內(nèi)河電子航道圖發(fā)展現(xiàn)狀及思考

徐海潮，謝 斌

(華設(shè)設(shè)計集團股份有限公司 江蘇省綜合交通智能感知與管控重點實驗室, 江蘇 南京 210014)

0 引 言

內(nèi)河航運是我國綜合交通運輸體系中不可或缺的部分，近年來，我國交通運輸業(yè)快速發(fā)展，急需內(nèi)河航運提供強有力的支撐。在國家的大力支持下，國家有關(guān)部門相繼印發(fā)了《智能船舶發(fā)展行動計劃(2019—2021年)》《智能航運發(fā)展指導(dǎo)意見》和《交通強國建設(shè)綱要》等政策性文件，要求將數(shù)字航道、智能船舶和智能航運作為現(xiàn)階段信息化發(fā)展的目標。在此背景下，各級航道和海事主管部門積極研究探索借助信息化手段提升業(yè)務(wù)管理和服務(wù)水平，各種水運地理信息平臺開始出現(xiàn)。然而，內(nèi)河電子航道圖(Inland Electronic Navigation Chart,IENC)作為這些平臺的核心組成部分和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，由于缺乏國家層面的頂層設(shè)計和統(tǒng)一標準，加上我國水系眾多，各水系獨自建設(shè)，并自成體系，易形成信息孤島[1-2]。因此，為實現(xiàn)內(nèi)河數(shù)據(jù)資源共享，形成規(guī)范、統(tǒng)一的IENC資源，有必要研究并解決IENC技術(shù)問題。本文主要對國內(nèi)外IENC的發(fā)展現(xiàn)狀進行分析，指出IENC存在的問題，并提出解決思路，為繪制互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)共享的統(tǒng)一標準IENC提供參考。

1 IENC國外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國際組織

歐洲內(nèi)河電子海圖顯示與信息系統(tǒng)(Electronic Chart Display and Information System,ECDIS)專家小組與內(nèi)河電子航道圖協(xié)調(diào)組(IENC Harmonization Group,IEHG)共同組成了IENC的國際組織，其中：歐洲內(nèi)河ECDIS專家小組由歐洲多個國家的專家組成，旨在開發(fā)和維護基于統(tǒng)一標準的俄羅斯和歐洲內(nèi)河ECDIS；IEHG由美洲、歐洲和亞洲等地的多個國家的政府、學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的杰出代表組成，成立于2003年，旨在促進IENC數(shù)據(jù)國際標準的研究和發(fā)展，我國于2009年加入IEHG[3-5]。

1.2 美洲、歐洲和亞洲地區(qū)

美國的內(nèi)河航道由莫比河水系、哥倫比亞河水系、墨西哥灣沿海水系、密西西比河水系和大西洋沿海水系構(gòu)成，總里程達41 000 km。截至2015年底，美國已完成20條內(nèi)河水域的電子航道圖制作，電子航道圖總里程達13 197 km，另外還有懷特河的394 km河段正在開發(fā)。因具有先進的科技作為支撐，美國基于IEHG2.2版和IHO S-57標準研發(fā)了IENC，覆蓋率很高。巴西的海道測量導(dǎo)航委員會基于IEHG2.2版標準研發(fā)了亞馬遜河干流和支流、巴拉圭河巴西段、亞馬遜河支流雅里河和支流等河流的14 520 km里程IENC[4-5]。

截至2013年11月，歐洲IENC總里程為10 250 km，主要覆蓋萊茵河、摩澤爾河、多瑙河、薩瓦河、易北河、龍河和德拉瓦河等流域；亞洲IENC總里程約為30 000 km，主要覆蓋鄂畢河、勒拿河、葉尼塞河和黑龍江等流域[4-5]。

1.3 國際IENC標準

歐洲內(nèi)河ECDIS專家小組和IEHG自成立以來，一直在不斷完善國際IENC標準，制訂了數(shù)十項標準，其中具有代表性的標準見表1。

表1 部分具有代表性的國際IENC標準

2 IENC國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國內(nèi)相關(guān)組織

我國內(nèi)河有長江、贛江、漢江、珠江、西江、京杭大運河、黃河和黑龍江等水系，各水系的IENC是單獨研究制作或籌劃制作的，目前尚未成立統(tǒng)一的IENC標準委員會。

2.2 國內(nèi)內(nèi)河水系

根據(jù)IEHG組織2013年的會議記錄，當我國各水系的IENC全部完成時，IENC里程將達到124 200 km，具備完善的IENC網(wǎng)絡(luò)，其中五大水系規(guī)劃的IENC里程見表2。

表2 我國內(nèi)河五大水系規(guī)劃的IENC里程

目前，長江IENC 3.0版本已覆蓋2 687.8 km長江全線、388 km贛江樟樹至湖口及環(huán)鄱陽湖航道和75 km漢江航道；珠江約300 km航道測繪數(shù)據(jù)導(dǎo)入航道基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫已基本完成，并已籌劃逐步建立地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,GIS)與IHO S-57標準并存的IENC體系；松花江和黑河區(qū)段分別完成了約900 km和130 km的IENC制作；湘江依托2 000噸級航道建設(shè)工程，開啟了IENC制作工作；京杭大運河已制作約400 km數(shù)字化地形圖，并已謀劃電子航道圖系統(tǒng)建設(shè)工程[5]。

2.3 國內(nèi)IENC標準

目前國內(nèi)尚未成立IENC標準委員會，與之相關(guān)的標準較少。長江航務(wù)管理局、長江航道局及其直屬的長江航道測量中心等單位根據(jù)我國長江的特點，結(jié)合IHO和IEHG發(fā)布的內(nèi)河國際標準，制定了數(shù)項長江IENC標準，規(guī)范和指導(dǎo)長江IENC健康有序發(fā)展，主要標準見表3。

表3 我國長江IENC標準

3 國內(nèi)IENC技術(shù)

3.1 國內(nèi)內(nèi)河航道體系

就IENC而言，當前僅有長江航道局建立了較為完備的長江航道體系，可解決長江航道科研、設(shè)計、生產(chǎn)、制作和維護等方面的問題，具體任務(wù)由長江航道局直屬的長江航道規(guī)劃設(shè)計研究院、長江航道測量中心和各區(qū)域航道局承擔(dān)。長江航道體系架構(gòu)和業(yè)務(wù)工作圖見圖1。

圖1 長江航道體系架構(gòu)和業(yè)務(wù)工作圖

3.2 IENC制作技術(shù)

目前長江IENC制作技術(shù)較為成熟，代表著我國IENC制作技術(shù)的最高水平，主要分為清華山維制作技術(shù)和基于空間地理數(shù)據(jù)庫(Geo Data Base,GDB)模板的制作技術(shù)2種。

1)清華山維制作技術(shù)的應(yīng)用過程是對數(shù)據(jù)進行處理，將處理后的外業(yè)測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入航海信息系統(tǒng)(Nautical Information System,NIS)庫，并根據(jù)圖幅范圍制作長江IENC，基于該技術(shù)的長江IENC制作流程見圖2。外業(yè)測量的陸域要素(橋梁)和水域要素(水深、航標等)儲存在CAD文件中，碼頭、港口、河流和公路等專題要素儲存在EXCEL文件中，清華山維軟件可自動對CAD文件和EXCEL文件進行數(shù)據(jù)處理，并使處理后的數(shù)據(jù)符合《長江電子航道圖數(shù)據(jù)傳輸標準》(CJ-57)的要求。依托數(shù)據(jù)標注和水深點數(shù)據(jù)構(gòu)建航道水深三角網(wǎng)，根據(jù)三角網(wǎng)生成等深線和等深面，檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量，判斷生成的IENC成果文件與制圖模板的一致性[6-10]。

圖2 基于清華山維制作技術(shù)的長江IENC制作流程

2)GDB模板制作技術(shù)也是制作長江IENC常用的技術(shù)之一，數(shù)據(jù)采集GDB模板和建立地物要素與S-57的物標之間的關(guān)系是其關(guān)鍵所在。根據(jù)CJ-57標準、NIS模型和研究區(qū)內(nèi)地物要素的種類制作GDB模板；建立地物要素與CJ-57的物標之間的關(guān)系，該對應(yīng)關(guān)系和GDB模板中的每個要素類與NIS模型中的每個要素類的對應(yīng)關(guān)系完全一致；將處理后的要素數(shù)據(jù)存儲至NIS庫內(nèi)，根據(jù)圖幅范圍和研究區(qū)域制作IENC[6]，制作流程見圖3。

圖3 基于GDB模板的長江IENC制作流程

3.3 長江數(shù)字航道與長江IENC融合更新技術(shù)

近年來，長江內(nèi)河航道信息化建設(shè)在國家有關(guān)部門的高度重視下得到了快速推進。2019年底，長江航道全線6 529座航標和154座水位站均已具備遙測遙控能力，初步建成貫穿整個長江的數(shù)字航道。然而，長江數(shù)字航道與長江IENC的數(shù)據(jù)交換共享缺乏機制和標準，航標異動和水位等航道動態(tài)信息采集之后無法及時共享給長江IENC系統(tǒng)，導(dǎo)致提供的最新電子航道圖數(shù)據(jù)信息的時效性變差。鑒于此，長江航道測量中心研發(fā)了長江數(shù)字航道系統(tǒng)與IENC融合技術(shù)，該技術(shù)采用“交換+服務(wù)”的運行模式，即先在區(qū)域航道局數(shù)字航道系統(tǒng)內(nèi)獲取航標和水位等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，在IENC系統(tǒng)內(nèi)獲取IENC數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)整合至數(shù)據(jù)交換與共享平臺內(nèi)，由該平臺完成數(shù)據(jù)匹配、融合，并向IENC公共服務(wù)平臺和區(qū)域航道局數(shù)字航道系統(tǒng)推送最新的.000航道圖(更新航標和水位數(shù)據(jù))文件，向長航相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)推送與之對應(yīng)的服務(wù)[11]。

4 我國IENC發(fā)展面臨的困難

由于我國IENC起步較晚，水系多而分散，內(nèi)河航道測繪技術(shù)發(fā)展緩慢，信息資源孤立，IENC標準匱乏，導(dǎo)致IENC發(fā)展過程中存在很多困難，主要如下。

4.1 建設(shè)各自為陣，標準不一

我國內(nèi)河各水系研究的IENC相互獨立，導(dǎo)致長江與其各支流之間的IENC不兼容，水系與水系之間的IENC不兼容，水系與海洋之間的IENC也不兼容。例如珠江流經(jīng)廣西和廣東兩省，廣西省航道管理部門基于S-57標準開發(fā)IENC，而廣東省航道管理部門采用ArcGIS技術(shù)研發(fā)IENC，致使該水系在不同航段需執(zhí)行不同的標準，不僅給船舶帶來了極大不便[12-14]，而且使得跨部門、跨航段、跨流域用戶的個性化和多樣化需求無法得到滿足。

4.2 動態(tài)數(shù)據(jù)豐富，共享困難

我國長江、贛江、漢江、珠江和西江等水系建設(shè)有航標遙測遙控系統(tǒng)，長江干線建設(shè)有水位遙測遙報系統(tǒng)，豐富了內(nèi)河航道水深實時數(shù)據(jù)。然而，除了長江航道，其他水系暫無較為成熟的航道感知信息融合技術(shù)，難以準確、及時、可靠、全面地感知航道、航標、水位和氣象等環(huán)境要素，導(dǎo)致IENC更新頻率較慢，無法為社會及時、高效地提供最新的IENC。

4.3 定位精度不高，阻礙發(fā)展

當前水運行業(yè)的導(dǎo)航定位精度一般約為10 m，僅能適應(yīng)船員駕駛船舶的需求。若要深入推進《智能船舶發(fā)展行動計劃(2019—2021年)》《智能航運發(fā)展指導(dǎo)意見》和《交通強國建設(shè)綱要》政策的實施，需要以高精度位置服務(wù)為支撐，以IENC為載體，為航運管理、船舶安全航行和水上應(yīng)急等提供實時、精準、便捷的服務(wù)。然而，現(xiàn)有定位精度下的IENC在智能船舶、自主航行、智能航保和智能監(jiān)管等方面提供助航、導(dǎo)航位置服務(wù)時無法滿足上述要求，阻礙了智能航運的發(fā)展。

4.4 航道科技發(fā)展緩慢，缺乏前沿技術(shù)

當前，IENC水深主要依靠航道測量船測量，航道水文主要依靠沿途建設(shè)的水文站監(jiān)測，橋梁凈空依靠人工測量，這些方法均需消耗大量的人力和物力，且易受外界環(huán)境影響，難以滿足智能航運的發(fā)展需求。

4.5 系統(tǒng)建設(shè)較好，維護性差

信息化系統(tǒng)遵循“三分建設(shè)，七分維護”的原則，但當前我國的水系大都重視IENC研發(fā)，很少對系統(tǒng)建設(shè)之后的運維進行研究。

5 我國IENC未來發(fā)展思考

為確保IENC統(tǒng)一、協(xié)調(diào)、健康發(fā)展，建議采取以下措施：

5.1 共同成立委員會，制定統(tǒng)一標準

由全國所有內(nèi)河水系的專家共同成立IENC標準委員會，結(jié)合我國各大水系中有代表性的內(nèi)河、運河、湖泊和水庫等水系的主要特點，研究制定符合國情的《內(nèi)河電子航道圖技術(shù)規(guī)范》。此外，制定IENC數(shù)據(jù)采集、航道感知要素信息交換共享和應(yīng)用服務(wù)等方面的標準，確保IENC生產(chǎn)、制作、校驗和維護等各階段的數(shù)據(jù)均有據(jù)可依。同時，保持與IEHG的溝通和合作機制，積極參與編制IEHG相關(guān)標準，力爭使我國IENC標準早日與國際IENC標準接軌。

5.2 學(xué)習(xí)先進案例，吸收成功經(jīng)驗

長江航道局及其直屬單位已從事電子航道圖研究十余年，為社會輸出了一些寶貴的科研成果，建議其他水系與長江航道局保持密切的溝通交流，并借鑒其成果和經(jīng)驗(如IENC制作技術(shù)、數(shù)字航道與IENC融合技術(shù)和CJ-57標準等)，針對本水系的特點進行優(yōu)化完善，研發(fā)具有特殊性、落地性、兼容性和可操作性的電子航道圖。

5.3 建立增強服務(wù)，生產(chǎn)高精度航道圖

智能船舶、自主航行和智能航運等應(yīng)用場景需精確反映出航道的水深情況，以便更好地為船企、港口、海事和航道等單位提供服務(wù)，迫切需要建立CORS增強定位服務(wù)，以提高IENC外業(yè)采集數(shù)據(jù)的精度，為制作生產(chǎn)高精度IENC提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

5.4 利用前沿科技，提高生產(chǎn)服務(wù)能力

當前人工智能和大數(shù)據(jù)已在很多行業(yè)得到應(yīng)用。建議利用智能船自動采集、測量航道水深數(shù)據(jù)，利用機器視覺系統(tǒng)自動獲取水位站數(shù)據(jù)。此外，建議利用自身的航標遙感遙測、水位遙測遙控和視頻結(jié)構(gòu)化與半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，以及與外部交換共享的船舶自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System,AIS)數(shù)據(jù)、船舶交通管理系統(tǒng)(Vessel Traffic Service,VTS)數(shù)據(jù)、水文和氣象數(shù)據(jù)，綜合研判，自動預(yù)報未來幾天的航道水深，為社會提供智能化的IENC服務(wù)。

5.5 建立維護機制，確保長效運維

建議航道管理部門成立專門的系統(tǒng)運維管理機構(gòu)，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)系統(tǒng)運維工作，落實專項運維資金，建立可靠、穩(wěn)定的技術(shù)維護力量，構(gòu)建完善的運維保障體系(運維技術(shù)方案、運維人員、運維職責(zé)和運維管理制度)；相關(guān)行業(yè)管理部門密切配合，以保證IENC系統(tǒng)長效運行和可持續(xù)發(fā)展。

6 結(jié) 語

本文在綜述國內(nèi)外IENC發(fā)展現(xiàn)狀和國內(nèi)IENC技術(shù)的基礎(chǔ)上，深入分析了國內(nèi)IENC發(fā)展面臨的問題，并提出了應(yīng)對措施，供航道管理部門參考。隨著相關(guān)航運政策的出臺，以及人工智能、大數(shù)據(jù)、無人船和5G等科技的日益成熟，IENC對智能航道、智能航運的促進作用日益顯著，其將引領(lǐng)內(nèi)河航運朝著高端化、精細化和智能化方向發(fā)展，并全面提升內(nèi)河航運應(yīng)用、服務(wù)和管理水平，充分發(fā)揮內(nèi)河航運的優(yōu)勢，助力智能航運發(fā)展。