王程博 張新宇 黃文偉 張輝輝

e-航海及其數據標準分析*

王程博 張新宇 黃文偉 張輝輝

為保障船舶航行安全與航運經濟效益，IMO提出e-航海戰(zhàn)略。隨著S-57數據標準的局限性不斷顯現，IMO采納新的國際海道測量數據模型S-100作為e-航海數據標準。剖析e-航海概念，分析e-航?？傮w技術構架和IHO S-100數據標準，通過對比S-57數據標準的局限性和IHO數據標準S-100，進一步闡明e-航海數據標準S-100的作用及應用，對我國開啟e-航海新型數據標準時代具有積極作用。

e-航海；S-100；數據標準；國際水道測量組織（IHO）

一、e-航海概念的提出

隨著經濟發(fā)展，海上貿易活動日益頻繁，進而對海運安全的要求也就越來越高，從而推動了數字化航海技術迅速發(fā)展。船舶定位系統(tǒng)（GPS/DGPS）、電子海圖顯示與信息系統(tǒng)（ECDIS）、船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）、無線電通信系統(tǒng)（VHF）、雷達、GMDSS和計算機數字網絡等現代電子科技在航海領域得以廣泛普及。然而，這些為船舶和岸基應用的信息服務系統(tǒng)都有著各自特色的數據顯示規(guī)范和數據信息交換標準，為航海帶來方便與精準數據的同時，也給船舶作業(yè)人員增添了許多工作量，反而影響了船舶安全和運輸效率。

2005年Japan、Marshall Archipelago、Netherlands、Singapore、UK、Norway、USA等八國提交了e-航海戰(zhàn)略發(fā)展的提案。2006年在第十六屆上海國際航標協會（IALA）大會上，將e-航海概念正式提上議程，并引起了IMO的高度重視以推動e-航海的發(fā)展進程。2008年國際海事組織定義了e-航海以及規(guī)定了它的范疇，并提出了e-航海的實施計劃的大體程序。IMO將其定義為，“通過智能計算機的手段，網絡、融合、互換、映現和剖析船方和岸方與航行有關的信息，以增強泊位到泊位航行和有關活動，進而保障海上駕駛環(huán)境的安全可靠，維護清潔的海洋環(huán)境”。e-航海的最終目標是讓“航行更安全，成本更低”。e-航海不是硬件設備，而是信息的集成的平臺，它虛擬一個同等標準的數據共享構架，以達到數據信息準確無誤地交換和整合。正是由于各個IMO成員國的努力和有關國際組織的推動助力，“電子航?！钡睦碚撝饾u明確起來，電子航海逐步進入到“茁壯成長”的階段。

二、e-航海總體技術構架的描述

e-航海系統(tǒng)架構建設是以用戶需求為指導，主要包括船、岸系統(tǒng)以及導航與通信基礎設施。在日常航海運輸過程中，往往會有多船會遇局面發(fā)生，則需要航行信息交換與整合評估局面的安全性并作出合適的避讓行為；在船舶進出港或者遇險報警與搜救以及與公司交流匯報航行狀態(tài)等需要船對岸數據共享等，船舶運輸歸根結底就是船舶與岸基之間的兩兩數據的互換，所以e-航?？傮w技術構架可以簡單概述為“硬幣的三個面”[1]，如圖1所示，即硬幣的正反兩個面分別代表船方和岸方，硬幣的側面代表著船岸之間的通信系統(tǒng)。在岸-岸、船-岸、船-船之間，隱藏著各種數據流和信息流。用戶之間的信息流以及應用程序之間的數據流是e-航海的核心。

圖1 e-航?？傮w架構的簡單描述：硬幣的“三個面”

三、e-航海的數據標準IHO S-100及其應用

1.IHO S-100標準介紹

隨著電子科技的高速發(fā)展，海圖數字化技術也迅猛發(fā)展。2010年，根據IALA的e-航海委員會研究成果，IMO統(tǒng)一采納更為規(guī)范全面的IHO S-100標準作為e-航海的通用數據模型，從而S-100為e-航海的數據與信息提供了標準的傳輸與共享架構，進而為S-100在e-航海領域的應用打開了廣闊的前景。

2.S-100產生的背景

（1）S-57的缺陷

S-57僅僅是一個數據傳輸標準，它已經不能滿足未來航海科技的需要。S-100 是2010年IHO公布的一項海上通用數據建模標準，該標準是針對當前IHOS-57標準的不足而研發(fā)的。

S-57標準于1992年在第14次國際海道測量大會上被確立為IHO官方標準，隨后幾年又經歷幾次改版和修訂。S-57標準的內容包括：標準概述及參照標準和術語定義表、理論數據模型、數據結構、1508200數據封裝的一般規(guī)則，還包括兩個附錄：附錄A為目標類目，附錄B為IHO認可的產品規(guī)范。但是隨著S-57的推廣和應用，其局限性日益明顯，例如，S-57幾乎僅用于電子海圖顯示與信息系統(tǒng)（ECDIS）的電子導航海圖（ENCs）編碼，其維護機制不靈活，標準長時間不能更新，不利于生產且并沒有被GIS領域廣泛接受，而且很多人認為它是專門用于電子海圖數據生產和交換的標準，并不能滿足新時代航海數據與信息交換和傳輸標準的需求。

（2）S-100的推出

針對S-57標準的局限性，從2008年起，IHO試圖建造一項全新的空間信息數據建模技術標準。IHO S-100標準是海道測量技術發(fā)展到一定時段的衍生物，它并不是對S-57標準的補充，而是新一代海道測量數據模型，其采納了ISO19100 系列標準，應用開放的注冊機制，支持多元的數據類型。[2]S-100標準中數據內容與載體相分離，也就是說為了滿足不同用戶的需要數據交換格式不再唯一，充分靈活地適應了各種產品規(guī)范的變化，使其能在其他地理信息領域使用。S-100構建了一個不同于S-57的新架構，在數據的接收、管理及傳輸等方面引用的最新技術，使S-100及其擴展的發(fā)展與地理信息工業(yè)的發(fā)展保持一致。IMO于2011年初決定采用S-100標準作為基礎數據模型，在SOLAS范圍內，構建新的技術框架，來規(guī)范與實現e-航海中數據的獲取、整合、處理和服務，因此S-100標準將在海上運輸領域發(fā)揮更廣泛的作用。

S-100標準采取了面向對象的表示方法，即統(tǒng)一建模語言方式編寫方式，并推薦利用XML擴展標記語言進行不同接口間的技術交換和模型描述。IMO希望S-100標準能夠達到如下目的：

①與國際標準化組織（ISO）地理信息標準化技術委員會（ISO TC 211）正在編制的ISO最新地理信息相一致的標準。

②使編碼格式與數據信息內容分離，建立與格式無關的產品規(guī)范。

③為更廣泛的海道測量、數據信息整合和傳輸及相關數字化的數據、產品和用戶提供支持。

④提供一個IHO管理的，與ISO一致的注冊機制，其中包括要素概念字典和產品規(guī)范目錄等，使其能夠靈活地進行擴展管理。

⑤按照用戶的需求為不同的用戶機構提供獨立而合適的注冊系統(tǒng)。

（3）e-航海數據標準的應用

在海運貿易中，海員需要提前根據航行海域特點、航行風險以及航行規(guī)則等信息和數據制定一個安全、高效的航行計劃；船舶所有人和岸基需要掌握船舶航次信息以及船舶航行的靜態(tài)信息和動態(tài)信息等。這樣，e-航海就充當了一個中間平臺以供這些公共數據在不同的系統(tǒng)中共享和操作。而作為e-航海的基礎數據模型，S-100的主要作用體現在以下三個方面：

（1）定義各類數據的生產標準，規(guī)范各種多元的航海數據，以提升e-航海信息查詢等服務功能。比如S-101 ENC生產規(guī)范、基于S-100的S102水底表面測深數據。與目前使用的S-57相比，S-101在兼容性、數據內容和數據多元化處理、編碼和數據結構以及格式與加密等方面都有很大的改進，替代S-57是海運發(fā)展的必然趨勢?；赟-100的水文氣象產品規(guī)范S10X，將為e-航海提供風向和風速、潮汐、流向和流速等氣象要素，以及導航、船舶交通服務等有關數據信息。

（2）提供航海信息注冊平臺，以便保障電子航海數據生產者所使用的元數據、要素與圖書規(guī)則等信息的一致性，包括要素概念注冊集、數據交換注冊集、交互注冊集、圖示注冊集、元數據注冊集、需求補充注冊集、產品規(guī)范補充注冊集等“航海信息注冊 器”[3]。例如海道測量、海洋水文與氣象的環(huán)境注冊項，港口建設、自動識別系統(tǒng)、航道助航標志的基礎設施注冊項，船舶系泊、離岸設施等部件注冊項，乘客、貨物、原料、船舶生活垃圾和廢棄物等輪機注冊項。

（3）為電子航海提供通用的公共數據結構以提高數據交換的標準化。S-100為e-航海的CMDS（公共航海數據結構）規(guī)范了詳細的要素模型、圖示目錄、要素空間屬性類型、要素目錄等內容的定義，涉及數據獲取、整合與管理的全套方法。

S-100支持多元數據類型，因此更有利于同其他有關數據融合以具有更大的開放性。我們應盡快加大力度組織力量，按船舶、岸基和航海服務部門的實際需求開展對S-100數據模型以及S-101系列數據生產標準的研究。例如，e-航海搜救機構用戶需求：為拯救生命，搜救需要相關船舶及其所在區(qū)域的全方位信息，則搜尋與救助應能夠獲取e-航海范疇內的相關信息；在事故中，搜救機構必須能夠利用e-航?；A設施在所有參與方之間進行高效的通信和信息共享；在e-航海范疇內遇險通信的優(yōu)先權應該高于其他一切通信；為了最快地對事故作出響應，搜救機構需要能夠確定最佳的通信手段，進而需要獲取所有船載通信設備和設施詳細信息。為了適應e-航海的需要，眾多航海研究組織開發(fā)了基于S-100的航?？臻g數據和產品，并對相應的數據生產進行規(guī)范，進而提高e-航海的綜合助航功能和全面的服務功能，推動我國航海保障體系的信息化建設與發(fā)展。

四、結束語

隨著經濟發(fā)展的迅速提高和人類在海上的頻繁活動，航運經濟效益和航行安全保障要求也越來越高。e-航海在S-100的數據標準架構下，滿足了智能航海的需求，推動了航運智能化、數字化的快速發(fā)展，使航行更高效、更安全，海洋環(huán)境更清潔。相信在電子科技的推動下，航運業(yè)會取得突飛猛進的發(fā)展。

[1]張鐵軍,王玉林,朱勇強.e-航海概論[M].北京：人民交通出版社,2015.

[2]IHO S-100 Universal Hydrographic Data Model[S].Monaco：International Hydrographic Bureau,2010.

[3]崔洪生,吳禮龍.IHO S-100在電子航海E-Navigation中的應用[J].海洋測繪,2015(2)：55-57.

10.16176/j.cnki.21-1284.2017.01.005

王程博（1992—），男，大連海事大學航海學院，碩士研究生

張新宇（1978—），男，大連海事大學航海學院，副教授，博士

黃文偉（1966—），男，中國船級社質量認證公司深圳分公司

張輝輝（1977—），女，中國船級社質量認證公司深圳分公司

國家自然科學基金項目（51309043），遼寧省自然科學基金項目（2014025005），遼寧省高校杰出青年學者成長計劃（LJQ2014052），遼寧省教育廳重點實驗室項目（LZ2015009）