移动终端的水上便携智能导航系统研发

彭　文，王立平，陈贵花

(交通运输部南海航海保障中心广州海事测绘中心，广东 广州 510320)



移动终端的水上便携智能导航系统研发

彭文，王立平，陈贵花

(交通运输部南海航海保障中心广州海事测绘中心，广东 广州 510320)

摘要：介绍了一种基于移动终端设备(Windows、iOS、Android)的水上便携智能导航系统的需求分析、主要功能及设计与实现，分析了主要技术难点和系统特点，并对其在船舶导航、智慧引航、电子海图自动更新等方面的应用技术进行了探讨。

关键词：电子海图系统；便携智能；移动导航

随着电子海图(electronicnavigationchart，ENC)技术的发展，电子海图系统的功能日趋完善、应用形式不断丰富，并向着智能化船舶综合导航系统发展，广泛应用于船舶交通管理、海事管理、船舶导航、水上工程建设及船员培训等领域。但与快速发展的车载导航系统相比，电子海图系统普遍存在功能简单、更新维护困难、操作不便、设备笨重、不便携带、价格不菲等缺点，且没有与其他船用设备整合。近年来，移动技术的迅猛发展，智能手机、平板电脑等终端设备的性能不断提高，与地图应用相关的移动导航、移动GIS研究成为研究热点，船舶导航应用系统的移动性、便携性和灵活性有了新的需求。如今，国外已推出iPhone和iPad、Android移动设备的海图应用。我国基于智能手机或平板电脑的移动电子海图系统研究及产品还在起步阶段，已推出的产品大多数采用的仍是栅格海图。综上，开发一种基于电子海图系统的移动版水上智能导航系统就显得十分迫切。

2005年12月，美国、英国等7个国际海事组织(IMO)成员国向海事安全委员会(MSC)联合提交议案，提出制定e-Navigation的战略设想，即通过电子手段的协调船舶和岸上航海信息的采集、整合、交换、展示和分析，增强船舶泊位到泊位的导航和相关服务，以保障海上航行安全和安保，保护海上环境。e-Navigation通过海事服务集(MSP)方式对船舶提供服务，包含VTS、航行辅助、交通组织、引航、海图、气象信息、实时水文和环境信息等服务。水上便携智能导航系统符合e-Navigation战略概念，具备便携、智能导航功能，以及集合通航、水文、气象等多源信息资源于一体、多个航行软件集成的设计概念，将在未来e-Navigation环境下发挥重要作用。

基于以上背景，本文拟研究和开发一种可运行于手持移动终端(包括智能手机、平板电脑及其他便携式设备)的水上便携智能导航系统, 利用移动终端通信网络的便携性、灵活性，较好地满足以上各种基于电子海图的船舶导航相关应用，实现海图数据和航海通告内容在线实时更新，以较少的投入保障沿海及内河船舶航行安全通畅。

一、水上便携智能导航系统建设目标

水上便携智能导航系统的建设目标为：开发一种可运行于手持移动终端(包括智能手机、平板电脑及其他便携式设备)，以国际标准(IHOS-57、S-52、S-63)的电子海图显示与信息系统为核心，集成北斗、GPS、AIS、罗经、计程仪、测深仪、舵角指示器等多种船载设备，以无线局域网(WiFi、蓝牙等)和3G网络(联通WCDMA、电信CDMA2000、移动TD等)为信息传输通道，辅以语音、视频、短信等多种方式，在任何时间、任何地点实现电子海图数据管理、海图显示与控制、船舶定位与实时标绘、本船导航、船舶动态标绘、航线设计、热点数据播报、航法语音动画提示等功能的水上便携智能导航系统。

二、水上便携智能导航系统的设计及实现

水上便携智能导航系统在基于Windows、Android及iOS系统平台的电子海图显示系统基础上进行SDK封包技术，通过采用空间数据库技术、电子海图显示与操作技术、船载定位设备信号解析技术、面向对象的组件技术、C++语言、手势指令技术、语音合成技术、多媒体动画制作技术、多层次的安全控制机制，并联合海事部门最新的电子海图资源与丰富的热点数据资源，通过移动网络与GPS、AIS、电罗经、计程仪等船载定位设备信号解析器连接，在便携移动平台终端上实现了智能电子海图导航、符合S-57国际标准的电子海图服务、多媒体数据采集及热点信息查询、航路航法动画演示、语音航法智能预报、手稿编注、模拟计划航线等功能，支持海图漫游、无极缩放,提供了复杂水上环境在线和离线模式的电子制图更新服务。

为了确保海图数据的唯一性和安全性，作为航海信息处理平台的水上便携智能导航系统采用Server/Client机制，在服务器与客户机之间，构成一种多缓冲、多数据流、异步、协同的操作机制。海区现势地理信息、水文气象预报信息等依赖复杂的信息处理过程，可由服务器端进行处理并集中存储。与客户应用密切相关的基础信息在客户端存储并适时更新，简单的信息处理在客户端完成。高性能服务器和低速客户机相互配合，以便解决效率和成本之间的矛盾，并为全球范围内的信息共享及全球范围内的信息检索提供条件。

1. 总体框架

用户直接与装有移动3G电子海图系统的移动终端设备(如智能手机、平板电脑或其他便携式设备)进行交互。移动终端可通过自身集成的GPS在电子海图上标绘本船的位置信息，或通过蓝牙接口、WiFi设备获取船舶现有的AIS设备接收的本船和周围船舶动态信息等导航数据，从而实现导航功能。移动电子海图还能通过3G或WiFi接入移动网络，建立与岸基船舶引航信息服务器和海图服务器的连接，实现海图数据的下载更新和船舶引航功能。系统总体框架如图1所示。

图1　系统总体框架

2. 系统网络

数据服务系统网络如图2所示。

3. 系统结构

数据服务软件是基于J2EE构架的客户机/Web浏览器/应用服务器/数据库服务器的多层系统结构，系统逻辑视图如图2所示。J2EE构架是具有跨平台、开放式，易于系统扩充，方便二次开发和应用系统集成等优点的软件体系结构，其实现的主要技术为Java、JavaBean、JSP、Servlet、Pushlet和XML等。

4. 功能实现

水上便携智能导航系统主要针对船舶用户，考虑在基于传统电子海图的基础上，采用便携终端，对船舶用户提供触摸式、方便、快捷、准确、丰富的电子导航产品。根据上述需求分析，系统软件结构设计为船舶导航移动终端子系统、船舶引航移动终端子系统、电子海图数据服务子系统3大模块，支持目前各大品牌的智能手机，如iOS、Android等操作系统的手机或平板电脑，同时也应支持特殊用户群的高性能要求，如使用工业级平板电脑。通信可采用WiFi、3G等功能实现。

(1) 船舶导航移动终端子系统

该子系统包括电子海图显示与控制、多媒体附加信息显示、船舶导航、航线设计、辅助功能等功能。

依据IHOS-52显示标准将电子海图显示在移动终端设备上，用户可对海图进行海图定位、缩放控制、全域漫游、海图背景控制、分层显示控制、海图物标查询、海图旋转等操作；可定制文字、语音、动画效果的附加信息，用于航道航法动画演示、提示船舶用户按规定的航路行驶注意避让等。船舶定位功能需要来自移动终端的内置GPS的定位信息或通过蓝牙接口、WiFi无线局域网获取外部设备如船载GPS、自动识别系统AIS的动态数据获取本船的位置信息。船舶动态查询功能可查询该船舶的航行状态、位置、航速、航向等动态信息。对于装有AIS设备的船舶，导航移动终端通过AIS目标船动态信息实现避碰。用户可设计本船的计划航线，包括新建航线、编辑航线、删除航线、从外部设备导入备用航线等操作。辅助功能包括方位距离计算、锚位指引、偏航报警、走锚报警。

图2　电子海图数据服务系统网络

(2) 船舶引航移动终端子系统

移动终端可以作为船舶安全航行的辅助设备服务于船员，还可以作为引航设备服务于引航员。系统通过对引航相关信息(如船舶进出航道、停靠泊位、计划航线、潮高修正量、船舶静态参数等)进行选择设定，智能获取来自不同传感器(如GPS和AIS)的信息，依据引航员设定的引航作业内容(进/出港)、显示方式、报警环境参量等，智能化地在电子海图上进行船舶(进出港)引航。

系统功能包括海图显示、参数设置(报警参数、引航方向等)、引航跟踪、靠泊跟踪、潮汐查询与修正、引航回放、扩展功能(保存屏幕位图等)。

(3) 电子海图数据服务子系统

电子海图数据服务子系统为船舶安全航行、安全管理等活动提供了必要支持和保障，并为移动终端客户群提供了海图数据搜索、查询和下载等功能，还向多平台电子海图系统客户端同时提供数据共享服务。

电子海图数据移动终端功能包括用户登录、海图搜索(本地和在线两种方式)、海图下载(在线和离线两种方式)、海图数据共享、海图数据管理(导入海图、更新海图、删除海图)、历史记录、兴趣点标注。数据服务功能包括用户管理、权限控制、登录统计、服务信息推送等功能。

三、技术难点

水上便携智能导航系统主要实现将基于船载的ECDIS系统移植到便携终端，同时在传统电子海图的基础上深度挖掘航行区域内水上及两岸对船舶航行相关的有效信息 ，主要有以下技术难点：

1) 系统采用SDK方式开发。将整个海图显示部分封装成SDK，与控制界面分离，以便于界面的更换。为此，需要大量的信息交换接口。

2) 操作模式改变。原有ECDIS系统的操作模式为鼠标或键盘，而平板电脑、智能手机更多使用触摸屏的操作模式。因此，需要调整操作模式。

3) 界面调整。由于手指点击无法如鼠标那么小巧和精准，因此所有界面按钮，列表行及菜单宽度均需要调整重绘，所有界面控件均需重新开发。

4) 语音播报。正常语音播报未完成时，如果用户选择其他提示点播报，或有报警发生，必须中断当前播报，插入新的语音提示。因此，播报功能采用了优先级队列方式。

5) 热点管理。考虑到要建立一个热点库，可能需要经常添加或调整，故重新开发了整套热点管理功能，可以随时人为添加、删除或修改提示点内容。

四、关键技术解决

水上便携智能导航系统主要实现的关键技术突破有：

1) 二次开发包封装技术。将整个海图显示部分封装成SDK，当S57或S52标准发生变化时，只需要改变动态库，即可升级更新程序，无须更改执行文件。

2) 海图数据快速读取。使用内存池，并完善SENC结构，可以在1s内快速读取海图数据。

3) 海图无缝拼接及筛选机制。根据海图比例尺过滤显示海图，当海图无法填充整个屏幕时，智能选择更大的比例尺填充，并具有超比例尺提示；采用比例尺分层技术大大加快了海图显示速度。

4) 定位设备信号解析。可解析GPS、AIS、电罗经、计程仪、舵角指示器、风速风向仪等信号。

5) 语音合成技术(TextToSpeech)的使用。只要输入文本，即可语音播报输入内容。

五、系统特点

水上便携智能导航系统主要有以下特点：

1) 实现了水上导航便携终端技术突破。系统以电子海图显示为基础平台，以便携式设备作为运行环境，依据IHOS52显示标准,加载符合IHOS57标准的官方电子海图和IHOS63(电子海图数据加密标准)，可以准确完整地表达海上各要素信息，确保系统信息现势精确及可靠。与传统固定船载导航系统相比，系统采用新的计算机技术、数据通信技术，集监控和管理于一体,在体积上大幅缩小，安装和使用方便，满足即插即用原则，全屏触控操作，携带方便，固定方式灵活，跨平台技术让系统适用于iPad、iPhone、Android等多点触摸设备，也适用于鼠标交互的Windows桌面应用。

2) 复杂水上环境海图浏览无级缩放。区别于传统海图切片显示方式，水上便携智能导航系统显示和读取的是电子海图矢量数据，可以实现海图触屏无级缩放，始终保持数据的清晰及完整性。采用比例尺分层技术大大加快了海图显示速度。

3) 高度的设备集成、信息集成和功能集成。可连接AIS、GPS、雷达、CDMA通信机，综合处理和运用各种信息，使各设备的作用得到充分发挥，并具有综合优势。系统弥补了独立的AIS设备固有的单屏信息量小、可视化程度低、操作复杂、信息综合利用难等缺陷，使AIS信息得到充分利用，功能得到极大扩充。强大的海图改正功能可通过互联网搜索、查询、下载自动完成电子海图及江图更新，同时提供数据共享服务。

4) 多媒体数据采集及热点信息查询服务。除了必备的电子海图服务及导航功能外，系统还实现了海上多种类型的热点数据服务，支持包括视频、Flash、HTML、图片、文字等多源媒体文件。通过图片文字的介绍，动画、短片的生动演绎多种方式查看周围热点数据的各类信息。

5) 航路航法动画演示。系统以形象生动的动画显示技术替代传统航路指南书籍上呆板的文字，首次通过Flash等软件制作模拟航线及避碰危险物提示，对复杂水域内的航法进行了全面解析，加深船员对船舶周边的环境变化了解及航行途中的注意事项，大大提高了船舶航行的安全性。如图3所示。

图3　大虎航道航法动画示意图

6) 语音航法智能预报。水上便携智能导航系统采用语音合成技术(TextToSpeech)，通过将重点水域和危险水域的航法及警示语句文本输入系统，实现了船舶报警及航路航法语音自动播报，使得航海人员将注意力集中在真正需要的地方，优化航海驾驶。

六、结束语

水上便携智能导航系统是一种可运行于手持移动终端(包括智能手机、平板电脑及其他便携式设备)的具备全新导航概念的电子海图系统，具备定位和导航基础功能兼电子海图和热点数据特色功能，填补了水上电子导航系统中没有语音导航和多媒体热点功能的缺陷，实现了对航行速度、方位、航行报警信息的智能语音播放，能够快捷、便利智能地完成多种导航、查询、规划、引航等需求，能够有效增加电子海图使用效率，带动广大船员用户进一步了解并使用规范的电子海图进行导航，并可提高航行安全，对区域内的海图更新服务结构体系调整有较强的带动作用。

未来电子海图相关应用呈现数据来源多元化、立体化、小型化、网络化和内河水域拓展的趋势，水上便携导航系统将不断优化，将动态潮汐、三维显示引入应用，可定制或整合其他e-Navigation产品，更好迎合未来大数据时代、基于气象数据动态航线计划“智能船舶”发展需要。

参考文献：

[1]齐胜利.基于Android的移动电子海图平台研究[D].大连：大连海事大学，2012.

[2]李学军.ECDIS在未来航海保障体系E-Nav中的作用[J].中国水运，2009(8)：11-13.

[3]沈毅强.电子海图(ECDIS)的应用与发展[J].航海，2015(6)：56-61.

[4]丁振国.基于J2ME的移动电子海图显示系统开发[J].合作经济与科技，2012(2)：120-122.

[5]童笑.基于AIS的电子海图导航系统设计与实现[D].武汉：武汉理工大学，2012.

[6]徐文鹏.基于国际标准的电子海图引擎的研究及应用[D].济南：山东师范大学，2014.

[7]夏启兵.基于电子海图和AIS的iPad移动引航系统研究[J].航海，2015(1)：46-49.

[8]张安民.e-航海中的动态信息服务若干关键技术研究[D].武汉：武汉大学，2013.

[9]陈贵花，王苑红.移动3G海上智能导航系统发展前景研究[C]∥中国航海学会航标专业委员会论文交流.[S.l.]:[s.n.]，2014.

Research of Hydrographic Portable Intelligent Navigation System BasedonMobileTermination

PENG Wen，WANG Liping，CHEN Guihua

收稿日期：2016-03-24

作者简介：彭文(1968—)，女，高级工程师，主要从事海图编制工作。E-mail：13609038376@139.com

中图分类号：P229

文献标识码：B

文章编号：0494-0911(2016)06-0133-05

引文格式： 彭文，王立平，陈贵花. 移动终端的水上便携智能导航系统研发[J].测绘通报，2016(6)：133-137.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0209.