公務船艇通導設備信息服務集成研究與應用

朱 麟

(公安海警學院訓練部 浙江 寧波 315801)

0 引 言

海上通導設備服務于船舶運輸、航海定位、作戰信息指揮以及監控調度，其蘊含著大量的信息數據，而這些數據對于公務船艇海上執法信息化建設有著重要的作用。船艇通導設備信息服務的集成與共享是一項艱巨而復雜的任務[1]，由于缺乏科學的信息技術標準以及技術條件的限制，形成了信息孤立、標準各異的局面。近幾年，我國海上執法力量獲得了快速發展，各海上執法單位相繼建立了一批先進的自動化信息系統，為提升海上船艇信息化執法能力等方面發揮了重要作用。但是在新舊設備信息高度融合、中間件集成、系統接口設計、集成技術性能優勢，以及網絡空間互聯互通等方面仍制約著總體通導設備信息共享框架的發展。因此有必要研發一個公務船艇通導設備服務集成系統，對于解決海上執勤執法、觀察取證、監控調度、海上救援等信息共享有著重大意義。

船艇通導設備服務包括通信服務、導航服務、觀察取證服務、顯示服務、網絡服務、數字音頻圖像集成服務以及相關硬件服務，根據一定的設計要求和安全性要求將設備存儲的歷史和實時信息整合為一體化的應用平臺，從而減少航行操作錯誤，提高出航安全。文獻[2]通過基于云服務的電子航海為海上安全提供線路支持和通信服務，這種服務的集成減少了設備系統帶來的信息冗余問題，實現了信息集成與共享，為指揮決策提供了一定的幫助。文獻[3]采用不同度量的方法集成實時全球航海衛星系統服務的數據信息，從而證明該系統在大型船舶上發揮的航海能力。同時，文獻[4]中，Daniel等采用電子海圖服務集成所有設備信息以此來改進加拿大海上通導設備系統。國家海洋信息中心[5]針對我國海洋建設過程中產生的“數據孤島”問題，對數字海洋主中心節點和各子節點單位的海洋空間數據進行統一規劃，制定了一套數據處理、組織存儲、服務制作、共享發布與下載使用等標準流程的服務方案。然而，在實際應用中，由于設備的多樣性、環境的復雜性、數據采集的不確定性以及實時服務的延時性，單靠電子海圖的服務能力還遠遠達不到所有設備服務集成的效果，同時還會降低服務效率，給出錯誤的決策。因此，本文從通導設備服務的角度，研究了信息服務集成在公務船艇通導設備的應用，并在實踐中進行推廣和運行。

1 系統總體設計

1.1 系統多態數據采集

系統信息服務數據采集的目標是以電子海圖顯示與信息系統為客戶端，將導航數據和機艙工況數據等多態數據進行采集。其中，導航數據來自船艇自動導航系統AIS(Automatic Identification System)、全球定位系統GPS(Global Position System)、雷達系統、電羅經、風速風向儀等相關信息。形成的多態數據為船上人員實時提供船艇狀態信息并實現預警、輔助目標跟蹤、船艇航行狀態記錄和查詢回放等服務。機艙工況數據包括主機系統數據、燃油系統數據、冷卻水系統數據等。系統將所有采集的數據保存在船上或經通信信道發送給指揮中心的船艇數據庫中，并與電子海圖系統關聯，用戶可在船艇本地或者岸上指揮中心遠程查看機艙歷史和實時數據。系統還具有即時通信功能，可實現船艇與岸上用戶間的文本短信、即時文本通信、文件傳輸、數據查詢等功能。通過數據采集程序、電子海圖引擎和數據通信服務器，獲取AIS、GPS、雷達等數據，將這些數據轉換為計算機可理解的知識，從而實現接口轉換和中間件服務的信息流程。

1.2 系統軟件架構

系統軟件采用模塊化，分布式的體系結構。依據處理業務類型的不同，分模塊部署在相應的物理平臺上，與各系統平臺對應的數據也存儲在相應的系統平臺上，各部分軟件分別獨立工作。通過局域網實現系統間的信息交互，分為應用層、業務層、協議層、鏈路控制層和物理層。應用層分布于船用系統平臺和岸基指揮中心平臺，通過業務處理層將各平臺的硬件接口與現有通信導航設備或系統連接，標準協議和鏈路控制層以船艇局域網為承載通道實現各系統的互聯互通，完成各業務系統和設備的通信和控制。軟件系統分層結構模型如圖1所示。

圖1 軟件系統分層結構模型

本系統采用綜合集成的方法將各個應用平臺服務集成為公務船艇系統、岸基指揮中心系統和信息傳輸系統三大部分。通過該三部分的集成，構建語音、視頻、數據等多種業務的一體化信息平臺，主要包括：(1) 在岸基指揮所按指揮級別分別設置通導控制管理中心，通過地面專用網與各指揮中心之間實現信息共享。(2) 船艇上配置通導控制管理設備，對平臺內部通導設備進行統一管理，實現信息共享。(3) 在沿海附近，船艇可通過超短波系統實現對岸互通；遠離岸邊時，船艇可通過衛通、短波實現對岸通信。(4) 船艇編隊之間可通過短波、超短波構建編隊內話音、數據及視頻信息互聯互通，實現數據信息共享。

2 關鍵技術

2.1 服務集成建模技術

系統首先采用元模型描述信息服務過程中元素、屬性以及元素關系，通過控制結構和數據結構描述服務組合過程，實現服務組合模型的資源交互，定義服務資源要素的組成和約束。一個服務元模型由原子服務、組合服務和關系構成，其中原子服務是不可再分割的服務并可以直接調用，一個原子服務的工作模式為輸入參數到執行服務到輸出結果。將原子服務的屬性集和參數集進行定義，屬性集描述了原子服務的標識、名稱、服務類型和在知識庫中的標識，參數集描述了服務的輸入與輸出參數。組合服務模型定義了控制流、數據流和服務子模型，從而為空間信息、網絡信息和硬件平臺進行服務。

元模型設計后，需要從空間信息服務鏈的服務資源、數據流、控制流三個方面描述服務鏈元素向BPEL[6]業務流程語言(Business Process Execution Language)元素之間的映射與轉換。(1) 服務轉換：在服務鏈中，服務分為組合服務和原子服務，采用、、標簽標記鏈文件的狀態和業務流程方式；(2) 數據流轉換：通過輸入與輸出標簽下的屬性“ImportFrom”、“AssignFrom”、“Assign-To”進行標記，每個屬性都會標記數據流的源和目標；(3) 控制流的轉換：通過、、等標簽分別控制順序(sequence)、并行分支(split)、同步分支(synchronization)模式。

2.2 信息服務鏈技術

(1) 服務鏈的規劃：服務鏈的規劃是服務鏈生成的關鍵，可以對業務邏輯進行建模和預定義。設一條空間信息服務鏈為Si={D,E,F}，i

對于WFS，如果要計算返回要素類型為航海通行區域(Navigation_area)或船艇航跡(Ship_route)，則采用輸入要素與查詢語句操作：getFeature(featureType: string, q: query)：featureCollection，其語句如下所示：

? getFeature: featureCollection(y)，(? x∈y→Navigation_area (x))；

茄子生長成熟后采收，采收要注意采收的時間，一般在開花后的25天，也就是茄子萼片與果實相接處白色或淡綠色環狀帶即將消失時即可采收。采收之后，要及時包裝和售賣，保障茄子的質量。

? getFeature: featureCollection(y)，(? x∈y→Ship_route (x))。

而對于WPS服務，則采用sum( )函數與overlay( )函數操作：

? overlay(y1: featureCollection, y2: featureCollection)：FeatureCollection；

? sum(y: featureCollection, attributeToSum:string)：int。

其中：overlay( )函數判斷要素集合y1和y2在空間y中的個數；sum( )函數將要素的屬性相加。在實際應用中可以分析航海通行區域的疊置狀況或獲取航跡所經過的位置點。

如圖2所示，在一個具體的服務鏈生成過程中，首先采用getFeature( )函數獲取Navigation_area和Ship_route空間要素類型，然后用overlay( )函數操作空間域S和船艇航跡要素集合并返回，對該數據集進行搜索。而sum( )函數實現了使目標轉換成具體的Navigation_area和Ship_route要素數據。

圖2 局部服務鏈生成過程片段

圖3 空間信息服務鏈有向圖

(3) 服務鏈的實例化：通過OWL-S[8]語義服務描述與WSDL[9]網絡服務描述語言之間的映射實現分布在不同服務器上的服務實例化和綁定。服務鏈的實例化采用服務質量QoS(Quality of Service) 模型在不同服務實例中進行選擇，實例化的實現過程則將選定服務實例的WSDL映射到OWL-S的服務組中。

(4) 服務鏈的執行：將實例化的可執行服務鏈進行發布和執行，根據服務組合模型文件中各原子服務的鏈接關系，將系統匹配得到的原子服務實例相互鏈接，以ActiveBPEL作為引擎解決通導設備信息中原子服務實例鏈接的問題。執行方式首先將OWL-S 處理模型中元素映射到 BPEL模型，然后交給Active BPEL引擎執行，服務執行引擎按照實例化的服務鏈協調、部署、管理和執行具體服務，最后得到服務結果返回用戶終端。

2.3 服務數據集成

服務數據集成采用總線的方法對船艇通導信息的業務流程進行分析管理，以滿足數據終端和數據中心的業務需求，服務技術包含了消息隊列MQ(Message Queue)、數據轉換捕獲器CDC(Change Data Capture)、消息流MF(Message Flow)，各業務系統將消息放在總線上來實現消息路由和格式轉換。

船艇通導信息設備服務數據集成通過數據交換與訪問發布WebService服務，主要提供外部應用系統訪問全域數據庫的途徑。全域數據庫中的每張數據表都對應一個數據訪問服務，且每一個數據訪問服務都包含增加、修改、刪除、查詢、分頁查詢、獲取記錄這6種服務方法。該服務方法通過信息集成平臺訪問控制終端或業務軟件自主開發代碼調用數據訪問服務訪問基礎數據庫數據或對基礎數據庫數據進行更新。

3 系統實現及應用

本文研究開發的服務集成系統搭建于Intel Core 2 Quad 2.4 Hz Windows10，服務器架構于IBM 3650xm，采用Linux Asia 3x版本，集成數據庫為IBM DB2。系統以電子海圖為顯示背景，支持國際標準海圖數據IHO S57，支持海軍航保部VCF格式數據。系統可接入船載GPS、AIS、雷達、北斗、計程儀、測深儀等設備作為數據傳感器，自動采集并結合電子航道圖的空間信息進行綜合利用，可及時、自動地為操作員提供豐富的助航、避碰及危險報警信息，并動態標繪出船艇上傳和岸基AIS基站接收到的目標船位置、航向、航速、目的港等多種靜動態信息和目標船艇的歷史航跡，如圖4所示。

圖4 公務船艇通導設備信息服務集成系統應用

系統實時將數據(導航數據和機艙數據)存儲到數據庫(DB2)中，并可以配置存儲頻率，方便本船艇其他系統對數據資源的再次利用。可提供基于TCP/IP協議的數據輸出接口，將多種數據信息傳輸至其他設備，還可以通過衛星及其他通信網絡將數據傳輸到指揮中心以實現遠程數據共享。系統在浙江、江蘇、上海等幾個具備條件的沿海地區和公務船艇大隊應用，并逐步推廣到其他地區。

4 結 語

本文針對公務船艇通導設備信息集成與共享缺乏科學合理的技術標準、技術條件的限制等問題，研發了一個信息服務集成系統。該系統采用服務集成建模、信息服務鏈技術以及數據集成技術對多態數據進行采集、過濾、集成、共享，并分析系統軟件架構和分層結構模型，實現了整個系統的應用和推廣。但目前還有很多智能化集成技術的正在試運行和籌建中，系統的集成缺少數據的語義性，下一步將人工智能的方法應用于該系統中，豐富服務集成的自動化和智能化水平。

[1] 黃勝波,朱麟.公務船艇通導設備信息集成方案研究與探索[M].上海:上海交通大學出版社,2016:1-3.

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[4] Breton D,Barry J,Vandehei L.Improving Canada’s Marine Navigation System through e-Navigation[J].International Journal of e-Navigation and Maritime Economy,2016,4(6):23-30.

[5] 呂憧憬,蔣冰,曲輝,等.基于Web服務的海洋空間數據共享技術研究與實現[J].計算機應用與軟件,2016,33(12):49-51,70.

[6] Langer M.Business Process Reengineering[J].Analysis and Design of Information System,2008:268-280.

[7] Wikipedia,the free encyclopedia.Directed Acyclic Graph[EB/OL].(2010-03-31).https://en.wikipedia.org/wiki/Directed_acyclic_graph.

[8] Web service description language (WSDL)[EB/OL].(2001-01-01).http://www.w3.org/TR/wsdl.

[9] OWL Web Ontology Language[EB/OL].(2004-1-10).http://www.w3.org/TR/owl-semantics/.