智能航运视角下的S-100产品现状与发展趋势研究.pdf

第43卷第3期2023年5月引文格式：邬凌智，黄永军,黄东武，等.智能航运视角下的S-100产品现状与发展趋势研究J.海洋测绘,2 0 2 3,43(3)：11-15,2 5.D0I:10.3969/j.issn.1671-3044.2023.03.003海洋测绘HYDROGRAPHIC SURVEYING ANDCHARTINGVol.43,No.3May.,2023智能航运视角下的S-100产品现状与发展趋势研究邬凌智,黄永军,黄东武，吕瑛炯,孔富镔（交通运输部北海航海保障中心，天津30 0 2 2 0）摘要：在分析智能航运对下一代航海产品需求的基础上，介绍了基于S-100新一代数字航海产品体系的整体框架和主要内容，从产品规范、数据生产、软件开发、体系融人等4个维度分析了其发展趋势，指出了其在产品规范成熟度、双重模式、产品互操作等3个方面面临的问题，提出了基于S-100发展我国新一代海洋测绘产品体系的相关建议。在对标国际和结合国内实际的基础上，从参与产品规范开发、官方S-100产品生产、标准体系升级换代、海道测量产业链建设等4个方面提出了具体措施。本文可为建设我国新一代数字海洋测绘产品体系提供重要参考。关键词：海洋测绘；S-100标准；产品规范；数字航海产品；趋势分析中图分类号：P229.31引言随着社会的数字化转型和航运业的智能化发展，传统纸质航海产品和S-57电子海图已不能满足未来智能航运的需要,如何发展下一代数字航海产品成为呕待解决的问题。为此，国际海道测量组织（IHO）开发了通用海道测量数据模型（S-100)，旨在构建统一的海洋地理信息数据模型及应用模式。S-100标准得到国际海事组织(IMO)认可,并成为航行相关数据服务的全球统一框架1-3S-100标准本身不包含任何数据内容,但提供了一个通用框架，可支持不同数据格式、不同应用场景，进而可用于制定基于 S-100标准的新一代数字航海产品,有效满足智能航运需要,大幅改善航海者的电子海图显示与信息系统（ECDIS）使用体验，显著提升航行安全水平和航运效率,为构建智能E航海生态系统提供重要支撑。国内学者在S-100研究方面做了很多有益的探索4-9 ,但这些研究主要集中于S-100标准本身，缺少对S-100产品规范系列的全面、系统性研究。此外,国内对S-100的研究大多着眼于测绘本身，未能深人揭示S-100在未来E航海和智能航运中的重要支撑作用，以及其将给整个海洋测绘、航运乃至海洋行业带来的革命性进步。本文从服务智能航运发展的角度出发，介绍了收稿日期：2 0 2 2-0 7-2 5；修回日期：2 0 2 3-0 1-0 2作者简介：邬凌智（19 8 3-），男，湖北荆州人，高级工程师，硕士，主要从事海洋测绘技术研究。文献标志码：A文章编号：16 7 1-30 44(2 0 2 3)0 3-0 0 11-0 5基于S-100的新一代数字航海产品体系的整体框架和现状,分析了其发展趋势和存在的问题,提出了发展我国新一代数字海洋测绘产品体系的建议。2智能航运对下一代航海产品的需求船舶智能航行要求下一代航海产品遵循统一、开放的数据标准。长期以来，各类产品标准不一、格式各异，这不仅导致船载导助航设备种类繁杂，跨设备数据共享与自动化处理程度极低（如冰情、天气等信息就难以自动接入ECDIS系统），而且导致多源数据难以融合，一体化导航系统开发举步维艰,从而严重制约了航行安全水平与航运效率的提升。统一、开放的数据标准将推动航海信息的统一管理、处理和应用,为成功开发智能驾驶系统奠定重要基础。船舶智能航行要求下一代航海产品为数字化产品，然而，由于目前仍然存在大量非数字化（纸质或模拟)航海产品，如纸质航行指南、音频格式的海上安全信息等，导致许多产品信息无法被自动化处理，难以在ECDIS 中统一显示和集成应用。只有将所有航海产品均转化为数字产品形式，才能实现对所有航海信息的统一管理、融合和处理,从而满足船舶智能航行需求。船舶智能航行要求下一代航海产品实现对航海信息的全要素覆盖。大数据是智能决策的重要基础之一,在智能航行时代,船舶不仅需要传统航海图书12产品（如海图、航行指南、航标表、航海通告、潮汐表和其他航海出版物等）中包含的信息，还需要高密度水深、实时潮汐、海洋环境、港口设施、海洋保护区等更广泛的信息。只有将所有这些信息都汇人ECDIS或智能驾驶系统,才能有效形成智能决策的大数据基础。3S-100体系数字航海产品体系架构为满足智能航运对下一代航海产品的需求,国际上基于S-100标准形成了新一代数字航海产品体系，其主要包括以下内容和发展趋势3.1S-100 标准S-100目前已发展到5.0.0 版，共包括概述、概念模式语言、注册表管理、通用要素模型和应用模式规则、元数据、要素目录、坐标参考系统、空间模式、影像和格网数据、图示表达、编码格式、产品规范、S-100维护程序、脚本、在线数据交换、数据保护机制、互操作目录模型、信息交换目录的发现元数据、语言包、附录A（术语和说明）等2 0 个部分10 。相比于S-57,S-100 的主要进步之一是支持机器可读的XML配置文件（如产品规范的GML模式文件）。3.2基于S-100标准的系列产品规范基于S-100标准,国际海道测量组织（IHO）、国际航标协会（IALA）、政府间海洋学委员会（IOC）、内河电子航行图协调组（IEHG）、海洋学与海洋气象学联合技术委员会（JCOMM）、国际电工委员会(IEC）、北约（NATO）等开发了一系列基于S-100的产品规范1,包括：I H 0(S-10 1到S-199):S-101-电子海图、S-102-水深表面、S-104-用于水面航行的水位信息、S-111-表层流、S-121-海洋界限与边界、S-122-海上保护区、S-123-海上无线电服务、S-124-航行警告、S-125-海上航标、S-126-海上物理环境、S-127-海上交通管理、S-128-航海产品目录、S-129-富余水深管理、S-130-全球海域的多边形划分、S-131-海港设施和S-164-S-100 ECDIS测试数据集;I A LA（S-2 0 1到S-299）：S-2 0 1-航标信息、S-210-VTS间交换格式、S-211-港口呼叫报文、S-212-VTS数字信息服务、S-230-专用报文（ASM）、S-240-DGNSS站历书、S-245-E罗兰ASF数据、S-246-E罗兰站历书、S-247-E罗兰差分站历书；I0 C（S-30 1到S-399）：用于海洋学用途；I EH G:S-40 1-内河电子航行图和S-402-内河水深电子航行图；海洋测绘JC O M M:S-411-海冰信息、S-412-天气叠加层、S-413-气象与海浪条件、S-414-气象与海浪观测；IEC(S-421到S-430):S-421-航线规划;?NATO(S-501到S-525）：用于军事目的。这些产品规范遵循统一的结构,包含概述、适用范围、数据集标识、数据内容和结构（含应用模式和要素目录）、坐标参考系统、数据质量、数据分类和编码指南、维护、图示表达、数据产品格式、数据产品交付、元数据等组成部分，以及一套由机器可读、可验证的XML文档描述的要素目录和图式表达目录。截止2 0 2 2 年 8 月,共有 S-101、S-10 2、S-10 4、S-111、S-12 1、S-12 2、S-12 3、S-12 7、S-12 8、S-12 9、S-201、S-2 40、S-40 1和S-421等14个产品规范得到了正式发布，另外还有大量其他产品规范尚处于开发或规划过程中。3.3S-100产品的应用S-100产品将广泛应用于S-100 ECDIS和各类信息系统中，通过提供标准化、数字化和全要素的助航信息,赋能智能航运发展。其中,航行规划和航线监控是S-100产品的两个典型应用场景。开航前,航海者使用航线规划类产品（S-122、S-123、S-12 5,S-12 6,S-12 7、S-13 1,S-2 0 1,S-411、S-412、S-413、S-414及其他产品）进行航线规划，自动生成安全、高效的船舶航线。此外，通过S-128产品，航海者还可以强化航海产品的版本监控和及时更新，以确保航海产品的现势性。航行过程中,航海者使用航程监控类产品（S-101、S-10 2、S-10 4、S-111、S-12 4、S-12 9 等)进行航程监控，确保船舶沿规划航线安全航行，并利用S-104、S-10 1和S-102产品进行动态水深调整以获得高密度的实时水深信息。此外，通过S-421产品，船-船和船-岸间还可以进行航线规划信息交换，以提升态势感知能力。S-100产品的使用将显著提升船舶智能航行的安全水平和效率：在航线规划方面，使用S-100产品的S-100ECDIS将在准时到达（航程优化）、燃油经济性、最佳发动机效率、排放控制、遵守MARPOL公约要求、最佳货物装载量等方面，为航海者提供更有力的技术支持；在航程监控方面，使用S-100产品的S-100ECDIS将在提高航行安全性（态势感知、防搁浅、路线检查等）、降低事故/碰撞风险、增强信息查询功能、提高数据质量等方面，为航海者提供更优质的服务。第43卷第3期3.4发展趋势3.4.1产品规范方面根据IHO当前规划,S-100系列标准产品规范将呈现以下两个特征：迭代升级，提升成熟度。预计2 0 2 4年底前发布S-101第2.0.0 版，各国官方海道测量机构开始生产新一代S-101电子海图产品；此外，其他绝大部分产品规范也将在2 0 2 3和2 0 2 4年升级至2.0.0 版。强化网络安全。根据IHO战略规划,所有基于S-100的海道测量产品与服务均应符合IHO关于网络安全的标准、规范和指南，因此，所有S-100产品规范都将包含网络安全章节12 3.4.2S-100产品生产方面S-100产品将由试验生产（目前尚无国家正式发布官方S-100产品)转向大规模官方产品生产发布阶段。预计到2 0 2 6 年底，所有IHO成员国都将至少生产和发布一种基于S-100的海道测量数据产品与服务；考虑到智能航运和航运业减排的要求，各成员国首批发布的官方S-100产品将是S-101、S-102、S-10 4、S-111、S-12 4、S-12 8、S-12 9 等 7 种中的某一种或某几种12 3.4.3软件开发方面国际海道测量界正从以下3个方面推进S-100相关软件的开发工作：转换软件。IHO已完成S-57到S-101转换指南并纳入S-65,正在开展S-101到S-57转换指南编制工作,商用转换软件的开发预计将以这两份指南为基础展开。生产和验证软件。以IC Technologies 为代表的主流厂商已发布部分S-100产品（主要是航程监控类产品，鲜见航线规划类产品)的生产软件测试版，而验证软件的开发由于产品规范开发的滞后进展缓慢，因此,生产软件的升级完善和验证软件的开发将是下一步的技术攻关重点。IHO S-100开放在线平台。平台旨在汇集所有S-100资源并承担试验台功能,为官方S-100数据生产和相关软件开发提供测试平台和技术支持。目前,平台还仅能支持S-102、S-111 和 S-129,下一步将兼容更多种类的 S-100产品并进一步完善测试功能。3.4.4其他体系融入方面为推动S-100体系在全球航运业落地应用，IHO正在积极推进S-100系列标准纳入IMO19 7 4年海上人命安全公约（SOLAS），目前已取得进展：IMO航行、通信和搜救分委会第九次会议已批准EC D I S 性能标准决议草案,增加了IHO S-98、S-100和S-101产品规范，同意2 0 2 6 年1月1日邬凌智，等：智能航运视角下的S-100产品现状与发展趋势研究4存在的问题及相关建议4.1存在的问题经过包括IHO在内的相关组织的共同努力,基于S-100的数字航海产品体系取得了长足的发展，然而,由于发展时间有限,该体系也存在一些呕待解决的问题，主要包括以下几个方面。4.1.1产品规范成熟度问题S-100产品规范的迭代升级遵循5级成熟度模型,见表1。其中,1.0.0 版为1级,仅包含开发测试数据集和系统原型所需的最少组件，主要用于测试;1.n.n2.0.0版为2 级,增加了数据质量检查项和测试数据集，以确保产品可在原型系统中演示。2.0.0以上版本具备3级及以上的成熟度，其中：3级包括一个全要素的交换目录和可选的数据加密方案，以确保产品可在现实场景中演示；4级充分考虑了互操作、警报和指示功能等方面的要求，仅用于ECS和ECDIS等船舶导航系统；5级代表已有成熟可用的数据集。在已发布的14个产品规范中，除S-102和S-101达到了2 级成熟度以外,其他产品规范的成熟度均为1级。可见,这14个产品规范均未成熟。表1产品规范成熟度模型15必备组件1级2级3级4级5级主文件有有编码有有有有有要素目录初稿修订终稿有有DCEG初稿修订终稿有有图示表达目录有有有有数据质量有有有有测试数据集有有有有数据验证有有有有加密有有有互操作有 有 有警报与指示有有可用数据集有13至2 0 2 9 年1月1日的过渡期安排；并通过了ECD IS良好实践指南修订建议，增加了船载ECDIS升级的原则、程序和文书指南13。预计2 0 2 5年底前可完成IMOECD I S性能标准和IEC61174:海上导航和无线电通信设备与系统一一电子海图显示与信息系统(ECDIS)一性能要求、测试方法和要求的测试结果等文件的修订，从而将S-100ECDIS正式纳人IMO和IEC文书体系；到2 0 30年,预计将完成由 S-57 ECDIS到S-100 ECDIS 的过渡14有有有144.1.2双重模式问题从S-57ECDIS向S-100 ECDIS的转变是一个长期的过程，大致要经过3个阶段（以电子海图产品为例）：仅使用S-57产品；S-57和S-101产品共存；仅使用S-101产品。由于只有每个IHO成员国都具备S-101产品能力并开始生产和发布S-101产品，且每个IHO成员国的S-101产品都达到与其S-57产品相同的覆盖范围,才能进人阶段,因此,阶段将持续较长一段时期。在阶段，有3种技术路径可供选择：成员国、分销商或者ECDIS直接将S-57转换为S-101，但这样会存在信息损失。OEM直接将S-101转成S-57,但与其他S-100产品的互操作将存在问题,且S-100 ECDIS新增的部分功能将不可用,优势无法充分发挥。双重模式，即ECDIS同时操作S-57数据和S-101数据,这样能最大程度地保证信息不丢失并充分发挥S-100ECDIS的优势,是相对最佳的选项。但双重模式需要解决以下问题：S-57和S-101电子海图的统一管理、自动调图、更新、信息查询等问题；共屏无缝显示问题,S-57和S-101电子海图的图示表达符号库不一致，需要分别进行可视化显示；S-57与其他S-100产品的互操作问题,特别是与S-104数据的动态水深调整问题；EC D I S告警指示的触发问题。目前,IHO已完成双重模式概念管理文件1.0 版，但该文件还不够完善，仍需进一步改进。4.1.3产品互操作问题用户系统（如ECIDS）会同时使用多种S-100产品（每种产品中都会包含一个或多个信息层）且经常需要同时操作多个信息层，此外，可能还会用到其他外部数据层（如雷达覆盖层等）。为在这些不同产品（和信息层）间顺利地进行互操作（如替换、计算等)和协调地进行用户友好显示，必须妥善解决好产品间的互操作问题。为此,IHO重新修订了S-100第16 部分,定义了创建产品互操作规则的框架，规定了不同产品在同一导航系统内的协调显示和处理原则。根据这些原则,IHO正在通过开发S-100导航系统中的数据产品互操作规范（S-98）来解决互操作问题。S-98的开发将分两步进行，即：先解决航程监控类产品的互操作问题，再解决航线规划类产品的互操作问题。目前,IHO已完成互操作等级的确定工作,正在开发各等级的具体操作要求。IHO定义的5种互操海洋测绘作等级为16-17 ;0 级“覆盖”，即无互操作，互操作目录未被使用,ENC被视为屏幕上的主要产品，所有其他产品都是覆盖层，信息层的优先级遵循相关IMO和IEC标准。1级“交错”,ENC仍被视为主要产品，为防止ENC数据被遮挡,其他产品的要素层可能与ENC要素层交错显示，但不会对要素数据进行处理。2 级“基于类型的选取和要素类替换”，由于包含更多细节或具有更高的分辨率等原因，其他产品中的要素可能会被确定为优于ENC中相关要素,从而导致对相关ENC要素的全局性抑制或替换。3级“要素混合”，ENC要素实例可以被另一个要素实例抑制、替换或与之混合一一也就是说，它们的属性（仅限于专题属性）以某种方式组合在一起。4级“空间操作”，在3级的基础上,允许对ENC和其他产品中的要素一起进行空间查询和操作，这意味着这些要素不需要在空间上相等，也可以通过空间查询相互关联；此外，除专题属性可以混合外，要素的几何图元也可以通过空间操作组合在一起。4.2相关建议基于S-100的数字航海产品体系适应了未来智能航运的发展需要,是未来一段时期内海道测量领域最重要的技术变革。我国应加快融入该体系发展进程，并基于其发展我国新一代海洋测绘产品体系，具体建议包括：（1)加大对 S-100 体系的研究和参与力度。建立国内S-100体系产学研用联盟，强化技术交流，形成发展合力。向IHO工作组输送更多技术人员，积极承担IHO技术工作。集中攻关重难点问题，结合产品试生产实践，提交更多高质量提案，引领相关技术发展。(2)加快构建全谱系官方S-100产品生产能力。开发转换软件,完成现有S-57电子海图到S-101电子海图的数据转换。优先开展航程监控类产品的生产工作，系统性推进生产作业指导文件编制工作，确保在2 0 2 6 年年底前正式生产和发布我国官方S-100产品，并为适时退出纸海图生产与维护创造条件。制定航线规划类产品生产方案和计划，稳步推进相关产品的生产工作。(3)建设基于S-100的国内海洋数据和产品标准体系。加快产品规范的国内化，为生产高质量第43卷第3期的官方S-100产品提供强有力的标准支撑。积极推动现有海洋数据和产品标准转换至S-100框架,鼓励基于S-100框架开发新海洋数据和产品标准。(4)打造自主可控的海道测量产业链。我国一直是典型的两头在内、中间在外，作为产品生产者和用户融入国际海道测量产业链，并长期依赖国外作业（包括采集、处理、生产、验证等）软（硬）件开发商、区域电子海图协作中心（RENC）、分销商和应用软（硬)件开发商。S-100体系为国内海道测量行业发展提供了难能可贵的换道超车机会，应通过S-100系列软件的开发加快海测软硬件的国产化进程，并通过国际合作逐步建设区域S-100产品分销体系，建立我国自主可控的海道测量产业链。5结束语如何发展新一代海洋测绘产品以满足未来航运发展需要，是海道测量行业呕需解决的问题。由IHO、I M O 等众多国际组织共同打造的基于S-100的新一代数字航海产品体系，是未来智能航运和E航海的核心组件，将给测绘、航运、海洋等行业带来颠覆性的技术变革。因此,本文提出了基于该体系发展我国新一代数字海洋测绘产品的建议。本文研究表明：（1)S-10 0 标准本身虽已基本完备，但产品规范离成熟尚远，软件开发和数据生产方面更是留有巨大空白。我国在推动S-100体系发展的过程中尚大有可为,应该重点关注双重模式、互操作、标准迭代升级等问题，提出更多中国方案。(2)相比于S-57电子海图和传统纸质产品，S-100体系在标准化、数字化和全要素覆盖等方面均具有重大优势，能有效满足智能航运发展需要。基于S-100构建我国新一代官方数字海洋测绘产品体系正当其时，是推动国内海道测量产业升级换代的有效途径,将有效筑牢海洋强国和交通强国建设的时空数据基座。(3)基于S-100构建我国新一代数字海洋测绘产品体系的关键在于：主导S-100产品规范开发、加快形成全谱系官方S-100产品生产能力、建设基于S-100的新一代国内海洋数据和产品标准体系以及打造自主可控的海道测量产业链。本文提出的具体建议可作为编制具体国家方案时的重要参考。凌智，等：智能航运视角下的S-100产品现状与发展趋势研究15参考文献：1The Sub-Committee on Radiocommunications(COMSAR).Report to the Maritime Safety Committee R.London:International Maritime Organization,2011.2The Sub-Committee on Safety of Navigation(NAV).Report to the Maritime Safety Committee R.London:International Maritime Organization,2011.3CIRM.Report of the CIRM Workshop on S-100 andthe future of ECDIS R.London:Comit InternationalRadio-Maritime,2021.4陈长林，翟京生，陆毅.海洋测绘国际标准S-100的空间模式J测绘科学技术学报,2 0 12,2 9(1)：6 1-6 5.5窦红霞.基于S-100标准海图要素建模应用模式研究D大连：大连海事大学,2 0 13.6 李忠新.S-101电子海图生产系统建设方案分析J.航海,2 0 19(2):6 8-7 0.7吴礼龙，李庆伟，姜林君，等.IHOS-102水深表面数据模型及其应用分析J海洋测绘，2 0 19,39（2：62-66.8邬凌智,黄永军,黄东武，等.IHOS-12 1海洋界限和边界产品规范研究J海洋测绘,2 0 2 1,415）：7 3-7 7.9陈长林.IHO S-100系列标准研究现状、问题与建议J.海洋测绘,2 0 2 2,42(1):6 9-7 3.10 IHO.S-100 Universal Hydrographic Data Model S.Monaco:International Hydrographic Organization,2022.11 MAGNUS WALLHAGEN.IHO HSSC-HydrographicServices and Standards Committee R/OL.https:/cirm.org/presentations/CIRM _ S-100 _ Workshop-Session_1_slides_Wallhagen.pdf,2021.12 IHO.Strategic Plan for 2021-2026 R.Monaco:International Hydrographic Organization,2020.13 The Sub-Committee on Navigation,Communications andSearch and Rescue(NCSR).Report to the MaritimeSafety Committee R.London:International MaritimeOrganization,2022.14 IHO.Roadmap for the S-100 Implementation Decade(2020-2030)R.Monaco:International HydrographicOrganization,2021.15 IHO.S-97 IHO Guidelines for Creating S-100 ProductSpecifications S.Monaco:International HydrographicOrganization,2020.16 IHO.S-98 Data Product Interoperability in S-100Navigation Systems S.Monaco International HydrographicOrganization,2020.17洛佳男,万晓霞,段晶.S-100产品数据融合处理方法J海洋测绘,2 0 18,38(3):52-56.(下转第2 5 页）第3期董理,等：侧扫声纳图像中央区的自动确定和重建25Automatic nadir zone determination and reconstruction of side scan sonar imageDONG Li,WU Feng,SHANG Xiaodong(1.Department of Weaponry Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China;2.Wuhan Institute of Shipbuilding Technology,Wuhan 430050,China)Abstract:Side scan sonar(SSS)is the usually adopted instrument in ocean surveying and mapping.To solvethe problem that the SSS beam pattern would lead to the lower nadir data quality of SsS image,this paperproposed an automatic nadir zone determination and reconstruction method.Firstly,the nadir zone of ssS imageis automatically computed based on operating mechanism and beam pattern.Next,the priorities of nadir zone iscomputed according to the Sss image intensity gradients and surrounding reliability information.Finally,theexemplar-based method is adopted to reconstruct the Sss image nadir zone based on priorities,improving theSSS image quality.Studies proved that the reconstructed Sss image is satisfying in terms of both subjectivevision and objective evaluation indicators.The reconstructed SsS image using the method proposed in this papercan reflect seafloor features clearly and is greatly valuable.Key words:ocean surveying and mapping;side scan sonar;beam pattern;sonar image nadir zone;reconstruction priority;image reconstruction(上接第15 页)Research on the situation and trend of S-100-based productsfrom the perspective of intelligent shippingWU Lingzhi,HUANG Yongjun,HUANG Dongwu,LU Yingjiong,KONG Fubin(Northern Navigation Service Center,Ministry of Transport,Tianjin 300220,China)Abstract:This paper introduces the architecture and contents of new-generation S-100-based digital navigationproduct system,and analyses the trends in product specifications,data products,software and the incorporationof S-100 into IMO and IEC instruments,points out its problems in product specification maturity,productinteroperability and dual-fuel mode,and further puts forward some suggestions on developing a new-generationofficial hydrographic products system in China based on S-100.Given international trends and Chinassituation,this paper suggests measures from four aspects including participation in the development of S-100-based product specifications,production of official S-100 products,upgrading of national standard system,andconstruction of the full value chain of hydrographic service.This paper is an important reference for thedevelopment of the new-generation official digital navigation products in China.Key words:hydrographic surveying and mapping;S-100;product specifications;digital navigation products;trend analysis