一种智能航行岸基气象服务系统的设计*

（中船航海科技有限责任公司 北京 100070）

1 引言

在大宗商品的交易过程中，海洋贸易一直以其高性价比，高效率和环保占据优势，承担着将近百分之九十的世界贸易运输量。但全球航运市场却自2008年以来经历了前所未有的寒冬［1］，而且随着生活水平的提高，不少年轻船员“弃海上岸”，逐步放弃这个枯燥乏味而又危险的古老行业；船员工资水涨船高，已成为船东最大的支出成本之一。海上事故频发，位于德国慕尼黑的安联保险2012年公布报告称：75%～96%的海上事故是人为错误导致的结果，而且常常都是疲惫致使。近年来，信息、计算机、通信、网络、新能源、人工智能等技术的发展以及物联网、大数据、综合船桥系统和信息物理系统的应用，大大推进了船舶智能化的进程，使实现真正绿色、安全、高效、无人化的智能船舶［2］成为可能。智能船的研究已经成为整个航运市场的热点话题，虽然目前船舶驾驶拥有卫星导航、导航雷达、电子航道图和自动舵的辅助，但船舶还远未实现智能化。

2 智能船国内外发展现状

近年来，在全球智能制造兴盛的背景下，国内外大量研究机构和公司开始了船舶智能化甚至无人船的研究，力争抓住智能船这一时代契机。

欧盟的MUNIN（海上智能无人驾驶航行网络）项目，主要目标是展示一艘自主无人船舶的可行性。除此之外，该项目还旨在开发独立船舶的各个组件，以便可以对现有船舶进行改造，从而在短期内提高其技术或航行性能。

我国在智能船领域已经走在了世界的前列，中国自主研发的全球首艘获英国劳氏船级社（LR）和中国船级社（CCS）双船级社认证的智能船舶Idolphin 38800吨智能散货船“大智”轮于2017年12月5日在中国国际海事会展上正式交付。该船获得LR的智能船符号CYBER-SAFE、CYBER-PERFORM、CYBER-MAINTAIN和CCS智能船符号I-SHIP（N M E I），技术性能达到世界领先水平。在标准和规范方面，中国船级社分别于2015年发布了《智能船舶规范》［5］，以规范和引导智能船舶发展。

3 船-岸系统架构设计

智能航行作为中国船级社《智能船舶规范》中所规定的六大智能系统之一［6］，通过传感器、通信、物联网、互联网等技术手段，在传统的船舶导航基础上利用计算机技术、控制技术等对感知和获得的信息进行分析和处理，对船舶航路和航速进行设计和优化。航路设计和优化一般由船载系统和岸基支持中心组成，在优化过程中需要充分考虑风、浪、流、涌等气象数据的因素。

实现智能航行的基础是气象服务，传统的气象导航产业［7～8］，都是航运公司向气象导航公司如WNI、AWT、MeteoGroup等直接购买其气导服务，气导公司仅仅根据气象条件提供一条整个航程中航速不变的航线，所提供的航线也有可能会跨越岛礁或者浅水区，需要手工去修正这些航线，不仅效率低下而且不得不进行绕行，传统气导能够带来的收益及其有限。但智能航行除了需要考虑气象因素外，还要实时感知船周围的各种传感器状态，有独立思考的“大脑”，根据自身的状态来自动调整航行策略，还可以根据实际情况在不同航段调节相应的航速和进行自动避障，而且具备在整个航行过程中持续优化航线的能力。

根据智能航行的定义和要求，需要船-岸一体化协同工作，设计一种岸基提供基础气象服务，船端智能航行进行实时信息感知、处理和决策的系统。图1中所示的架构可满足《智能船舶规范》中智能航行的基本功能——航路设计和优化。

图1 智能航行船-岸系统架构示意图

智能航行系统由船端系统、通信系统（VSAT或其他通信网络）、岸端气象服务系统构成。

磨矿是选矿过程中的一个重要环节，尤其是对硫化矿来说，磨矿会使其矿浆性质(如矿浆电位、pH)产生较大的改变[1]，这些改变对浮选回收率起着至关重要的作用。因此，磨矿对方铅矿矿浆电位及浮选行为影响的研究十分必要。

智能航行系统（船端）：用于接收岸端气导数据，采集传感器实时数据，结合船舶技术参数、航次参数等综合运算并输出推荐的航线和航速。

岸基气象服务系统（岸端）：负责从气象数据源获取气象数据，并根据船端上传的船舶状态进行裁减，压缩处理后发送到船端。

岸端通过Internet网络从气象数据服务商下载气象数据文件，并拆分成区域气象数据文件存储在岸基服务器中；船端在设置好船舶参数、航次参数后向岸端请求气象数据；岸端接收到船端的气象数据请求之后，根据航次的航行区域通过卫星通信系统下发区域气象数据文件到船端，船端利用气象数据进行航线的设计和优化工作，进行航线避障等处理，输出推荐的优化航线。在船舶航行过程中，会定期根据航行位置、最新的气象数据信息对航线进行动态优化。每次优化后的航线都应送入ECDIS系统中进行航线安全检查。

此外，船舶应配有导航测量子系统，在航行过程中，船端系统收集实时导航信息，船端将本次航行中所采集的测量信息上传到岸基服务站，用于积累航行数据，为未来大数据分析做准备。

4 智能航行岸基气象服务功能设计

智能航行岸基信息系统统采用分层结构设计，系统由客户端、业务层和数据层组成，其设计架构如图2。

客户层包括气象数据源和后台管理两个部分。

气象数据源是指提供全球气象和海洋预报数据［9］下载服务接口的外部系统，例如NOAA、ECMWF、海洋局、国家气象局等可选数据源。后台管理是指岸基服务站的后台管理中心人机交互界面，属于Web前端，可通过浏览器访问。

图2 智能航行系统岸基架构示意图

客户层主要通过http协议与岸基服务站的业务层web服务进行交互。船端通过向岸基服务器发起http请求，进行气象数据下载、午报和航次总结报告提交、优化航线数据和其他航行数据上传等操作。岸基服务器主要通过http协议从气象数据源下载气象数据。后台管理中心Web端［9］采用Ajax开发技术，以实现网页异步刷新，HTTP+CSS+JS组合开发语言。

业务层划分为控制层、业务逻辑层和基础服务层。控制层实现服务端的http连接管理、会话保持、参数解析、数据包打包和解包处理等功能，以便与客户端进行交互。控制层在物理上是基于Java web 技术开发的一系列 Servlet［10］，这些 Servlet实现与客户端之间的交互界面，交互背后的业务处理、则通过调用业务逻辑层Java Class实现。业务逻辑层主要利用基础服务层中的各种服务对业务逻辑进行Java Class封装。控制层通过调用这些Java Class实现交互服务中的业务处理逻辑。业务逻辑层的主要组件包括岸基服务的一系列功能：参数设置、后台服务、服务监控、航次分析和系统管理。

数据层包括数据访问层和数据存储层。数据访问层提供MySQL数据库和数据文件的读写操作组件，数据存储层采用MySQL数据库服务器进行关系型数据的存储。

在岸基气象服务中心的设计过程中涉及到以下核心问题。

4.1 气象数据区域划分

船岸的远洋通信受限于卫星的稳定性、带宽和价格等因素，目前主流的通讯方式包括商用通讯卫星 VSAT［11］和海事卫星 Inmarsat。在向船端下发气象数据的过程中，应尽量压缩传输数据量来降低数据传输失败率并降低卫星使用费用。为达到这一目的，同时便于数据管理和存储，应设置一个简单的规则，将全球气象区域进行拆分，尽可能保证全球主要商船航线跨越较少的区域，默认划分为14个航区，如表1所示。

表1 全球航线气象区域划分表

4.2 气象数据源选择

岸基气象服务系统以一定的时间间隔（时间可设）检查下载源的数据更新情况，如有更新则将气息数据文件下载数据到岸基服务站。近几年来气象预报准确度和精度在不断的进步，一些气象机构如NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration）也向公众开放了免费的气象数据接口，进一步使得气象数据服务的成本降低。

一般对于船舶航行影响较大的气象因素包括风、浪、涌浪和洋流等因素，可选择的公开气象数据源［12］包括GFS［13］（Global Forecasting System），WW3，RTOFS，ECWMF等。

GFS全称Global Forecasting System，是由美国国家海洋和大气管理局NOAA推出的全球数值天气预报计算模式，可以获取风、气压、浪、500hPa、气温等数据；WW3则是由美国国家环境预报中心NCEP基于WAM模式思想开发的第三代海浪模型，可获取风、浪高、风浪向、风浪周期等数；欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）可以提供风、浪、气压、降雨等数据；RTOFS是基于混合坐标大洋环流模式（HYCOM）［14］的全球洋流预报系统。

除以上气象数据源外，系统可以自定义数据源访问地址，获取其他气象数据源的数据。并可根据实际应用情况自定义选择气象数据的精度和预报时效。气象数据源设置如图3所示。

图3 气象数据源界面示意图

4.3 气象数据下发及与船端系统的交互

系统时钟按照设定的数据获取规则，定时触发气象数据下载程序到对应的网站下载气象数据到岸基服务站。然后将下载的气象格点数据文件进行拆分、解码处理，并加载到本地数据库。

船端智能航行系统通过VSAT终端设备或其他通讯设备建立卫星通讯链路，接入互联网，向岸基服务站发送气象数据Http请求，岸基服务站根据请求参数返回相应区域范围和时间范围内的气象海洋预报数据。具体处理流程说明如下：

1）船端智能航行系统启动初始航线优化和动态优化；

2）计算航线优化区域，并确定当前时间所在的气象预报数据发布时间区间；

3）检查船端是否存在该优化区域、时间区间的气象预报数据；

4）如果存在，则直接采用这些气象预报数据进行优化计算；否则以船舶license（在部署智能航行船端系统时会为每一条船舶生成唯一的license并将其存储于岸基的数据库中）、该时间区间、该优化区域作为参数，向岸基发起气象预报数据下载请求；

5）岸基接收船舶发出的气象预报数据下载请求后，首先进行license验证，如果验证不通过，则返回出错代码。如果验证通过，则根据时间、区域范围进行气象预报数据的切割、打包，压缩成气象预报数据文件，返回给船端；

6）船端接收岸基返回结果，更新本地的气象预报数据文件，再读取气象预报数据进行优化计算。

4.4 航行数据收集

我国是海洋大国，拥有大量的船舶，之所以在船舶智能导航领域与世界先进水平有所差距，其中很大一部分原因就是不注重航行数据的积累，缺乏真实数据去训练算法模型去提高航线规划的准确性以及最大程度保障航行安全、减少能源消耗、增加经济效率和实现绿色航运。在大数据和人工智能的时代，拥有数据对于一个行业有决定性的意义。为此岸基气象服务系统应具有数据收集接口，船端智能航行系统收集船舶航行期间的各类信息，包括但不限于船舶的位置、地速、水速、艏向、航向、风速风向、浪高浪向、涌浪、洋流、吃水、纵横摇、转速、油耗、载重等信息，按照一定的时间频率将数据回传至岸基，岸基服务器将数据存储到数据库中，为后续展开大数据分析奠定基础。

5 结语

目前岸基系统仍有较多需要改进的地方，气象数据虽然按照区域下发可以减少数据传输量，但数据仍可利用算法进行进一步的压缩；岸基系统的功能较为单一，后续应加入全时段支持中心，以应对恶劣天气的航行和应急事态的处理。近年来卫星通讯及5G技术发展迅猛，预计很快会打破船岸通信的限制条件，船舶岸基服务中心的建设将是大势所趋，Rolls-Royce岸基运营测试中心已经在建造中并计划2020年完工。未来的岸基系统将不仅仅局限在气象服务，还具备提供航行规划服务，能效管理服务，健康维护服务和故障排除服务等内容。