长期以来，船舶只能依靠海图和航海图表等资料获取静态的海上环境信息，给船舶航行带来潜在威胁。随着信息化海洋测绘技术的发展^[1]，海量地理信息极大补充了船舶导航所需的信息材料，为船舶提供实时动态化和基于位置的服务是航海领域的重要发展方向^[2]。

在海上航行过程中，船员一般通过电子海图显示与信息系统(electronic chart display and informa‐tion system, ECDIS)、船舶自动识别系统(automatic identification system, AIS)、雷达等船载设备、纸海图和航海图表获取和判别船舶位置及海上环境信息，通过NAVTEX等设备接收、打印海上安全信息^[3]。上述模式的主要弊端包括但不限于以下几点：①海图等航海图书资料从数据获取到最终发行和应用之间存在较大的时间差，这些信息资料事实上是对过去的一种描述。虽然海事机构会定期发布航海通告/改正通告更新这些资料，但更新所用的数据仍存在时间差问题^[4]。②船舶泊位到泊位的航线(航行计划)通常依靠船员人工制定，所依赖的材料均为静态信息，同时也没有一种有效的航线检查手段检验航线的正确性。③基于NAVTEX的海上安全信息的接收显示不直观，纸质打印的技术方式落后。④海上安全信息的播发以区域为单位，未能按需提供，可能在船端产生垃圾信息^[5]。⑤海上实时变化的自然和人为事件难以及时被获取，官方无法及时向船舶播发最新消息。

无论是海图、航线还是海上安全信息，它们都是基于位置的信息。海图提供了现实世界海洋自然和社会地理事物的计算机图形化抽象信息^[6]，航线和海上安全信息是基于位置的辅助决策信息。如果能将这些信息以一种协调的数字化方式叠加显示在同一个窗口中，利用实时采集的潮汐水位对海图进行更新，并为船舶提供实时的海上动态安全信息，这无疑会大大提高船舶的航行安全性。

为此，本文将地理信息数据服务技术应用于航海，依托现有的通信网络基础设施，建立了一种通用的岸到船、船到船的地理信息服务运行体系，通过搭建岸基地理信息服务发布平台、改造ECDIS和制定数据服务标准，开放航海信息服务推送和订阅接口，为船舶提供实时在线、基于位置、环境感知、按需服务的智能化航海信息服务。

1 航海信息服务运行架构

航海信息服务架构由岸基地理信息服务发布平台、地理信息服务、服务应用终端、通信链路、管理门户、数据源及数据采集等部分组成，见图 1。

岸基地理信息服务发布平台是系统运作的核心，负责各种动静态数据的管理和维护、服务算法设计和维护、服务编排和发布、处理终端报警以及服务订阅与处理等。

地理信息服务由六个大类、数十个小类构成，涵盖了船舶在航行过程中可能需要的绝大部分导助航安全信息，同时服务可基于位置、基于环境感知主动推送或根据船舶订阅按需发布。

地理信息服务终端主要由船载ECDIS设备、移动设备和个人计算机(personal computer, PC)设备构成。ECDIS设备可以通过3G/4G/WiFi/AIS通信链路与岸基服务进行通信，获取地理信息服务，并在ECDIS中处理和显示，同时也可以登陆服务门户注册用户和船舶、订阅服务等；移动设备端可以利用自带的导航定位模块基于岸基平台提供电子海图服务以及利用智能航线实现自主导航；PC设备端提供了处理和显示地理信息服务的能力，可以在岸上实时监控自己关注的船舶。

通信链路可以依靠地面完善的通信网络基础设施实现岸与船之间的数字化通信，船与船之间的AIS通信，并可以自由切换。服务门户是用户可以登录和维护个人信息的网站系统，门户可以处理用户和船舶的注册、服务的订阅、服务的应用程序接口(application programming interface, API)及服务规范、WebGIS连接及其他发布的海上动态信息。

数据采集是岸基服务平台数据库的数据源获取方式，数据类型主要有测绘数据、观测数据、GIS空间分析数据、第三方接口数据、AIS基站数据、实时交通流上报数据等自发地理信息(volunteered geographic information, VGI)^[7]及海事机构发布的航行警告和航行通告。

2 地理信息服务分类与实现 2.1 服务分类

船舶在航行过程中会受到各种自然、社会因素影响。如，潮汐、潮流、风向会影响船舶的航向和轨迹；风暴、海浪、大漩涡、大雾、海藻、冰层等可能导致船舶的颠覆；海图资料不明确或缺少航行区域最新资料可能导致触礁、走错航道、撞船、撞桥等危险，甚至遭遇海盗的威胁^[8]。根据上述风险类型，本文将海上地理信息服务划分为6种类型，见表 1。

海上安全信息服务、智能航线服务、避碰预警服务、船舶动态信息服务、航行规则服务均是基于位置的服务，具有地理信息的基本特征。数字航海出版物服务不是严格意义上的地理信息服务，它是对传统海图和航海图表的一种数字化补充，提供的服务数据本身带有地理信息特征。

为了提高服务的准确度，本文把每一个服务类型划分成更多子类型：①海上安全信息服务包括航行环境信息、航行警告和航行通告、气象和天气预报和警告、水文信息4类子服务^[9]。②智能航线服务包括推荐航线服务、航线交换服务、航线检查服务。推荐航线服务根据船舶提供的船舶参数及始发地和目的地位置，自动生成最佳航线。航线交换服务允许船舶之间交换各自的航行计划。航线检查服务可以对船员在ECDIS上绘制的航线进行检查，如果航线与岸基服务平台的不符，则发出相应的警告。③当两船在特定距离阈值范围内即将会遇时，避碰预警服务会向两船分别发送警报信息。④船舶动态信息服务用于查询船舶的静态和动态信息，如船舶基本情况、位置、当前航线计划、历史航行轨迹等。⑤航行规则是特定于港口、航道及其他交通水域的航行方法，航行规则服务告知船舶在指定区域范围内如何行驶或靠泊。⑥数字航海出版物服务提供了数字版的航海图表，同时支持电子海图的在线更新和船舶进出港报告。

2.2 数据服务交换标准

地理信息服务是一种数据服务，需要数据标准对其进行约束^[10]。本文为每一种服务均定义了相应的服务规范。服务规范定义了服务的概念、用途、逻辑数据结构、数据编码、网络服务协议、数据接口和资源地址等内容。

服务规范是岸基平台和服务终端系统可以互相识别彼此信息的语言。基于服务规范，岸基平台和服务终端系统就可以同时编码开发各自的功能，而不需要等到岸基发布系统完成后再开始着手开发服务终端系统，缩减开发周期^[11]。

逻辑数据结构利用统一建模语言(unified mod‐eling language, UML)类图和表格进行定义，采用JSON(JavaScript object notation)和XML作为编码格式，采用表述性状态传递(representational state transfer, REST)和消息队列遥测传输(message queuing telemetry transport, MQTT)作为地理信息服务网络服务协议和数据接口，分别用于服务查询/推送和订阅/发布。船舶可以根据本身的航行路线、船舶配备以及对海上环境的认知自行决定订阅哪些服务；岸基服务发布平台会根据船舶订阅情况按需推送服务，从而避免产生不必要的垃圾信息。而对于极其重要的、对船舶构成威胁的信息，无论船舶是否订阅了服务，岸基发布平台均会基于船舶的位置将信息主动发送给船舶。

终端系统通过REST协议向岸基系统发送服务请求(数据查询)，岸基系统接收服务请求后对终端系统的身份和请求信息进行识别，根据识别结果返回服务数据。终端系统通过MQTT协议向岸基系统发送服务订阅请求，一旦握手成功，双方建立持久性连接，采用双工模式进行彼此间的信息交换^[12]。支持订阅的服务包括船舶动态信息服务、数字航海出版物服务、避碰预警服务以及航行规则服务。在这一过程中，终端系统向岸基系统发送的是带有参数的统一资源定位符(uniform resource loca‐tor, URL)，即服务的数据接口地址。由于服务类型过多，为了简化参数，每一种服务均只需要传递PARAM和KEY两个参数。PARAM参数是对每一种服务具体参数的封装，包括JSON和XML两种格式。KEY参数是岸基地理信息服务发布平台根据船舶的注册信息随机生成的128位高级加密标准(advanced encryption standard, AES)密码，用于识别船舶的身份和服务权限。

2.3 推荐航线服务算法设计 2.3.1 算法基本原理

推荐航线服务是本研究中较为特殊的服务，推荐航线服务是一种关于两点间最优路径选择的问题^[13]，需要利用GIS和数学算法对其进行实现。

本文采用预处理后的A^*算法作为推荐航线的生成算法。A^*算法是一种静态路网中求解最短路径最有效的直接搜索方法，也是解决许多搜索问题的有效算法。算法中的距离估算值与实际值越接近，最终搜索速度越快^[14]。其公式如下：

$ f(n)=g(n)+h(n) $

(1)

式中，f(n)是从始发港到航迹点n到目的港的最佳距离预测；g(n)是在从始发港到航迹点n的实际距离；h(n)是从航迹点n到目的港的最佳路径的距离预测。最短路径(最优解)的选取关键在于函数f(n)的选取(或者说h(n)的选取)。以d(n)表达航迹点n到目的港的距离，那么h(n)的选取大致有如下3种情况：①若h(n) < d(n)，搜索的点数多，搜索范围大，效率低，但能得到最优解。②h(n)=d(n)，即距离估计h(n)等于最短距离，搜索将严格沿着最短路径进行，此时的搜索效率最高。③若h(n)>d(n)，搜索的点数少，搜索范围小，效率高，但不能保证得到最优解。

2.3.2 算法规则

在算法基本原理的基础上，本文在算法实现过程中进一步作如下约定：

1)算法首先考虑若干静态和动态参数，包括船舶信息(长、宽、吃水、左右侧安全距离、净空)、港口吞吐量、航海通告、海上安全信息(气象、水文条件)以及航线内的交通规则。

2)查询航线知识库，如果在两个泊位间已存在历史航线，则优先选取该航线，并根据参数进一步优化调整。

3)如果不存在历史航线，则根据A^*算法查询最短路径，并根据参数进一步优化调整。

4)碍航物(礁石、沉船、障碍物)、浅水区等电子海图中的要素信息在A^*算法中视为“墙”，需要绕道。

5)当船舶转向超过10°，避让以及到达指定航行节点时，推荐航线应自动生成航迹点，指示相应的时间、航速以及预计通过的时间等信息。

6)推荐航线进一步根据港口航道的交通规则(分道通航制)进行调整。

3 实验和结果

本文采用系统模拟和实地测试两种方式对部分服务进行验证。

1)海上安全信息服务。本文假定船舶在图 2中锚地符号区域停泊，并计划沿左侧航道穿过上方桥梁(灰色平行线)前往下一目的地。当船舶启航时，就会接收到航行通告信息，并在ECDIS中进行提示。标识为MSI的红色区域内在指定的时间范围内有新船试航，通知来往船舶在途经此区域时要开启AIS和VHF 16频道守听相关信息，注意瞭望和避让。

2)推荐航线服务。实验船舶从新洲码头出发，目的地为新沙港，设置船舶参数：最大吃水1 m，净空高20 m，左侧安全距离4 m，右侧安全距离10 m。通过请求推荐航线服务，得到了图 3所示的推荐航线。图 3中实线代表船舶左侧和右侧的安全距离，虚线代表实际船舶航线，其中，WP_X是航线的航迹点(为便于查看，未将整条推荐航线截图，由于显示比例尺过大，航迹点在屏幕中会有重叠)。船舶在驶出新洲码头后，在WP_3附近发生转向，向WP_5方向行驶，慢慢驶入官方航道中，在WP_7附近发现沉船碎片，船舶调整航行方向至WP_8。根据船舶的行驶速度，航迹点下方的预计抵达日期每20 s更新一次。

3)航行规则服务。实验船舶在驶入榕树头水道时，接收到订阅的航行规则服务信息。查看后发现，船舶处于环形通航区，红色填充区域代表限制进入，绿色代表准许通行。当船舶靠近限制进入区域0.5海里范围内时，ECDIS发出警告信息。航行规则服务测试结果见图 4。

4 结束语

鉴于当前船舶获取信息方式的局限性，本文将地理信息服务技术应用于航海领域，从运行架构、服务分类、服务标准及服务算法等方面论证了理论与技术的可行性。经测试，基于位置的地理信息服务可以补充船舶获取信息的方式和内容，为船舶提供泊位到泊位间的全程保障能力。船舶可以依据需求订阅不同的数据服务，从而满足个性化的航海需要，避免了传统手段中可能出现的垃圾信息。

数据标准仍是限制地理信息服务在航海领域应用的关键因素。多源信息在船岸交换、船载终端的交互处理与综合表达均需要一致性标准。随着通用海道测量数据模型(S-100)的完善^[15]，地理信息服务将会以S-100数据产品(服务)的形式编码和分发，基于S-100的地理信息服务是下一步的研究重点。