智能航保体系构架与关键技术研究.pdf

NAVIGATIONOFCHINAMar.20242024年3月Vol.47 No.1第47 卷第1期中国海航文章编号：10 0 0-46 53(2 0 2 4)0 1-0 0 45-0 7智能航保体系构架与关键技术研究万辉，吴吴龙乐，俞毅，付姗姗，徐明强（1.上海海事大学商船学院，上海2 0 130 6；2.交通运输部东海航海保障中心，上海2 0 0 0 8 6；3.上海海事大学交通运输学院，上海2 0 130 6）摘要：智能航保作为智能航运五大要素之一，是航运数字化转型的重要环节，需构建标准化航海保障基础设施和信息服务体系，以适应智能化水上交通动态管控需求。对国内外智能航保发展现状进行分析，从数据中心、服务平台和场景应用等方面提出智能航保体系架构；对智能航保建设关键技术进行探讨，包括6 个基础技术和3大前瞻技术；以智能海事监管和智能港口服务作为案例分析智能航保的典型服务模式与作用。结果表明：智能航保是一个以应用需求为导向、以数据为基础的航海保障数字化、智能化转型的发展体系。该研究能为我国智能航保建设提供技术支持。关键词：航海保障；智能航运；大数据；全域感知；广域互联中图分类号：U692.2文献标志码：AD0I:10.3969/j.issn.1000-4653.2024.01.006Research on the architecture and key technologies ofintelligent navigation serviceWAN Huil，WU Lo n g l e，YU Yi?,FU Sh a n s h a n ,XU M i n g q i a n g(1.Merchant Marine College,Shanghai Maritime University,Shanghai 201306,China;2.Eastern Navigation Service Center,Maritime Safety Administration,PeoplesRepublic of China,Shanghai 200086,China;3.College of Transport&Communications,Shanghai Maritime University,Shanghai 201306,China)Abstract:As one of the five elements of intelligent shipping,intelligent navigation service is an essential link of shippingdigital transformation.It is necessary to build standardized navigation service infrastructure and information service systemto adapt to the needs of intelligent dynamic control of maritime transportation.By analyzing the development status quo ofintelligent navigation service at home and abroad,this paper puts forward the system architecture of intelligent navigationservice from the aspects of data center,service platform and scenario application;then,this paper discusses the keytechnologies of intelligent navigation,including 6 basic technologies and 3 prospective technologies;taking intelligentmaritime supervision and intelligent port service as cases,this paper analyzes the typical service mode and role of intelligentnavigation service.The results show that intelligent navigation service is a development system of digital and intelligenttransformation of navigation service oriented by application demand and based on data.This research can provide technicalsupport for the construction of intelligent navigation service in China.Key words:navigation service;intelligent shipping;big data;all-region awareness;wide-area interconnection收稿日期：2 0 2 2-0 9-30基金项目：国家自然科学基金（52 2 7 136 3）；上海市青年科技启明星计划（2 2 QC1400600）作者简介：万辉（198 7 一），男，博士生，研究方向为海事信息化、航保大数据分析。E-mail：d h n t h u i 16 3.c o m通信作者：付姗姗（198 7 一），女，副教授，博士，研究方向为水路运输风险管理。E-mail：s s f u s h mt u.e d u.c n引用格式：万辉，吴龙乐，俞毅，等.智能航保体系构架与关键技术研究J.中国航海，2 0 2 4,47（1）：45-51.WAN H,WU L L,YU Y,et al.Research on the architecture and key technologies of intelligent navigation serviceJJ.Navigation ofChina,2024,47(1):45-51.(in Chinese)中第47 卷第1期国海航462019年中共中央、国务院发布交通强国建设纲要，明确指出到2 1世纪中叶，全面建成人民满意、保障有力、世界前列的交通强国。“十四五”时期是开展交通强国建设、服务构建新发展格局的关键5a，海事系统“十四五”发展规划中将建设“陆海空天”一体化水上交通运输安全保障体系和全要素“水上大交管”作为当前水路运输发展的核心主线。航海保障!1作为水路运输安全高效发展的重要支撑，需町准抓牢交通强国建设纲要确定的目标任务，着力推动航海保障数字化、智能化转型升级，构建适应智能航运2 发展的立体感知、海上通信和信息服务能力。根据国际海事组织（InternationalMaritimeOr-ganization，IM O）E航海战略实施计划（E-Naviga-tion Strategy Implementation Plan），从2 0 2 0 年起E-Navigation战略进入实施应用阶段。国际海道测量组织和国际航标协会提出三十多项E-Navigation有关技术标准、规范和指南3。2 0 2 4年1月1日起，新建雷达、电子海图导航系统和综合导航系统都要符合E-Navigation标准模式；2 0 18 年4月，IMO第99届海安会（Marine SafetyCommittee，M SC）设立海上水面自主船舶（Maritime Autonomous Surface Ships,MASS)工作站4-6;2 0 18 年，英国Rolls-Royce公司与芬兰Finferries开发了世界上第一艘全自动渡船Falco与航行保障系统;2 0 2 1年，日本海洋科学株式会社对外公布了完全自主船舶未来设计项目（De-signing the Future of Full Autonomous Ship,DFFAS)岸基保障中心，构建完善的无人航行操作系统与岸基基础设施保障,通过敏感感应海面情况，掌握船舶位置和航线，实现船舶航行态势感知7，进而促进无人集装箱船智能航行8 技术实现商业化应用；2021年，搭载波士顿SeaMachines公司的SM300自主航行保障系统的拖船“NellieBly”号成为世界上第一艘完成超10 0 0 nmile远程操控自主航行的船舶9；2 0 2 2 年4月，IMO第10 5届MSC提出重点推进MASS5指南相关工作并发布年度工作计划表，远程导航系统、自主导航系统和自主靠泊系泊系统等航海保障系统与服务规范需要做好规划设计。2019年，交通运输部等联合发布智能航运发展指导意见；2 0 2 0 年，交通运输部海事局印发了智能航保实施计划（2 0 2 12 0 2 5年），智能航运带动航海保障进人新时代；2 0 2 1年，严新平等10 提出新一代智能航运系统构架,并从绿色化、智能化和韧性化等方面对其特征进行阐述；2 0 2 2 年先后有“山东新时代”号、“智飞”号等智能船下水首航，其中“智飞”号作为“基于船岸协同的船舶智能航行与控制关键技术”研究成果的落地，示范船在青岛港正式交付运营。航海保障所涉及的“航标、测绘、通信这3大业务在国际前沿理论技术跟踪和技术转化应用方面均有所发展。例如，我国规模最大、综合能力最强、设备设施最先进的新一代大型专业海道测量船“海巡0 8”轮成功下水；采用专业海洋测量船舶对南极海域实施精密海道测量；实现兼容北斗系统、全球定位系统（GlobalPositioningSystem，GPS）和船舶自动识别系统（AutomaticIdentificationSystem,AIS）的极地科考综合导助航系统等；建立融合海陆河数据的民用电子海图云服务平台、洋山港低能见度E-Navigation示范系统和全球航海安全情报系统等在国际E-Navigation战略和智能船舶发展背景下，传统航海保障急需数字化、智能化转型升级，加快构建智能航海保障技术与服务架构体系，全面提升船舶航行保障服务能力。1）在不降低现有船舶服务效能的情况下，同时满足不同程度自主化水平船舶需求。2）提升船舶航行动态、环境变化和源头风险隐患的感知能力。3）推进地区沿江、沿海港口与政务多模式合作，增强江海沿线联运航线对接能力，为船舶航行提供更精准的信息服务。本文首先对我国智能航保体系构架和关键技术进行探讨，然后从智能海事监管、智能港口建设两个方面提出智能航保典型应用案例，为我国智能航保发展提供支持。1智能航保构架体系智能航保架构体系包括1个数据中心、2 个服务平台、N个场景应用。围绕各类航海保障数据的感知、收集、加工、挖掘、分析和智能应用，突破关键技术，推动形成标准化的智能航保体系构架见图1。1）需建立一体化的智能航保数据中心，基于航保业务系统数据库、海事业务数据库、海洋空间地理信息数据库12 和航海安全数据库数据，具体内容包括：数据汇聚引擎，实现数据收集与整合、关系数据引擎、图数据引擎和文件数据引擎。数据智能语义标准与规范。S10 0 数据共享交换标准。数据挖掘与分析。智能航保大数据管理平台。万47辉，等：智能航保体系构架商关键技术研究智能航保技术创新。2）构建标准化的智能航保云服务平台，具体包括基于海事服务集（Maritime Service Portfolios，MSP)的数据服务平台、智能航保云服务平台，MSP数据服务平台具体由MSP海事服务集、E-Navigation技术服务规范组成，智能航保云服务平台包括智能航保基础数据服务、数据分析服务和模型与场景服务。3）建立智能航保的示范场景应用，通过打造N类示范项目，体现智能航保的服务与作用，可从服务E-Navigation建设、服务“陆海空天”一体化水上交通运输安全保障体系建设一一一构建全要素“水上大交管”和服务区域地方经济战略建设等方面考虑。智能航保数据中心智能航保云服务平台示范场景应用数据汇聚引擎基础数据服务E-Navigation工程数据智能语义标准与规范数据分析服务1：开放“陆海空天”一体化：标准S100数据共享交换标准模型与场景服务水上交通运输安全保障体系/全要素数据挖掘与分析MSP的数据服务平台“水上大交管”MSP海事服务集智能航保大数据管理平台:MSP长江经济带等E-Navigation经济发展战略智能航保技术创新技术服务规范数据资源航保业务系统数据库海事业务系统数据库海洋空间地理信息数据库航海安全系统数据库图1智能航保体系构架Fig.1The architecture of intelligent navigation service2智能航保关键技术2.1基础技术通过对智能航保发展现状和关键技术的分析可知：航海保障正处于信息化向自动化、智能化过渡的阶段。智能航保基础技术应包括多功能航标技术、北斗三代海事服务技术、海洋空间地理信息服务技术、海洋测绘感知网技术、海上高频通信技术和智能航保云服务技术。2.1.1多功能航标技术以浮标、灯桩、灯船和灯塔等传统助航设施为载体设计多功能航标，通过搭载水文气象、高清视频、红外视频、全相参连续波雷达、固态雷达和通信终端等感知传输设备，将航标从单一的导助航终端转变为收集、处理和交换各种数据的多功能平台。2.1.2北斗三代海事服务技术依托北斗三代技术，构建北斗用户、船舶信息管理等基础信息平台，建设北斗短报文信息系统，采集、分析、评估海事、气象和渔政等多源信息，向商、渔船播发有价值的水上安全信息，并为水上大交管提供覆盖中远海的空天海上安全信息监控和服务。2.1.3海洋空间地理信息服务技术基于地理信息技术开展融合陆图、S-100和S-57电子海图的一体化海洋空间地理信息服务，提供更加实时多源融合的电子地图服务，支持用户在电脑终端、电子海图系统（Electronic Chart System，ECS或电子海图显示与信息系统（ElectronicChartDisplay and Information System,ECDIS）设备上自动完成数据的安装与更新。针对多样化数据应用的需求,通过海陆一体化矢量切片和兴趣点（Point of In-terest,POI)定制来提供多源海洋空间要素查询等服务。2.1.4海洋测绘感知网技术1）通过开展海区重点港口、重点水域水文站点智能化建设，拓展水文监测要素种类。2）在重点海区开展北斗连续运行参考系统(Beidou-Continuously Operating Reference Station,BD-CORS)站点加密建设，拓展高精度定位应用与服务。3）基于大型测量船平台搭载自主式水下航行器（Autonomous UnderwaterVehicle,AUV）、遥控无人潜水器（RemoteOperatedVehicle，RO V）、无人测量船和深水多波束等设备，拓展海道测量的采集要素的范围和种类，以水深测量为基础，开展全要素测量，形成多平台全要素海道测量数据采集体系。4）开发和建设众源水深数据采集系统，通过与公务船舶、商业船舶、渔船等合作开展众源测深数据采集，扩大海洋测量数据覆盖范围，形成众源测深数中第47 卷第1期国海航48据库。2.1.5海上高频通信技术1）建设沿海海上数字广播（NavigationDataAu-tomation Transmission，NA VD A T）系统台链，形成可覆盖A1、A 2 海区的海上数字广播网，提供高效、多元和便捷的海上安全信息播发服务。2）拓展海上高频（HighFrequency，H F）NA V-DAT和NAVDAT搭载授时、定位功能，增强定位、导航、授时（Positioning NavigatingTiming，PNT)服务和深远海通信保障能力。2.1.6智能航保云服务技术1）构建智能航保数据标准体系，按照对内、对外两种数据服务模式，统筹航标、测绘与通信业务数据，打通船舶航行安全的多源数据采集渠道，建立标准化数据接口、数据同步、数据导人和数据爬虫等汇集方式。2）构建基于海洋空间数据基础设施（MarineSpatial Data Infrastructure，M SD I)的分布式智能航保时空云数据库。3）搭建智能航保数据资源管理平台，实现对汇集的内外部数据进行统一管理、更新和发布。4）参考E-Navigation技术框架及MSP海事服务集标准规范，搭建统一的智能航保数据云服务平台，对内提供数据看板、统计分析和用户分析等功能，对外提供海洋空间地理信息、多功能航标动态信息、船舶AIS信息和船舶航海安全信息等智能航保信息服务。2.2前瞻技术随着智能航运建设不断推进及云计算、大数据、船联网13和人工智能14在航运领域的逐步应用，构建智能航保系统已经成为未来可能实现的目标。在技术层面，全域数据感知技术、广域互联通信技术和智能航保数据融合服务技术等在智能航保技术发展中将起到至关重要的作用。2.2.1全域数据感知技术1）研究基于航标载体的辖区内水、领海水域感知观测技术与应用。2）研究基于星基甚高频数据交换系统（VHFData ExchangeSystem，VD ES）、航标载体的东海海区毗邻区和专属经济区联动感知技术与应用。3）研究基于大测船的深远海水深、海底地貌和水文气象等环境因数感知技术与应用。4）研究基于无线电频谱的东海海区水上无线电主要频段全覆盖监测技术与应用。5）研究搭载多种传感器的水面、水下及空中移动有人/无人工作平台研发与应用。6）研究基于空天基导航的船舶目标识别与跟踪技术，全面感知我国沿海及专属经济区船舶动态。7）完善并推广北斗三号定位和短报文技术。8）利用导助航设施及岛礁、平台布局，实现水文气象海况精细感知、电磁环境特种感知技术应用。2.2.2广域互联通信技术1）研究7 0 0 MHz频段覆盖沿海2 5 50 nmile高速通信5G网络技术与应用，实现岸基窄带与宽带、公网与专网互联的异构网络自适应融合技术应用。2）研究覆盖东海沿海2 0 0 nmileNAVDAT台链。3）研究特定区域宽带移动自组网技术。4）研究试验北斗卫星、通信卫星和交通安全应急宽带通信系统和星基VDES等天基协同组网技术15 5）推动北斗卫星导航系统、宽带组网通信等技术标准编制。6）研究海事专用机载/船载天线、射频、智能组网和传输设备，满足深远海巡航、海洋测绘和应急等各项任务的广覆盖、低延迟、低费率、高带宽和高速率的通信保障需求。2.2.3智能航保数据融合服务技术1）研究基于机器学习的航保数据智能识别技术，解决复杂数据的自动采集问题。2）研究基于自然语言的航保数据融合处理技术，形成标准语义化智能航保数据，解决多源航保数据的融合集成问题3）研究基于神经网络与深度学习的航保数据挖掘与分析技术，全方位、多视角和纵深发掘航保数据的深度价值。4）研究基于服务流程自动化技术，形成全自动化流程的智能航保数据采集、加工、融合、分析和服务应用，全面提升智能航保服务的效能。5）研发形成大数据环境下的高时效智能航保数据融合与服务平台，实现更高精度、广度、深度的智能航海保障服务。6）研究基于规则与关联关系的智能航保决策系统技术，提升综合航保的响应能力。3智能航保典型服务3.1智能海事监管服务智能海事监管系统基于智能航保服务支撑，结合增强现实（AugmentedReality，A R）技术，让传统万49辉，等：智能航保体系构架与关键技术研究的视频监控超出人眼可视的场景，可在显示器上投射出视场范围内图像，可综合显示船舶、航道等航海安全必需的相关导航物标信息。即使在恶劣的天气状况或者视野很差的情况下，也可清楚地监视船舶的航路，预判船舶航行安全及相关业务决策。系统按照数据支撑层、数据资源层、平台层和业务终端层进行多层结构规划，系统架构和系统展示分别见图2和图3。业务终端平台前台-PC端视频信号接入海图要素显示图像与其基于IS视频物标11鹰眼监控AIS08211坐标位置识别AIS他信数据与视目标息系的电子映射的计接入频物信息统联海图数地理平台层算和解析标跟显示动操据读取坐标修正入踪作一身份认证与鉴权服务事件消息服务定时任务服务缓存服务会话服务安全体系基于微服务的中间件平台用户数据库环境信息数据库 视频监控数据库船舶数据库数据资源层场景文件GIS数据库AIS数据库作业数据库其他业务数据库数据系统业务数据库智能航保支撑层数据支撑层机器GIS其他船舶AIS数据电子海图数据视觉服务其他接入支持接入数据VTS数据海事船舶资料库图2智能海事监管系统架构Fig.2The architecture of intelligent maritime supervision system图3智能海事监管系统展示Fig.3Demonstration of intelligent maritime supervision system1）系统数据处理和计算的后端实现采用Java技术平台，对外提供可用于屏幕坐标标绘的API接口。2）系统前端根据视频解码的技术平台为基本，在该平台的基础上定制访问后端API接口，获取用于AR的智能航保数据服务，并将该数据标绘至屏幕。3）根据摄像机的实际技术参数（倍数、焦距等）和安装位置参数（高度、仰角、倾角等），设置对应的摄像机空间投影转换参数。4）获取摄像机所处地理位置的海图数据，并做数据分类，处理得到可用于增强到视频画面航道数据。5）获取摄像机所处地理位置的船舶AIS数据，处理得到可用于增强到视频画面的动态跟踪点数据。6）将处理后的数据通过摄像机投影技术，转换到视频拍摄画面的相应坐标系，并使用视频目标识别技术对转换结果做位置修正确认。7）将海图数据和船舶AIS数据标绘到视频画面中，实现AR功能。3.2智能港口服务1）系统利用地理信息件技术，以高分辨率遥感影像、电子海图、船舶AIS数据、港口航线数据和海事局航行通警告等航海保障数据，搭建智能港口三维数据服务系统，实现多源数据的有机融合，在统一展示平台框架下进行各类数据的展示、检索和辅助分析，实现船舶到港时间的智能预测并在三维地图中对船队船舶进行统一监管。2）系统包括智能港口三维地图监控大屏子系统、三维航道实时通航子系统、港口综合信息展示子系统和智能船舶航线预测子系统。智能港口服务系统架构见图4。中第47 卷第1期国海航50应用层智慧港口三维地图监控大屏子系统3维航道实时通航子系统附加功能子系统前端GIS可视化平台前端VUE框架可视化谊染引擎基磁可视化特效库基础展示框架数据绑定模型平台层前端可视化框架平台地理信息服务平台数据服务平台时空地理信息数据三维模型数据船期航线数据航行通警告数据船舶AIS数据视频数据源硬件资源个网络设施层集成通信平台视频资源管理平台CPUGPU算力内网硬盘存储资源AIS数据服务平台网络数据采集平台互联网图4智能港口服务系统架构Fig.4The architecture of intelligent port service system系统采用目前主流的WebGL可视化方案，以先进的三维地理信息技术、船舶AIS技术为依托，在三维地图中进行多源数据的融合以及可视化展现，对上海港港口的运行情况、船舶航线、船舶进出港、航行通警告和实时天气等各类要素进行管理和预报，为上海港的精细化管理提供支撑。平台采用B/S架构模式，服务端使用目前主流的RestfulAPI形式接口，通过TCP、H T T P协议进行传输，支持XML、JSON数据传输格式。4结束语智能航保是一个以应用需求为导向、以数据为基础的航海保障数字化、智能化转型发展体系；本文未完整概述智能航保涉及的各个方面，仅从研究现状、架构体系和关键技术等方面对当前智能航保作了简要的阐述和分析，以智能海事监管和智能上海港口场景服务作为示例描述智能航保的典型服务模式与作用,最后展望未来智能航保服务整个智能航运的发展趋势1）服务智能船舶,围绕船舶的智能航行,重点关注基于智能航保提供更全面的船舶、海洋环境感知要素,形成完整的船舶时空态势跟踪与监测体系。2）服务智能港口，围绕港口船舶的智能调度，聚焦基于智能航保提供港航联动和融合的船舶数据与港口环境数据服务。3）服务智能监管，围绕智能海事监管与决策，构建基于规则与关联关系的海事管理决策系统，提升水路交通运输与管理效率。4）为提供智能服务，围绕航运智能化服务，为标准化智能航保数据与技术提供支撑。参考文献1王鹤苟航海保障技术的发展和应用J中国水运,2 0 16,37(12)：10-11.WNAG H X.Development and application of navigationsupport technology J.China Water Transport,2016,37(12):10-11.(in Chinese)2严新平，柳晨光智能航运系统的发展现状与趋势J.智能系统学报,2 0 16，11(6)：8 0 7-8 17.YAN X P,LIU C G.Review and prospect for intelligentwaterway transportation system J.CAAI Transactionsin Intelligent Systems,2016,11(6):807-817.（i nChinese)3薛一东E-Navigation战略下的船舶引航发展J中国航海，2 0 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