船舶电子海图数据自动申领系统分析

李乾源 孙 超

一、引言

随着ECDIS（Electronic Chart Display and Information System，电子海图显示与信息系统）的强制安装，船员在实践中已经逐步接受并熟悉通过ECDIS来辅助航海工作。在实际应用场景中，船舶安装的ECDIS设备需要经由ADC（Admiralty Digital Catalogue）选图软件选用航海图后方能使用。此外，每当船上的航次计划任务工作完成后，航线选图、电子海图数据购买更新以及安装流程都需要通过ADC辅助完成[1]。基于企业管理规范的要求，船舶一个航次任务所需购买的海图往往必须提交至岸端海务主管部门审核之后，再转发给海图代理公司来完成采购申请。然而，由于船舶的网络环境常常无法正常建立Internet连接，ADC选图结果无法系统间直接同步给海务主管部门，因此需要船舶操作人员手动地从ADC软件导出申购海图数据的文件，然后通过邮件/报文的方式发送给海务主管审核人员，造成海图申领流程繁琐从而增加了船上工作量。

针对这一现状，本文设计并实现了一种海图申领流程的优化方案，它基于Web电子海图技术架构，通过UKHO开放的WebService接口，在电子海图业务与船舶现存业务系统之间建立数据联动，在船舶、海务主管和海图代理公司之间形成闭环链，从而使得整个海图申领业务流程透明、高效，达到数据共享和管理协同的目标。

二、总体方案

系统整体框架如图1所示。

本文研究的船舶电子海图自动申领系统包括以下三个主要部分：

1.船端选图模块

基于先进的Web应用技术，利用典型三层架构开发Web电子海图选图系统，并通过AVCS_Catalogue.XML文件的融合，实现全域环境对ADC软件选图的模拟和替代。

2.船岸通信模块

基于VSTO（Visual Studio Tools for Office）开发技术，实现对Microsoft Outlook邮件客户端的无缝集成，在适应船舶作业的复杂环境下，架起船、岸之间数据交互的桥梁[2]。

3.岸基订购模块

基于UKHO开放的B2B Service通用接口标准，运用WebService平台技术，实现岸端自建管理系统直接生成电子海图订单，并获取对应的Permits文件及对应的更新光盘类文件等数据直接供船。

图1 系统整体框架

三、基于Web电子海图的船端选图系统

1.总体结构

随着Web技术在各行各业的应用日趋成熟，关于Web电子海图信息系统应用的研究也越来越广泛。有基于WebGIS并结合Java Applet技术实现的WebChart船舶导航系统[3]，有通过SVG技术与Applet的融合形成的基于XML的电子海图系统[4]，也有基于矢量瓦片技术的Web电子海图系统。船端选图系统满足船舶实操中对软件系统独立性的场景需求，选图人员可以在任何一台位于局域网的计算机设备上通过Web浏览器的方式访问海图数据。船端选图系统根据OpenGIS Web服务器规范开发，其总体结构如图2所示。展示层是呈现海图数据的OpenLayers客户端（运行于Web页面），它发出海图数据请求，事物处理层的GeoServer地图服务器（运行于Tomcat）将从数据持久层的Shapefile、Geojson和XML等数据文件获取数据并进行转换处理，返回给OpenLayers客户端进行展示。

图2 总体结构

2.系统逻辑结构

系统整体逻辑结构如图3所示。

图3 系统逻辑结构

系统逻辑结构划分为展现层（OpenLayers客户端）、中间事务处理层以及数据持久层（空间数据库）三个部分。中间层的服务处理机制又被分割为两个部分，即简单事务处理子层和定制事务处理子层，是为了方便针对当前船舶的各级业务系统的特征需求做扩展性的开发和提高软件的可复用性。在简单事务处理子层中，概括抽象出世界海图显示、AVCS的图层叠加（公司ECDIS设备大多使用AVCS的ENC）等基础功能的全局版本，并衔接下一层提供通用的功能模块。后者可根据集成不同的业务系统增加定制化程序，可与上层简单事务服务之后建立通信，扩展如经纬度列表导入选图、海图号智能匹配、航线规划选图、航线回显、海图订单价格等功能。底层采用了轻量级的Derby数据库持久化上层传递的空间位置数据、航线信息、海图资料订单列表（如资料购买周期、订单价格等数据），增加了与业务系统数据传输的灵活性，而且支持通过标准的数据存取事务接口访问海图数据。由于目前主要的海图矢量数据来源是UKHO，因此底层还包含了原生的XML数据文档。

3.主要功能

系统的主要功能模块如图4所示。

图4 系统功能模块

系统支持对世界海图及AVCS图层的移动、缩放、鹰眼图（地图缩略图）、地图比例尺、浏览等基本操作，以及对当前鼠标位置的追踪，可以计算出用户使用鼠标在地图上绘制的多边形的面积或者折线的长度。实现的高级操作包括多图层可视化管理，海图高亮，智能选图，海图资料购买、更新及航线管理等。

图层管理模块包含世界海图和AVCS图层两个可视化管理的基本功能，后者是将不同类型的图层数据文件按照ADC选图软件的图层分类标准，放到各个图层中，可进行统一的显示和隐藏操作，或者自定义该图层的透明度，实现在多图层叠加显示的状态下可以获得更加直观的观察效果和美观感受的目的。订单管理模块包含海图高亮、航线选图下单以及导入航线下单的高级功能，可根据海图编号、标题、空间关系等条件搜索查询后在浏览器中高亮显示匹配到的海图（区）；航线选图是利用鼠标的追踪位置与地图中矢量数据的空间关系，在进入或者临界矢量区域时，对矢量数据进行动态标记。值得注意的是，在完成智能匹配后的电子海图申请购买订单列表中，并没有完成对船存电子海图资料有效期的过滤，即选图工具中没有保存船舶的电子海图资料历史购买订单明细数据，将库存管理的功能集成在船端使用的业务系统内，既满足了企业对业务经营数据的管理要求，同时也提高了选图工具的轻便性及高可复用性。航线管理模块包含航线回显及航线维护的基本功能，主要是为了提高船岸两端之间的业务交流，船端完成的航线任务传到岸端之后，岸端在订单中可以将整个航线回显出来并可进行维护，作为本次航线任务的改正。

4.选图操作流程

系统的选图流程如图5所示。

图5 选图操作流程

（1）打开船舶业务系统对应的订单管理界面，点击“选图工具IP”按钮在弹窗界面输入本机的物理地址，然后点击“航线选图”按钮即可打开选图工具浏览器客户端。

（2）根据选图需求，设置对应的显示参数，打开航线绘制功能即可在Web海图上通过鼠标画出任意折线，鼠标单击的位置作为折线的拐点。

（3）粗略绘制完航线后可以通过海图（图层）放大继续进行航线的精修编辑，如延长、折回、绕过等操作。

（4）航线确定后，系统会自动匹配出路径所经过的所有海图资料，通过浏览海图资料列表的明细最终确认需要申请购买的海图，并填写航线名称后提交订单，至此，选图工具中的电子海图购买申请流程完成。

四、船岸通信

1.总体方案

船岸的数据通信是船舶的服务器与岸基对应的管理单位的服务器之间的双向数据同步的过程。目前，在船舶数据交互过程中使用最多的方式是邮件通信。本文设计实现的船岸数据同步方式是在基于VSTO技术的船岸同步软件的设计与实现的研究基础上增加了可配置的自定义模块。根据不同船公司对数据同步的个性化需求，可在船端程序中设置不同标准的数据同步定时任务。

（1）当程序检测到发送邮件的服务器连接上3G、4G网络时，会自动将生成的数据包优先通过Internet的形式发回岸基服务器。

（2）在网络环境持续断开的情况下，程序会根据定时任务的数据交换频次设置，在固定的时间点通过Inmarsat（海事卫星）将数据发回。

（3）如果有迫切的数据交换需求，也可以通过直接手动触发数据同步任务，实现了高效与经济并存。船岸数据同步模型如图6所示。

图6 船岸数据通信系统结构

2.基于Internet的数据同步流程

船舶靠港停泊或者在近岸漂航时，船端的网络环境可以通过3G、4G网络与岸基的网络通信基站建立Internet连接，实现较为廉价的通信模式。在这种情况下，船舶提交的电子海图购买申请以及岸端的许可文件、海图更新包等数据可以实时完成船岸系统的数据同步。

3.基于Inmarsat的数据同步流程

在船舶处于“断网”状态的情况下，基于VSTO技术开发的船岸数据同步解决方案是利用船舶服务器安装的邮件系统，即主要以船端使用的专门的邮件通信客户端作为宿主程序，连接Inmarsat（海事卫星）实现船岸数据包交换的目的。

五、电子海图购买和更新流程

1.电子海图购买申请

当船舶制订好航次计划后，可以直接使用选图工具绘制航线并生成对应的电子海图数据资料，确认申请购买后，系统会将航线匹配到的所有海图资料明细与船舶库存的电子海图进行比对，去除有效期在一周内或者已经过期的资料，才会生成最终的申领单。船端等待程序自动同步数据到岸端，岸端对应的船舶管理系统接收到船端业务系统提交的电子海图购买申请单数据后，海务主管登录系统进行对应申请单的审核或者航线修正操作，确认无误后，可以选择相应的海图代理服务商，确定后将询价单提交到对方的系统中等待反馈。

2.UKHO B2B Service下单

海图代理服务商在系统中接收到岸基的海图购买申请后，通过B2B SOAP APIs向UKHO提交订单购买的详细内容，并获得反馈，内容包括提交结果、Permits下载路径等数据。这些数据可以通过“一站式”的流程完整地返回至船端。

3.电子海图数据更新

岸端分发文件系统网络拓扑图如图7所示。

图7 岸到船数据分发拓扑图

根据UKHO电子海图资料的周更新机制，参照官方接口开发标准，在岸端搭建文件服务器并通过自动获取的形式增量同步数据资料，并在海图代理服务使用的岸端管理系统中实现船舶库存与更新资料的智能匹配工作，标记出已经申请购买过对应电子海图资料并且临近过期的船舶，实现“主动式”的销售服务。

六、结语

电子海图信息系统已经成为船端不可或缺的航海导航辅助设备，因此有关ECDIS的周边产品（如Permits）亦是使用者十分关心的内容。市场上提供的ADC选图工具软件虽然功能已经比较完善，但是由于受到生产业务过程中管理需求的制约，无法真正解决使用者的痛点。本文设计的“一站式”系统在操作功能以及方法上无缝对接船端使用人员，并增加了个性化服务的内容，不仅为船端电子海图资料申请的操作人员提供了简便性，而且满足了岸端主管部门的管理需求，还为海图代理服务供应商拓宽了业务开展空间，为整个业务闭环链的数据运营提供了技术基础保障。

然而，由于电子海图数据资料的下单购买依赖于UKHO官方提供的接口，如果该接口被关闭或者技术标准发生变化，下单程序也将相应地失效。未来需进一步研究同行业替代服务提供商的可行性解决方案，使得“一站式”系统服务更具生命力。