E－navigation发展与研究

廖又明，陈霖炜

(1.中国船舶科学研究中心，江苏 无锡，214082;2.宾夕法尼亚大学 工程与应用科学学院，美国 费城)

0 引 言

E－navigation (电子导航)在“大数据”理念、“互联网+”思维，以及在具有划时代意义的“云计算技术”为代表的信息化技术大爆发的背景下，以凝聚着当代先进的信息化技术、具有革命性突破的技术发展平台为依托，开创电子导航的新时代。以欧、美及亚洲的日、韩等海洋业发达国家已率先迈入E－navigation 领域，并取得了令人惊喜的成绩。

以“大数据”理念、 “互联网+”思维构建的基于“云技术”的导航系统，将是集信息化技术、航海电子技术、基于安全/环保理念、国际/国内海洋法合规性评估下的行业规范/标准、新型经营运行理念，以及全球性共享/合作为一体的，凸显E 时代技术特征的航海运行体系。新一代E－navigation已成为助力和引领导航事业创新发展的驱动器。

图1 基于云技术的E－navigation 概念图Fig.1 Cloud-based E－navigation concept map

1 E－navigation的发展

1.1 IMO 推进E－navigation的开展

国际海事组织(IMO)是E－navigation发展的有力推手，在2006年7月IMO 第52 届年会上将其列为主旨议题进行重点研讨，随后在海上安全委员会(MSC)第81 次会议上正式作出实施E－navigation 研究的战略决策。并明确以国际海事组织下属单位:导航、无线电通信及海上搜救分技术委员会(COMSAR)为执行机构，委任导航分技术委员会作为协调方，监督/促进各分技术委员会按期实施各研究项目、按计划节点完成相关任务，以保证E－navigation的构架能在目标完成年(2008年)内按计划如期完成。

1.2 E－navigation 构架思路

IMO 认为:E－navigation的目的是开发一个具有战略性的、集成先进的信息化技术和电子导航技术的新型E－navigation (电子导航)系统。由构建模块及各子系统，特别是信息化/电子技术系统所构架的海事导航系统，将是一个由“云技术”支撑的“包罗万象”的。在有助于提高航行安全性、提升导航精度(这将对整体的海上安全和环境保护产生极大影响)的同时，以减少机械作业运行量及导航仪操作负担为目的的信息化电子导航系统。这样一个全新理念的创新技术，所面临的挑战在于确保所有构建模块及子系统在整个导航体系中的适用性、系统性，在此基础上构建起高效的实时显示导航环境、简化船员操纵流程的新型导航系统。

E－navigation 最终将以具有革命性突破的、全新的结构化模块组成方式，提供能确保符合各种导航通信技术和服务、准确安全、为各种船舶提供简捷、精准且性价比极佳的智能化全球共享导航系统。

图2 E－navigation 概念图Fig.2 E－navigation concept map

通讯/搜寻/救援分技术委员会 (COMSAR:Communications and Search and Rescue)主张:应该明确定义用户的需求范畴，因为真正驱动E－navigation发展的动力是用户的需求而不仅靠技术的先进性。如果利用海上救助委员会(GMDSS)现有的基于GMDSS的特点服务区的服务设备，作为E－navigation 数据通信网络基础，并配以基于移动网络的信息化技术，可实施全球性共享的E－navigation服务系统。为此，COMSAR 分技术委员会肩负统筹实施海事领域技术可行性、实施应用审查及更新升级等事项。COMSAR 由此成为了设备标准化，包括船用设备标准操作模式和软件操作系统的编制与安装，编制所有用户及研制者均应遵循的创建、变更/升级标准化的操作流程的主导单位，以此确保各组建模块在电子导航系统中的统一、高效运行。

图3 E－navigation的构建与海事应用的关系Fig.3 E－navigation the construction of navigation and Marine applications

E－navigation 技术委员会以发展的战略眼光，结合当代信息技术重新制定并实施推进E－navigation/概念、关键技术及结构化模块组建模式等的实现研究。国际海事组织牵头邀请其他相关机构科研单位参与到新一代导航系统的研制中，特别是力荐将国际海洋协会中的航标/灯塔、国际海道测量等组织(国际航标协会)作为重要的参建力量，纳入其中共同参与各要素模块的构建。组织各分技术委员会构架以各自信息数据无缝链接机制，并倡导世界各国积极参与，共筑全球性共享的新一代E－navigation 系统［2］。

图4 E－navigation 效果图Fig.4 E－navigation effect diagram

2 E－navigation 构建与关键技术

新概念E－navigation 是基于“大数据”理念，由“云技术”支撑的信息化电子导航系统。它由信息技术、电子导航技术、海洋运输行业规范/标准、国际海洋法合规性及新型国际合作模式构架而成，凸显E 技术特征的新一代导航体系。

图5 E－navigation 构架流程图Fig.5 E－navigation structure flow chart

2.1 基于信息化技术的E－navigation 构建模式

IMO (国际海事组织)对E－navigation的定义是:具有与海事相关的任何海洋信息的全面采集、集成交换、船/岸同步信息化数据显示/分析、提升导航和相关服务能力、确保其海上安全及对海洋环境污染可控在最小限度内的新一代E－navigation 系统。文献［3］以“安全、环保”为宗旨的技术要素、关键技术与模块系统化体系的构建模式，及运行方式、高效的操作流程和联动运行能力等为目的，提出了基于信息化技术的E－navigation 构建方案及应用，实施基于远程信息技术的E－navigation 构建法的实用性及先进性的实现研究。

2.2 E－航海:信息云服务的创建与智能交互的构架

随着信息/通信技术的进步，以及对地球监测能力的提升，特别是近年来由其创建的新形海事信息服务，在解决海洋航运安全、治理海洋环境及可持续发展等方面有了突破性地发展。在各国高度重视及倾斜性政策的支持下，其技术发展十分迅速，且行业竞争也越来越激烈。特别是在海运行业有着超300 万名员工，营业额占欧盟GDP 2%以上的欧洲，为了保持其引领地位和竞争力，正在通过集中研究、开发创新以及利用新型市场机遇来应对这些挑战，力争以欧洲e－Maritime 框架作为主导世界海洋信息化产品和服务的主体。欧洲版的E－navigation 模式是以:如何让海洋从业者及相关机构启用信息智能交互平台——这一最具挑战性的课题为着力点;开创新型的跨学科、跨领域，以信息技术和通信技术相关机构及专家参与的研制理念的主导下，创建新形的信息集成理论知识及应用技术;开创各探讨性课题的研究、总结并提供e－Maritime 运行构架模式，以此构建多元化的高附加值的市场产品与服务。这些基于云技术的智能交互服务技术，备受国际海事组织的青睐，正在得以越来越多地被IMO 引用及推荐［4］。

2.3 IMO的E－navigation 研究——海事信息公共应用平台的构建

成立于2006年的国际海事组织E－navigation专家小组，一直以来致力于E－navigation 研究推广。近期提出了旨在以构建常用海事“大数据”构架E－navigation的新概念。专家小组一再强度:任何产品或服务从一开始，便需确保海事数据测量、统计及格式标准的统一性，其宗旨是为日后的各参与及开发单位，乃至于用户应用等奠定基本保障。在此基础上才能高效地组织所有海事基本信息数据，提升商业运输船与陆上联通及相互之间的数据交换与通信协作，强化海洋船舶交通运输管控力，确保达到海上船只航运安全、环保运行的目的［5］。

图6 基于E－navigation的船舶交通远程管制区Fig.6 E－navigation based vessel traffic remote control area

2.4 E－航海标准化与构架基础

e－Maritime 概念虽仍在完善中，有待统一的权威性定义，但需认识到构建E－navigation的标准化，仍是概念定义阶段必将触及，并将是对概念定义以极大影响的重要流程，为此建立“标准/规范”的制定规程十分必要。鉴于目前国际海事组织内暂无满足与导航安全直接相关的强制性安全系统的定义，标准化目前还不具备列入研讨/颁布的条件。而基于当前的认知，可将初期e－Maritime 结构概念及其定义，以及地区性标准，作为实现e－Maritime最终概念定义的基础，给出若干旨在以推荐性为目的研讨型，而非立法性议案的标准化提案，以其开展作为E－navigation 构架标准草案，这其中将囊括标准的制定、标准结构模块及标准的实施要则［6］。

2.5 E－navigation 基础信息无缝交互支撑系统

国际海事组织(IMO)的海事通信分技术小组在E－navigation 无缝信息交互应用的研究中，首先在总结E－navigation 初期潜在解决方案的基础上，罗列出了主要需优先考虑的潜在方案，选定了基于成本效益和风险分析为主旨，详细的船/岸信息交汇应用构架模式。并给出了一个旨在以支持E－navigation 无缝信息/数据交换的构建系统的基础支撑模式的案例，以此阐述其功效、所达预定目标，及由此而触发的若干后续课题的设想［7］。

图7 E－概念的水文数据采集与提供服务示意图Fig.7 E－concept of hydrological data acquisition and service supply

2.6 基于E－navigation的环境研判提升紧急援助响应的研究

在对船舶处于任何状态下实施安全方面的处置时，船舶状态和所处海洋环境是海上交通系统安全的核心要素。特别是在紧急情况下能快速、准确和可靠地向操船作业者提供与安全息息相关的必要信息。对海上事故信息的收集和研判，是基于操作救援机械进行救助作业操作的基本支持。作为典型的船员落水(PoB)事故，需给出案例中的操纵援助和决策支持的实施程序，例如迅速反馈并恢复事故发生位置等相应数据。通过信息分析选定事故案例和现有解决方案，这其中将应用到基于代表先进技术的E－navigation 紧急响应及救助成效。其研究课题的重点是分析识别流程、相应的救助响应效果，以及对最具潜在优势的方法——基于E－navigation的救援响应评估分析，随后提供实际应用需求及发展动向参数等建议［8］。

图8 数据采集/分析及提供流程图Fig.8 Data collection/analysis and provision flow chart

2.7 E－navigation与S－100 数据动态服务管理系统的构建

目前，国际海事组织 (IMO)正致力于E－navigation信息服务构架的研究，支撑、协调E－navigation 共享及利用各种海洋基础数据，打造新型的船/岸信息数据无缝链接的数据服务系统。国际海事组织通过国际海道测量分技术委员会提供的s－100 数据库，是最基础的海事基础数据库 (E－navigation CMDS)。因此，E－navigation 提供的各种服务数据，及数据格式等均应与s－100 数据协调并保持一致。E－navigation为了向用户提供精准的数据服务，不仅充分共享、利用电子导航图(ENC)数据、水深数据、潮汐数据、气象数据、雷达图像数据及自动识别系统(AIS)数据等各种各样的s－100－基础数据，更需协调与基本数据的动态响应。构建E－navigation 数据管理系统，旨在处理基于s－100 数据库，且便于E－navigation服务的，具备动态协调和高效利用各种s－100的数据管理服务系统。这其中既有s－100 数据管理系统，以及旨在以处理各种基本的s－100 数据的，ENC (SENC)内核管理技术构建的s－101 ENC 数据处理系统。在动态管理各种基于s－100 数据的同时，实施s－100数据模型特点和基于s－100 数据的即时分析处理，并在此基础上构成基于s－100－feature－oriented 数据存储形式的s－100 数据服务管理系统［9］。

2.8 海事与远程海上信息服务系统

全程控制船舶运输系统的重要性，越来越得以海事界的认可且日显必要。目前致力于该项系统工程的关键领域的重点研究项目——多网集成运行，取得了重大的突破性成就，那就是基于海洋/陆地信息的无缝链接系统、新型传感技术和网络连通技术的组网应用。旨在达到更有效地交通流的智能控制、更高效地利用网络资源的能力，立足于未来的海上远程信息化处理系统，将是突破空间、海域及陆地距离的新型的E－navigation 系统［10］。

图9 海上远程信息化服务系统示意图Fig.9 Ocean remote information service system diagram

2.9 IMO 推荐的“在线窗口”式E－navigation 数据同步交互系统

有如船舶/港口船舶监控中心、海上交通控制中心，以及通过海上信息通讯系统实现所谓的“一个窗口”的信息化交换概念，是指由陆地/船舶/港口/沿海国家海洋行政当局所组建的数据网络在一个终端窗口上，提供一个统一的链接节点开展全方位海事信息化数据服务。例如，在波兰是由国家海上安全系统中心指定波兰海域交互数据节点、地区区域管辖范围，及信息化服务数据提供机构。该系统既定义了一艘船和一个接触点之间数据交换标准格式，还给出了系统功能与体系结构，以及访问信息流等级要求及动态数据访问指标等。该系统是国际海事组织 (IMO)和国际船用导航/灯塔协会 (IALA)推荐的基于E－navigation 系统的数据交互应用系统，该系统现已多次完成相关海/陆联调［11］。

2.10 E－navigation 数据传输系统的构架

开展旨在将通用数据向海上传输过程中的各类数据和建模，与e 导航概念的一致性研究，其目标是为单个运输物体提供可行的通用沟通模式、数据传输路径、数据连接方法与识别，及实用的动态响应等具体解决方案的实现研究。这其中不仅将涉及到原型架构在Efficien Sea E－navigation概念研究工作中的验证取项与方法，还需给出原型概念结构在新型“单窗口界面”式的链接点选取方法、可行性等与系统构架基本方式相融合的研究［12］。

2.11 海上智能交通系统的构建

涉及所有运输方式的智能型交通系统概念始于80年代，陆地上的道路运输相关研究发展较为突出。最近水运，尤其是海上运输获得了越来越多的关注，海上智能交通系统的建设呈现突飞猛进之势，发展极为迅速。基于远程信息处理系统所构架的智能型海上交通系统是未来的发展方向，目前研究的重点已进入海上运输中的核心技术——海洋导航系统。信息化技术为其发展勾勒出了突破性发展的方向，这也是目前国际上海洋导航系统走向入实际化的重点研究课题［13］。

图10 E－navigation 仿真系统研究与海试Fig.10 E－navigation simulation system research and sea trials

3 专家观点

3.1 E－navigation的革命——海事“云”

国际海事组织(IMO)认为:历史性的信息化技术大爆发的机遇，促成了E－navigation 成为助力及引领航海运输业高速发展的重要突破口;适应用户需求、贴近人们愿望是推动其发展的基础条件和最有力的应用推手。国际海事组织E－navigation 规划、研究分技术委员会的专家们认为:1)只有基于海上云技术构建的新一代海事信息数据交换平台，才能构建起具有高效地让海事各使用方受到最佳性价比的服务;2)由云技术为核心的技术模块系统，以近乎完善的适用性，是解决E－navigation 系统方案全球性应用的基础技术保障;3)基于云技术的导航体系能打造出统一的海上导航技术标准/规范、国际/国内海洋法合规性、统一海上作业操作标准、减轻作业人员工作强度，以及行政执法和实现应用成本最佳化的全球性共享的完整体系［14］。

图11 基于海事云技术E－navigation 概念图Fig.11 E－navigation based on maritime cloud concept map

3.2 信息化智能运输系统发展趋势及对环境的保护

潜在的云技术、移动网络信息技术及数据服务技术不仅是工业技术又一次革命性的技术突破，并且对运输业发展的引领性影响更是日益显现。信息通信技术引入到运输行业，将以一种前所未有的突破性创新推动力，促进运输业界的信息化智能交通系统(ITS)技术的大发展。特别是在面对日益严峻的低碳化经济要求的挑战，ICT的引用不失为旨在以环保为目的的适应新型能源要求的重要举措。基于云计算平台进行解决方案的仿真计算;通过云计算技术和移动网络信息化数据服务技术所提供的个性化服务，可取得低碳化的能源使用、高效地减少空耗、提供能源定点/定量的全方位可行性量化服务的最佳成效［15］。

3.3 基于云技术的智能运输系统的优势

当代的信息/通信技术(ICT)为打造更高效、更快捷、更可靠且更具社会福利性的信息化智能交通系统(它)奠定了坚实的基础。现在的重任是加速其成为全球性共享常用化智能运输系统。这其中云计算服务、移动网络服务是构建该系统的核心技术也是实现运营的关键所在，更是解决系统方案、应用实现的有力助手。一般来说，云计算是基于互联网的具有数据计算、资源共享、计算机软件和数据信息交互等功能的服务平台，并可按需向客户端计算机或其他设备，如电网、铁路网及公路网等提供个体化服务。基于“大数据”理念、互联网思维的云计算服务，尤其是在工业技术领域和经济发展领域所展露出来的越来越明显的引领优势，是构建未来海上交通导航模式最为理想的基础支撑及发展方向［16］。

图12 国际E－navigation 研讨会盛况Fig.12 International E－navigation seminar

4 国际上E－navigation 技术研究现状

4.1 E－navigation 国际会议概要

E－navigation 技术研究备受世界各国海事机构的重视，2013年1月29－31日召开的“2013E－navigation 国际会议”，以及于2014年1月28～30日召开的“2014 E－navigation 国际会议”分别有来自近30个国家和地区，代表110个相关研究或学术组织的170 余名专家学者、监管机构、用户及制造商等领域的代表出席了这些国际研讨会。这些来自于各方面的代表，充分利用国际研讨会这一平台，发表代表国际上当前E－NAVIGATION研究最新成就、相关发展动向及新的规划，由此展示当前E－navigation 相关研究最新成就及发展动向。

4.1.1 E－navigation 战略规划

国际航标协会e－NAV 委员会主席、灯塔导航与无线电导航(GLA RRNAV)研究专家尼克·沃德博士作为该论坛主旨发言人，在回顾e－Navigation 研究历程的基础上，强调安全、可靠的导航体系，将是在有效的信息分析/交互这其中将是在包括海/陆之间的数据交换的基础上，集成和展示船上陆地上信息。其可用性在于相同的信息通过各相关执行者(及利益者)能保障船舶航行间数据的风险性最小、数据流畅性阳高。并强调其先决条件是:标准化和系统化及国际间交互操作可靠性。构架海事通信及信息基础设施——海事服务机构的信息数据结构及数据信息的即时传输。而今后仍将以s –100 数据库为共用基础，在此基础上快速地组成部分新型的信息数据结构。其规格相关的对象数据基于如IVEF (国米VTS 交换格式)的格式，并定义在该数据模型框架内。它是一个开放的在线系统，各领域可申请更标准的数据格式，并给出新的标准格式的说明，在协助消除行业歧义的基础上完善数据结构。e－Navigation发展时间表将视提出的问题是否对海上服务及产品规范化服务的可行性而定，它必将是一个并行开发的过程及开放的模式。

国际海事组织海上安全部秘书长Gurpreet Singhota 先生总结了始于2006年的E－navigation的发展历程，强调E－navigation 全球统一实施的必要性。e－Navigation的发展过程，不是几小时的国际会议就能一蹴而就，而是一个需要全球性合作的长期共进的宏大工程。目前有必要考虑COMSAR的重组，在此基础上相关机构才能提出具体方案，并制定实施计划，才能在协调一致的基础上分期按计划完成E－navigation的构建［17］。

4.1.2 E－navigation 规划与实施

中欧应用中心、大连海事大学的Zhen-jie Liu先生，以“E－navigation 在中国:构架与验证”介绍中国在过去和现在，以及大连海事大学e－Navigation 开发和规划的相关情况。中国的数字航标工作已从1990年就开始实施，在过去的几年中已建立了RBN / DGPS 链、AIS。并建成了28个VTS 中心及一个完整的AIS 网络，内河AIS 也正在进行中。自2008年以来由国家主导建立的ENC 已用于多个国家级沿海港口和相应的航道。中国正在规划面向未来的e－Navigation，它将是包括基于AIS的空间检测、定位、ENC的扩展以及涵盖其他水文数据的应用。目前正在实施AIS 技术、自动测试理论、针对AIS的标准化和北斗卫星导航接收机的项目的研究。许多项目已纳入到了SAR、宽带无线通信、与e－Navigation 相关性的展示及应用、远洋船舶及物流流程的设计、信息管理/监测等构建中。

中欧应用中心提供人机对面式的海事研究与产业化的国际合作与接轨。并在论证与查尔姆斯理工大学合作，文化/科技交流的可用性。

俄罗斯规划发展部顾问谢尔盖先生，就俄罗斯一系列由国家资助/推进E－navigation发展及产业化规划的情况作了详细地阐述。在俄罗斯实现了VTS 升级和区域扩展、RIS/ AIS 网络的延伸与集成、岸基GMDSS的定期升级以及国家LRIT 及监控中心的运行。2009年，开始了旨在开发一个国家级e－Navigation的实施计划。由此可有效地在兼顾到俄罗斯海域各部位细节的基础上，作到了几乎覆盖不同区域、高成本地在广大偏远地区投入基础设施的建设。通过E－navigation的服务布局形成了以VTS为中心的，从国家级服务、区域集中服务到本地服务的导航水平。该系统将是一个以规范注册、统一目录格式的e－Navigation服务模式。具备国内甚至国际水平通用的e－Navigation 建模、模拟服务，乃至于标准图表式申请更新、VTS 分配端口及航线，其数字服务等是基于AIS 或宽带互联网的海上导航服务系统。海事卫星AIS 计划也将于2013年或2014年进入卫星发射阶段。

瑞典海事管理局Ulf 斯维德贝格先生阐述了，旨在以海事信息资源集成与共享的“新一代信息管理”既所谓的“蒙娜丽莎2.0”项目。旨在为改善海员操作的新型服务方式，增加数据的质量和数量新要求，并在海事领域内完善相关利益者之间的数据交换、处理及服务应用。其数据处理的方法将从今天的“需要知道”，向明天的“需要共享”的模式转变。目前在欧洲共同体内的安全处理与监控采用的也是被称作“蒙娜丽莎”项目的瑞典系统。

澳大利亚海事安全局尼克先生介绍了澳大利亚的水域空间管理的发展模式与进展。须强调的是由国际海事组织领导发展的e－navigation 需要更多的相关国际组织和各政府间的大力协调。这种协调至关重要的一点是能以确保在日益复杂的管辖范围内，以及海上安全措施的实施上的可操作性。海上活动随时将会出现意想不到的冲突问题，其重叠性和重复性日益严峻。澳大利亚海岸管控中心一再强调需要标准的格式工具来汇集和启用系列的水域数据库，以期应对日益增加的近海资源采集及船舶交通增量所带来的潜在安全识别及监控处置问题。在2010年创建了一个包含澳大利亚西北海岸相关信息库，可以用来显示海域之间相互依赖关系、人类活动、人类活动和环境参数，如鲸鱼迁移和热带风暴资源的地图集。目前，类似的工作正在向澳大利亚东北海岸延伸。澳大利亚地球科学地理空间使用澳大利亚海上空间信息系统(AMSIS)，正在编制新的航运管理计划，在澳大利亚东北地区一个专门的水空间管理工作组已经建立，它将使用AMSIS 系统解决管理问题和水域空间识别，以适当的管理模式解决新型的水空间管理问题。

加拿大海岸警卫队的丹尼尔·布列塔尼先生阐述了迄今的加拿大概念，以及在实现e－Navigation计划的经验。表示通过亲密伙伴性关系的各方提供原则性指导，以及加拿大海岸警卫队与各利益相关者联合实施E－navigation 计划的影响力，基于加拿大概念的开发和实施过程以及e－Navigation的可操作性日益成熟可行。

5 结 语

为如火如荼的E－navigation 研究及所取得的成果点赞的同时，国外E－navigation 相关研究机构仍在加大研究力度，其人员/资金的投入空前高涨，E－navigation的研究仍在路上。反观过去的研究，展望未来的发展，目前需努力解决的主要研究课题大致有如下几方面:

1)定义E－navigation 概念、应用范围、使用目的、组建模式及受限范畴。其目的是给出E－navigation的系统构架模式及方法;

2)以战略性前瞻眼光梳理E－navigation 战略框架课题，定义关键问题的识别及关键技术优先级的界定;

3)对问题识别结论进行可行性评估，梳理/罗列可能出现的障碍及解决方法。以进一步发展的战略眼光制定构架发展策略及研究方向;

4)在基于对机构成员研究领域及在产业中重要作用及地位分析的基础上，识别其可能肩负的职责及重任，进行合作领域的可行性分析，及IMO 主导研究方向，统筹向相关国际组织委派研究技术子课题，强化全球化协同构建力度;

5)由COMSAR 小组委员会和其他各相关方统筹信息数据的录入，制定数据信息工作计划，包括数据交互计划/纲要 (给出逐步推出时间表的系统)，及在导航网络中作用。加快国际合作标准模块的制定，以此加速构建全球共享型的统一的标准化信息数据服务体系。

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