就航运而言, 研究如何适应现代信息技术的发展要求、实现全国乃至全球范围内航海信息资源的利用与共享, 研究现代信息技术如何保障海上航行安全、提高航运效率, 是面向21世纪的新课题, 是促进航运事业发展的必由之路, 它在航运经济与社会的可持续发展中起着至关重要的作用。

1.   Internet与未来的航海信息系统

以Internet为代表的现代信息技术得到越来越广泛的应用, 基于Internet/Intranet的计算机网络系统正在替代传统的管理模式, 信息的交流与共享已成为当今社会发展的主流。随着无线宽频网络应用的进一步扩展, 无线通讯将成为一种廉价、可靠的通讯方式, 它们在航海领域的应用已日渐成熟。用现代信息技术, 特别是基于Internet与无线通讯技术来构筑航海信息系统将对21世纪的航海产生积极的影响。未来的航海信息系统如图 1所示。

图  1  未来的航海信息系统

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未来的航海信息系统将以陆上航运网站、船载移动网站为中心, 以无线通讯方式实现Internet环境下的信息共享与交换, 利用该系统可实时获取航海相关的全部信息, 为船舶航行安全提供全方位的信息服务。

(1) 航运网站是未来航海信息系统的信息发布中心, 它将以Web方式提供信息为船舶或其他航运部门服务, 是船舶航行安全保障的信息源。这些信息有: 最新的电子海图数据库、海上气象信息库、航海通告数据库、船舶信息库、全球港口入港指南、海运货物运输规范、全球港口里程表、航运、货运代理公司信息库、全球推荐航线库、海运服务信息库、全球航标信息库、其他综合信息。

航运网站作为Internet上的信息存储和发布的节点, 将成为未来航海应用中的重要环节。利用网站提供的信息服务, 可从根本上改变传统的航海模式, 用新的方法和手段为船舶航行安全提供更加可靠的技术保障, 它具有以下功能:

① 电子海图改正功能

电子海图改正一直是制约电子海图应用的瓶颈, 该功能的实现将加快电子海图实用化的进程。电子海图数据在航运网站的存储方式是将矢量空间数据存放在数据库中, 利用基于Internet的电子海图(WebCHART) 应用平台, 将海图数据综合进Web进行信息发布, 任何用户可以使用浏览器查询或获取WebCHART站点中的电子海图信息。航运网站可从“航海通告”出版部门获取其航海通告信息, 以人工或自动方式改正电子海图数据, 将改正后的海图信息通过WebCHART即时发布、提供给船舶或其他用户使用。

② 航线设计功能

航线设计是确保船舶航行安全的主要环节。通过浏览器方便地查询或下载航运网站中与设计航线相关的最新海图信息、推荐航线、航海通告、航标和碍航物、航道信息、潮汐表、入港指南、气象信息等, 在电子海图系统平台上方便地设计计划航线, 并可用大比例尺海图信息自动检验其计划航线的安全, 为航线设计人员提供可靠的数据依据和方便的设计手段, 并具有自动报告计划航线的功能, 为船舶的实时推算和监控提供依据。

③ 入港指南功能

航运网站的基础数据库包含了各港口航道、水深等船舶进出港相关信息, 并可从各海监部门、港口获取最新的港口资料, 以Web方式向进出港船舶提供服务, 任何船舶在进出港时可方便地查询与浏览最新的入港指南信息, 为船舶进出港导航。

④ 电子商务功能

对港航企业来说, 电子商务的应用是建立在Internet平台上, 通过网站的形式实现信息交换。对企业内部各信息源和信息的应用部门, 通过企业的Intranet传输和获取各自的信息, 实现企业内部的电子商务。对外, 网站成为企业信息门户和交易平台。

(2) 船载移动网站将船舶作为载体, 使其成为一个流动的网络平台, 该平台的构筑以Internet/Intranet技术为基础, 对内接收各种船舶动态数据, 实时生成本船状态数据库, 并以Web方式向外提供信息查询服务。当船舶需要与外界进行数据交换时均可以用标准的Internet浏览器进行交互与浏览, 可实时查询或下载航运网站中与船舶航行相关的信息, 为船舶航行安全提供保障。

(3) 岸船通信是船舶与陆地间信息传输的纽带与桥梁, 随着Internet和卫星通信技术的高速发展, 岸船之间的通信也发生了很大的变化。自90年代起, 卫星通信技术进入一个重要的发展期, LEO、MEO和混合式轨道卫星通信系统广泛应用于全球电信网, 以满足移动用户的各种需求。通过卫星实现Internet的高速无缝接入, 加速了无线互联网的应用, 使船载移动网站与外界进行信息交换时没有通信链路和通讯协议的障碍, 实现了全球网络一体化, 为航海信息资源的实时共享提供技术保障。

(4) 船舶之间的相互通讯是实现两船之间的信息交流与获取。自动识别系统(AIS) 可连续自动发送船舶呼号、船位、航向、航速、航首向和转弯速度等避碰相关信息; 船载移动网站可通过互联网浏览与查询他船的详尽信息, 为船舶避碰或海难救助提供决策依据。

(5) 遥感卫星可以提供大量的数据信息, 世界上已发射了15颗主要用于海洋环境观测的海洋遥感卫星, 可提供70%~80%的海洋环境参数, 包括海面温度、有效波高、海浪方向谱、海面风场、海冰分布、海流洋流、涡漩及海洋污染、赤潮等。在质量和数量上均远远超过了传统的测量手段所获得的海洋数据。但是遥感数据的获取和存储一直是遥感信息技术的薄弱环节, 随着卫星遥感(RS) 技术在空间分辨率、光谱探测能力、卫星遥感数据的识别和快速分类以及交互式三维图像图形处理技术方面迅速发展, 必将实现对海量遥感数据的智能获取与存储, 从而使航运信息网站能够实时获取、更新并发布海量三维全天候、高分辨率的海上环境信息, 为船舶的航行安全提供保障。

2.   数字地球与未来的航海

数字地球是戈尔于1998年1月31日在加利福尼亚科学中心所作的“数字地球—认识21世纪我们这颗星球”讲演中提出的新概念, 即一种可以嵌入海量地理数据的、多分辨率的和三维的地球表示。

“数字海洋”是“数字地球”在海洋中的具体应用, “数字海洋”是对三维海洋的多分辨率数据表达, 它以空间位置为主线, 按照地理坐标整理并构造海洋的信息模型, 建立“数字海洋”的空间数据基础框架和海洋的三维空间数据集。“数字海洋”为今后海洋利用提供了一个完整的应用平台, 为更好地认识占我们生存的地球70%面积的海洋提供依据。

“数字海洋”对未来航海必将产生重大影响。利用“数字海洋”中的多维建模和虚拟现实技术构建“数字港口”; 利用多源数据融合, 将所获取的各种有关港口信息无缝集成到“数字港口”的框架中; 利用WebGIS将这些信息在Internet上进行发布, 以实现三维海洋信息的全球共享。通过它, 进出港口的船舶可以用可视化的方式浏览入港指南, 为船舶进出港导航。对于港监部门, 可以实时对港口交通进行监控, 引导船舶采取合理的避让措施。

“数字交通”是“数字地球”在交通领域中的应用, 表现为“智能交通信息系统” (ITS)。

ITS是集地理信息系统、现代通信技术、全球定位系统、遥感、遥测、遥控及智能化分析与决策于一体的交通系统。

随着航海技术的发展, GPS、ARPA、ECDIS已比较广泛地应用于船舶航行中, 面向港口交通服务的VTS也在各主要港口投入运行。但这些设备和系统的作用是独立的、分散的、局域的。而海运智能交通系统的实质就是要利用先进的信息技术、通讯技术和网络技术将所有的航海应用系统有机地结合在一起, 最终形成一个开放的集查询、控制、管理、决策于一体的综合交通信息系统, 从而实现提高交通的安全水平、提高通航能力和航运效率的目的。面向航海领域, 智能交通系统主要包括: 船舶监控系统、交通管理系统、自动导航系统、自动避碰系统、突发事件应急系统及交通信息网上发布等模块。

(1) 交通地理信息系统(GIS-T) :是收集、存储、管理、综合分析及处理空间信息和交通信息的信息系统, 它是GIS技术在交通领域的延伸, 是GIS与多种交通信息分析和处理技术的集成。包括电子海图子系统、数据库子系统和信息分析子系统。

(2) 自动导航模块:是利用各种传感器设备获取船舶的航行参数, 如位置、航向、航速等, 在ECDIS上实时进行标绘, 与设定的计划航线和预警门限进行比较, 从而实现船舶的自动导航。

(3) 自动避碰模块:避碰一直是人们致力研究的热点和难点, 尤其是多船会遇局势下的避碰方法。然而全球化通信网络的不断发展和船舶自动识别系统(AIS) 的实际应用为船舶避碰提出了一种全新的解决方案。

(4) 交通管理与突发事件处理模块:主要完成现有VTS中心的各项职能。利用ARPA、AIS等设备实时监控海上的所有船舶, 特别是港口、航道等交通敏感区。设置预警区域, 显示报警点的位置及报警内容, 为指挥人员处理突发事件的决策方案提供依据。

(5) 通信及信息交换模块:通信是智能交通的重要环节。在海上要利用各种通信手段如卫星通讯、VHF、GSM等等, 其目的就是保证中心与用户都能实时获得所需要信息, 指导船舶安全航行, 确保交通顺畅。信息交换模块主要指利用网络资源, 如Internet, 实时发布和获取与交通相关的各种信息, 实现信息共享, 从而建立起一个广域的、甚至全球的智能交通信息网络。

3.   结语

随着现代信息技术在未来航海领域的应用进一步深入, 将会面临一些需要研究的问题, 首先是无线通讯的可靠性、安全性如何解决, 其次是从理论和方法上研究现代信息技术在未来航海信息系统的应用过程中所涉及的关键技术, 如实现电子海图自动改正的标记语言XML的研究, 遥感及卫星图像的自动处理与信息获取, 数字海洋的数据共享体系的研究, 基于WebGIS的三维动态可视化技术等。