珠江口智能航线系统的设计与实现

◎ 杨毅 广州航标处



珠江口智能航线系统的设计与实现

◎ 杨毅 广州航标处

摘 要：借鉴陆上导航的思路，参照e-航海战略理念，针对珠江口水域通航环境复杂的特点，开发了珠江口智能航线系统。本系统开发的基本思路是以GIS平台为基础，建立珠江口水域的推荐航线库，选用合理的最优航线算法，采用面向服务的方式，将推荐航线及相关的助航信息服务推送到用户端。

关键词：e-航海 航行安全 自动航线设计 助航服务

1.引言

目前陆地交通导航系统中自动化、智能化的路线设计功能已经非常成熟，广泛应用于各种商业导航系统中。而在海上导航系统中，基本还是采取手工设计船舶计划航线的方式，在某些ECDIS中可以利用电子海图数据为基础进行计划航线的安全评估，有的厂商提供了气象导航等航线优化的功能，而综合性、自动化的智能航线设计大多停留在理论研究，投入实际应用的甚少。

珠江口水域船舶类型多样化，既有远洋航行的大型船舶，又有小型的内河船，还有高速船、渔船等，基本涵盖了各种类型和等级的船舶。珠江口航道狭窄，航行规则错综复杂，两岸港口密集，大型水上工程施工作业频繁，船舶流向纵横交错、流量甚大，船舶碰撞事故较多。本系统的建设目的是为航行于珠江口水域的船舶提供有针对性的自动化、智能化的航线设计及相应的智能导航服务，以帮助船舶掌握航行规则，提高航行效率，强化航行安全。

2.智能航线算法的选择

目前有很多文章中提出了很多海上自动航线设计的方法，主要包括：

（1）主要考虑水深和碍航物，以绕开碍航物和浅水区的最短路径搜索策略为基础。该类方法未考虑航行规则和外在通航环境因素等条件，适用于没有明确航行规则的水域和较小的船舶。

（2）通过建立推荐航线库，结合对季风、洋流、台风等气象因素的模糊综合评判进行选择和优化的方法。适用于远洋航线的自动设计。

（3）基于动态网格模型的航线自动生成算法或蚁群算法，也只考虑水深和碍航物。

还有的文章提出了Dijkstra最短路径、QoS路由网络等算法，但并未考虑到海上航路、航道并不像陆上的道路网一样有连续的拓扑网络。

海上航行相比陆上道路而言，具有更多的模糊性和不确定性因素，我们认为要考虑具体的通航环境，以及具体的船舶参数，才能选择最合适的自动航线设计算法。基本思路如下：

（1）大洋水域及离岸较远的水域，船舶密度较小，一般没有划定明确的航道，因此主要考虑安全和效率，因此以大圆航线为基础，考虑水深、碍航物、气象等因素，自动航线设计采取绕开碍航物、危险区的最短路径算法为主，结合经验航线、历史航线等进行综合评价。

（2）沿海水域航道复杂、各类船舶来往频繁、碍航物多，因此优先考虑安全和航行规则。根据划定的航道和相应的航行规则，按照船舶大小和类型建立不同等级的推荐航线路径网络。

图1　珠江口分级航线库

根据上述思路，本系统中在珠江口建立了如下的推荐航线路径网络，如图1所示：

根据珠江口水域的特点，结合该区域常见船舶大小和吃水，将推荐航线路径划分为了六个等级，如下表所示：

3.系统设计

3.1系统架构

本系统采用面向服务（SOA）的系统架构，系统中心包括GIS平台、空间数据库和WEB应用服务，提供B/S模式的WEB应用，并通过服务联接移动APP和PC客户端，实现服务和数据的传输。

3.2功能设计

本系统功能组成分为岸基集中处理平台、移动APP应用和PC端电子海图系统（ECS）应用三个部分。

3.2.1岸基集中处理平台

即服务端，是本系统的数据中心。主要功能包括：

（1）整合珠江口的基础空间数据，主要以电子海图为基础，整合航行规则、碍航物等相关的专题数据。

（2）建立和维护珠江口惯用航线库，并通过大数据分析进行定期优化。

（3）管理实时的船舶动态数据，主要是AIS的数据。

（4）响应客户端的请求，进行最优航线的运算，并将运算结果发送至客户端。

（5）监控客户端的航行动态，实时推送航行指引和警示信息。

（6）提供第三方接口服务。

3.2.2移动APP应用

移动APP应用主要针对航海人员，实现智能航线服务、助航信息服务等增值功能。目前主要完成了基于安卓手机的开发。

主要功能包括：

（1）显示海图和海上交通要素，包括等深线、航道、航标、定线制、锚地、航线、沉船、碍航物、引航员登轮点、限制区、警戒区、禁区、港区等，并能切换显示互联网地图。

（2）从系统中心获得当前有效的海上安全信息（MSI），并显示在海图上。

（3）可绑定本船AIS的MSSI码，从而同步本船的基本信息（船舶静态和动态数据），软件的位置数据可选择使用AIS船位，当网络不可用时，自动切换为移动设备的GPS位置。

（4）显示可用实时/预报的水文气象信息（通过互联网水文气象数据接口/气象服务获得）。

（5）设定航行的目的地，调用在线智能航线服务，搜索海上的推荐航线，并可保存为计划航线。

（6）查看其它用户的计划航线。

（7）查询海上要素的信息。

（8）采用语音加屏幕闪烁的方式进行警示，包括危险警示（进入浅水区、靠近碍航物、靠近邻近船舶、穿过限高桥梁、能见度不良、大风、急流），违反交通规则警示（超速、逆行、违规追越、违规穿越），普通信息播报（当前位置的加潮水深播报、交通规则播报、附近MSI的相关信息等）。

（9）搜藏个人兴趣点，分享当前位置的照片，标绘个人的内容。

（10）海上信息报告（如海上事故、风险海况、航标移位等），报告数据错误（如提示的航行规则与实际有出入）。

（11）历史航程计算：通过本船AIS的历史轨迹，计算一定时间区间的航行里程、时间，并估算相应的油料消耗。

（12）航行风险分析：分析本船航行过程中遇到安全风险、违反交通规则等情况，给出安全建议。

（13）航行习惯分析（分析本船经常航经的水域、航道，经常停靠的码头、习惯的航速等数据）。

（14）查看海上风险点（来自AIS大数据分析）。

3.2.3PC端ECS软件

具有ECS的基本功能，并包含上述移动APP的所有功能。

4.系统开发与实现

4.1服务端

服务端由 GIS SERVER和WEB应用服务构成，其中GIS SERVER作为数据发布的容器，主要用来显示空间数据，WEB应用服务主要作为C/S程序的逻辑层和B/S程序的WEB 容器，进行业务数据的处理和提供WEB 访问服务。服务端基于J2EE技术标准规范下进行开发，采用面向对象（OOP）的设计，以面向服务（SOA）的设计为应用扩展。GIS平台支持各类GIS数据的整合和发布，支持缓冲区分析、叠加分析、路径分析、网络分析等各种空间分析算法，支持B/S模式下的数据编辑。

4.2数据库

数据库选用PostgreSQL对象关系型数据库系统，建立了电子海图库，航行知识库，船舶航迹库，航线库，障碍物库，港口数据库，用户数据库。

图2　移动APP自动生成最优航线

4.3移动App应用

通过搭建AppServer服务端获取岸基系统服务，完成安卓系统下的智能航线设计的功能。移动APP主要采用Android原生加上Webview的混合开发模式。用户输入出发位置和目的位置即可获得从系统中心返回的最优推荐航线，如图2所示。

4.4ECS软件

开发基于Windows的PC客户端ECS软件，实现ECS的基本功能，并可通过网络调用岸基共享平台智能航线服务、助航信息服务。采用VC++语言开发。

5.结语

船舶智能航线服务是e-航海战略中的一项重要内容，在Efficiensea和MonaLisa等e-航海示范工程中都有相关的内容，在MonaLisa工程中又被称为“绿色航线”。本系统以向船舶提供智能的最优推荐航线为出发点，进而实现航线数据在船-船、船-岸之间的数据共享和交换，依据计划航线为船舶从起航到靠泊整个过程提供智能导助航服务，从而实现船舶航行安全最大化、航行效率最优化。