面向船舶智能航行系统的信息服务标准化实现方案研究

岳博文，田为民，王 宝，王高峰

（交通运输部北海航海保障中心天津通信中心，天津 300456）

0 引言

2018年我国三部门联合印发《智能船舶发展行动计划（2019-2021年）》，2019年七部委联合印发《智能航运发展指导意见》，同年3月，中国开启了“基于岸基协同的船舶智能航行与控制关键技术”的研究，以期引领和指导智能船舶航行领域发展。因目前智能航运领域发展程度还不高，智能船舶与非智能船舶将长期并存，在信息服务方面二者所需主要信息种类虽基本一致，但智能船舶更需符合机器理解的语义表述和信息标准，此外，岸基管理服务平台还需AIS信息、航标遥测遥控信息等，这些信息的来源、格式、传输途径庞杂不统一，多途径的异构信息源难以高效匹配各有所需的信息使用者。在这种情况下，建立一套统一规范的信息标准可供智能船舶使用、可使信息整合高效便捷，就显得十分重要。

国际海道测量组织（IHO）提出的S-100标准目前只给出了结构框架，并没有数据格式的具体标准，智能航行领域尚无通用的信息服务标准，因此，需结合现行其他信息标准和实际使用需求制定一套完整的针对智能航行的信息服务标准，且应充分考虑标准的服务对象。如图1所示。

图1 智能航行信息标准服务对象

1 信息标准化实现方案研究

1.1 信息分类

智能航行具有数据量大、来源多、变化快等特点，需要高效的管理和传输支持，其中，海上安全信息、交通组织信息、航线计划信息、水文气象信息、航行控制信息为必不可少的关键信息类型，参照e-航海标准数据框架的S-100协议并根据中国船岸协同智能航行技术研究需要，确定了包括助航标志、碍航物等在内的可用于实际信息交换的15类信息服务格式。

1.2 信息格式标准化

标准化生成主要是对各种信息按一定编码规则进行标准化的数据库生成，便于系统规范应用和传输，满足智能航行系统快速、便捷、规范接收和应用。下面从结构化的二进制格式标准和可扩展标记语言XML格式标准两方面，对智能航行信息进行标准化实现。

1.2.1 二进制格式标准化

相较传统语音模拟信号传输和文本传输，二进制报文传输具有诸多优势，目前我国有关二进制化的海事服务信息的行业标准有《船舶自动识别系统（AIS）中国区域二进制信息技术规范》（JT/T 1276-2019），该标准以二进制形式规范了AIS中国区域二进制应用信息的结构、分类和编码规则。从智能航行信息支持需求来看，选用6号寻址报文作为标准基础更为合适。该标准规定的AIS二进制报文由三部分组成：标准AIS的数据帧格式；应用标识符（AI）；应用数据（长度可变）。由于是现行标准，考虑到数据标准衔接性，对于数据帧格式部分及应用标识符（AI）部分不做改变。应用数据部分则有如下不足需变更与补充：信息规则种类有欠缺；语义结构上无法充分满足航行警告类信息服务；规则内部给出的内容种类不足，且预留的可拓展比特位也不足以满足要求。

下面以助航标志类信息标准化方案法为例，讲解上述3点的修改办法，修改前后对照见表1及表2，解释见表后文段。

表1 航标工作预报编码规则

表2 视觉航标状况编码规则（新增）

语义结构及信息规则方面的修改补充重点参照《中华人民共和国航行警告标准格式》（GB 17577- 2009）以及新版送审稿，按照“主体、地点、主述、时间、补充”的语义结构划分，对原有类别进行调整：将表1中的“状态”改为“分类”，并划分为视觉航标状况、视觉航标动态、无线电航标三类，新增相应规则（其一见表2），内容按照国标，添加熄灭、灯光失常、损坏、移位等7个内容；此外根据16类信息服务实际需求，需逐个进行规则补充，此处不再一一列举。笔者将全部的16类信息进行了二进制的标准化，形成完整的二进制格式标准方案成果（略）。

模拟信息二进制标准化后具有如下优点：一是传输效率大大提高，仅需几个比特位即可完成传输，适合海上带宽不足的情况，还可满足智能船舶低时延、实时性高的信息需求；二是规范化，异构数据的描述方式均被惟一化；三是易于机器理解，方便智能船舶使用以及软件二次开发；四是易修改易拓展，未来可通过增减规则类别、使用预留扩展位、拓展比特位数等方式满足变化的需求。

1.2.2 XML格式标准化

XML即可扩展标记语言，它独立于平台和应用，可解决异构数据交互及共享问题，较于二进制格式其更适合宽带系统的信息传输。XML同时也是IMO确认采用的S-100标准中推荐使用的用于进行不同接口间技术交换和模型描述的标记语言。

因目前尚无可参考的具有完整体系的XML格式的智能航行行业标准，所以在标准化过程中，依旧以JT/T 1276-2019、GB 17577-2009以及其最新送审稿为标准依据，并结合二进制标准化成果进行架构。

XML标准化首要工作就是将16个海事服务信息内容层次化、结构化，下面以GB 17577-2009航警标准中的视觉航标动态语义结构表为例。如表3所示。

表3 视觉航标动态

根据表3的基本内容，保留原本的5结构划分方式，将各部分内容进行归类，将同一类信息总结成一个元素名，并且确保元素种类足够覆盖所有原内容，总结后的元素名如表4所示。

表4 视觉航标动态元素

而后对每一个元素再进行细化完善，并补充消息ID等标志元素，最终形成完整的元素结构。如图2所示（部分元素展开略）。

图2 视觉航标动态类XML元素结构

元素结构完成后，需通过比对现有标准逐一确定元素的类型、取值、值限制等内容，保证充分满足要求。以灯光“颜色”元素为例，因其具有离散取值范围，所以类型定为simpleType，并逐一列出可能的取值：“白、红、绿、黄、蓝、黑”，值类型为string，又因其可以出现黄/蓝等颜色组合，且非“主述内容”元素的必要值，所以最小出现次数为0，最大不做限制。需注意的是，XML结构定义文档为英文，专用名词及表述方式当遵守GB 17577-2009中的英文标准。逐一对16类信息进行加工，即可形成完整XML结构定义文档（成果略）。

XML格式标准可解决多源异构数据汇聚及多样化信息服务输出等问题；相较二进制标准格式，其更适合高带宽信息传输环境，信息更具可读性，信息接收方、平台接入方无须对照表即可知晓信息含义；此外，XML格式也兼具机器易于理解、易修改拓展等优点。

2 应用拓展和前景展望

2.1 海岸电台数字化

当下中国的海岸电台数字化仅实现了传输信道或载波调制的数字化，而未实现信息本身的数字化，航警信息在传送各环节中还无法做到语义识别和自动转发，信息传输速率还有较大提升空间，本文给出的二进制信息标准化实现方案或可为当下海岸电台数字化改造提供参考。

2.2 定制化信息服务

经本文提出的方案标准化后的海事服务信息，不论是二进制格式还是XML格式，均可同时“标签化”，每条信息都可以提炼出若干信息标签，通过对包含特定标签的信息筛选、归类、封装，可以形成具有特定价值、指定范围的信息集，结合北斗系统的高精度定位及授时功能，从而提供高定制化信息服务。

3 结束语

“智能航运”是我国实现交通强国、航运强国的重要抓手，而高质量的通信信息服务则是智能航海保障的重点和难点，本文面向对智能航运背景下基于船岸协同的船舶智能航行的信息服务需求，从二进制格式传输和XML格式传输两方面给出了信息标准化实现方案，并对方案优势进行了分析，同时也为方案在其他领域应用进行了拓展和展望。