面向江海聯運的船舶航行服務信息系統設計與應用

李東楓，吳 杰，楊 揚，劉 錟 LI Dong-feng, WU Jie, YANG Yang, LIU Tan

（1. 華南理工大學 經濟與貿易學院，廣東 廣州510006；2. 廣州通易科技有限公司，廣東 廣州510630）

(1. School of Economics and Commerce, South China University of Technology, Guangzhou 510006, China； 2. Guangzhou Comit Technology Co., Ltd, Guangzhou 510630, China)

0 引 言

江海聯運是多式聯運的一種形式，包括海船進江和江船出海兩個方面。由于具有縮短運輸周期，降低貨損貨差，節省人力物力等方面的優越性，江海聯運正逐漸成為內河航運的主要方式之一[1]。近年來，航道電子地圖系統的推廣和應用大大提高船舶航行服務水平，促進船舶航行服務信息化和智能化，但目前現有系統在服務江海聯運的船舶時仍存在很大的缺陷。一方面，內河航道電子地圖、港口電子圖和電子海圖的標準不統一，使得往返于江海的船舶無法同時獲得內河航道電子地圖、港口電子圖和電子海圖的動態信息，江海聯運的船舶不得不分別獲取這三種地圖的信息并人工進行切換，造成江海聯運的船舶航運信息滯后、地圖信息碎片化等問題。另一方面，以GPS 技術和電子地圖為核心的內河航道電子地圖被廣泛應用在內河船舶，但是現有內河航道電子地圖基本是采用近30 年的水文觀測的最低潮面作為基準面標注水深，結合電子地圖的位置確定，將內河航道電子地圖所標水深值發布給船舶，由于內河航道水深受降雨影響，在洪水期和枯水期差別較大，所以船舶并無法獲得內河航道實時水深，面臨著擱淺和碰撞的風險。

關于船舶航行信息服務的研究，歐洲的內河信息服務系統（River Information Services，RIS） 著力于解決跨國跨區運輸不同系統兼容性差，資源整合和共享程度不高等問題，為用戶提供大量的協同信息，包括相對靜態的電子江圖、船舶登記數據等以及實時動態信息，像船舶的位置、載貨信息、航速等[2]。國內的“數字長江”則對內提供航道演變的預測、航道維護輔助決策等管理輔助功能，對外提供電子航道圖、航道通行公共信息等信息服務[3]。但是RIS 主要側重于整合內河航運資源而未著重考慮江海聯運的因素，而“數字長江”系統也未能從江海聯運角度整合地圖，解決地圖信息碎片化問題。本文立足于江海聯運的船舶實時接收航運過程中各類航運信息包括水深信息、船舶信息、地圖信息的需求，提出使用基于反距離權重插值算法計算內河航道水深的方法，并采用GIS 技術解決內河航道、港口電子地圖與電子海圖融合的問題，從系統結構、功能設計、技術框架等方面開展面向江海聯運的船舶航行服務信息系統研究。

1 系統軟硬件結構設計

1.1 系統軟件結構設計

船舶航行服務信息系統結構主要分為數據采集層、數據傳輸層、核心服務層、業務應用層四個層次。其總體結構示意如圖1 所示，其中：數據采集層通過使用基于Android 平臺智能船舶移動終端比如手機、平板電腦等，采集基站定位和GPS 輔助定位數據，獲取船舶位置信息，將其數據保存為標準格式并上傳到數據傳輸服務器；數據傳輸層將服務器端接收的定位數據壓縮處理，通過移動網絡傳輸到數據處理服務器端；核心服務層通過對定位信息、水位站提供的水深等數據分析處理，以此提供實時計算水深系統服務、定位數據接收和儲備服務、時空數據與地圖匹配服務、預警信息獲取服務等；業務應用層一方面通過智能船舶移動終端的船舶航行電子地圖系統，向客戶提供和展示各種服務的信息，包括實施水深、定位數據、時空數據、預警信息等，另一方面通過智能船載終端監控平臺的船舶航行動態監控系統向航運監管部門提供船舶動態監控服務和基礎數據服務。

1.2 系統硬件要求

（1） 服務器軟硬件要求

系統推薦配置：

為支撐系統未來的業務需要，建議服務器的性能不能太低。推薦配置如下：

硬盤：10G 以上；

內存：2G 以上；

CPU：最低雙核CPU。

服務器使用環境：

操作系統：Windows Server 2003；

數據庫：ORACLE 10G；

基礎技術構架：J2EE 技術框架、MVC 框架。

（2） PC 客戶端軟硬件要求

硬盤：無特殊要求；

內存：運行客戶端操作系統最低要求；

CPU：運行客戶端操作系統最低要求。

客戶端使用環境：

操作系統：Windows XP/2000 及以上版本；

瀏覽器：IE6 及以上版本。

（3） 手機客戶端使用環境

Android 操作系統：Android2.2 及以上版本。

2 功能設計

面向江海聯運的船舶航行服務信息系統主要是根據航運監管部門、船主、船代等用戶需求調研分析結果，以服務江海聯運的船舶航行為目的設計系統功能。一方面，系統根據船主、船代等與航運相關企業的需求，提供航行參考圖、船舶定位、船舶安全信息查詢等助航信息。另一方面，系統面向航運監管部門，開發船舶動態監控、基礎數據管理等功能。如圖2 所示，其主要功能分為兩個主要模塊：面向智能船舶移動終端的船舶航行電子地圖系統和面向智能船載終端監控平臺的船舶航行動態監控系統。其中船舶航行電子地圖系統的功能包括：

（1） 航行參考圖：航行參考圖融合內河航道電子地圖、港口電子地圖、電子海圖等數據，形成面向航運船舶的航行參考圖。通過航行參考圖，結合船舶的當前位置，可了解船舶當前的實時水深和周邊的助航標志信息。

（2） 船舶綁定：對船舶信息進行綁定，以便進行用戶船舶安全檢測與信息提醒。

（3） 船舶定位：根據GPS 和基站數據，對船舶進行實時定位，顯示船舶的航速、航向等信息。

（4） 船舶安全信息查詢與提示：根據建筑物的凈高和水位，系統自動判斷船舶是否可安全通過，并給出智能判斷提示。

（5） 用戶管理：基本功能是提供用戶進行登錄、注冊、退出功能。用戶可利用系統提供的用戶信息進行系統登錄及按照權限分配使用系統功能。

船舶航行動態監控系統的功能包括：

（1） 船舶動態監控：實現統一GPS 資源管理，船舶信息查詢、船舶當前位置實現實時定位、某時間段船舶行駛軌跡回放等功能。

（2） 船舶位置接收服務：對智能船舶移動終端發送的GPS 數據進行接收，并存儲到船舶監控平臺。船舶監控平臺對船舶GPS 數據進行管理。

（3） 基礎數據管理：在監控平臺上顯示航道水位站位置、航道淺灘位置、橋梁通航凈空尺度、船舶基本信息、航道基本信息等，并對基礎數據進行管理。

（4） 系統管理：對系統功能進行維護管理，包括用戶管理、角色管理、操作日志等。

3 技術框架

3.1 總體技術框架（見圖3）

面向江海聯運的在線電子地圖服務系統采用面向接口編程的架構開發模式對系統進行開發和實現，其中系統主要數據接口包括動態水深數據接口和地圖瓦片數據接口[4]。調用動態水深數據接口，可通過船舶的定位，接收船舶附近水位站的實測水位信息，經過反距離權重插值算法推算實時水深。調用地圖瓦片數據接口，可利用地圖融合技術將港口電子地圖、內河航道電子地圖和電子海圖整合成一個完整的航運電子地圖。系統采用基于ESRI ArcGIS 的跨平臺地圖引擎，調用地圖瓦片數據接口和動態水深數據接口，分別利用面向WEB 的地圖引擎和面向Android 客戶端的地圖引擎開發船舶航行動態監控系統和船舶航行電子地圖系統。其中面向WEB 的地圖引擎采用JavaScript 語言開發，面向Android 客戶端的地圖引擎采用Java 語言開發。

3.2 關鍵技術

3.2.1 內河航道、港口電子地圖與電子海圖的融合技術

內河航道、港口電子地圖的坐標系是北京1954 坐標系，數據格式通常采用是ArcGIS Shapefile，顯示標準參考國家標準GB5863-86《內河航道助航標志》。電子海圖的坐標系是WGS84 坐標系，電子海圖數據格式標準和數據顯示標準[5]分別是由國際海事組織（IMO） 頒布的S57 和S52 格式。由于內河航道、港口電子地圖與電子海圖數據坐標系、數據格式以及顯示規范不同，造成內河航道、港口電子地圖與電子地圖無法直接兼容，對江海聯運船舶造成極大不便。故必須統一內河航道、港口電子地圖與電子海圖的坐標系、數據格式以及顯示標準，將內河航道、港口、沿海海域的空間要素整合在同一張地圖上。以廣東航道電子地圖數據、港口電子地圖和電子海圖為例，主要步驟為：

（1） 數據格式轉換

數據格式統一采用ArcGIS Shapefile 數據格式為標準。由于廣東省內河航道電子地圖數據和港口電子地圖數據本身均采用ArcGIS Shapefile 格式，無需轉換數據格式。電子海圖采用S57 的數據格式，故須利用ArcGIS 軟件將電子海圖數據轉換為ArcGIS Shapefile 格式。

（2） 坐標系轉換

廣東省內河航道電子地圖數據和港口電子地圖數據均采用北京1954 平面直角坐標系，采用高斯克呂格投影，3 度分帶。電子海圖數據采用WGS 1984 大地坐標系。將廣東省內河航道電子地圖數據和港口電子地圖數據轉換為WGS 1984 大地坐標系。坐標轉換流程如圖4 所示：

（3） 合并圖幅

電子海圖數據是分圖幅的，同一個區域可能有多張電子海圖數據，但是每張電子海圖數據的比例尺有區別。因此需要按比例尺和按物標圖層，對電子海圖數據各圖幅進行合并，將同一個比例尺下的同一類物標合并到一個圖層中。

3.2.2 基于Android 平臺的內河航道實時水深數據在線發布技術

面向智能船舶移動終端的船舶航行電子地圖系統采用基于Android 平臺的內河航道實時水深數據在線發布技術，使用反距離權重插值水深算法精確推算內河航道的實時水深，并基于Android 平臺對實時水深數據進行在線發布。基于Android 平臺的實時水深數據在線發布技術由五部分組成，分別是實時水位數據接收子系統，實時水深計算子系統，面向Internet的地圖數據發布接口、面向Internet 的實時水深數據發布接口、基于Android 平臺的船舶航行電子地圖軟件。

（1） 實時水位數據接收子系統，通過Socket 接口接入內河航道水位站傳輸的實時水位監測數據。

（2） 實時水深計算子系統，根據接收的實時水位數據，采用反距離權重插值算法計算內河航道實時水深。（3） 面向Internet 的地圖數據發布接口，通過REST 接口向Android 電子地圖終端軟件，發布地圖數據。

（4） 面向Internet 的實時水深數據發布接口，通過REST 接口向Android 電子地圖終端軟件，發布實時水深數據。

（5） 基于Android 平臺的船舶航行電子地圖軟件由無線通訊模塊、地圖引擎、地圖顯示模塊、GPS 定位模塊四大功能模塊組成，可通過無線網絡下載地圖數據，瀏覽顯示電子地圖，獲取實時水深、跨河攔河建筑物的凈空高度等信息，滿足江海聯運船舶航行的需求，提高船舶航行的安全性。

4 系統應用

本文的面向江海聯運的船舶航行服務信息系統應用于廣東省交通運輸廳科技計劃項目《基于Android 的江海直達船舶在線地圖服務終端技術研究與開發》和廣州市創新基金項目《內河航運船載智能云終端》。該項目根據本文的系統結構和功能設計，攻克關鍵技術上的難題，開發智能船載終端監控平臺和智能船舶移動終端應用軟件。其中，智能船載終端監控平臺為航運監管部門提供船舶實時動態情況，提高航運監管部門安全監管水平。基于Android 的智能船舶移動終端應用軟件提供船主、航運企業、貨代企業等用戶包括航行實時電子地圖、船舶航行安全信息查詢、航道基本信息查詢等船舶航行信息服務。如圖5 所示，用戶可通過智能船舶移動終端應用軟件的航行實時電子地圖查詢船舶位置、航道水深等信息。

5 結 論

面向江海聯運的船舶航行服務信息系統實現內河航道電子地圖、港口電子地圖和電子海圖的融合，為船舶在內河航運中提供航行參考信息，實現船舶江海聯運的全方位航行參考圖支持。在提供在線海圖和地圖導航的基礎上，采用基于反距離權重插值算法推算內河航道水深的方法準確推算航道實時水深并實時發布，大大提高船舶內河航運安全性。面向江海聯運的船舶航行服務信息系統的設計與應用提高江海聯運的船舶航運安全性和經濟性，加快內河航運發展的步伐，促進江海聯運信息化的發展。

[1] 彭磊. 西江流域江海聯運的發展現狀及展望[J]. 價值工程，2011,30(27):278-279.

[2] 羅本成，周俊華，解玉玲. 內河航運綜合信息服務系統及其關鍵技術研究[J]. 水運科學研究，2008(4):1-5.

[3] 嚴忠貞，嚴新平，馬楓,等. 綠色長江航運智能化信息服務系統及其關鍵技術研究[J]. 交通信息與安全，2010,28(6):76-81.

[4] 周文平. 面向接口多層架構開發模式在航運物流管理信息系統中的應用[J]. 物流科技，2011(7):26-28.

[5] Hong Liang, Raj Arangarasan, Larry Theller. Dynamic visualization of high resolution GIS dataset on multi-panel display using ArcGIS engine[J]. Computers & Electronics in Agriculture, 2007,58(2):174-188.