一種智能航行岸基氣象服務系統(tǒng)的設計*

（中船航?？萍加邢挢熑喂?北京 100070）

1 引言

在大宗商品的交易過程中，海洋貿(mào)易一直以其高性價比，高效率和環(huán)保占據(jù)優(yōu)勢，承擔著將近百分之九十的世界貿(mào)易運輸量。但全球航運市場卻自2008年以來經(jīng)歷了前所未有的寒冬［1］，而且隨著生活水平的提高，不少年輕船員“棄海上岸”，逐步放棄這個枯燥乏味而又危險的古老行業(yè)；船員工資水漲船高，已成為船東最大的支出成本之一。海上事故頻發(fā)，位于德國慕尼黑的安聯(lián)保險2012年公布報告稱：75%～96%的海上事故是人為錯誤導致的結果，而且常常都是疲憊致使。近年來，信息、計算機、通信、網(wǎng)絡、新能源、人工智能等技術的發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、綜合船橋系統(tǒng)和信息物理系統(tǒng)的應用，大大推進了船舶智能化的進程，使實現(xiàn)真正綠色、安全、高效、無人化的智能船舶［2］成為可能。智能船的研究已經(jīng)成為整個航運市場的熱點話題，雖然目前船舶駕駛擁有衛(wèi)星導航、導航雷達、電子航道圖和自動舵的輔助，但船舶還遠未實現(xiàn)智能化。

2 智能船國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，在全球智能制造興盛的背景下，國內(nèi)外大量研究機構和公司開始了船舶智能化甚至無人船的研究，力爭抓住智能船這一時代契機。

歐盟的MUNIN（海上智能無人駕駛航行網(wǎng)絡）項目，主要目標是展示一艘自主無人船舶的可行性。除此之外，該項目還旨在開發(fā)獨立船舶的各個組件，以便可以對現(xiàn)有船舶進行改造，從而在短期內(nèi)提高其技術或航行性能。

我國在智能船領域已經(jīng)走在了世界的前列，中國自主研發(fā)的全球首艘獲英國勞氏船級社（LR）和中國船級社（CCS）雙船級社認證的智能船舶Idolphin 38800噸智能散貨船“大智”輪于2017年12月5日在中國國際海事會展上正式交付。該船獲得LR的智能船符號CYBER-SAFE、CYBER-PERFORM、CYBER-MAINTAIN和CCS智能船符號I-SHIP（N M E I），技術性能達到世界領先水平。在標準和規(guī)范方面，中國船級社分別于2015年發(fā)布了《智能船舶規(guī)范》［5］，以規(guī)范和引導智能船舶發(fā)展。

3 船-岸系統(tǒng)架構設計

智能航行作為中國船級社《智能船舶規(guī)范》中所規(guī)定的六大智能系統(tǒng)之一［6］，通過傳感器、通信、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等技術手段，在傳統(tǒng)的船舶導航基礎上利用計算機技術、控制技術等對感知和獲得的信息進行分析和處理，對船舶航路和航速進行設計和優(yōu)化。航路設計和優(yōu)化一般由船載系統(tǒng)和岸基支持中心組成，在優(yōu)化過程中需要充分考慮風、浪、流、涌等氣象數(shù)據(jù)的因素。

實現(xiàn)智能航行的基礎是氣象服務，傳統(tǒng)的氣象導航產(chǎn)業(yè)［7～8］，都是航運公司向氣象導航公司如WNI、AWT、MeteoGroup等直接購買其氣導服務，氣導公司僅僅根據(jù)氣象條件提供一條整個航程中航速不變的航線，所提供的航線也有可能會跨越島礁或者淺水區(qū)，需要手工去修正這些航線，不僅效率低下而且不得不進行繞行，傳統(tǒng)氣導能夠帶來的收益及其有限。但智能航行除了需要考慮氣象因素外，還要實時感知船周圍的各種傳感器狀態(tài)，有獨立思考的“大腦”，根據(jù)自身的狀態(tài)來自動調(diào)整航行策略，還可以根據(jù)實際情況在不同航段調(diào)節(jié)相應的航速和進行自動避障，而且具備在整個航行過程中持續(xù)優(yōu)化航線的能力。

根據(jù)智能航行的定義和要求，需要船-岸一體化協(xié)同工作，設計一種岸基提供基礎氣象服務，船端智能航行進行實時信息感知、處理和決策的系統(tǒng)。圖1中所示的架構可滿足《智能船舶規(guī)范》中智能航行的基本功能——航路設計和優(yōu)化。

圖1 智能航行船-岸系統(tǒng)架構示意圖

智能航行系統(tǒng)由船端系統(tǒng)、通信系統(tǒng)（VSAT或其他通信網(wǎng)絡）、岸端氣象服務系統(tǒng)構成。

磨礦是選礦過程中的一個重要環(huán)節(jié)，尤其是對硫化礦來說，磨礦會使其礦漿性質(如礦漿電位、pH)產(chǎn)生較大的改變[1]，這些改變對浮選回收率起著至關重要的作用。因此，磨礦對方鉛礦礦漿電位及浮選行為影響的研究十分必要。

智能航行系統(tǒng)（船端）：用于接收岸端氣導數(shù)據(jù)，采集傳感器實時數(shù)據(jù)，結合船舶技術參數(shù)、航次參數(shù)等綜合運算并輸出推薦的航線和航速。

岸基氣象服務系統(tǒng)（岸端）：負責從氣象數(shù)據(jù)源獲取氣象數(shù)據(jù)，并根據(jù)船端上傳的船舶狀態(tài)進行裁減，壓縮處理后發(fā)送到船端。

岸端通過Internet網(wǎng)絡從氣象數(shù)據(jù)服務商下載氣象數(shù)據(jù)文件，并拆分成區(qū)域氣象數(shù)據(jù)文件存儲在岸基服務器中；船端在設置好船舶參數(shù)、航次參數(shù)后向岸端請求氣象數(shù)據(jù)；岸端接收到船端的氣象數(shù)據(jù)請求之后，根據(jù)航次的航行區(qū)域通過衛(wèi)星通信系統(tǒng)下發(fā)區(qū)域氣象數(shù)據(jù)文件到船端，船端利用氣象數(shù)據(jù)進行航線的設計和優(yōu)化工作，進行航線避障等處理，輸出推薦的優(yōu)化航線。在船舶航行過程中，會定期根據(jù)航行位置、最新的氣象數(shù)據(jù)信息對航線進行動態(tài)優(yōu)化。每次優(yōu)化后的航線都應送入ECDIS系統(tǒng)中進行航線安全檢查。

此外，船舶應配有導航測量子系統(tǒng)，在航行過程中，船端系統(tǒng)收集實時導航信息，船端將本次航行中所采集的測量信息上傳到岸基服務站，用于積累航行數(shù)據(jù)，為未來大數(shù)據(jù)分析做準備。

4 智能航行岸基氣象服務功能設計

智能航行岸基信息系統(tǒng)統(tǒng)采用分層結構設計，系統(tǒng)由客戶端、業(yè)務層和數(shù)據(jù)層組成，其設計架構如圖2。

客戶層包括氣象數(shù)據(jù)源和后臺管理兩個部分。

氣象數(shù)據(jù)源是指提供全球氣象和海洋預報數(shù)據(jù)［9］下載服務接口的外部系統(tǒng)，例如NOAA、ECMWF、海洋局、國家氣象局等可選數(shù)據(jù)源。后臺管理是指岸基服務站的后臺管理中心人機交互界面，屬于Web前端，可通過瀏覽器訪問。

圖2 智能航行系統(tǒng)岸基架構示意圖

客戶層主要通過http協(xié)議與岸基服務站的業(yè)務層web服務進行交互。船端通過向岸基服務器發(fā)起http請求，進行氣象數(shù)據(jù)下載、午報和航次總結報告提交、優(yōu)化航線數(shù)據(jù)和其他航行數(shù)據(jù)上傳等操作。岸基服務器主要通過http協(xié)議從氣象數(shù)據(jù)源下載氣象數(shù)據(jù)。后臺管理中心Web端［9］采用Ajax開發(fā)技術，以實現(xiàn)網(wǎng)頁異步刷新，HTTP+CSS+JS組合開發(fā)語言。

業(yè)務層劃分為控制層、業(yè)務邏輯層和基礎服務層?？刂茖訉崿F(xiàn)服務端的http連接管理、會話保持、參數(shù)解析、數(shù)據(jù)包打包和解包處理等功能，以便與客戶端進行交互?？刂茖釉谖锢砩鲜腔贘ava web 技術開發(fā)的一系列 Servlet［10］，這些 Servlet實現(xiàn)與客戶端之間的交互界面，交互背后的業(yè)務處理、則通過調(diào)用業(yè)務邏輯層Java Class實現(xiàn)。業(yè)務邏輯層主要利用基礎服務層中的各種服務對業(yè)務邏輯進行Java Class封裝?？刂茖油ㄟ^調(diào)用這些Java Class實現(xiàn)交互服務中的業(yè)務處理邏輯。業(yè)務邏輯層的主要組件包括岸基服務的一系列功能：參數(shù)設置、后臺服務、服務監(jiān)控、航次分析和系統(tǒng)管理。

數(shù)據(jù)層包括數(shù)據(jù)訪問層和數(shù)據(jù)存儲層。數(shù)據(jù)訪問層提供MySQL數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)文件的讀寫操作組件，數(shù)據(jù)存儲層采用MySQL數(shù)據(jù)庫服務器進行關系型數(shù)據(jù)的存儲。

在岸基氣象服務中心的設計過程中涉及到以下核心問題。

4.1 氣象數(shù)據(jù)區(qū)域劃分

船岸的遠洋通信受限于衛(wèi)星的穩(wěn)定性、帶寬和價格等因素，目前主流的通訊方式包括商用通訊衛(wèi)星 VSAT［11］和海事衛(wèi)星 Inmarsat。在向船端下發(fā)氣象數(shù)據(jù)的過程中，應盡量壓縮傳輸數(shù)據(jù)量來降低數(shù)據(jù)傳輸失敗率并降低衛(wèi)星使用費用。為達到這一目的，同時便于數(shù)據(jù)管理和存儲，應設置一個簡單的規(guī)則，將全球氣象區(qū)域進行拆分，盡可能保證全球主要商船航線跨越較少的區(qū)域，默認劃分為14個航區(qū)，如表1所示。

表1 全球航線氣象區(qū)域劃分表

4.2 氣象數(shù)據(jù)源選擇

岸基氣象服務系統(tǒng)以一定的時間間隔（時間可設）檢查下載源的數(shù)據(jù)更新情況，如有更新則將氣息數(shù)據(jù)文件下載數(shù)據(jù)到岸基服務站。近幾年來氣象預報準確度和精度在不斷的進步，一些氣象機構如NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration）也向公眾開放了免費的氣象數(shù)據(jù)接口，進一步使得氣象數(shù)據(jù)服務的成本降低。

一般對于船舶航行影響較大的氣象因素包括風、浪、涌浪和洋流等因素，可選擇的公開氣象數(shù)據(jù)源［12］包括GFS［13］（Global Forecasting System），WW3，RTOFS，ECWMF等。

GFS全稱Global Forecasting System，是由美國國家海洋和大氣管理局NOAA推出的全球數(shù)值天氣預報計算模式，可以獲取風、氣壓、浪、500hPa、氣溫等數(shù)據(jù)；WW3則是由美國國家環(huán)境預報中心NCEP基于WAM模式思想開發(fā)的第三代海浪模型，可獲取風、浪高、風浪向、風浪周期等數(shù)；歐洲中期天氣預報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）可以提供風、浪、氣壓、降雨等數(shù)據(jù)；RTOFS是基于混合坐標大洋環(huán)流模式（HYCOM）［14］的全球洋流預報系統(tǒng)。

除以上氣象數(shù)據(jù)源外，系統(tǒng)可以自定義數(shù)據(jù)源訪問地址，獲取其他氣象數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)。并可根據(jù)實際應用情況自定義選擇氣象數(shù)據(jù)的精度和預報時效。氣象數(shù)據(jù)源設置如圖3所示。

圖3 氣象數(shù)據(jù)源界面示意圖

4.3 氣象數(shù)據(jù)下發(fā)及與船端系統(tǒng)的交互

系統(tǒng)時鐘按照設定的數(shù)據(jù)獲取規(guī)則，定時觸發(fā)氣象數(shù)據(jù)下載程序到對應的網(wǎng)站下載氣象數(shù)據(jù)到岸基服務站。然后將下載的氣象格點數(shù)據(jù)文件進行拆分、解碼處理，并加載到本地數(shù)據(jù)庫。

船端智能航行系統(tǒng)通過VSAT終端設備或其他通訊設備建立衛(wèi)星通訊鏈路，接入互聯(lián)網(wǎng)，向岸基服務站發(fā)送氣象數(shù)據(jù)Http請求，岸基服務站根據(jù)請求參數(shù)返回相應區(qū)域范圍和時間范圍內(nèi)的氣象海洋預報數(shù)據(jù)。具體處理流程說明如下：

1）船端智能航行系統(tǒng)啟動初始航線優(yōu)化和動態(tài)優(yōu)化；

2）計算航線優(yōu)化區(qū)域，并確定當前時間所在的氣象預報數(shù)據(jù)發(fā)布時間區(qū)間；

3）檢查船端是否存在該優(yōu)化區(qū)域、時間區(qū)間的氣象預報數(shù)據(jù)；

4）如果存在，則直接采用這些氣象預報數(shù)據(jù)進行優(yōu)化計算；否則以船舶l(fā)icense（在部署智能航行船端系統(tǒng)時會為每一條船舶生成唯一的license并將其存儲于岸基的數(shù)據(jù)庫中）、該時間區(qū)間、該優(yōu)化區(qū)域作為參數(shù)，向岸基發(fā)起氣象預報數(shù)據(jù)下載請求；

5）岸基接收船舶發(fā)出的氣象預報數(shù)據(jù)下載請求后，首先進行l(wèi)icense驗證，如果驗證不通過，則返回出錯代碼。如果驗證通過，則根據(jù)時間、區(qū)域范圍進行氣象預報數(shù)據(jù)的切割、打包，壓縮成氣象預報數(shù)據(jù)文件，返回給船端；

6）船端接收岸基返回結果，更新本地的氣象預報數(shù)據(jù)文件，再讀取氣象預報數(shù)據(jù)進行優(yōu)化計算。

4.4 航行數(shù)據(jù)收集

我國是海洋大國，擁有大量的船舶，之所以在船舶智能導航領域與世界先進水平有所差距，其中很大一部分原因就是不注重航行數(shù)據(jù)的積累，缺乏真實數(shù)據(jù)去訓練算法模型去提高航線規(guī)劃的準確性以及最大程度保障航行安全、減少能源消耗、增加經(jīng)濟效率和實現(xiàn)綠色航運。在大數(shù)據(jù)和人工智能的時代，擁有數(shù)據(jù)對于一個行業(yè)有決定性的意義。為此岸基氣象服務系統(tǒng)應具有數(shù)據(jù)收集接口，船端智能航行系統(tǒng)收集船舶航行期間的各類信息，包括但不限于船舶的位置、地速、水速、艏向、航向、風速風向、浪高浪向、涌浪、洋流、吃水、縱橫搖、轉速、油耗、載重等信息，按照一定的時間頻率將數(shù)據(jù)回傳至岸基，岸基服務器將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，為后續(xù)展開大數(shù)據(jù)分析奠定基礎。

5 結語

目前岸基系統(tǒng)仍有較多需要改進的地方，氣象數(shù)據(jù)雖然按照區(qū)域下發(fā)可以減少數(shù)據(jù)傳輸量，但數(shù)據(jù)仍可利用算法進行進一步的壓縮；岸基系統(tǒng)的功能較為單一，后續(xù)應加入全時段支持中心，以應對惡劣天氣的航行和應急事態(tài)的處理。近年來衛(wèi)星通訊及5G技術發(fā)展迅猛，預計很快會打破船岸通信的限制條件，船舶岸基服務中心的建設將是大勢所趨，Rolls-Royce岸基運營測試中心已經(jīng)在建造中并計劃2020年完工。未來的岸基系統(tǒng)將不僅僅局限在氣象服務，還具備提供航行規(guī)劃服務，能效管理服務，健康維護服務和故障排除服務等內(nèi)容。