移動終端的水上便攜智能導航系統研發

彭　文，王立平，陳貴花

(交通運輸部南海航海保障中心廣州海事測繪中心，廣東 廣州 510320)

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移動終端的水上便攜智能導航系統研發

彭文，王立平，陳貴花

(交通運輸部南海航海保障中心廣州海事測繪中心，廣東 廣州 510320)

摘要：介紹了一種基于移動終端設備(Windows、iOS、Android)的水上便攜智能導航系統的需求分析、主要功能及設計與實現，分析了主要技術難點和系統特點，并對其在船舶導航、智慧引航、電子海圖自動更新等方面的應用技術進行了探討。

關鍵詞：電子海圖系統；便攜智能；移動導航

隨著電子海圖(electronicnavigationchart，ENC)技術的發展，電子海圖系統的功能日趨完善、應用形式不斷豐富，并向著智能化船舶綜合導航系統發展，廣泛應用于船舶交通管理、海事管理、船舶導航、水上工程建設及船員培訓等領域。但與快速發展的車載導航系統相比，電子海圖系統普遍存在功能簡單、更新維護困難、操作不便、設備笨重、不便攜帶、價格不菲等缺點，且沒有與其他船用設備整合。近年來，移動技術的迅猛發展，智能手機、平板電腦等終端設備的性能不斷提高，與地圖應用相關的移動導航、移動GIS研究成為研究熱點，船舶導航應用系統的移動性、便攜性和靈活性有了新的需求。如今，國外已推出iPhone和iPad、Android移動設備的海圖應用。我國基于智能手機或平板電腦的移動電子海圖系統研究及產品還在起步階段，已推出的產品大多數采用的仍是柵格海圖。綜上，開發一種基于電子海圖系統的移動版水上智能導航系統就顯得十分迫切。

2005年12月，美國、英國等7個國際海事組織(IMO)成員國向海事安全委員會(MSC)聯合提交議案，提出制定e-Navigation的戰略設想，即通過電子手段的協調船舶和岸上航海信息的采集、整合、交換、展示和分析，增強船舶泊位到泊位的導航和相關服務，以保障海上航行安全和安保，保護海上環境。e-Navigation通過海事服務集(MSP)方式對船舶提供服務，包含VTS、航行輔助、交通組織、引航、海圖、氣象信息、實時水文和環境信息等服務。水上便攜智能導航系統符合e-Navigation戰略概念，具備便攜、智能導航功能，以及集合通航、水文、氣象等多源信息資源于一體、多個航行軟件集成的設計概念，將在未來e-Navigation環境下發揮重要作用。

基于以上背景，本文擬研究和開發一種可運行于手持移動終端(包括智能手機、平板電腦及其他便攜式設備)的水上便攜智能導航系統, 利用移動終端通信網絡的便攜性、靈活性，較好地滿足以上各種基于電子海圖的船舶導航相關應用，實現海圖數據和航海通告內容在線實時更新，以較少的投入保障沿海及內河船舶航行安全通暢。

一、水上便攜智能導航系統建設目標

水上便攜智能導航系統的建設目標為：開發一種可運行于手持移動終端(包括智能手機、平板電腦及其他便攜式設備)，以國際標準(IHOS-57、S-52、S-63)的電子海圖顯示與信息系統為核心，集成北斗、GPS、AIS、羅經、計程儀、測深儀、舵角指示器等多種船載設備，以無線局域網(WiFi、藍牙等)和3G網絡(聯通WCDMA、電信CDMA2000、移動TD等)為信息傳輸通道，輔以語音、視頻、短信等多種方式，在任何時間、任何地點實現電子海圖數據管理、海圖顯示與控制、船舶定位與實時標繪、本船導航、船舶動態標繪、航線設計、熱點數據播報、航法語音動畫提示等功能的水上便攜智能導航系統。

二、水上便攜智能導航系統的設計及實現

水上便攜智能導航系統在基于Windows、Android及iOS系統平臺的電子海圖顯示系統基礎上進行SDK封包技術，通過采用空間數據庫技術、電子海圖顯示與操作技術、船載定位設備信號解析技術、面向對象的組件技術、C++語言、手勢指令技術、語音合成技術、多媒體動畫制作技術、多層次的安全控制機制，并聯合海事部門最新的電子海圖資源與豐富的熱點數據資源，通過移動網絡與GPS、AIS、電羅經、計程儀等船載定位設備信號解析器連接，在便攜移動平臺終端上實現了智能電子海圖導航、符合S-57國際標準的電子海圖服務、多媒體數據采集及熱點信息查詢、航路航法動畫演示、語音航法智能預報、手稿編注、模擬計劃航線等功能，支持海圖漫游、無極縮放,提供了復雜水上環境在線和離線模式的電子制圖更新服務。

為了確保海圖數據的唯一性和安全性，作為航海信息處理平臺的水上便攜智能導航系統采用Server/Client機制，在服務器與客戶機之間，構成一種多緩沖、多數據流、異步、協同的操作機制。海區現勢地理信息、水文氣象預報信息等依賴復雜的信息處理過程，可由服務器端進行處理并集中存儲。與客戶應用密切相關的基礎信息在客戶端存儲并適時更新，簡單的信息處理在客戶端完成。高性能服務器和低速客戶機相互配合，以便解決效率和成本之間的矛盾，并為全球范圍內的信息共享及全球范圍內的信息檢索提供條件。

1. 總體框架

用戶直接與裝有移動3G電子海圖系統的移動終端設備(如智能手機、平板電腦或其他便攜式設備)進行交互。移動終端可通過自身集成的GPS在電子海圖上標繪本船的位置信息，或通過藍牙接口、WiFi設備獲取船舶現有的AIS設備接收的本船和周圍船舶動態信息等導航數據，從而實現導航功能。移動電子海圖還能通過3G或WiFi接入移動網絡，建立與岸基船舶引航信息服務器和海圖服務器的連接，實現海圖數據的下載更新和船舶引航功能。系統總體框架如圖1所示。

圖1　系統總體框架

2. 系統網絡

數據服務系統網絡如圖2所示。

3. 系統結構

數據服務軟件是基于J2EE構架的客戶機/Web瀏覽器/應用服務器/數據庫服務器的多層系統結構，系統邏輯視圖如圖2所示。J2EE構架是具有跨平臺、開放式，易于系統擴充，方便二次開發和應用系統集成等優點的軟件體系結構，其實現的主要技術為Java、JavaBean、JSP、Servlet、Pushlet和XML等。

4. 功能實現

水上便攜智能導航系統主要針對船舶用戶，考慮在基于傳統電子海圖的基礎上，采用便攜終端，對船舶用戶提供觸摸式、方便、快捷、準確、豐富的電子導航產品。根據上述需求分析，系統軟件結構設計為船舶導航移動終端子系統、船舶引航移動終端子系統、電子海圖數據服務子系統3大模塊，支持目前各大品牌的智能手機，如iOS、Android等操作系統的手機或平板電腦，同時也應支持特殊用戶群的高性能要求，如使用工業級平板電腦。通信可采用WiFi、3G等功能實現。

(1) 船舶導航移動終端子系統

該子系統包括電子海圖顯示與控制、多媒體附加信息顯示、船舶導航、航線設計、輔助功能等功能。

依據IHOS-52顯示標準將電子海圖顯示在移動終端設備上，用戶可對海圖進行海圖定位、縮放控制、全域漫游、海圖背景控制、分層顯示控制、海圖物標查詢、海圖旋轉等操作；可定制文字、語音、動畫效果的附加信息，用于航道航法動畫演示、提示船舶用戶按規定的航路行駛注意避讓等。船舶定位功能需要來自移動終端的內置GPS的定位信息或通過藍牙接口、WiFi無線局域網獲取外部設備如船載GPS、自動識別系統AIS的動態數據獲取本船的位置信息。船舶動態查詢功能可查詢該船舶的航行狀態、位置、航速、航向等動態信息。對于裝有AIS設備的船舶，導航移動終端通過AIS目標船動態信息實現避碰。用戶可設計本船的計劃航線，包括新建航線、編輯航線、刪除航線、從外部設備導入備用航線等操作。輔助功能包括方位距離計算、錨位指引、偏航報警、走錨報警。

圖2　電子海圖數據服務系統網絡

(2) 船舶引航移動終端子系統

移動終端可以作為船舶安全航行的輔助設備服務于船員，還可以作為引航設備服務于引航員。系統通過對引航相關信息(如船舶進出航道、?？坎次?、計劃航線、潮高修正量、船舶靜態參數等)進行選擇設定，智能獲取來自不同傳感器(如GPS和AIS)的信息，依據引航員設定的引航作業內容(進/出港)、顯示方式、報警環境參量等，智能化地在電子海圖上進行船舶(進出港)引航。

系統功能包括海圖顯示、參數設置(報警參數、引航方向等)、引航跟蹤、靠泊跟蹤、潮汐查詢與修正、引航回放、擴展功能(保存屏幕位圖等)。

(3) 電子海圖數據服務子系統

電子海圖數據服務子系統為船舶安全航行、安全管理等活動提供了必要支持和保障，并為移動終端客戶群提供了海圖數據搜索、查詢和下載等功能，還向多平臺電子海圖系統客戶端同時提供數據共享服務。

電子海圖數據移動終端功能包括用戶登錄、海圖搜索(本地和在線兩種方式)、海圖下載(在線和離線兩種方式)、海圖數據共享、海圖數據管理(導入海圖、更新海圖、刪除海圖)、歷史記錄、興趣點標注。數據服務功能包括用戶管理、權限控制、登錄統計、服務信息推送等功能。

三、技術難點

水上便攜智能導航系統主要實現將基于船載的ECDIS系統移植到便攜終端，同時在傳統電子海圖的基礎上深度挖掘航行區域內水上及兩岸對船舶航行相關的有效信息 ，主要有以下技術難點：

1) 系統采用SDK方式開發。將整個海圖顯示部分封裝成SDK，與控制界面分離，以便于界面的更換。為此，需要大量的信息交換接口。

2) 操作模式改變。原有ECDIS系統的操作模式為鼠標或鍵盤，而平板電腦、智能手機更多使用觸摸屏的操作模式。因此，需要調整操作模式。

3) 界面調整。由于手指點擊無法如鼠標那么小巧和精準，因此所有界面按鈕，列表行及菜單寬度均需要調整重繪，所有界面控件均需重新開發。

4) 語音播報。正常語音播報未完成時，如果用戶選擇其他提示點播報，或有報警發生，必須中斷當前播報，插入新的語音提示。因此，播報功能采用了優先級隊列方式。

5) 熱點管理?？紤]到要建立一個熱點庫，可能需要經常添加或調整，故重新開發了整套熱點管理功能，可以隨時人為添加、刪除或修改提示點內容。

四、關鍵技術解決

水上便攜智能導航系統主要實現的關鍵技術突破有：

1) 二次開發包封裝技術。將整個海圖顯示部分封裝成SDK，當S57或S52標準發生變化時，只需要改變動態庫，即可升級更新程序，無須更改執行文件。

2) 海圖數據快速讀取。使用內存池，并完善SENC結構，可以在1s內快速讀取海圖數據。

3) 海圖無縫拼接及篩選機制。根據海圖比例尺過濾顯示海圖，當海圖無法填充整個屏幕時，智能選擇更大的比例尺填充，并具有超比例尺提示；采用比例尺分層技術大大加快了海圖顯示速度。

4) 定位設備信號解析?？山馕鯣PS、AIS、電羅經、計程儀、舵角指示器、風速風向儀等信號。

5) 語音合成技術(TextToSpeech)的使用。只要輸入文本，即可語音播報輸入內容。

五、系統特點

水上便攜智能導航系統主要有以下特點：

1) 實現了水上導航便攜終端技術突破。系統以電子海圖顯示為基礎平臺，以便攜式設備作為運行環境，依據IHOS52顯示標準,加載符合IHOS57標準的官方電子海圖和IHOS63(電子海圖數據加密標準)，可以準確完整地表達海上各要素信息，確保系統信息現勢精確及可靠。與傳統固定船載導航系統相比，系統采用新的計算機技術、數據通信技術，集監控和管理于一體,在體積上大幅縮小，安裝和使用方便，滿足即插即用原則，全屏觸控操作，攜帶方便，固定方式靈活，跨平臺技術讓系統適用于iPad、iPhone、Android等多點觸摸設備，也適用于鼠標交互的Windows桌面應用。

2) 復雜水上環境海圖瀏覽無級縮放。區別于傳統海圖切片顯示方式，水上便攜智能導航系統顯示和讀取的是電子海圖矢量數據，可以實現海圖觸屏無級縮放，始終保持數據的清晰及完整性。采用比例尺分層技術大大加快了海圖顯示速度。

3) 高度的設備集成、信息集成和功能集成?？蛇B接AIS、GPS、雷達、CDMA通信機，綜合處理和運用各種信息，使各設備的作用得到充分發揮，并具有綜合優勢。系統彌補了獨立的AIS設備固有的單屏信息量小、可視化程度低、操作復雜、信息綜合利用難等缺陷，使AIS信息得到充分利用，功能得到極大擴充。強大的海圖改正功能可通過互聯網搜索、查詢、下載自動完成電子海圖及江圖更新，同時提供數據共享服務。

4) 多媒體數據采集及熱點信息查詢服務。除了必備的電子海圖服務及導航功能外，系統還實現了海上多種類型的熱點數據服務，支持包括視頻、Flash、HTML、圖片、文字等多源媒體文件。通過圖片文字的介紹，動畫、短片的生動演繹多種方式查看周圍熱點數據的各類信息。

5) 航路航法動畫演示。系統以形象生動的動畫顯示技術替代傳統航路指南書籍上呆板的文字，首次通過Flash等軟件制作模擬航線及避碰危險物提示，對復雜水域內的航法進行了全面解析，加深船員對船舶周邊的環境變化了解及航行途中的注意事項，大大提高了船舶航行的安全性。如圖3所示。

圖3　大虎航道航法動畫示意圖

6) 語音航法智能預報。水上便攜智能導航系統采用語音合成技術(TextToSpeech)，通過將重點水域和危險水域的航法及警示語句文本輸入系統，實現了船舶報警及航路航法語音自動播報，使得航海人員將注意力集中在真正需要的地方，優化航海駕駛。

六、結束語

水上便攜智能導航系統是一種可運行于手持移動終端(包括智能手機、平板電腦及其他便攜式設備)的具備全新導航概念的電子海圖系統，具備定位和導航基礎功能兼電子海圖和熱點數據特色功能，填補了水上電子導航系統中沒有語音導航和多媒體熱點功能的缺陷，實現了對航行速度、方位、航行報警信息的智能語音播放，能夠快捷、便利智能地完成多種導航、查詢、規劃、引航等需求，能夠有效增加電子海圖使用效率，帶動廣大船員用戶進一步了解并使用規范的電子海圖進行導航，并可提高航行安全，對區域內的海圖更新服務結構體系調整有較強的帶動作用。

未來電子海圖相關應用呈現數據來源多元化、立體化、小型化、網絡化和內河水域拓展的趨勢，水上便攜導航系統將不斷優化，將動態潮汐、三維顯示引入應用，可定制或整合其他e-Navigation產品，更好迎合未來大數據時代、基于氣象數據動態航線計劃“智能船舶”發展需要。

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Research of Hydrographic Portable Intelligent Navigation System BasedonMobileTermination

PENG Wen，WANG Liping，CHEN Guihua

收稿日期：2016-03-24

作者簡介：彭文(1968—)，女，高級工程師，主要從事海圖編制工作。E-mail：13609038376@139.com

中圖分類號：P229

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)06-0133-05

引文格式： 彭文，王立平，陳貴花. 移動終端的水上便攜智能導航系統研發[J].測繪通報，2016(6)：133-137.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0209.