◎ 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 曹建文 許 昶 于翀熠

隨著IMO（國(guó)際海事組織）提出的“e-航海”戰(zhàn)略進(jìn)入實(shí)施階段，船舶航行領(lǐng)域正在不斷更新完善并陸續(xù)推出國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)體系，船舶電子領(lǐng)域的產(chǎn)品即將按照新的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)升級(jí)換代，以進(jìn)一步提升船舶航行領(lǐng)域的信息化水平，提高船舶運(yùn)行安全水平和監(jiān)管效率。未來(lái)5～10年，船舶電子信息技術(shù)領(lǐng)域?qū)⑼瓿尚乱惠啴a(chǎn)業(yè)升級(jí)，此次產(chǎn)業(yè)升級(jí)在帶來(lái)巨大市場(chǎng)商機(jī)的同時(shí)，也給我國(guó)航海領(lǐng)域電子技術(shù)發(fā)展及實(shí)現(xiàn)“彎道超車”提供了難得的歷史機(jī)遇。

針對(duì)我國(guó)海上電子信息產(chǎn)業(yè)智能化、自主化的發(fā)展需求，2015年底，中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院（以下簡(jiǎn)稱“火箭院”）聯(lián)合大連海事大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱“大連海大”），圍繞IMO提出的 e-Navigation（e - 航 海/電子航海）方向開展了技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用研究。為加快產(chǎn)業(yè)孵化工作，2017年5月，由火箭院和大連海大聯(lián)合組建的船舶電子信息技術(shù)研發(fā)中心（大連）（以下簡(jiǎn)稱“大連中心”）正式運(yùn)行。大連中心立足于融合航天航海技術(shù)，研究開發(fā)符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的船舶電子信息系統(tǒng)和滿足不同用戶需求的海上大數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)，力求為船舶航行提供天海一體的信息支持解決方案，同時(shí)，推動(dòng)我國(guó)船舶電子信息技術(shù)領(lǐng)域轉(zhuǎn)型升級(jí)，維護(hù)我國(guó)海事領(lǐng)域的信息安全，引領(lǐng)制定國(guó)際海事標(biāo)準(zhǔn)。

目前，大連中心主要圍繞e-航海方向，完成了遨海通甚高頻數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)（VHF Data Exchange System，VDES）、遨海云海事信息服務(wù)系統(tǒng)（Maritime Information Service System，MISS）及遨海橋船舶綜合導(dǎo)航系統(tǒng)（Integrated Navigation System，INS）這3類產(chǎn)品的核心技術(shù)攻關(guān)，構(gòu)建了“云—網(wǎng)—橋”一體的e-航海信息服務(wù)系統(tǒng)，并開展了相關(guān)試驗(yàn)系統(tǒng)部署及推廣應(yīng)用工作，相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

▲e-航海信息服務(wù)系統(tǒng)總體概念

遨海通VDES

VDES是針對(duì)水上移動(dòng)業(yè)務(wù)領(lǐng)域自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（Automatic Identif i cation System，AIS）進(jìn)行加強(qiáng)和升級(jí)的一種新型數(shù)字通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)是e-航海的關(guān)鍵核心通信系統(tǒng)，包含AIS、ASM和VDE三項(xiàng)數(shù)據(jù)交換業(yè)務(wù)。AIS作為第一代海上數(shù)字通信系統(tǒng)，不足以支撐現(xiàn)有海上數(shù)字通信業(yè)務(wù)需求，而VDES具有自組織接入和海上寬帶數(shù)據(jù)交換的優(yōu)勢(shì)（通信速率由9.6×103bit/s提升至307.2×103bit/s，可容納超過1000個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)），可承擔(dān)未來(lái)海上船舶航行安全的各類信息交換工作，是目前常用的海上通信（海上數(shù)字通信、商業(yè)陸地?cái)?shù)字通信、商業(yè)衛(wèi)星通信等）中唯一一種用于船-船之間的廣播式數(shù)字通信系統(tǒng)，將是智能船舶和無(wú)人駕駛船舶間交通環(huán)境感知及信息交換的基本通信方式。同時(shí)，該系統(tǒng)的核心技術(shù)可廣泛應(yīng)用于遇險(xiǎn)搜救、災(zāi)難救助、偏遠(yuǎn)區(qū)域作業(yè)及特種應(yīng)用等領(lǐng)域，具有十分廣闊的市場(chǎng)前景。

大連中心以國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為技術(shù)框架，設(shè)計(jì)研發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的VDES岸站設(shè)備、VDES船站設(shè)備和VDES管理中心，并持續(xù)跟蹤VDES衛(wèi)星載荷的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展，后續(xù)將適時(shí)啟動(dòng)VDES衛(wèi)星載荷的研制。

我國(guó)幅員遼闊，海岸線長(zhǎng)，各海區(qū)分區(qū)管理，多數(shù)船舶通信需要跨區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，為此建設(shè)了數(shù)百座通信基站。為適應(yīng)我國(guó)市場(chǎng)需求，在吸納國(guó)際研究成果和需求基礎(chǔ)上，大連中心全面設(shè)計(jì)了“船—岸—星”一體化的VDES岸基核心交換網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，保證了VDES管理中心在設(shè)計(jì)初期就能滿足未來(lái)我國(guó)復(fù)雜的市場(chǎng)應(yīng)用和國(guó)際市場(chǎng)需求。該系統(tǒng)在我國(guó)應(yīng)用成熟后，可將其核心技術(shù)成果作為基礎(chǔ)，推進(jìn)國(guó)際航標(biāo)協(xié)會(huì)（IALA）等國(guó)際組織制定VDES核心網(wǎng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

遨海通VDES采用自組織聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)各終端設(shè)備間的高速數(shù)據(jù)通信，為海上船舶之間的避碰、救助、遇險(xiǎn)通信等提供了基礎(chǔ)通信方式；為各類岸基用戶（如海事管理、船東、貨主、海關(guān)、邊檢、港口、保險(xiǎn)等）和船舶提供了自主、智能的端到端直接通信和數(shù)據(jù)交換服務(wù)；為全面改善現(xiàn)有海上通信需要人工尋址岸站的問題，提供了有效的解決方案。

截至目前，遨海通VDES已完成樣機(jī)研制及測(cè)試工作，并在大連和深圳海域建設(shè)了兩套試驗(yàn)系統(tǒng)，全面驗(yàn)證遨海通VDES設(shè)備的各項(xiàng)性能指標(biāo)，并以此為基礎(chǔ)，提出8項(xiàng)技術(shù)內(nèi)容寫入正在制定的VDES技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中。2018年以來(lái)，大連中心在積極驗(yàn)證完善VDES各項(xiàng)技術(shù)性能的基礎(chǔ)上，開展了小型化、多用途VDES產(chǎn)品的系列化設(shè)計(jì)。預(yù)計(jì)2019年下半年，遨海通VDES產(chǎn)品將具備全面推向市場(chǎng)的能力。

▲遨海通VDES系統(tǒng)組成

▲遨海通VDES管理中心

▲遨海通VDES的試驗(yàn)系統(tǒng)

遨海橋INS

為保障船舶航行安全，船舶上安裝了大量的電子導(dǎo)助航及通信系統(tǒng)設(shè)備。然而，隨著船岸電子信息技術(shù)的推廣應(yīng)用，這些設(shè)備在保障船舶航行安全的同時(shí)，也給船舶駕駛?cè)藛T增加了工作負(fù)擔(dān)；此外，各系統(tǒng)之間的信息孤島嚴(yán)重，亟需將各類不同來(lái)源信息進(jìn)行有機(jī)融合。

INS作為船上實(shí)施船舶導(dǎo)航的系統(tǒng)，通過集中獲取傳感器信息、各種控制命令，執(zhí)行各種操縱控制，將有關(guān)導(dǎo)航、駕控、避碰和監(jiān)視等分散設(shè)備的功能從信息融合及人機(jī)工程角度進(jìn)行集成，構(gòu)建了一個(gè)集導(dǎo)航、駕控、避碰和航行管理于一體的高度信息化、自動(dòng)化的集成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了船舶的自動(dòng)化航行，提高了駕駛?cè)藛T管理船舶的安全性和效率。

從20世紀(jì)80年代開始，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，以歐美、日本為首的傳統(tǒng)航海強(qiáng)國(guó)開始了INS系統(tǒng)的研制工作，目前世界上先進(jìn)國(guó)家已研制推出了第三代、第四代新的INS。進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)的船舶工業(yè)技術(shù)得到了快速發(fā)展，但我國(guó)造船業(yè)的自動(dòng)化技術(shù)相對(duì)落后，本土化船用設(shè)備裝船率較低，這些都是制約我國(guó)成為世界造船強(qiáng)國(guó)的瓶頸問題。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)部分大學(xué)與科研院所在該領(lǐng)域開展了一系列的技術(shù)研發(fā)工作，取得了一些成果。但從整體來(lái)看，與國(guó)外差距較大。

遨海橋INS作為新一代船舶導(dǎo)航系統(tǒng)，應(yīng)用綜合定位導(dǎo)航授時(shí)（PNT）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類導(dǎo)航信息的綜合處理、評(píng)估，形成了統(tǒng)一、可靠的定位、導(dǎo)航和時(shí)間信息，大幅降低了選擇和使用多源信息的復(fù)雜度。系統(tǒng)可按照最優(yōu)路線或最經(jīng)濟(jì)的方式實(shí)現(xiàn)航線自主規(guī)劃，通過與航行控制系統(tǒng)配合，可以實(shí)現(xiàn)船舶自動(dòng)航行，減輕船員駕駛負(fù)擔(dān)。系統(tǒng)采用基于標(biāo)準(zhǔn)模式、可配置的人機(jī)界面設(shè)計(jì)，讓操作更簡(jiǎn)單、維護(hù)更便捷。系統(tǒng)完全滿足國(guó)際海事組織規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)要求。

▲遨海橋INS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

▲遨海橋INS系統(tǒng)人機(jī)交互界面

針對(duì)綜合導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)源種類多、數(shù)據(jù)內(nèi)容和格式龐雜、業(yè)務(wù)應(yīng)用需求多、功能復(fù)雜且交叉耦合的特點(diǎn)，遨海橋INS系統(tǒng)總體采用分層架構(gòu)設(shè)計(jì)，各層級(jí)間采用統(tǒng)一協(xié)調(diào)的數(shù)據(jù)交換格式和交互模式。各層級(jí)內(nèi)部采用模塊化設(shè)計(jì)，各功能模塊能夠靈活配置、便于擴(kuò)展和替換。層級(jí)式和模塊化的架構(gòu)能夠較好地支持綜合導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各類用戶業(yè)務(wù)需求，同時(shí)具有良好的可擴(kuò)充性。

目前該系統(tǒng)已在深圳遠(yuǎn)洋運(yùn)輸股份有限公司所屬六萬(wàn)噸級(jí)“鵬德”輪上開展試運(yùn)行，經(jīng)過近一年的測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

基于模塊化、信息化、智能化的遨海橋綜合導(dǎo)航系統(tǒng)，結(jié)合了新一代船岸通信技術(shù)，以信息融合和智能航行控制為依托，可廣泛應(yīng)用于船舶的智能化航行。

遨海云MISS

遨海云是為滿足航海保障、船舶管理及海事監(jiān)管等需求而構(gòu)建的綜合性信息服務(wù)系統(tǒng)。它由海事互通平臺(tái)和多項(xiàng)海事業(yè)務(wù)服務(wù)組成，基于船舶航線、船舶位置、安全信息、港口管理、水文氣象等信息，能夠?yàn)楹胶１Ｕ蠙C(jī)關(guān)、海事管理機(jī)構(gòu)、航運(yùn)相關(guān)用戶等海事/航運(yùn)活動(dòng)參與者提供端到端的信息交互、行業(yè)監(jiān)管、業(yè)務(wù)支持等海上信息服務(wù)系統(tǒng)解決方案。

其中，海事互通平臺(tái)（MCP）以國(guó)際海事組織提出的海事領(lǐng)域通用岸基系統(tǒng)架構(gòu)（CSSA）為系統(tǒng)框架，以S-100數(shù)據(jù)模型為數(shù)據(jù)交換體系框架，在所有授權(quán)海事活動(dòng)參與者（含船舶）和授權(quán)服務(wù)之間，智能地按需完成路由控制，并建立動(dòng)態(tài)連接和通信鏈路，提供無(wú)感知的端到端服務(wù)，確保用戶與服務(wù)間數(shù)據(jù)的可靠交互。海事互通平臺(tái)具有以下特點(diǎn)：（1）松耦合、模塊化、開放性、標(biāo)準(zhǔn)化的體系架構(gòu)； （2）信息交換高效、安全、可靠、無(wú)縫； （3）可按需配置用戶對(duì)服務(wù)的訪問；（4）業(yè)務(wù)擴(kuò)展靈活。

▲“鵬德”輪隨航測(cè)試的遨海橋INS

▲遨海云MISS系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

▲海事互通平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)

海事業(yè)務(wù)服務(wù)以國(guó)際航標(biāo)協(xié)會(huì)（IALA）提出的海事服務(wù)集（MS）規(guī)范為基礎(chǔ)，為海事/航運(yùn)用戶提供“高內(nèi)聚”的業(yè)務(wù)功能支持服務(wù)，滿足各類不同用戶的服務(wù)需求。服務(wù)包括：（1）海上安全信息播發(fā)服務(wù)：按照IMO Circ.289報(bào)告要求，提供船舶安全相關(guān)信息發(fā)送服務(wù)；（2）船舶進(jìn)出港報(bào)告服務(wù)：提供船舶進(jìn)出港申報(bào)、港口泊位申請(qǐng)、引航申請(qǐng)、進(jìn)出港報(bào)告和管理，以及船舶在港口內(nèi)的移泊、離泊等業(yè)務(wù)服務(wù)；（3）航線規(guī)劃服務(wù)：以大數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)時(shí)航道情況（航行警告），給出泊位到泊位的船舶航線規(guī)劃，輔助船舶航行；（4）地基VDES信道服務(wù)：依托自主研發(fā)的VDES岸站，為不同用戶提供信息播發(fā)、信息采集、信息監(jiān)測(cè)等服務(wù)。

▲基于海事互通平臺(tái)的海事業(yè)務(wù)服務(wù)概念

海事互通平臺(tái)及航線規(guī)劃服務(wù)目前已在東海航海保障中心的長(zhǎng)江口e-航海建設(shè)工程中得到應(yīng)用，該工程主要為滿足在長(zhǎng)江口深水航道利用邊坡航道進(jìn)行超寬船舶交匯通航，以提高通航效率的需求而建設(shè)。其中，海事互通平臺(tái)為工程所涉及的航標(biāo)服務(wù)、航路規(guī)劃服務(wù)和智能導(dǎo)航終端、綜合信息服務(wù)系統(tǒng)提供了用戶注冊(cè)、服務(wù)注冊(cè)、服務(wù)獲取等業(yè)務(wù)支持。航路服務(wù)為工程涉及的深水航道中超寬船舶的交互通航提供了交匯點(diǎn)預(yù)測(cè)、交匯信息發(fā)布、流量監(jiān)控等功能。

結(jié)束語(yǔ)

綜上，e-航海信息服務(wù)系統(tǒng)可以通過建立符合e-航海戰(zhàn)略的高速寬帶通信網(wǎng)絡(luò)及信息服務(wù)系統(tǒng)，支撐我國(guó)海洋、海事、漁業(yè)等領(lǐng)域的信息化發(fā)展，為后續(xù)無(wú)人船舶、海上大數(shù)據(jù)、下一代海事基礎(chǔ)通信標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)研究及行業(yè)發(fā)展提供全面的研制保障服務(wù)，支撐我國(guó)海上智慧交通、人工智能的發(fā)展需求。同時(shí)，該系統(tǒng)的可擴(kuò)展性強(qiáng)，能夠廣泛應(yīng)用于海上、港口、島礁等特殊區(qū)域，具有為我國(guó)海權(quán)保護(hù)、航道安全、島礁建設(shè)等提供體系化信息服務(wù)的能力。