支撑、服务归纳总结为若干标准化MSP服务类别。根据IALA e-Nav委员会、国际海道测量组织IHO等提出的S-100及其应用的规范，归纳总结国际已有的S-100相关产品信息规范。在结合国内e-航海用户需求，研究适合于我国的S-100产品规范，形成S-100相关产品规范标准。建设天津港e-航海MSP服务标准和接口实现，包括：电子海图下载更新服务、实时水文气象服务、海上安全信息服务、航行警通告服务，以及船舶动态监控、船舶相关信息查询、港口信息等其他信息服务MSP。
MSP产品规范规定指定应用服务的所有特征、属性、关系，以及数据集映射，包括数据识别的通用元数据信息以及数据结构、参考系统、内容、数据质量、数据传输信息等。数据产品规范一般要包含综述、规范范围、数据产品标识等、数据内容和结构。综述部分介绍数据产品的标题、创建日期、责任部门、语言、空间范围、时间范围、具体目的等常规信息。规范范围包含数据等级、地理覆盖等信息数据内容和结构包含以XML为基础的要素目录、影像和覆盖数据、坐标参考系统、数据质量、数据编码产品格式等。
3.4 通信链路
通信链路部分，由于陆基基站的有限作用距离，导致公网不能有效覆盖天津港主航道全部范围，目前仅能勉强接近大沽灯塔，灯塔以东水域至今无法实现移动信号覆盖。因此，协调天津市电信公司，利用大沽灯塔架设通信基站，安装2G和4G通信设备，与岸基交管中心铁塔实现微波互联，实现以大沽灯塔为基点的基本覆盖天津港复式航道的无线通信网络。
采用陆基公网解决天津港复式航道e-航海试点工程的通信问题有我们周密的考虑。首先，天津港有大沽灯塔这座全国唯一矗立在近海的灯塔平台，为移动基站架设提供了完美的基础。其次，随着VDES、NAVDAT、全球卫星互联网等技术的飞速发展，在可以期待的三五年内，海上移动网络通信将会成为新的通信手段，这样现有e-航海通信方式可以实现快速对接。
3.5 船端应用端系统
船端应用端系统主要由两部分组成：专用船台的船载综合导助航系统和基于手机、平板等终端设备的导助航智能终端系统。
研发基于差分北斗高精度定位的专用船台设备，通过嵌入的综合导助航系统程序，采集船端相关设备的数据和状态，为船端用户提供综合导助航服务，并通过船岸间无线通信网络进行信息交互，获取岸基系统提供的信息服务。船载综合导助航系统采用圣岛安航信息科技有限公司的圣岛ECS系统进行e-航海定制化开发，圣岛ECS系统支持ECDIS系统的主要功能，通过中国船级社ECS认证，具有一定的市场用户群，基于它进行升级改造具有起点高、实用性好和推广便利的优点。圣岛ECS系统底层采用C++语言开发，e-航海系统需要的其他船载功能模块都能很好地集成整合到一起。专用船台的船载综合导助航系统界面如图3所示。
导助航智能终端APP系统采用自主ECS核心技术，基于具有跨平台支持的QT开发环境研制。导助航智能终端APP系统，可安装在苹果、Android手机和平板设备上，通过船岸间无线通信网络进行信息交互，通过宽带无线通信网络接收基于海事服务集的导助航信息，获取岸基系统提供的电子海图、船舶动态、导助航信息等数据，通过移动设备的定位系统，以及采集本船其他传感设备的位置、速度等实时数据，为小型的渔船、运沙船等无导助航设备的船舶提供简单的导助航服务，也可为港口引航等单位的引航工作提供信息支持。Android版和苹果版智能终端APP系统界面分别如图4和图5所示。
4 项目实施效果
目前，天津港复式航道e-航海试点工程已完成全部建设内容，进入试运行阶段。实际应用表明，本工程项目研发的海上多功能采集浮标具有长自持力、模块化、高可定制、采集要素广等优点，适用于沿海海上环境综合监测，可为航海用户收集更多实时性资料。研发的船端应用端系统具有稳定性高、功能齐全、使用便捷、多操作系统兼容等优点，特别是首次尝试了公网条件支持下的MSP岸基交互，为e-航海信息服务播发、应用积累了较好的经验。形成的基于S-100的MSP信息服务产品规范，既考虑国际标准的现状，又兼顾了我国航海保障和海事监管的现状，部分研究成果可形成有价值的提案，为国际组织发展e-航海相关标准提供有益的参考。
下一步，将继续优化完善相关软硬件成果，并与航保现有业务系统做好对接。特别要对形成的S-100 MSP信息服务产品规范，进一步的细化、完善，尽早形成可大规模推广应用的新一代信息服务标准。
参考文献
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[6] IHO.S-100.2009.http：//www.iho.int
[7] IHO.S-102.2009.http：//www.iho.int
作者简介：
夏启兵，高级工程师，（E-mail） 296274507@qq.com，18920280536
