基于GIS的船舶交通管理系統(tǒng)研究

郜士彬

(中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計研究院，云南 昆明 650000)

0 引言

2006—2013年的事故統(tǒng)計顯示，2.5公里思賢滘河段發(fā)生事故占68公里東平水道所比重達(dá)69%[1]。2010—2019年全球總共發(fā)生了39起173名海員遇難散貨船舶致命事故，2021年1—3月，涉及萬載重噸以上的散貨船事故有53起。傳統(tǒng)的船舶管理系統(tǒng)明顯已經(jīng)跟不上時代的發(fā)展，建立適應(yīng)時代發(fā)展，符合我國國情的先進(jìn)船舶交通管理系統(tǒng)刻不容緩。

以往的船舶交通管理系統(tǒng)(Vessel Ttraffic System，VTS)、船舶自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System，AIS)、船舶閉路監(jiān)控(Closed circuit television，CCTV)、GPS、海事氣象等數(shù)據(jù)，不能很好的協(xié)同工作，都是各自為戰(zhàn)的使用模式，從而每個系統(tǒng)所能發(fā)揮的作用大打折扣。將GIS技術(shù)引進(jìn)船舶交通管理系統(tǒng)，利用GIS技術(shù)本身獨有的優(yōu)勢，可以突破電子海圖和電子地圖的融合難點，將動靜態(tài)信息進(jìn)行集中管理、顯示、查詢，為船舶區(qū)域網(wǎng)格化管理提供支撐。通過接口功能將各個系統(tǒng)接入到一個GIS系統(tǒng)界面去管理，將多個系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為一個“系統(tǒng)”，不但可以簡化系統(tǒng)，減少海事部門工作人員的勞動強(qiáng)度，同時可以提高水上交管、監(jiān)控調(diào)度、應(yīng)急搜救以及事故追查效率。

文獻(xiàn)2中對新一代“陸?？仗臁贝敖煌ü芾硐到y(tǒng)進(jìn)行了定義[2]，文獻(xiàn)3中分析了船舶交通管理系統(tǒng)中涉及的安全風(fēng)險點和風(fēng)險等級[3]，文獻(xiàn)4中研究設(shè)備升級、集群處理、大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用、分布顯示和優(yōu)化存儲等方面來提升管理系統(tǒng)性能[4]，文獻(xiàn)5中提出了一種WBS的船舶交通管理系統(tǒng)項目進(jìn)度管理方法[5]，文獻(xiàn)6對VTS的發(fā)展概況進(jìn)行了詳細(xì)闡述[6]，文獻(xiàn)7中研究了基于WEB的VTS系統(tǒng)設(shè)計[7]。

隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，物聯(lián)網(wǎng)、云計算技術(shù)的興起，移動GIS和共享技術(shù)的快速發(fā)展，以及船舶監(jiān)管硬件的不斷完善，船舶執(zhí)法記錄儀、海事無線專網(wǎng)、CCTV等逐漸實現(xiàn)全覆蓋，船舶執(zhí)法過程將愈來愈趨于智能化、信息化、便捷化。本文通過翻閱大量文獻(xiàn)深入研究GIS相關(guān)技術(shù)理論，結(jié)合工程項目實際，研究基于GIS的船舶交通管理系統(tǒng)。將GIS技術(shù)應(yīng)用到在船舶管理系統(tǒng)，能有效提高系統(tǒng)的性能，便于監(jiān)管部門的執(zhí)法以及救援?；贕IS的船舶管理系統(tǒng)在未來可成為水上智能化巡航、動態(tài)便捷執(zhí)法、應(yīng)急搜救智能決策、對內(nèi)對外便捷服務(wù)的共享平臺，能夠滿足在新形勢下的船舶動態(tài)執(zhí)法、信息化執(zhí)法起保障作用及動態(tài)執(zhí)法管理的需求。

1 船舶交通管理系統(tǒng)GIS技術(shù)基礎(chǔ)

1.1 ArcGIS Server技術(shù)

ArcGIS Server是一個由分布在多臺物理機(jī)上的每個角色共同工作完成的分布式系統(tǒng)?；贏rcGIS Server搭建的WebGIS應(yīng)用程序能夠支持多種類型的客戶端，包括ArcGIS Engine Application、ArcGIS Desktop、Web 瀏覽器等[8]。如圖1所示，主要描述了利用ArcGIS Server搭建WebGIS應(yīng)用的各個組成部分。

圖1 WebGIS系統(tǒng)的組成

1.2 Flex技術(shù)

Flex是Adobe研發(fā)的使開發(fā)人員可以開發(fā)和部署可升級的富互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序(RIA)的一系列工具和技術(shù)[9]。RIA是指類似Web網(wǎng)頁開發(fā)的簡易方式來部署架構(gòu)客戶端程序，它具有高度的用戶互動性和豐富的用戶體驗。ArcGIS Server Flex的API是一個功能強(qiáng)大的框架，可以用它來打造美麗的ArcGIS Server的豐富的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序(RIA)，有效的用戶體驗比當(dāng)前的Web GIS更好。ArcGIS API for Flex 是 ESRI 2008年研發(fā)的WebGIS開發(fā)包。為ArcGIS Server開啟了新的開發(fā)模式，它的運行速度特別快，為使用者提供良好的界面。

ArcGIS Flex API是以標(biāo)準(zhǔn)的Flex引用類庫的形式存在的，文件以.swc為后綴，利用Flex Builder進(jìn)行開發(fā)時，只需通過工程屬性的library path選項將該API加入到工程的引用庫中。ArcGIS Server for Flex是利用一個封裝好的類庫來開發(fā)應(yīng)用程序，只需調(diào)用ArcGIS提供的方法接口就能實現(xiàn)大部分的功能，不用接觸太多的AO接口。

1.3 WebService技術(shù)

WebService是一種高效的、基于互聯(lián)網(wǎng)開放標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)的分布式的應(yīng)用模型。應(yīng)用服務(wù)提供商(Application Service Provider)發(fā)布的、完成特定商務(wù)需求的在線應(yīng)用服務(wù)可通過隱藏其服務(wù)實現(xiàn)的細(xì)節(jié)，使用戶在使用該服務(wù)時獨立于服務(wù)實現(xiàn)，服務(wù)的軟、硬件平臺和服務(wù)編寫所用的編程語言，從而基于WebService的系統(tǒng)具有松散耦合、面向組件和跨技術(shù)實現(xiàn)的特點[10]。

WebService主要由3個部分構(gòu)成，包括服務(wù)器端、客戶端與服務(wù)中心。交互主要包含查找服務(wù)、服務(wù)發(fā)布以及綁定操作；通過以上角色WebService描述和實現(xiàn)模塊[10]。WebService的工作原理可以概括為：服務(wù)器端定義Web服務(wù)的服務(wù)描述并在注冊中心發(fā)布服務(wù)；客戶端用戶通過查詢，在服務(wù)中心查詢服務(wù)描述以獲取所需要的服務(wù)；服務(wù)器端通過服務(wù)位置信息與客戶端綁定，調(diào)取相應(yīng)的Web服務(wù)。

1.4 其他相關(guān)技術(shù)

船舶GIS系統(tǒng)還用到了WebGIS技術(shù)、GPS/BDS技術(shù)、oracle數(shù)據(jù)庫技術(shù)、5G通信技術(shù)等。

2 基于GIS的船舶交通管理系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 框架設(shè)計

船舶GIS交通管理系統(tǒng)采用3層架構(gòu)：①數(shù)據(jù)訪問層，主要進(jìn)行和數(shù)據(jù)庫相關(guān)的設(shè)計，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)表的查詢選擇、數(shù)據(jù)插入、要素更新、錯誤數(shù)據(jù)刪除等數(shù)據(jù)操作；②業(yè)務(wù)邏輯層，是系統(tǒng)核心的一層，包括設(shè)計業(yè)務(wù)相關(guān)規(guī)則、實現(xiàn)業(yè)務(wù)流程，主要進(jìn)行與業(yè)務(wù)需求和業(yè)務(wù)邏輯有關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計；③表示層，負(fù)責(zé)系統(tǒng)操作員和整個系統(tǒng)UI的交互。采用3層架構(gòu)模式設(shè)計系統(tǒng)具有良好的數(shù)據(jù)兼容性、可移植性。

2.2 界面設(shè)計

GIS用戶界面設(shè)計的原則：①一致性原則；②合適的功能；③封裝性；④靈活性；⑤合理、高效利用屏幕；⑥用戶界面的效率；⑦提供反饋、幫助信息與出錯處理機(jī)制；⑧與應(yīng)用程序設(shè)計分離；⑨復(fù)雜性和可靠性[11-12]。

界面菜單結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 船舶GIS交通管理系統(tǒng)圖

2.3 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計

船舶交通管理系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為終端監(jiān)控指揮、智能指揮中心、移動辦公用戶、現(xiàn)場信號接入、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)接入等幾部分[13]，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計圖

2.4 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于GIS的船舶交通管理系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4所示，系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)包括各種數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)庫、GIS服務(wù)系統(tǒng)、WEB服務(wù)器、船舶GIS系統(tǒng)用戶交互終端[14]。終端包含網(wǎng)格化管理、船舶動態(tài)、應(yīng)急管理、查詢統(tǒng)計、水文氣象等。

圖4 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)的設(shè)計框圖

2.5 數(shù)據(jù)庫E-R設(shè)計

數(shù)據(jù)庫總體E-R圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)庫總體E-R圖

3 系統(tǒng)功能開發(fā)與實現(xiàn)

系統(tǒng)主要有網(wǎng)格化管理模塊、船舶動態(tài)模塊、應(yīng)急管理模塊、查詢統(tǒng)計模塊和水文氣象。下邊以網(wǎng)格化管理、船舶動態(tài)、應(yīng)急管理、查詢統(tǒng)計、水文氣象等功能展示。

3.1 網(wǎng)格化管理

網(wǎng)格化管理模塊，點擊菜單“網(wǎng)格管理”顯示桌面小圖標(biāo)，里邊有管理網(wǎng)格分類顯示方式和網(wǎng)格標(biāo)注方式選擇框?？梢愿鶕?jù)網(wǎng)格等級、網(wǎng)格轄區(qū)、網(wǎng)格類型來選擇顯示方式；根據(jù)標(biāo)注名稱和標(biāo)注編號來選擇標(biāo)注方式。

3.2 船舶動態(tài)監(jiān)控

船舶動態(tài)監(jiān)控是在船舶GIS系統(tǒng)上利用接口來實現(xiàn)的，包括視頻監(jiān)控(CCTV)、AIS信號監(jiān)控、VTS信號監(jiān)控、GPS/BDS信號監(jiān)控以及海事專業(yè)系統(tǒng)監(jiān)控。通過系統(tǒng)船舶動態(tài)監(jiān)控來查找違法船舶和防范突發(fā)事故的發(fā)生，工作人員可以減少工作量，不用去現(xiàn)場巡查，提高了工作效率，減少了工作人員的勞動強(qiáng)度。

(1)監(jiān)控方案

視頻監(jiān)控(CCTV)、AIS信號監(jiān)控、VTS信號監(jiān)控、GPS/BDS信號監(jiān)控以及海事專業(yè)系統(tǒng)監(jiān)控。本文僅就視頻監(jiān)控和AIS信號監(jiān)控進(jìn)行功能展示。

(2)視頻監(jiān)控巡航

添加CCTV巡航監(jiān)控，對本轄區(qū)CCTV監(jiān)控方案進(jìn)行添加、修改、刪除方案。在巡航步驟中添加、修改、刪除方案步驟中的通航環(huán)境、視頻槍、巡航時間、巡航里程。然后雙擊要執(zhí)行的方案名開啟CCTV監(jiān)控巡航。55分屏模式。巡航開啟后點擊“停止”按鈕，視頻槍停留在當(dāng)前步驟不繼續(xù)向下跳轉(zhuǎn)，只有點擊“播放”按鈕，視頻槍才會繼續(xù)跳轉(zhuǎn)。也看對可控視頻進(jìn)行操控、截圖等操作?？牲c擊“返回列表”按鈕，返回上一層菜單選擇，或點擊“全屏”可以清楚查看監(jiān)控異常情況。

3.3 應(yīng)急管理

應(yīng)急管理分為系統(tǒng)管理、應(yīng)急預(yù)案、周邊船舶查詢及船舶軌跡回放，針對船舶突發(fā)事件，做出相應(yīng)的指揮調(diào)度決策。

(1)系統(tǒng)管理

選擇管理轄區(qū)，把各個市分割成網(wǎng)格，進(jìn)行網(wǎng)格化管理，船舶事件發(fā)生在哪一個轄區(qū)，就可以在轄區(qū)內(nèi)實施就近救援和執(zhí)法。

(2)應(yīng)急預(yù)案

打開應(yīng)急管理菜單中的應(yīng)急預(yù)案，可查看顯示各類應(yīng)急資源，應(yīng)急資源的定義是在通航環(huán)境菜單中的通航環(huán)境類型維護(hù)列表，在通航環(huán)境類型設(shè)置列表中選擇某一類通航環(huán)境，并選擇應(yīng)急資源。該類通航環(huán)境即可在應(yīng)急資源列表中顯示。通過應(yīng)急資源功能，可以選定違法船舶并進(jìn)行跟蹤。選擇鼠標(biāo)定位置點，同時設(shè)置查詢范圍、應(yīng)急級別等。

(3)周邊船舶查詢

選擇周邊船舶后，鼠標(biāo)右鍵在海圖上點選。即可查看距離該點3海里范圍內(nèi)周邊船舶列表。當(dāng)通過船舶跟蹤系統(tǒng)進(jìn)入事故一定范圍內(nèi)，通過列表來選擇查看違反船舶信息和位置，從而篩選定位出違法船舶。

(4)船舶軌跡回放

軌跡回放其實就是把船舶每個瞬時時刻的位置信息儲存在數(shù)據(jù)庫，船舶定位系統(tǒng)采用GPS/BDS技術(shù)，在GIS地圖上邊可以看到由每個點位構(gòu)成的軌跡，可以清楚的直到某只船舶經(jīng)過哪里，要去哪里，什么時間到的什么地方，便于實時掌握船舶的動態(tài)，利于進(jìn)行船舶事故分析和違法船舶的跟蹤。回放船舶航行軌跡，可以選擇區(qū)域、船舶或回放文件。

3.4 查詢統(tǒng)計

查詢統(tǒng)計包含船舶流量統(tǒng)計、要素分類統(tǒng)計、在港船舶統(tǒng)計、違法行為查詢。通過關(guān)鍵字查詢和區(qū)域選取查詢，通過在搜索欄里輸入一個字符，進(jìn)行統(tǒng)計查詢。

通過鼠標(biāo)點擊界面上的要素，同樣可以進(jìn)行要素的查詢，在圖上點擊一個點，右邊界面顯示要素的名稱“主港浮標(biāo)”。同時可以看到實時流量數(shù)據(jù)，包括AIS數(shù)據(jù)和VTS數(shù)據(jù)，實時地對區(qū)域內(nèi)的船舶流量進(jìn)行統(tǒng)計。

3.5 水文氣象

水文氣象是實時提供天氣預(yù)報等氣象信息的模塊，結(jié)合氣象觀測點的實時觀測數(shù)據(jù)及人工手動錄入的水文氣象數(shù)據(jù)，分析評估各轄區(qū)水域內(nèi)的氣象信息，且與各種船舶自身抗風(fēng)等級數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)，給船舶停航、交通管制決策提供可靠依據(jù)。

4 結(jié)論

本文通過研究船舶GIS系統(tǒng)實現(xiàn)的相關(guān)理論技術(shù)，包括ArcGIS Server技術(shù)、Flex技術(shù)、Web Service技術(shù)等；完成了對船舶GIS系統(tǒng)的框架設(shè)計和界面設(shè)計，完成了對船舶GIS系統(tǒng)各個功能模塊比較系統(tǒng)的設(shè)計；完成了船舶管理系統(tǒng)的功能設(shè)計開發(fā)，實現(xiàn)了船舶GIS管理系統(tǒng)的網(wǎng)格化管理、船舶動態(tài)、應(yīng)急管理、查詢統(tǒng)計和水文氣象等模塊的功能。將GIS技術(shù)應(yīng)用到船舶交通管理系統(tǒng)上促進(jìn)了海事業(yè)務(wù)的發(fā)展，提高了海事船舶的監(jiān)管效率，降低了河道船舶交通事故率。

隨著技術(shù)和數(shù)據(jù)的不斷發(fā)展和完善，GIS智慧船舶管理系統(tǒng)將成為河道交通管理的一種重要手段。