面向智能航运的下一代导航显示技术研究

为了准确把握航运与高新技术融合发展方向，努力提升海海保障服务能力，加快推动交通强国和创新型国家建设，针对当前船舶驾驶缺乏有效的海上环境感知和表达手段以及设备集成程度低下等问题，分期开展了《面向智能航运的下一代导航显示技术》项目研究，主要研究航道三维模型、场景、交互的解决方案，突破船舶航行安全信息可视化关键技术，创新、培育和发展面向智能航运的下一代导航显示系统，实现船舶导航的按需化、形象化和智能化。

1、水上交通全景三维导航系统研发

（1）研究内容

本项目主要研发水上交通的全景三维导航系统，是对水上交通的传统维护、管理、服务方式等方面的重大革新，以数字化形式的水上交通信息三维全景导航系统能够更加快速、直观地为航海者及监管部门提供及时可靠的信息，更好的满足日益船舶导航智能化需求。

1. 开发Windows版水上交通全景三维导航系统（图1）和Android（小米黑鲨手机和微软surface平板电脑）的移动平台水上交通全景三维导航APP（图2），并完成海上导航测试。主要功能包括定位等航海保障信息接入、电子海图自动调入、陆海三维地图显示、水深等海图要素的筛选显示、导助航标志三维显示、航线规划、水深潮位改正、船型编辑、碍航物警告、偏航警告等。

图1 水上交通全景三维导航系统

图2 移动平台水上交通全景三维导航APP

2.研究水文潮汐、气象信息、航海警报、AIS信息、港口泊位等航海数据的跨平台获取、处理、显示等功能。软件系统将可以通过实时接收处理气象站信息和港口管理信息，实时更新内部的气象数据并及时通知驾驶室的船员与泊位、港区航道相关的一系列海事信息，使得船舶能够更加简单地参考和使用水文气象信息，确保船舶航行安全可靠。选择Unity3D软件对水文气象数据进行接收、处理、导入和显示。利用Unity3D平台开发专门针对虚拟现实和信息显示的应用系统，通过多远数据可视化技术和虚拟现实技术的结合，实现了对河面、水底等动态信息，及内河水域关键数据的流速、流向、风速和风向的实时显示。通过无线信息传输技术和计算机技术，系统会自动在Unity3D平台中导入水文气象信息，实现信息融合并在显示屏上显示。

3.研究构建导助航设施的三维模型，实现导助航设施三维显示。本项目利用Unity 3D制作三维模型。实现同一场景中的模型的设置、缩放等统一协调。以物体对象中心为轴心，简化面数控制，达到逼真形象的效果。确定材质贴图规范，是指与实际助航标志相符。确定贴图材质应用规则、文件格式和尺寸，有利于系统推广应用。进行模型烘焙及导出，使最终模型纹理可以使用重复纹理贴图，节约纹理资源。进行模型绑定及动画，实现模型动态显示。

图3 天津港大沽灯塔三维模型

4. 构建天津港域全景三维导航图,实现天津港域水下、陆地三维可视化。利用“港口航道制图系统”从天津港港域基本测量水深图中导出沿线航道的BLZ水深，然后将数据导入Unity3D中，进行水深建模，从而得到对象区域的水下三维模型。船舶终端采用以通用海道测量数据模型(S-100)为标准的平面三维显示屏。通用海道测量数据模型(S-100) 是国际海道测量组织(IHO)以ISO 19100系列标准为基础，用面向对象的表示方法，以组件式理论框架将海道测量地理空间相关数据进行组织和交换的标准。

图4 海河开启桥全景三维导航图

图5 天津新港全景三维导航图

（2）关键技术

1.多种类数据接入整合及信息共享技术。将不同来源的航道图测绘数据、海图数据、遥感图像数据、水文气象信息实施采集信息等进行整合，根据业务系统自身不同的数据种类定制不同的共享接入点，将共享接入点发布到数据交换平台上。最大限度的提供了各自业务系统数据的共享，也保证了各业务系统数据的安全。定义数据交换、加密、传输标准和访问控制策略，提供高效的数据传输和管理控制机制，从而实现各数据报文和文件的集成、共享和交换，对这些基础数据和业务数据信息流转进行高效管理和监控。信息交换与共享支撑平台是未来开展综合交通运输信息整合与运行协调指挥的基础，是开展基于物联网、云计算、大数据等新一代信息技术的高端综合应用的关键平台。本平台的建设既要满足当前监测与服务的需求，同时也要考虑到平台的扩展性和应变性。

2.海量数据存储及处理技术。为解决船舶运行中采集到的AIS、水深、激光扫描等海量数据，在数据存储过程中，加入cache缓存机制，降低数据交互消耗，提高数据处理能力，解决电子海图中显示出来的船舶位置信息因滞后而不准确等问题。同时，利用实时数据库技术，解决船舶行驶过程中产生的实时状态数据进行实时采集并快速处理。实时数据库通过扩展现有的数据库的查询语言使得能够处理连续实时海量数据的连续查询，确保查询相对持久稳定，且处理的数据能够随着数据元素的不断变化而动态变化。

3.三维数字导航图管理和应用技术。数字导航图是数字化、智能化航道建设必备的基础性资源，在船舶通航、航运管理、安全监管、应急救援等应用中发挥着重要作用。在开发海河下游水上交通全景三维可视化数字地图时，主要采用分层处理技术，添加图层，利用OpenGL技术对电子航道图物标数据进行渲染，最后使用GTK消息机制对封装在STL的数据进行分类，实现了基础、标准、全部显示三种模式，采用该种方法可有效解决导航图物标筛选的分层显示问题，对于显示船舶动态位置信息，每次显示不同层次的电子航道图，减少数据传输，从而有效地解决了如何在电子航道图中快速更新出所有船舶动态位置信息的问题。

4.三维虚拟仿真技术。为确保实时三维性能和交互性的逻辑关系，并且较快的响应速度，应采用实时三维视景数据库建摸和优化工具平台(MultiGen Creator、Vega等)构建模型，实现三维模型数据的层次化存储、漫游路径的建立、LOD的设置等。同时开发了三维视景管理系统的对三维视景数据库的各种调用、硬件资源的优化、以及系统最终的各种效果的显示和各种操作的实现。

5.数据融合技术。数据融合技术是利用计算机对各种信息源或不同时间与空间的多传感器信息资源进行自动分析、综合处理、有效控制和科学决策的过程。它包括对准、互联、识别、态势评估和威胁估计等内容。在数据融合系统中，首先将来自各类传感器的原始信号表示为适用于融合进程的有关信息，经过分析处理，合成出所需要的结果。综合与相关是数据融合的根本思想，数据融合一般分为三个层次：象素级融合、特征级融合和决策级融合。数据融合的结构形式有三种，即集中式、分布式和混合式融合等。多种数据融合技术综合理论和基本方法的融合使用，能为实用数据融合在船舶避碰研究中进行不同改进处理从而得到更理想的数据。数据融合技术尚处在不断的发展和完善过程中，利用多种数据融合技术更有利于改进算法，增加稳定性和准确性。

6.虚拟现实技术。虚拟现实技术就是运用计算机，通过三维动画等技术产生身临其境的视觉、听觉甚至是触觉体验的虚拟环境，用户可以在这个环境当中切身的体验和感受这个世界中的内容，实现用户和环境的交互,让用户产生身临其境的感觉，仿佛处身在一个真实的世界当中，可以实时地对虚拟环境中的物体进行操作，并可以在虚拟世界中自由行走。虚拟现实技术最基本的特征是交互性、构想性以及沉浸感。虚拟环境的基本交互任务可分为四种：行进、选择、操纵和系统控制。交互技术是指用户通过用户界面执行交互任务的一种方法，它将输入设备获取的用户动作信息映射为虚拟环境中的动作。碰撞检测是通过空间分解法和层次包围盒法等算法，保证虚拟环境的实时交互性时避免碰撞的核心，增加现实感。

2、船舶航行安全信息可视化关键技术研究

（1）研究内容

本项目主要以船舶航行安全信息，即海上安全信息（侧重航行警告）为主要研究对象，在国内外船舶航行安全信息相关标准、系统建设和关键技术的现状研究基础上，通过实地调研和走访，研究基于电子海图显示与信息系统（ECDIS）的航行安全信息可视化表达技术，编制基于S-100标准的船舶航行安全信息播发格式、分类与编码和符号系统技术标准，并仿真模拟船岸信息交换方式，对安全信息的可视化技术和标准予以验证。目标是通过项目研究和示范测试，可以为船舶提供标准化、自动化、高辨识度、按需化的航行安全信息，为构建智能航运下的智能航行安全保障体系提供理论和技术支持，从而进一步提高船舶航行安全性。

1.现状研究。主要是通过调研智能航运发展现状趋势、当前国内外船岸安全信息播发与接收应用的方式、船载航行安全信息接收终端等进行研究，找出存在的和尚未解决的主要问题，阐明本研究的必要性。

2.船舶航行安全信息分类和分级研究。研究国际和国家航行安全信息的分类和分级方法，研究基于S-100标准的可数字化的船舶航行安全信息分类与编码标准。

3.船舶航行安全信息可视化关键技术研究。在研究内容二基础上，进一步研究航行安全信息的图示表达标准；研究航行警告信息播发格式与解析方法，提出信息类别、地理坐标和几何形状的自动化识别方法；研究和建立符号查找机制，实现安全信息在海图上的自动标绘。

图6 船舶航行安全信息播发运行架构

4.终端原型机测试。以某一播发途径为手段，确定信息播发、处理流程，在研究内容二和三的基础上，测试安全信息在船载终端（ECDIS）上的接收和显示效果，得出技术方面的可行性研究结论。

图7 终端原型机

（二）关键技术

1.船舶航行安全信息统一分类与编码标准。分类与编码综合参考了IHO S-53、IHO S-124和我国航行警告标准，划分了13类安全信息，并列举了每一类安全信息的子类型，划定了各个类型的重要等级，提取2018-2019年已发布的航行警告为研究对象，归纳总结了十余种常见的安全信息位置表达方法，将其抽象为可以使用坐标表达的几何形状，并进行编码。分类与编码为信息的标识、交换、存储和可视化应用提供了统一标识机制；

2.船舶航行安全信息交换方法。设计了总体信息播发系统架构，提出了两种可行的信息交换方案，研究认为以富客户端的交换方案更符合当前安全信息的现状，可以简化岸基架构，避免人员调整和工作负担；研究和开发了基于XML编码的安全信息交换格式，使用XSD语言对交换格式进行了编码层次的约束，保证船岸可以在统一标准下设计和开发，可直接转换为行业技术标准，适用于各种通信手段。

3.船舶航行安全信息表达方法。提出了安全信息图示表达机制、电子海图可视化方法、主动式的安全信息表达方法和安全信息的处理方法。研究提出了一种基于通用图示表达机制的安全信息主动表达机制，采用符号系统、语音系统和动画系统表达安全信息，并制定了相应的表达规则。同时，研究在现有IEC 61174标准基础上对ECDIS的体系结构进行了重新设计，以满足安全信息的处理要求，详细说明了安全信息在ECDIS中的处理流程和信息过滤方法，提出了一种信息可视化增强的方法。

4.船舶航行安全信息仿真应用系统研发与测试。根据船舶航行安全信息系统运行架构，遵循数据分类与编码标准、交换格式和表达库标准，研发岸基信息发布平台和ECDIS终端系统，以Internet网络为通信手段，对安全信息的播发、传输、接收、存储、解析和可视化进行测试。经测试表明，研究成果具有可行性，可快速转换为系统应用，建立的数据和技术标准易于实现，可视化效果可以满足人眼识别要求，建立的语音系统和动画系统具有创新性，对于船舶航行安全具有增强作用。

3、推广应用

本项目研究主要是面向智能航运的下一代导航显示技术研究，通过分期分模块研究方法对下一代导航显示的关键技术进行突破和验证。课题一主要是建立立体、直观的、虚拟的下一代导航显示环境，构建海陆一体化空间导航图。课题二主要是对动态导航信息进行处理，将各类动态导航信息融入到水上交通全景地图中，实现海陆统一、动静结合、形象直观的下一代导航显示技术。

目前该技术主要处于验证测试阶段，主要应用于在航海保障系统内推广应用。应用单位包括天津海事测绘中心、天津航标处、天津通信中心等单位，并取得了较好应用推广效果，对下一代导航显示技术探索和验证。成熟后，项目成果将广泛应用于水上交通全景三维导航领域，还可用于其他水上交通导航领域，如海上导航、内河导航、湖泊导航等等，消除传统导航与避碰方式在与人实际体验之间存在的错误，有效促进我国对于水上交通导航，岛屿、滩涂、湖泊、内河等区域监管的开发建设等。

4、预期效果

本项目在传统的二维电子航道图的基础上，构建三维电子航道图三维电子航道图，将原本复杂的信息得以形象直观的场景展示在驾驶人员面前。同时将动态的导航信息叠加到电子海图上，避免了传统的复杂信息识别和驾驶员的信息迷茫，从而达到1+1>2的系统集成效果。通过虚拟现实技术，实时显示航道内障碍物、水深、船舶经纬度、航向航速等信息，可以代替驾驶员的双眼，并可以突破浓雾等可见度低等恶劣天气限制，解决了有效航海者的航海要素识别问题，极大地提高了船舶航行的安全性。