基于Django的船舶運動預測系統的設計與實現

董朋

摘要：港口天氣環(huán)境復雜無章，如果不及時對船舶做出適當的預防措施，可能會對停泊或出港的船只帶來危害。針對該問題使用Python語言設計并實現了一套基于Django框架的Web系統，對未來一段時間內風對船舶的受力分析，并進行運動狀態(tài)預測，同時給出相應的決策建議，對防止由于突發(fā)大風給港口帶來災害提供了幫助。

Abstract： Complicated weather and environment of port， If proper precautions are not taken against the vessel in time， it may cause harm to the vessel berthing or leaving the port. In order to solve this problem， a web system based on Django framework is designed and implemented with Python language. The force analysis of the wind on the ship in the future is carried out， and the motion state is predicted. At the same time， the corresponding decision-making suggestions are given， which is helpful to prevent the port from disaster caused by sudden strong wind.

關鍵詞：Python;Django框架;風載荷;預測

Key words： Python;Django framework;wind load;forecast

0 ?引言

船舶風載荷受力分析及運動姿態(tài)預測系統是對進出港口或停靠船只的受風力情況及運動姿態(tài)預測進行可視化。系統的主要目的是結合氣象臺給出的未來一段時間內氣象預報，為港口工作人員提供船舶未來一段時間內的運動預測，給出相應應對措施，減少因突發(fā)大風給港口帶來的損失。

每年夏秋是海上熱帶風暴、強熱帶風暴和臺風的多發(fā)季節(jié)，海上還常有突發(fā)性陣風，由此造成港口大型起重機械和船舶損毀的情況時有發(fā)生。隨著海運船只的大型化，突發(fā)性大風對船只的影響更為嚴重，如果提前預知大風對船只的運動影響并及時做出相應的應對措施，就能減少很大的損失。

隨著計算機科學技術的高速發(fā)展，越來越多的計算機語言被開發(fā)出來，Django是高水準的Python編程語言驅動的一個開源模型、視圖、控制器風格的web應用程序框架。因其有強大的路由映射功能，完善的視圖模板實現，操作簡單，擴展靈活，成本低安全度高等優(yōu)點，擁有廣大的用戶群體和適用范圍。無論從質量、性能還是從成本方面考慮，Django框架平臺逐漸成為高校信息發(fā)展工具的首選[1]。

1 ?技術可行性

Python是一種跨平臺的計算機程序設計語言，是一個高層次的結合了解釋性、編譯性、互動性和面向對象的腳本語言。可應用于科學計算與統計、人工智能、軟件開發(fā)、網絡爬蟲、web開發(fā)等領域。相對其他語言，Python具有簡單易學、可擴展、免費開源、可移植性強、可嵌入性等優(yōu)點，因此可用于web系統開發(fā)、移動應用開發(fā)、科學計算等廣泛領域。Django是基于Python語言開發(fā)的開源網站框架[2]，Django在處理的過程中，對于經典的MVC處理模式進行了再次的封裝和升級，在實際項目開發(fā)過程中控制器controller起到的作用非常有限，所以Django將控制器部分也進行了封裝，但是同時擴展了視圖view部分，增加了模板功能實現了前端網頁的復用，所以Django的架構模式更加符合MVT處理模式。

2 ?系統模塊設計

本系統分為數據采集模塊、數據計算模塊、數據可視化模塊、決策建議模塊，如圖1。數據采集模塊需要建立數據庫用來接收船舶信息和從氣象臺發(fā)送的未來一段時間的風況信息，以便為下一步的計算提供數據。數據計算模塊是根據風載荷系數和船舶位姿受風面積計算出船舶的受力分析。數據可視化模塊是將風況信息、船舶信息、未來時間段內船舶將要受到的風力分析等信息通過Django框架以曲線、動畫等形式進行可視化。

3 ?系統需求分析

3.1 數據同步

在系統的功能中，數據同步保證著系統的及時性、準確性、可靠性。數據同步功能需要實現風況信息、船舶信息、計算處理后的受力信息、時間統計等一系列功能的同步有效。需要將獲取的風況信息經過計算、統計處理后及時分別顯示到前端頁面和保存到歷史數據庫中，同時實時更新虛擬仿真模型的位姿信息。

3.2 前端頁面

前端頁面主要負責展示獲取的未來一段時間的風況信息、船舶信息、船舶受力信息、虛擬仿真模擬、統計后的風向頻率玫瑰圖和決策建議。如圖2。

3.3 后臺處理

后臺處理的主要功能是計算，用算法將某時刻的風的方向以上北下南的準則以三角形的形狀轉換到前端頁面，依靠經驗公式用風的信息和船舶信息計算作為參數將船舶受力信息計算出來，然后統計過去一段時間風況信息，為畫風向頻率玫瑰圖提供數據。部分船舶風載荷計算代碼如圖3。

4 ?系統實現

建立原始參數數據庫，用來接收氣象臺預測的未來一段時間的風況信息，包括風的級數大小、風的種類、風的方向等信息，采用經驗公式估算方法對船舶進行受力計算，計算得出船舶在某時刻點縱向風力、橫向風力、回轉力矩和橫搖力矩的數值，繼而估算船舶受風影響后的位姿變化預測。

建立中間數據庫，用來存入計算后的信息數據。

數據可視化模塊從后端數據庫中提取數據導入到前端頁面，以折線方式顯現一段時間內某時間點的風力大小、方向和船舶受力數據，再將過去的歷史時間內的風況信息統計規(guī)整，采集整點的風況信息，畫出風玫瑰圖，可查看過去以月為單位時間的風況規(guī)律。通過Ajax技術實現用戶界面和服務器后端交互功能，用戶通過web瀏覽器來與服務器進行交互，獲取自己所需要的信息。

決策建議模塊根據計算出來的船舶力矩等信息來預測船舶將會以什么樣的姿態(tài)變化，如若遭遇突發(fā)強風，給出適當建議以減少人力物力等損失。

本系統采用MySQL數據庫，MySQL是最為著名且應用最為廣泛的關系型數據庫，其體積小、速度快、通過配合不同的存儲引擎，可以滿足不同的業(yè)務場景。數據庫是整個系統的關鍵，數據庫設計的好壞起著決定性的作用，系統數據庫設計要遵循以下原則：

①體現系統的需求，數據庫設計應該優(yōu)先滿足系統的業(yè)務需求，準確表達數據之間的關聯關系。

②保證數據的一致性，通過主鍵、外鍵、非空、唯一索引等保證數據的健全。

③提高數據查詢效率，通過合理創(chuàng)建表結構、視圖、增加索引等方式，提高數據的查詢效率。

④良好的擴展性，必要時能根據需求變化擴展數據結構。

5 ?結束語

本文提出了基于Django的船舶風載荷受力分析及運動姿態(tài)預測系統的設計與實現，使工作人員觀察港口船舶的實時動態(tài)更加方便，同時也發(fā)布了未來一段時間內大風船舶姿態(tài)預測，為預防突發(fā)大風災難提供了幫助。

參考文獻：

[1]陳紅茜，孟超英，邱小彬，王笑娟，李輝.基于Django的高校合同制人員管理系統[J].華東師范大學學報（自然科學版），2015（S1）：464-470.

[2]陳鐳，張凡龍.基于Django的高校人才引進系統設計與實現[J].計算機時代，2019（07）：40-42.

[3]牛寧.基于Django的智慧園區(qū)平臺系統設計與實現[D].電子科技大學，2018.

[4]周君，賈昆霖，藍機滿，宋艷.基于Django框架的智能圖書推薦系統[J].電子科技，2018，31（12）：78-80，85.

[5]我看《PHP與MySQL Web開發(fā)指南》[J].三版.電腦編程技巧與維護，2005（08）：94.