彭　文，王立平，陳貴花

(交通運輸部南海航海保障中心廣州海事測繪中心，廣東 廣州 510320)

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移動終端的水上便攜智能導航系統(tǒng)研發(fā)

彭文，王立平，陳貴花

(交通運輸部南海航海保障中心廣州海事測繪中心，廣東 廣州 510320)

摘要：介紹了一種基于移動終端設備(Windows、iOS、Android)的水上便攜智能導航系統(tǒng)的需求分析、主要功能及設計與實現(xiàn)，分析了主要技術難點和系統(tǒng)特點，并對其在船舶導航、智慧引航、電子海圖自動更新等方面的應用技術進行了探討。

關鍵詞：電子海圖系統(tǒng)；便攜智能；移動導航

隨著電子海圖(electronicnavigationchart，ENC)技術的發(fā)展，電子海圖系統(tǒng)的功能日趨完善、應用形式不斷豐富，并向著智能化船舶綜合導航系統(tǒng)發(fā)展，廣泛應用于船舶交通管理、海事管理、船舶導航、水上工程建設及船員培訓等領域。但與快速發(fā)展的車載導航系統(tǒng)相比，電子海圖系統(tǒng)普遍存在功能簡單、更新維護困難、操作不便、設備笨重、不便攜帶、價格不菲等缺點，且沒有與其他船用設備整合。近年來，移動技術的迅猛發(fā)展，智能手機、平板電腦等終端設備的性能不斷提高，與地圖應用相關的移動導航、移動GIS研究成為研究熱點，船舶導航應用系統(tǒng)的移動性、便攜性和靈活性有了新的需求。如今，國外已推出iPhone和iPad、Android移動設備的海圖應用。我國基于智能手機或平板電腦的移動電子海圖系統(tǒng)研究及產(chǎn)品還在起步階段，已推出的產(chǎn)品大多數(shù)采用的仍是柵格海圖。綜上，開發(fā)一種基于電子海圖系統(tǒng)的移動版水上智能導航系統(tǒng)就顯得十分迫切。

2005年12月，美國、英國等7個國際海事組織(IMO)成員國向海事安全委員會(MSC)聯(lián)合提交議案，提出制定e-Navigation的戰(zhàn)略設想，即通過電子手段的協(xié)調船舶和岸上航海信息的采集、整合、交換、展示和分析，增強船舶泊位到泊位的導航和相關服務，以保障海上航行安全和安保，保護海上環(huán)境。e-Navigation通過海事服務集(MSP)方式對船舶提供服務，包含VTS、航行輔助、交通組織、引航、海圖、氣象信息、實時水文和環(huán)境信息等服務。水上便攜智能導航系統(tǒng)符合e-Navigation戰(zhàn)略概念，具備便攜、智能導航功能，以及集合通航、水文、氣象等多源信息資源于一體、多個航行軟件集成的設計概念，將在未來e-Navigation環(huán)境下發(fā)揮重要作用。

基于以上背景，本文擬研究和開發(fā)一種可運行于手持移動終端(包括智能手機、平板電腦及其他便攜式設備)的水上便攜智能導航系統(tǒng), 利用移動終端通信網(wǎng)絡的便攜性、靈活性，較好地滿足以上各種基于電子海圖的船舶導航相關應用，實現(xiàn)海圖數(shù)據(jù)和航海通告內容在線實時更新，以較少的投入保障沿海及內河船舶航行安全通暢。

一、水上便攜智能導航系統(tǒng)建設目標

水上便攜智能導航系統(tǒng)的建設目標為：開發(fā)一種可運行于手持移動終端(包括智能手機、平板電腦及其他便攜式設備)，以國際標準(IHOS-57、S-52、S-63)的電子海圖顯示與信息系統(tǒng)為核心，集成北斗、GPS、AIS、羅經(jīng)、計程儀、測深儀、舵角指示器等多種船載設備，以無線局域網(wǎng)(WiFi、藍牙等)和3G網(wǎng)絡(聯(lián)通WCDMA、電信CDMA2000、移動TD等)為信息傳輸通道，輔以語音、視頻、短信等多種方式，在任何時間、任何地點實現(xiàn)電子海圖數(shù)據(jù)管理、海圖顯示與控制、船舶定位與實時標繪、本船導航、船舶動態(tài)標繪、航線設計、熱點數(shù)據(jù)播報、航法語音動畫提示等功能的水上便攜智能導航系統(tǒng)。

二、水上便攜智能導航系統(tǒng)的設計及實現(xiàn)

水上便攜智能導航系統(tǒng)在基于Windows、Android及iOS系統(tǒng)平臺的電子海圖顯示系統(tǒng)基礎上進行SDK封包技術，通過采用空間數(shù)據(jù)庫技術、電子海圖顯示與操作技術、船載定位設備信號解析技術、面向對象的組件技術、C++語言、手勢指令技術、語音合成技術、多媒體動畫制作技術、多層次的安全控制機制，并聯(lián)合海事部門最新的電子海圖資源與豐富的熱點數(shù)據(jù)資源，通過移動網(wǎng)絡與GPS、AIS、電羅經(jīng)、計程儀等船載定位設備信號解析器連接，在便攜移動平臺終端上實現(xiàn)了智能電子海圖導航、符合S-57國際標準的電子海圖服務、多媒體數(shù)據(jù)采集及熱點信息查詢、航路航法動畫演示、語音航法智能預報、手稿編注、模擬計劃航線等功能，支持海圖漫游、無極縮放,提供了復雜水上環(huán)境在線和離線模式的電子制圖更新服務。

為了確保海圖數(shù)據(jù)的唯一性和安全性，作為航海信息處理平臺的水上便攜智能導航系統(tǒng)采用Server/Client機制，在服務器與客戶機之間，構成一種多緩沖、多數(shù)據(jù)流、異步、協(xié)同的操作機制。海區(qū)現(xiàn)勢地理信息、水文氣象預報信息等依賴復雜的信息處理過程，可由服務器端進行處理并集中存儲。與客戶應用密切相關的基礎信息在客戶端存儲并適時更新，簡單的信息處理在客戶端完成。高性能服務器和低速客戶機相互配合，以便解決效率和成本之間的矛盾，并為全球范圍內的信息共享及全球范圍內的信息檢索提供條件。

1. 總體框架

用戶直接與裝有移動3G電子海圖系統(tǒng)的移動終端設備(如智能手機、平板電腦或其他便攜式設備)進行交互。移動終端可通過自身集成的GPS在電子海圖上標繪本船的位置信息，或通過藍牙接口、WiFi設備獲取船舶現(xiàn)有的AIS設備接收的本船和周圍船舶動態(tài)信息等導航數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)導航功能。移動電子海圖還能通過3G或WiFi接入移動網(wǎng)絡，建立與岸基船舶引航信息服務器和海圖服務器的連接，實現(xiàn)海圖數(shù)據(jù)的下載更新和船舶引航功能。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體框架

2. 系統(tǒng)網(wǎng)絡

數(shù)據(jù)服務系統(tǒng)網(wǎng)絡如圖2所示。

3. 系統(tǒng)結構

數(shù)據(jù)服務軟件是基于J2EE構架的客戶機/Web瀏覽器/應用服務器/數(shù)據(jù)庫服務器的多層系統(tǒng)結構，系統(tǒng)邏輯視圖如圖2所示。J2EE構架是具有跨平臺、開放式，易于系統(tǒng)擴充，方便二次開發(fā)和應用系統(tǒng)集成等優(yōu)點的軟件體系結構，其實現(xiàn)的主要技術為Java、JavaBean、JSP、Servlet、Pushlet和XML等。

4. 功能實現(xiàn)

水上便攜智能導航系統(tǒng)主要針對船舶用戶，考慮在基于傳統(tǒng)電子海圖的基礎上，采用便攜終端，對船舶用戶提供觸摸式、方便、快捷、準確、豐富的電子導航產(chǎn)品。根據(jù)上述需求分析，系統(tǒng)軟件結構設計為船舶導航移動終端子系統(tǒng)、船舶引航移動終端子系統(tǒng)、電子海圖數(shù)據(jù)服務子系統(tǒng)3大模塊，支持目前各大品牌的智能手機，如iOS、Android等操作系統(tǒng)的手機或平板電腦，同時也應支持特殊用戶群的高性能要求，如使用工業(yè)級平板電腦。通信可采用WiFi、3G等功能實現(xiàn)。

(1) 船舶導航移動終端子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)包括電子海圖顯示與控制、多媒體附加信息顯示、船舶導航、航線設計、輔助功能等功能。

依據(jù)IHOS-52顯示標準將電子海圖顯示在移動終端設備上，用戶可對海圖進行海圖定位、縮放控制、全域漫游、海圖背景控制、分層顯示控制、海圖物標查詢、海圖旋轉等操作；可定制文字、語音、動畫效果的附加信息，用于航道航法動畫演示、提示船舶用戶按規(guī)定的航路行駛注意避讓等。船舶定位功能需要來自移動終端的內置GPS的定位信息或通過藍牙接口、WiFi無線局域網(wǎng)獲取外部設備如船載GPS、自動識別系統(tǒng)AIS的動態(tài)數(shù)據(jù)獲取本船的位置信息。船舶動態(tài)查詢功能可查詢該船舶的航行狀態(tài)、位置、航速、航向等動態(tài)信息。對于裝有AIS設備的船舶，導航移動終端通過AIS目標船動態(tài)信息實現(xiàn)避碰。用戶可設計本船的計劃航線，包括新建航線、編輯航線、刪除航線、從外部設備導入備用航線等操作。輔助功能包括方位距離計算、錨位指引、偏航報警、走錨報警。

圖2　電子海圖數(shù)據(jù)服務系統(tǒng)網(wǎng)絡

(2) 船舶引航移動終端子系統(tǒng)

移動終端可以作為船舶安全航行的輔助設備服務于船員，還可以作為引航設備服務于引航員。系統(tǒng)通過對引航相關信息(如船舶進出航道、?？坎次?、計劃航線、潮高修正量、船舶靜態(tài)參數(shù)等)進行選擇設定，智能獲取來自不同傳感器(如GPS和AIS)的信息，依據(jù)引航員設定的引航作業(yè)內容(進/出港)、顯示方式、報警環(huán)境參量等，智能化地在電子海圖上進行船舶(進出港)引航。

系統(tǒng)功能包括海圖顯示、參數(shù)設置(報警參數(shù)、引航方向等)、引航跟蹤、靠泊跟蹤、潮汐查詢與修正、引航回放、擴展功能(保存屏幕位圖等)。

(3) 電子海圖數(shù)據(jù)服務子系統(tǒng)

電子海圖數(shù)據(jù)服務子系統(tǒng)為船舶安全航行、安全管理等活動提供了必要支持和保障，并為移動終端客戶群提供了海圖數(shù)據(jù)搜索、查詢和下載等功能，還向多平臺電子海圖系統(tǒng)客戶端同時提供數(shù)據(jù)共享服務。

電子海圖數(shù)據(jù)移動終端功能包括用戶登錄、海圖搜索(本地和在線兩種方式)、海圖下載(在線和離線兩種方式)、海圖數(shù)據(jù)共享、海圖數(shù)據(jù)管理(導入海圖、更新海圖、刪除海圖)、歷史記錄、興趣點標注。數(shù)據(jù)服務功能包括用戶管理、權限控制、登錄統(tǒng)計、服務信息推送等功能。

三、技術難點

水上便攜智能導航系統(tǒng)主要實現(xiàn)將基于船載的ECDIS系統(tǒng)移植到便攜終端，同時在傳統(tǒng)電子海圖的基礎上深度挖掘航行區(qū)域內水上及兩岸對船舶航行相關的有效信息 ，主要有以下技術難點：

1) 系統(tǒng)采用SDK方式開發(fā)。將整個海圖顯示部分封裝成SDK，與控制界面分離，以便于界面的更換。為此，需要大量的信息交換接口。

2) 操作模式改變。原有ECDIS系統(tǒng)的操作模式為鼠標或鍵盤，而平板電腦、智能手機更多使用觸摸屏的操作模式。因此，需要調整操作模式。

3) 界面調整。由于手指點擊無法如鼠標那么小巧和精準，因此所有界面按鈕，列表行及菜單寬度均需要調整重繪，所有界面控件均需重新開發(fā)。

4) 語音播報。正常語音播報未完成時，如果用戶選擇其他提示點播報，或有報警發(fā)生，必須中斷當前播報，插入新的語音提示。因此，播報功能采用了優(yōu)先級隊列方式。

5) 熱點管理。考慮到要建立一個熱點庫，可能需要經(jīng)常添加或調整，故重新開發(fā)了整套熱點管理功能，可以隨時人為添加、刪除或修改提示點內容。

四、關鍵技術解決

水上便攜智能導航系統(tǒng)主要實現(xiàn)的關鍵技術突破有：

1) 二次開發(fā)包封裝技術。將整個海圖顯示部分封裝成SDK，當S57或S52標準發(fā)生變化時，只需要改變動態(tài)庫，即可升級更新程序，無須更改執(zhí)行文件。

2) 海圖數(shù)據(jù)快速讀取。使用內存池，并完善SENC結構，可以在1s內快速讀取海圖數(shù)據(jù)。

3) 海圖無縫拼接及篩選機制。根據(jù)海圖比例尺過濾顯示海圖，當海圖無法填充整個屏幕時，智能選擇更大的比例尺填充，并具有超比例尺提示；采用比例尺分層技術大大加快了海圖顯示速度。

4) 定位設備信號解析。可解析GPS、AIS、電羅經(jīng)、計程儀、舵角指示器、風速風向儀等信號。

5) 語音合成技術(TextToSpeech)的使用。只要輸入文本，即可語音播報輸入內容。

五、系統(tǒng)特點

水上便攜智能導航系統(tǒng)主要有以下特點：

1) 實現(xiàn)了水上導航便攜終端技術突破。系統(tǒng)以電子海圖顯示為基礎平臺，以便攜式設備作為運行環(huán)境，依據(jù)IHOS52顯示標準,加載符合IHOS57標準的官方電子海圖和IHOS63(電子海圖數(shù)據(jù)加密標準)，可以準確完整地表達海上各要素信息，確保系統(tǒng)信息現(xiàn)勢精確及可靠。與傳統(tǒng)固定船載導航系統(tǒng)相比，系統(tǒng)采用新的計算機技術、數(shù)據(jù)通信技術，集監(jiān)控和管理于一體,在體積上大幅縮小，安裝和使用方便，滿足即插即用原則，全屏觸控操作，攜帶方便，固定方式靈活，跨平臺技術讓系統(tǒng)適用于iPad、iPhone、Android等多點觸摸設備，也適用于鼠標交互的Windows桌面應用。

2) 復雜水上環(huán)境海圖瀏覽無級縮放。區(qū)別于傳統(tǒng)海圖切片顯示方式，水上便攜智能導航系統(tǒng)顯示和讀取的是電子海圖矢量數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)海圖觸屏無級縮放，始終保持數(shù)據(jù)的清晰及完整性。采用比例尺分層技術大大加快了海圖顯示速度。

3) 高度的設備集成、信息集成和功能集成?？蛇B接AIS、GPS、雷達、CDMA通信機，綜合處理和運用各種信息，使各設備的作用得到充分發(fā)揮，并具有綜合優(yōu)勢。系統(tǒng)彌補了獨立的AIS設備固有的單屏信息量小、可視化程度低、操作復雜、信息綜合利用難等缺陷，使AIS信息得到充分利用，功能得到極大擴充。強大的海圖改正功能可通過互聯(lián)網(wǎng)搜索、查詢、下載自動完成電子海圖及江圖更新，同時提供數(shù)據(jù)共享服務。

4) 多媒體數(shù)據(jù)采集及熱點信息查詢服務。除了必備的電子海圖服務及導航功能外，系統(tǒng)還實現(xiàn)了海上多種類型的熱點數(shù)據(jù)服務，支持包括視頻、Flash、HTML、圖片、文字等多源媒體文件。通過圖片文字的介紹，動畫、短片的生動演繹多種方式查看周圍熱點數(shù)據(jù)的各類信息。

5) 航路航法動畫演示。系統(tǒng)以形象生動的動畫顯示技術替代傳統(tǒng)航路指南書籍上呆板的文字，首次通過Flash等軟件制作模擬航線及避碰危險物提示，對復雜水域內的航法進行了全面解析，加深船員對船舶周邊的環(huán)境變化了解及航行途中的注意事項，大大提高了船舶航行的安全性。如圖3所示。

圖3　大虎航道航法動畫示意圖

6) 語音航法智能預報。水上便攜智能導航系統(tǒng)采用語音合成技術(TextToSpeech)，通過將重點水域和危險水域的航法及警示語句文本輸入系統(tǒng)，實現(xiàn)了船舶報警及航路航法語音自動播報，使得航海人員將注意力集中在真正需要的地方，優(yōu)化航海駕駛。

六、結束語

水上便攜智能導航系統(tǒng)是一種可運行于手持移動終端(包括智能手機、平板電腦及其他便攜式設備)的具備全新導航概念的電子海圖系統(tǒng)，具備定位和導航基礎功能兼電子海圖和熱點數(shù)據(jù)特色功能，填補了水上電子導航系統(tǒng)中沒有語音導航和多媒體熱點功能的缺陷，實現(xiàn)了對航行速度、方位、航行報警信息的智能語音播放，能夠快捷、便利智能地完成多種導航、查詢、規(guī)劃、引航等需求，能夠有效增加電子海圖使用效率，帶動廣大船員用戶進一步了解并使用規(guī)范的電子海圖進行導航，并可提高航行安全，對區(qū)域內的海圖更新服務結構體系調整有較強的帶動作用。

未來電子海圖相關應用呈現(xiàn)數(shù)據(jù)來源多元化、立體化、小型化、網(wǎng)絡化和內河水域拓展的趨勢，水上便攜導航系統(tǒng)將不斷優(yōu)化，將動態(tài)潮汐、三維顯示引入應用，可定制或整合其他e-Navigation產(chǎn)品，更好迎合未來大數(shù)據(jù)時代、基于氣象數(shù)據(jù)動態(tài)航線計劃“智能船舶”發(fā)展需要。

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Research of Hydrographic Portable Intelligent Navigation System BasedonMobileTermination

PENG Wen，WANG Liping，CHEN Guihua

收稿日期：2016-03-24

作者簡介：彭文(1968—)，女，高級工程師，主要從事海圖編制工作。E-mail：13609038376@139.com

中圖分類號：P229

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)06-0133-05

引文格式： 彭文，王立平，陳貴花. 移動終端的水上便攜智能導航系統(tǒng)研發(fā)[J].測繪通報，2016(6)：133-137.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0209.