于 錢 井浩宇 赫美琳

（中國人民解放軍92941部隊5分隊 葫蘆島 125001）

1 引言

隨著海上活動日益蓬勃發(fā)展，海上船舶數(shù)量也不斷增多，海上航行密度越來越大。同時，航行海域環(huán)境日益復雜，船舶航行的信息量也在不斷的擴大，給船舶的管理帶來了巨大困難［1～2］。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，以往依靠人工管理的方式顯然不能滿足當前海上船舶管理的需求，因此需要設計一種智能化船舶信息管理系，對船舶信息進行統(tǒng)一管理，以便船舶工作人員能夠做出及時有效的決策，減少船舶管理的工作量，提高工作效率。

當前常見的GIS系統(tǒng)包含電子地圖、GPS等功能，能夠直觀、系統(tǒng)、實時地顯示某區(qū)域的地形、緯度等信息，在地質(zhì)勘查和導航等領域具有廣泛的應用［3～5］。對于船舶管理系統(tǒng)，不僅需要具備定位、導航等基本功能，還需要具備處理海況信息、高程信息等能力。在船舶航行過程中需要獲取各類海域信息，從而規(guī)避淺灘、暗礁以及其他船舶，同時還要確定自身的位置、航向和航速等。GIS已經(jīng)在管理和規(guī)劃方面實現(xiàn)了廣泛的應用，高照忠等提出了一種通用的海上地理信息系統(tǒng)架構(gòu)，包含了海洋環(huán)境信息子系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)，為GIS應用于海上船舶信息管理提供了理論和實踐依據(jù)［6］，因此將GIS應用到船舶管理信息系統(tǒng)中可以為船舶管理和航區(qū)規(guī)劃提供決策支撐，能夠較好完善和實現(xiàn)船舶管理信息系統(tǒng)各項功能。

本文從頂層設計出發(fā)，注重系統(tǒng)框架搭建、功能設計和關(guān)鍵技術(shù)分析，為船舶信息管理系統(tǒng)的開發(fā)應用提供重要參考，對海上船舶信息系統(tǒng)建設具有一定的指導意義。

2 系統(tǒng)設計原則

1）共享性

船舶管理及工作人員可以方便進行數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計與分析，船舶之間可以互相訪問數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，減少資源浪費、避免多次建設，提高船舶管理效率，減少工作量。

2）獨立性

不同級別的用戶具備的權(quán)限不同，用戶使用及訪問數(shù)據(jù)需要進行身份驗證和密碼保護，各分系統(tǒng)脫機狀態(tài)下可以依據(jù)自身信息獨立運行，保證較高的獨立性。

3）可靠性

系統(tǒng)主機獨立電源，保障在突然斷電后能夠繼續(xù)供電，防止系統(tǒng)數(shù)據(jù)受損。另外，各系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)互相備份，數(shù)據(jù)損壞后可從其他終端獲取。

4）安全性

各系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡連接需使用專門的防火墻技術(shù)，避免惡性病毒的入侵。各終端定期進行殺毒和病毒庫的跟新，從根源上保證系統(tǒng)的安全。

5）易操作性

系統(tǒng)面對操作用戶層次復雜，必須滿足大多數(shù)用戶的使用及操作習慣。采用可視化顯示，更加直觀。登錄后能夠依據(jù)權(quán)限顯示相應模塊任務，操作界面簡單，符合操作習慣，能夠及時顯示已經(jīng)存儲的信息。

3 系統(tǒng)設計

3.1 原理

GIS與船舶信息管理系統(tǒng)是基于計算機技術(shù)與網(wǎng)絡技術(shù)的相互獨立的兩個研究和應用領域，實現(xiàn)海圖顯示、空間分析、航路決策等實際應用功能需求是船舶信息管理系統(tǒng)與GIS集成的主要驅(qū)動力，GIS的分析模型不足導致其系統(tǒng)分析功能相對簡單，而船舶信息管理系統(tǒng)可以建立強大的分析模型，但難以實現(xiàn)GIS的空間分析及顯示功能，兩者的集成能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)勢互補。

基于GIS的船舶信息管理系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，分為船舶端系統(tǒng)、岸上管理系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。采用B/S與C/S相結(jié)合的軟件體系結(jié)構(gòu)，即能滿足管理用戶對數(shù)據(jù)庫進行維護和更新的需求又滿足分布用戶的訪問需求。通過應用服務層和用戶交互層進行數(shù)據(jù)管理，實現(xiàn)請求與響應的用戶交互。

3.2 系統(tǒng)總體框架

基于GIS的船舶管理信息系統(tǒng)分為一個岸基管理分系統(tǒng)和多個船舶管理分系統(tǒng)，對上能與岸基管理信息系統(tǒng)平臺對接，對下連接各個船舶信息系統(tǒng)，可融入其他部門信息體系，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息共享。由于整個系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)較大、服務器過多，需要較大的空間來保證，因此需要將數(shù)據(jù)庫部署在岸上，通過岸基管理分系統(tǒng)和衛(wèi)星鏈路向船舶提供相應的服務。然而由于海洋環(huán)境瞬息萬變，僅僅依靠遠程數(shù)據(jù)中心支持可能會造成服務可用性降低，因而在船舶上還需部署小規(guī)模船載數(shù)據(jù)庫，船舶管理分系統(tǒng)能夠直接訪問這些船載數(shù)據(jù)庫，能夠?qū)崿F(xiàn)基本的服務，如導航、地理信息、水文信息檢索等，當船舶需要使用更加復雜的服務時，可以利用服務遷移技術(shù)，通過岸基管理分系統(tǒng)調(diào)用岸基數(shù)據(jù)庫，將部分服務遷移到船舶管理分系統(tǒng)中使用，以提高服務的可靠性。

3.3 系統(tǒng)組成架構(gòu)

整個系統(tǒng)組成分為三個模塊，分別為數(shù)據(jù)庫模塊、功能模塊、交互與顯示模塊。其中數(shù)據(jù)庫模塊為基礎層，包括地理信息庫、專題信息庫、船舶信息庫等，主要負責數(shù)據(jù)存儲并提供訪問接口，為整個系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐；功能模塊為中間層，包括信息采集、數(shù)據(jù)管理、航路規(guī)劃等8個主要功能，訪問數(shù)據(jù)庫并提供響應的計算分析功能，響應用戶請求并反饋圖表方案等結(jié)果；交互與顯示模塊為用戶層，負責完成用戶與系統(tǒng)的交互，用戶包括管理員用戶和普通用戶，管理員用戶采用B/S架構(gòu)設計，普通用戶（即分布式用戶）采用C/S架構(gòu)設計。交互與顯示模塊能夠顯示GIS數(shù)據(jù)海圖、各類圖表信息、航路規(guī)劃方案等，通過指令操作界面能夠完成用戶指令或請求的發(fā)送以及接收顯示?；贕IS的船舶信息管理系統(tǒng)組成架構(gòu)如圖2所示。

1）數(shù)據(jù)庫模塊

圖2 基于GIS的船舶信息管理系統(tǒng)組成架構(gòu)

如圖3所示，按照功能設計和數(shù)據(jù)類別，將數(shù)據(jù)庫模塊分為5個主要數(shù)據(jù)庫，分別為地理信息庫、專題信息庫、船舶信息庫、知識庫和算法模型庫。地理信息庫存儲GIS圖層、高程數(shù)據(jù)等地理信息數(shù)據(jù)，通過訪問地理信息庫獲取GIS圖層，用于用戶端電子地圖及航路等信息的顯示；專題信息庫主要存儲水文氣象等信息，作為船舶航行風險規(guī)避及航路規(guī)劃的參考信息，該數(shù)據(jù)庫中的信息將根據(jù)各用戶終端的反饋情況進行實時更新；船舶信息庫存儲船舶狀態(tài)、航向位置等信息，這些信息可用于船舶自身的航路規(guī)劃，同時也便于海域船舶的統(tǒng)一規(guī)劃管理；知識庫主要存儲歷史數(shù)據(jù)及專家經(jīng)驗，包括歷史航路、救援方案等，方便用戶快速訪問，尤其在緊急情況下能夠提供重要參考信息；算法模型庫主要存儲GIS算法模型、泊位分析等計算模型，是系統(tǒng)的核心部分，系統(tǒng)通過調(diào)用各種算法來實現(xiàn)各個功能。

圖3 數(shù)據(jù)庫組成圖

2）系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)主要功能如圖4所示，各個功能之間存在支持和依賴關(guān)系。信息采集功能：系統(tǒng)將采集和反饋的數(shù)據(jù)進行分類并存儲在數(shù)據(jù)庫中；數(shù)據(jù)管理功能：管理員用戶通過管理員終端可對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進行修改、補充和刪除等操作；數(shù)據(jù)共享功能：系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的同時也將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)與各個終端進行共享，并更新終端數(shù)據(jù)庫；風險評估功能：能夠根據(jù)現(xiàn)有信息有效評估航行風險，提出風險規(guī)避方案和建議；海上救援功能：能夠?qū)⒋扒闆r一鍵發(fā)送，發(fā)出求救信號并獲取救援方案；目標識別功能：船舶終端可將海上目標圖像、位置等信息傳至管理中心，獲取目標信息，以判斷航行路線；航路規(guī)劃功能：系統(tǒng)能夠根據(jù)當前信息和用戶要求，自動規(guī)劃航路，在電子海圖上顯示航行路線和當前位置；駐泊規(guī)劃功能：船舶靠碼頭時，系統(tǒng)獲取碼頭信息，并根據(jù)船舶情況規(guī)劃最佳泊位。

圖4 系統(tǒng)功能關(guān)系圖

3）交互與顯示模塊

交互與顯示模塊是人機交互層面，能夠?qū)崟r顯示電子海圖、船舶位置、航行海域船只分布等信息，用戶發(fā)出相應指令時，能夠反饋相應航路信息和各種圖表信息。

4 關(guān)鍵技術(shù)分析

本文中艦艇編隊通信組網(wǎng)采用有中心與無中心相結(jié)合的拓撲結(jié)構(gòu)策略，采用動態(tài)按需分配的時隙分配策略。通信網(wǎng)絡是按照動態(tài)周期進行調(diào)整的，節(jié)點間的通信鏈路不是固定的，分配的時隙資源也隨著實際業(yè)務需求而變化。

基于GIS的船舶信息管理系統(tǒng)是一個復雜的系統(tǒng)工程，涉及到多個分系統(tǒng)、多個不同終端，實現(xiàn)存在一定困難，涉及關(guān)鍵技術(shù)層面多、范圍廣。

1）GIS空間分析技術(shù)

地理信息系統(tǒng)是一種采集、存儲、管理、分析、顯示和應用地理信息的計算機系統(tǒng)，是分析和處理海量地理數(shù)據(jù)的通用技術(shù)［7］。隨著GIS在各個領域的應用，空間分析功能范圍越來越大，主要有空間數(shù)據(jù)管理、空間數(shù)據(jù)查詢、幾何分析、地形分析、柵格數(shù)據(jù)分析、網(wǎng)絡分析、空間統(tǒng)計分析等［8］。

雖然GIS技術(shù)發(fā)展較快，出現(xiàn)了一系列新技術(shù) ，如 WebGIS、3DGIS 等新概 念［9～10］。 但 實際 上GIS的空間分析功能很難滿足復雜系統(tǒng)的需求，對于大數(shù)據(jù)的處理能力較弱，GIS空間數(shù)據(jù)分析和研究工具發(fā)展和推廣較慢。目前，對于GIS拓展二次開發(fā)平臺主要有ArcGIS、MapInfo、MapGIS等，主流開發(fā)語言有C#、C++等。船舶信息管理系統(tǒng)是具有多個子系統(tǒng)集成和海量信息數(shù)據(jù)的復雜系統(tǒng)，涉及到的空間分析功能和其他數(shù)據(jù)處理功能更加復雜。因此，可以基于ArcGIS平臺采用C#語言進行拓展開發(fā)，同時采用WebGIS技術(shù)實現(xiàn)遠程客戶端部署，使系統(tǒng)具備大數(shù)據(jù)處理能力和高效的空間分析能力。

2）通信技術(shù)

船舶信息管理系統(tǒng)通信鏈路復雜，涉及到岸船之間的無線通信以及系統(tǒng)內(nèi)部的有線通信，而且傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包含圖像、圖表信息等，數(shù)據(jù)格式復雜，數(shù)據(jù)量龐大，數(shù)據(jù)傳輸實時性和數(shù)據(jù)完整性難以保證。基于GIS的船舶信息管理系統(tǒng)可采用TCP/IP通信協(xié)議，以某種格式將數(shù)據(jù)打包傳輸，存儲和調(diào)用時進行解壓和分類處理。

3）信息融合技術(shù)

基于GIS的船舶信息管理系統(tǒng)信息種類繁多，進行規(guī)劃時需要進行信息融合處理。目前，信息融合技術(shù)主要分為基于模型、統(tǒng)計理論、信息論和人工智能的四類［11］，而本系統(tǒng)信息融合主要是對不同信息源的數(shù)據(jù)進行融合，常用的方法有卡爾曼濾波、加權(quán)平均法、粒子濾波等。

4）智能優(yōu)化技術(shù)

智能優(yōu)化算法是模擬生物進化而發(fā)展起來的一類通用問題求解方法，采用群體搜索技術(shù)技術(shù)優(yōu)勝劣汰的紫檀選擇來指導學習和確定搜索方向，主要有遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡算法等。該類算法在可以接受的時間與空間開銷范圍內(nèi)求解出約束之下問題的可行解，可以用于復雜優(yōu)化問題的求解。對于基于GIS的船舶信息管理系統(tǒng)，可采用智能優(yōu)化算法彌補GIS本身空間分析能力的不足，如系統(tǒng)功能中的航路規(guī)劃、駐泊規(guī)劃等可采用粒子群優(yōu)化算法［12～13］進行多目標優(yōu)化，從而獲取最優(yōu)方案。

5 結(jié)語

針對船舶航路規(guī)劃信息匱乏、缺乏統(tǒng)一管理、風險預知困難等特點，將GIS技術(shù)應用于船舶信息管理系統(tǒng)，提出一種基于GIS的船舶信息管理系統(tǒng)框架，設計了四個功能模塊，進而研究了系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。該系統(tǒng)設計結(jié)構(gòu)清晰、易于部署，能夠解決航路精確規(guī)劃、風險規(guī)避等問題，為船舶航行以及靠港停泊提供重要決策依據(jù)，具有十分廣闊的應用前景。