楊倩晨

【摘 要】文章首先對(duì)航運(yùn)GIS軌跡采集與分析研究中用到的GPS、GIS、AIS、ZigBee等相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了介紹，然后明確了航運(yùn)GIS軌跡采集與分析的基本流程，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)船舶航行軌跡的航速、自身狀態(tài)、航道環(huán)境、航道信息、水文等信息的采集和航行軌跡、歷史航行軌跡、慣性軌跡的分析，最后詳細(xì)介紹了航運(yùn)GIS軌跡采集與分析研究中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，即多傳感器數(shù)據(jù)融合和多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的互連互通問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】GIS；AIS；軌道采集；軌道分析

【中圖分類(lèi)號(hào)】F552 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2016）12-0027-04

0 引言

近幾年來(lái)，隨著“藍(lán)色經(jīng)濟(jì)”的崛起，我國(guó)乃至全球的水上運(yùn)輸量大幅增長(zhǎng)，航運(yùn)交通日益繁忙。為了更好地發(fā)掘水上交通的特性與規(guī)律，為水上交通和物流運(yùn)輸管理部門(mén)提供決策依據(jù)，對(duì)航運(yùn)軌跡采集與分析研究成為水上交通物流業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)。通過(guò)對(duì)航運(yùn)過(guò)程中的各種信息（如船舶航行軌跡、航速信息、航運(yùn)環(huán)境信息、水文信息、船舶自身信息等）的采集，并對(duì)這些采集到的信息進(jìn)行處理和分析，可以幫助我們了解水上航道的擁擠情況，預(yù)測(cè)水上事故多發(fā)點(diǎn)，進(jìn)而減少船舶碰撞事件，提高水上交通運(yùn)輸?shù)陌踩院托省?/p>

1 相關(guān)技術(shù)

1.1 GPS技術(shù)

GPS的中文全稱(chēng)為全球定位系統(tǒng)，它是由美國(guó)研發(fā)的新一代衛(wèi)星定位系統(tǒng)，可以為包括陸地、海洋和航空三大領(lǐng)域在內(nèi)的交通運(yùn)輸提供導(dǎo)航服務(wù)。它的基本工作原理是利用分布在不同空間軌道平面上的GPS衛(wèi)星星座全天候24小時(shí)不間斷地發(fā)射信息，用戶(hù)接收信息并據(jù)此計(jì)算出接收機(jī)的三維位置、三維方向、運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間等信息。隨著航海業(yè)的蓬勃發(fā)展，船用GPS技術(shù)在現(xiàn)代航運(yùn)物流業(yè)中的作用越來(lái)越重要。GPS技術(shù)通過(guò)與船舶駕駛系統(tǒng)相結(jié)合，利用無(wú)線通信技術(shù)、地理信息技術(shù)等現(xiàn)代信息技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)航行船舶的定位和導(dǎo)航，還可以與GIS、AIS相結(jié)合實(shí)現(xiàn)船舶數(shù)據(jù)采集、動(dòng)態(tài)監(jiān)控、航運(yùn)管理等功能。

1.2 GIS技術(shù)

GIS的中文全稱(chēng)為地理信息系統(tǒng)技術(shù)，它是將地理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、多媒體技術(shù)、GPS技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等結(jié)合起來(lái)形成的一門(mén)綜合應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)。GIS技術(shù)是解決空間問(wèn)題最好的工具和方法，具備對(duì)空間數(shù)據(jù)的收集、存儲(chǔ)、處理和應(yīng)用等功能，并且可以結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)將信息進(jìn)行可視化的顯示和輸出。

GIS在航運(yùn)中的應(yīng)用主要是利用GPS技術(shù)獲取的定位信息與3G技術(shù)獲取的通信信息進(jìn)行分析處理，計(jì)算出船舶的軌跡、航速等信息，并且采用圖形的形式將軌跡信息在電子地圖上顯示處理。

1.3 AIS技術(shù)

AIS技術(shù)的中文全稱(chēng)為船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)。它由岸基（基站）設(shè)施和船載設(shè)備共同組成，是一種新型的集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子信息顯示技術(shù)為一體的數(shù)字助航系統(tǒng)和設(shè)備[1]。AIS可以配合GPS、GIS技術(shù)將自動(dòng)采集到的各類(lèi)船舶信息，如船速、航向率、船名等信息通過(guò)廣播告知周?chē)拇昂桶杜_(tái)，可以有效地避免船舶間的碰撞。具體來(lái)說(shuō)，AIS可以發(fā)送4類(lèi)信息：一是船舶的靜態(tài)信息，如船名、呼號(hào)、船長(zhǎng)、船寬等；二是船舶的動(dòng)態(tài)信息，如航向、航速、轉(zhuǎn)向等；三是安全信息，如航向警告等；四是航行的相關(guān)信息，如船舶的吃水、目的地、預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間等。

隨著AIS技術(shù)的不斷進(jìn)步，在AIS系統(tǒng)應(yīng)用方面急需將船隊(duì)管理、船舶定位與追蹤和航次管理集成到一個(gè)平臺(tái)上，從而更加方便地進(jìn)行信息的分析和查詢(xún)，能有效地提高行業(yè)企業(yè)的管理效率和服務(wù)水平。對(duì)于AIS的這些要求，GIS正好提供了這么一個(gè)平臺(tái)，能夠?qū)IS需要的各類(lèi)信息在其上實(shí)現(xiàn)集成。

1.4 ZigBee技術(shù)

ZigBee是一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率及低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要用于近距離的無(wú)線連接。它的基本原理是依據(jù)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，在許多微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)以實(shí)現(xiàn)通信。ZigBee技術(shù)的最大特點(diǎn)是支持自組織網(wǎng)，即許多的ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊終端之間，只要它們彼此間處于網(wǎng)絡(luò)模塊的通信范圍內(nèi)，可以通過(guò)彼此自動(dòng)尋找來(lái)形成一個(gè)互聯(lián)互通的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，ZigBee技術(shù)也廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中，如智能交通、工業(yè)自動(dòng)化、氣象、遙感勘測(cè)、煤礦等領(lǐng)域。在航運(yùn)中利用ZigBee技術(shù)，能夠方便、動(dòng)態(tài)地實(shí)現(xiàn)無(wú)線自組網(wǎng)的組建和通信，能夠?qū)崟r(shí)采集航運(yùn)相關(guān)數(shù)據(jù)，直接監(jiān)測(cè)船舶及其周?chē)?、設(shè)備的情況，有助于相關(guān)人員及時(shí)了解船舶航行的具體態(tài)勢(shì)，進(jìn)行科學(xué)決策。

2 航運(yùn)GIS軌跡采集與分析

2.1 航運(yùn)軌跡采集與分析的基本流程

航運(yùn)GIS的軌跡采集主要針對(duì)于船舶的航行軌跡、航速、季節(jié)與氣候、水文等信息采用多傳感器及探測(cè)器進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)采集。運(yùn)用自組網(wǎng)的形式建立航行軌跡的信息采集網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)航行軌跡采集需求進(jìn)行采集網(wǎng)絡(luò)的設(shè)定，結(jié)合北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)、GIS技術(shù)、ZigBee技術(shù)、GPRS技術(shù)并融合智能仿真圖形算法，實(shí)現(xiàn)將采集到的信息數(shù)據(jù)通過(guò)模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)變進(jìn)行遠(yuǎn)程通信傳輸，形成可視化的航行軌跡慣性采集。運(yùn)用目標(biāo)追蹤算法，對(duì)歷史的航行軌跡進(jìn)行分析。航運(yùn)GIS軌跡采集與分析一般包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理、軌跡數(shù)據(jù)分析等步驟。航運(yùn)軌跡采集與分析的基本流程如圖1所示。

具體來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)采集是指通過(guò)多傳感器組、探測(cè)器等組件信息采集網(wǎng)絡(luò)，對(duì)航運(yùn)過(guò)程的各種信息進(jìn)行采集，包括軌跡信息、航速軌跡、環(huán)境信息、狀態(tài)信息、水文信息等；數(shù)據(jù)清洗是指將采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，消除其中的噪聲和冗余數(shù)據(jù)，提高后續(xù)數(shù)據(jù)處理的效率；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理是指將采集和處理過(guò)的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，由于采集到的數(shù)據(jù)種類(lèi)眾多、來(lái)源廣泛，所以將這些數(shù)據(jù)用分布式存儲(chǔ)的方式構(gòu)成信息數(shù)據(jù)庫(kù)群；軌跡數(shù)據(jù)分析是指根據(jù)采集和處理的軌跡數(shù)據(jù)提取軌跡特征，設(shè)計(jì)模型和算法，并據(jù)此進(jìn)行航行軌跡分析、歷史軌跡分析、關(guān)系分析，然后得出策略選擇和決策。

2.2 航運(yùn)采集

航運(yùn)信息的采集是基于物聯(lián)網(wǎng)的基本框架，結(jié)合北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)、GIS技術(shù)、GPRS技術(shù)、ZigBee技術(shù)等，并融合了多種算法，對(duì)多傳感應(yīng)技術(shù)、ZigBee技術(shù)、自組網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)船舶航行軌跡的航速、自身狀態(tài)、航道環(huán)境、航道信息、水文信息等的采集。具體采集的信息包括以下內(nèi)容。

（1）軌跡采集：對(duì)船舶的航行路線進(jìn)行采集。

（3）航速采集：對(duì)航行的船舶進(jìn)行速度信息的采集，并將信息發(fā)送至系統(tǒng)，若此時(shí)的航速達(dá)到準(zhǔn)備的上限，系統(tǒng)則進(jìn)行相應(yīng)的提示。

（3）航道環(huán)境采集：對(duì)航道環(huán)境進(jìn)行采集，為船長(zhǎng)或是船員提供信息數(shù)據(jù)，避免航行中的船舶因航道環(huán)境不佳而發(fā)生事故。

（4）水文信息采集：對(duì)船舶當(dāng)前的河道進(jìn)行水文信息的采集，為船長(zhǎng)或船員提供最新、實(shí)時(shí)的水文信息。

（5）自身狀態(tài)：對(duì)航行中船舶的自身信息進(jìn)行采集，使船長(zhǎng)及水運(yùn)物流公司的管理人員等能及時(shí)地了解船舶的狀態(tài)信息，若發(fā)現(xiàn)故障，可及時(shí)地進(jìn)行自救；企業(yè)也可根據(jù)船舶的狀態(tài)信息安排不同程度的援救工作。

2.3 軌跡分析

使用閉環(huán)仿真分析模型進(jìn)行與航線相關(guān)數(shù)據(jù)信息的優(yōu)化分析。課題結(jié)合多傳感應(yīng)技術(shù)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)、GIS技術(shù)等對(duì)影響船舶動(dòng)態(tài)響應(yīng)的人、船、水路進(jìn)行閉環(huán)仿真分析建模研究，通過(guò)建立船舶駕駛員模型、船舶動(dòng)力模型和水路模型，并以船舶駕駛員模型為關(guān)聯(lián)橋介將另外2個(gè)模型緊密相連，實(shí)現(xiàn)航行軌跡數(shù)據(jù)信息的優(yōu)化分析。

（1）航行軌跡分析：由于船舶自身狀態(tài)、航道環(huán)境、氣象信息、水文狀況、水底地勢(shì)等對(duì)船舶航行軌跡有較大的影響，能夠影響船舶駕駛員的駕駛操作判斷，給船舶行駛造成不必要的操作失誤，因此課題組對(duì)航行軌跡進(jìn)行分析，以期提高船舶航運(yùn)安全，形成系統(tǒng)性船舶航運(yùn)安全管理。

（2）歷史航行軌跡分析：課題根據(jù)以往的歷史數(shù)據(jù)，對(duì)船舶的歷史航行軌跡進(jìn)行分析，總結(jié)軌跡航行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)航行的軌跡進(jìn)行優(yōu)化，提高航行的效率。

（3）慣性軌跡分析：根據(jù)以往的歷史數(shù)據(jù)對(duì)慣性的航線進(jìn)行分析，獲取船舶慣性路線行駛因素，以及慣性行駛的軌跡信息，保障水運(yùn)物流運(yùn)輸?shù)陌踩旭偂?/p>

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 多傳感器數(shù)據(jù)融合

各類(lèi)航運(yùn)信息的采集是進(jìn)行軌跡分析的基礎(chǔ)和前提。由于航運(yùn)過(guò)程中采集的信息類(lèi)型多樣，既包括航向、航速、轉(zhuǎn)向等動(dòng)態(tài)信息，又包括船名、呼號(hào)、船長(zhǎng)、船寬等靜態(tài)信息；而且，信息的來(lái)源豐富，既有通過(guò)傳感器、探測(cè)器、雷達(dá)接收到的數(shù)據(jù)，還有手工測(cè)量到的數(shù)據(jù)。因此，在進(jìn)行航運(yùn)GIS軌跡信息的采集時(shí)，采用的是多傳感采集相結(jié)合的方式，具體流程如圖2所示。

如圖2所示，利用雷達(dá)、傳感器等各種采集設(shè)備對(duì)與航運(yùn)交通物流管理相關(guān)的信息進(jìn)行采集，為航運(yùn)物流多業(yè)務(wù)管理的實(shí)現(xiàn)提供數(shù)據(jù)支撐。

由于航運(yùn)信息采集具有多元性，所以解決多傳感器數(shù)據(jù)融合的問(wèn)題就成為關(guān)鍵問(wèn)題。具體來(lái)說(shuō)，多傳感器數(shù)據(jù)融合是指充分利用不同時(shí)間和空間的多傳感器信息資源，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)按時(shí)序獲得的多傳感器信息在一定的準(zhǔn)則下加以分析、綜合、支配和使用，以完成所需的決策的估計(jì)任務(wù)，使系統(tǒng)獲得比它的各個(gè)組成部分的性能更優(yōu)越。數(shù)據(jù)融合的方法有加權(quán)平均、卡爾曼濾波、貝葉斯估計(jì)、統(tǒng)計(jì)決策理論、證據(jù)推理、模糊推理、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等，具體采用何種方式要根據(jù)運(yùn)行環(huán)境、信息類(lèi)型、適用范圍進(jìn)行選擇。多傳感器數(shù)據(jù)融合在航運(yùn)GIS軌跡采集與分析研究中的應(yīng)用如圖3所示。

如圖3所示，數(shù)據(jù)采集來(lái)源多種傳感器、GPS、探測(cè)器和雷達(dá)。首先，通過(guò)慣性傳感器、電子地圖和差分GPS，確定船舶行駛的地理位置和航向；通過(guò)立體圖形傳感器辨識(shí)、跟蹤船舶行駛中水面的情況；通過(guò)激光探測(cè)器和雷達(dá)，完成船舶航行過(guò)程中水面和周?chē)系K物等信息的檢測(cè)。其次，將各個(gè)傳感輸出的信息通過(guò)卡爾曼濾波進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，識(shí)別出船舶的航行情況。最后，通過(guò)控制機(jī)構(gòu)分析和制定出航行策略。

3.2 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的互連互通

由于進(jìn)行航運(yùn)GIS軌跡采集與分析研究涉及的數(shù)據(jù)類(lèi)型多樣、來(lái)源豐富，既有空間數(shù)據(jù)，又有關(guān)系數(shù)據(jù)。同時(shí)，在信息高度集成和融合的今天，通常需要將航運(yùn)GIS軌跡采集與分析系統(tǒng)與其他的水運(yùn)信息系統(tǒng)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)多種航運(yùn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享和統(tǒng)一管理。因此，如何實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的互連互通，確保信息在系統(tǒng)間的交互就成為關(guān)鍵問(wèn)題。通過(guò)采用大數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，將大規(guī)模、物理分布的、異構(gòu)的數(shù)據(jù)資源連通形成一個(gè)虛擬的數(shù)據(jù)資源中心，并提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和訪問(wèn)接口，支持對(duì)數(shù)據(jù)源的透明訪問(wèn)。大數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)的虛擬化，實(shí)現(xiàn)分布數(shù)據(jù)源的自主接入及屏蔽數(shù)據(jù)源的分布、異構(gòu)特性。數(shù)據(jù)源通過(guò)封裝器封裝后，注冊(cè)到系統(tǒng)中，形成具有統(tǒng)一形態(tài)的虛擬表，在不移動(dòng)數(shù)據(jù)源的物理位置的前提下，形成一個(gè)整合的、統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的單一虛擬數(shù)據(jù)庫(kù)。

4 結(jié)語(yǔ)

航運(yùn)GIS軌跡采集與分析研究是通過(guò)運(yùn)用GPS、GIS、AIS和ZigBee等技術(shù)構(gòu)建自組網(wǎng)對(duì)航運(yùn)過(guò)程中船舶的航行軌跡、航速、氣候、水文等信息進(jìn)行采集和傳輸，采用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和仿真技術(shù)對(duì)信息進(jìn)行可視化的分析和處理，最終實(shí)現(xiàn)監(jiān)控船舶行駛狀況，降低船舶碰撞概率，提高水運(yùn)物流、交通管理的效率。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]王勇，陳敏，汪娟娟，等.基于GIS和AIS的水上交管綜合平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)[C].第五屆長(zhǎng)三角科技論壇（測(cè)繪分論壇），2008（4）：46-47.

[2]宿巧麗.船舶航海信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].上海：上海海運(yùn)學(xué)院，2003.

[3]胡晶.基于AIS的船舶軌跡分析與應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].武漢：華中師范大學(xué)，2015.

[4]陳金海，陸鋒，彭國(guó)均.海洋運(yùn)輸船舶軌跡分析研究進(jìn)展[J].中國(guó)航海，2012（9）：53-56.

[5]顧云.基于GIS的船舶管理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安：電子科技大學(xué)，2012.

[6]邱荷珍，王磊，網(wǎng)洪超.船舶軌跡跟蹤研究綜述[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2014（4）：4-8，36.

[7]狄光智，楊為民，劉智剛，等.警用GIS中軌跡分析的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)時(shí)代，2009（7）：61-62.

[8]石琤琤.智能交通船舶GPS監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安：電子科技大學(xué)，2014.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]