基于长江电子航道图的内河船舶动态信息显示系统研究

陈志强

（长江水上交通监测与应急处置中心，湖北 武汉 430000）

随着全球一体化进程的推进，水路运输活动越发重要，然而随之而来的是对船舶通航安全的重视。目前，我国内河已经建立的VTS、AIS等系统尚未实现全线连接，无法快速、准确地对船舶动态信息进行持续跟踪，导致相关应急救援活动时效较长，错过最佳救援时间，导致不可挽回的损失。基于上述情况，本文以电子航道图为基础，设计了一套内河船舶动态信息显示系统，能够对相关通航信息进行全方位展示。

1 长江电子航道图相关概述

长江电子航道图的作用。长江电子航道图是一种利用现代计算机计算和地理信息技术，将长江航道相关要素进行技术处理，制作而成的内河数字化地图，它整合了航标、碍航物等众多航道基础数据。电子航道图能够帮助船舶避免障碍物和危险区域，确保航行安全。其通常由航海电子设备上的显示屏来展示，这些设备可以通过卫星导航系统、雷达和其他传感器来获取相关数据，并将其显示在船舶上。另外，电子航道图可以显示航道的深度、航标、船只位置和其他重要信息，以帮助船舶驾驶员做出正确的航行决策。与传统的纸质航道图相比，电子航道图的优势在于其实时性和准确性，可以随时更新，以反映最新的航道变化和通航条件。与此同时，电子航道图还可以与其他航海设备集成使用。例如，它可以与自动导航系统配合使用，以自动控制船舶的航向和速度；它还可以与船舶通信系统集成，以实时传输航行数据和航道更新。尽管电子航道图在内河航行中起着重要的作用，但仍然需要船舶驾驶员具备良好的导航技能和判断力。电子航道图只是辅助工具，船舶驾驶员仍然需要依靠自己的经验和知识来做出最终的决策。

2 基于电子航道图的船舶动态信息显示系统设计思路

2.1 系统需求分析

（1）该系统需要获取船舶的动态信息。船舶动态信息是系统实现的重要基础，为了实现这一目标，系统需要与现有的船舶AIS、VTS及北斗等设备及系统进行通信，船舶上的导航设备通常会定期发送船舶的位置、速度、航向等信息。系统通过与船舶设备建立连接，实时接收船舶的动态信息。

（2）系统需要将船舶的动态信息与电子航道图进行集成。系统将船舶的动态信息与电子航道图进行匹配，通过图形化的方式显示船舶的位置和航行状态。为了提高系统的实时性和准确性，系统还需要实时更新电子航道图。电子航道图由长江航道局提供，包含最新的航道信息和浮标位置。系统需要定期从数据源获取最新的电子航道图，并将其与船舶的动态信息进行匹配。

（3）为了方便用户查看船舶的动态信息，系统还需要提供用户界面。用户界面可以是一个图形化的界面，显示船舶的位置、速度、航向等信息。用户可以通过界面进行操作，如放大、缩小地图、选择特定的船舶、到达港口推荐航线等。此外，为了提高系统的可用性和安全性，系统还需要具备一定的功能。例如，系统可以设置警报功能，当船舶出现异常情况时，自动触发警报。系统还可以提供历史数据查询功能，用户可以查询过去一段时间内的船舶动态信息。

2.2 系统结构设计思路

基于电子航道图的船舶动态信息显示系统以长江航道局最新电子航道图为基础，利用数据交换平台实现电子航道图与应急指挥所之间的数据融合的系统。

3 基于电子航道图的船舶动态信息显示系统具体设计

基于电子航道图的船舶动态信息显示系统主要由电子航道图数据库与显示系统两个部分组成。电子航道图作为系统整体的数据源，完成相关信息的存储与转化，而显示系统需要从数据库中获取通航相关数据，并将其展示给船舶驾驶员。

3.1 电子航道图数据库

3.1.1 电子航道图数据库构成

根据实际数据使用需求，可以将电子航道图中的相关数据划分为两大类：一是现有数据信息；二是需要新建的补充信息。现有数据信息需要包括AIS信息、VTS 信息、北斗信息、船员基本信息、船员信息、违规信息、通信设备信息、船舶报港信息、船舶基本信息、船舶动态信息等，该部分信息的获取主要是利用数据交换平台从目前已经建设完成的数据库取得。还需要补充信息包括气象信息、水文信息、专家信息以及搜救力量等应急资源信息、协调单位信息等，此部分信息需要进行专门的收集与整理。两部分信息均利用数据库的形式进行储存与管理。

3.1.2 相关数据处理流程

在船舶通航过程中，需要对相关通航信息进行接收与处理，此功能可以通过利用数据交换平台实现与电子航道图的对接，以接收AIS设备信息、VTS设备信息以及北斗设备信息等。同时利用数据交换平台以统一数据标准实现对数据格式、坐标、时标等的转化处理，实现对点迹、航迹、单航轨迹、航迹跟踪等相关数据进行处理，最后，对相关信息进行存储管理，并向通过显示系统展示给船舶驾驶员。如船舶航迹融合跟踪功能，可以利用静态权重和动态权重相结合的算法对权重进行融合，静态权重负责读取相关文件，动态权重负责对数据延迟等进行调整。利用卡尔曼算法对数据进行处理，实现对船舶航迹的数据跟踪。该方法测得的航迹更加精准，同时能够避免因数据延迟出现船舶位置目标突然跳变的情况。

3.2 船舶动态信息显示系统

船舶动态信息显示系统主要由电子航道图子系统、航道图作业子系统、航道图更正子系统、数据库管理子系统、信息查询子系统以及接口管理子系统、动态跟踪子系统组成。显示系统的航道图数据需要满足IHO S-52国际标准，并符合《长江电子航道图制作规范》《水运工程测量规范》等行业标准，并且船舶驾驶员需要能够对航道图进行相关操作。

3.2.1 电子航道图子系统

航道图显示是该系统最基础的功能，同时也是为通航工作提供相关信息的直接手段。电子航道图子系统能够根据实际情况，实现对航道图的选择、缩放、漫游等基本操作，同时还能够实现对航道图的分层显示、模式选择、背景控制以及光标复位、定位显示、校正等功能。其中航道图显示可以根据船舶通航的实际需求在数据库中选择相关水域的航道图；漫游功能可以实现船舶驾驶员对即将通航水域航道图的提前了解，模式管理可以为船舶驾驶员根据实际通航情况选择如地图显示模式或者S-52模式等；定位显示功能能够实现船舶驾驶员自主定位并显示定位点附近航道图，或者根据报警求救信息位置自动定位并显示航道图。而其他与通航有关的位置信息或者天气信息等都可以在航道图上进行叠加展示。

3.2.2 航道图作业子系统

通过该子系统能够实现多方位距离测量、航道图标绘制以及修改、航线管理等功能。利用航道图作业功能，能够促使船舶航行有效避免恶劣天气带来的不利影响，同时实现对航线的绘制，并根据实际情况，选择对既定航线进行修正。船舶驾驶员可以利用航道作业子系统实现对通航过程中各种要素信息的查询。

3.2.3 航道图更正子系统

该子系统具备身份验证、航线手动更正、自动更正3个主要功能。在船舶驾驶员需要对航道图进行更正时，需要利用身份验证功能，对船舶驾驶员的合法操作权进行验证，只有在验证通过后，才能对航道图进行更正、修改、保存等操作。其中手动更正功能主要是通过航道图更正工具进行操作，手动更正航道图需要严格按照标准进行操作。而局域网用户可以直接利用自动改更正功能进行航道图更正。

3.2.4 数据库管理子系统

数据库管理子系统包括身份验证、数据导入、数据修正以及数据备份等功能，在使用该功能前，需要对操作者的合法操作权进行验证，利用相关数据导入工具，能够将矢量海图数据、光栅海图数据、港口及设施、水域的气象及水流/波浪等数据以及其他属性数据与航道等相关信息或者全域地图数据导入数据库管理子系统中进行保存，方便随时取用。

3.2.5 信息查询子系统

船舶驾驶员可以通过该子系统实现对指定区域内的船舶动态信息以及通航情况的详细信息进行查询。可查询的相关信息包括船舶的基本信息、船员基本信息、通信设备信息、船舶动态信息、危险品规则信息等。与此同时，还能够实现对求救船舶的相关信息查询，如专家信息、气象信息、水文信息、搜救力量信息、协调单位信息、应急资源信息和通航环境等。

3.2.6 接口管理子系统

该子系统能够对GPS、VTS、AIS、北斗等相关设备的接口进行管理。如通过GPS、北斗等接口，能够读取设备给出的船舶通航过程的动态信息等；利用Inmarst-C/F接口，能够实现对船舶的动态信息显示系统的各类运行参数进行配置、修改等操作，同时，还能够实现通航过程中与港口信息实现岸船通信。

3.2.7 动态跟踪子系统

通过该子系统，船舶驾驶员能够在显示系统上直观地看到船舶通航过程中的航向、航速、位置等动态信息，除了能够实现对自身船舶信息的显示外，还可以对一定范围内其他船舶的动态信息进行显示，避免出现碰撞事件，对于目标船舶的动态或者静态信息，可以按照实际使用需求进行区分，并且能够实现对自身或者目标船只的历史航行轨迹查询与显示。

4 基于电子航道图的船舶动态信息显示系统测试与结果

通过对该系统的实际测量，可以确认电子航道图的主界面能够实现对通航附近的如水深、水文信息、水流方向以及岸线信息等相关信息的直观展示，并且船舶驾驶员在具备合法操作权限的基础上，可以对上述信息进行查询、操作。另外，在实际测试过程中，也对一定范围内的船舶通航情况进行了测试验证。该系统能够实现对本船只通航范围内，其他船舶的经纬度信息以及船向、航向、航速等相关信息的显示，能够为船舶驾驶员提供良好的通航安全保证。另外，通过本系统的船舶动态信息跟踪子系统，能够接收一定范围内的求救信息，包括求救信息的相关船舶形式信息以及预计到达所在地的时间等相关信息。而上述功能的实现，能够有效减少在船舶发出求救信息后相关部门收集信息的时间，实现对求救信息实时收集，自动处理，极大程度上提高了相关部门的应急响应速度，有效地保证了船舶通航以及船员的人身安全。

另外，该系统配置的相关工具功能，可以有效地对电子航道图进行选择、缩放、查询、测距、更正以及航道图下载，打印等功能，极大程度上提高了电子航道图的可操作性与可读性，使得应急指挥工作更加便捷、快速。通过测试，结果显示，区域性的较大电子航道图的加载时间在15s内，单幅航道图能够在4s内完成加载，并且每秒对电子航道图进行一次刷新，每2～4s对船舶位置进行标绘，同时利用船舶自身的动力系统，能够实现该系统的全天候运行。另外，该显示系统具备较高的显示精度，其中电子航道图的航向等信息精度到小数点后一位，航速信息精确到小数点后1位；电子航道图的比例尺可以实现1:2000～1:500万之间的调整。

5 结语

综上所述，目前国内的船舶通航管理工作日趋复杂，船舶的动态跟踪信息分布于各个系统中，无法形成统一的、直观的获取。而本文所设计的船舶动态信息显示系统，实现了对电子航道图、VTS系统、AIS系统、北斗系统的连接整合。利用数据交换平台，能够实现在电子航道图中对船舶通航的实时信息进行动态跟踪以及实时显示，同时还能够根据实际情况，对电子航道图进行更正等。上述功能的实现，为我国船舶通航应急反应与应急救援指挥工作提供了良好的信息支撑，对于提升应急指挥效率有着重要的推动作用。