黃海廣， 胡乃軍， 仇志金， 孔祥倫， 郭忠文

(1.中國海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院， 山東 青島 266100； 2.溫州市海洋漁業(yè)船舶安全救助信息中心， 浙江 溫州 325000；3.青島市工商行政管理局信息中心， 山東 青島 266071； 4.中國交通通信信息中心， 北京 100011)

?

基于多源定位數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)船舶監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

黃海廣1,2， 胡乃軍3， 仇志金1， 孔祥倫4， 郭忠文1

(1.中國海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院， 山東 青島 266100； 2.溫州市海洋漁業(yè)船舶安全救助信息中心， 浙江 溫州 325000；3.青島市工商行政管理局信息中心， 山東 青島 266071； 4.中國交通通信信息中心， 北京 100011)

船舶監(jiān)控涉及多類異構(gòu)數(shù)據(jù)源，互聯(lián)難度大。本文提出了一種采用多源定位數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)船舶監(jiān)控系統(tǒng)(Vessel Monitoring System,VMS)設(shè)計(jì)方案，解決了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的互聯(lián)問題。該方案通過可擴(kuò)展接口采集各類船舶終端的定位數(shù)據(jù)，采用多源定位數(shù)據(jù)融合算法，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)顯示船舶位置及快速回放船舶航行軌跡，并能與不同類型的船舶終端交互信息。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，該系統(tǒng)有效可行，對(duì)于促進(jìn)中國船舶監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展具有重要作用。

VMS；AIS；電子海圖；多源定位數(shù)據(jù)

為了加強(qiáng)目標(biāo)船舶的識(shí)別能力，提高航行安全，國際海事組織(International Maritime Organization,IMO)對(duì)大中型船舶配備船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System,AIS)設(shè)備作出了強(qiáng)制規(guī)定，AIS逐漸在船舶中得到廣泛應(yīng)用[1]。近年來，相關(guān)管理部門在沿海架設(shè)AIS基站，用于接收船舶發(fā)送的AIS信息，在中國沿海形成了AIS監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，使用近海船舶的AIS數(shù)據(jù)用于船位監(jiān)控及航運(yùn)交通管理[2]。北斗衛(wèi)星船載終端[3]、海事衛(wèi)星船載終端已經(jīng)廣泛用于商船、漁船等船舶，并通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸定位數(shù)據(jù)。定位數(shù)據(jù)用于船舶監(jiān)控系統(tǒng)(Vessel Monitoring System,VMS)。VMS通過接收到的船舶定位數(shù)據(jù)，在GIS平臺(tái)上實(shí)時(shí)顯示船舶位置。通過定位數(shù)據(jù)庫的查詢，可以對(duì)單船、多船進(jìn)行航行軌跡回放；部分VMS實(shí)現(xiàn)了與獨(dú)立終端通信。VMS通常采用國外產(chǎn)品，其界面直觀友好，準(zhǔn)確性高，在海事、航運(yùn)交通方面起到重要作用[4]。

然而，目前使用的VMS，普遍存在以下不足：

(1)由于AIS信號(hào)接收受到距離(30～60海里)限制，平臺(tái)只能接收到近海船舶AIS數(shù)據(jù)，因此只采用AIS作為數(shù)據(jù)來源的VMS只能顯示近海船舶，具有很大局限性。由于AIS數(shù)據(jù)來源于近?；窘邮招畔?，岸站基本只能單向接收數(shù)據(jù)，無法做到與船舶通信。

(2)由于多源定位數(shù)據(jù)的異構(gòu)性，在交互過程中互不兼容，VMS在可以獲取多源異構(gòu)定位數(shù)據(jù)的前提下，無法做到充分地集成多源定位數(shù)據(jù)，無法最大限度的發(fā)揮已有設(shè)備效能，與其他終端通信也存在兼容性問題。如北斗衛(wèi)星VMS系統(tǒng)，可以同時(shí)使用AIS數(shù)據(jù)與北斗衛(wèi)星終端的定位數(shù)據(jù)，但不能利用更多的定位數(shù)據(jù)源，且只能與北斗衛(wèi)星終端進(jìn)行通信。

(3)系統(tǒng)中沒有實(shí)時(shí)氣象模塊，氣象預(yù)報(bào)不能與實(shí)時(shí)船位進(jìn)行關(guān)聯(lián)，無法做到對(duì)海上船舶實(shí)時(shí)預(yù)警。

針對(duì)現(xiàn)有VMS系統(tǒng)存在的不足，本文提出了一個(gè)基于多源定位數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)船舶監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，解決了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的互聯(lián)問題。本文的貢獻(xiàn)如下：

(1)通過可擴(kuò)展接口采集各類船舶終端的定位數(shù)據(jù)，采用多源定位數(shù)據(jù)融合算法實(shí)時(shí)顯示船舶位置，并且可以快速回放船舶航行軌跡。

(2)可以接收多種船舶終端發(fā)送的信息，也可以對(duì)特定船舶終端發(fā)送信息。

(3)可以實(shí)時(shí)同步氣象數(shù)據(jù)。海洋氣象關(guān)系到海上船舶安全，氣象數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)船位進(jìn)行關(guān)聯(lián)，根據(jù)臺(tái)風(fēng)風(fēng)圈范圍對(duì)對(duì)風(fēng)圈范圍內(nèi)的船舶進(jìn)行警告和提示。

該系統(tǒng)已經(jīng)在全國各地的海洋、航運(yùn)交通、漁政管理等領(lǐng)域進(jìn)行了驗(yàn)證，有效可行，效率高。

1 背景和相關(guān)工作

1.1 船舶監(jiān)控系統(tǒng)

船舶監(jiān)控系統(tǒng)(VMS)是集全球衛(wèi)星定位技術(shù)(GPS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)和電子海圖顯示與信息系統(tǒng)(ECDIS)技術(shù)、計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)于一體的綜合應(yīng)用系統(tǒng)，由系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、電子海圖、地理信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)、通信模塊以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成[5-6]。

VMS包括船載終端與岸上監(jiān)控平臺(tái)兩部分。船載終端是安裝在船舶上、具備全天候船舶定位及通信功能的設(shè)備，獲取GPS定位信息并對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)；對(duì)船舶運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)；把GPS定位信息、船舶運(yùn)行狀態(tài)信息等以無線方式實(shí)時(shí)傳送給監(jiān)控中心。監(jiān)控平臺(tái)是具有船舶定位監(jiān)控、海圖顯示等基本功能的應(yīng)用系統(tǒng)中心，實(shí)時(shí)接收來自船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)；在電子地圖上顯示船舶運(yùn)行軌跡；建立數(shù)據(jù)庫管理和存儲(chǔ)移動(dòng)終端發(fā)送的信息，能重現(xiàn)選定終端的運(yùn)行軌跡。VMS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 VMS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure of VMS

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 船舶定位終端 船舶定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源于船載終端的報(bào)位數(shù)據(jù)，主要有：國際通用的AIS設(shè)備；國內(nèi)管理部門安裝北斗衛(wèi)星終端、海事衛(wèi)星終端等具有定位、報(bào)位的終端。

AIS是船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，配合全球定位系統(tǒng)(GPS)將船位、船速、改變航向率及航向等船舶動(dòng)態(tài)結(jié)合船名、呼號(hào)、吃水及危險(xiǎn)貨物等船舶靜態(tài)資料由甚高頻(Very High Frequency,VHF)頻道向附近水域船舶及岸臺(tái)廣播，使鄰近船舶及岸臺(tái)能及時(shí)掌握附近海面所有船舶之動(dòng)靜態(tài)資訊，采取必要避讓行動(dòng)，對(duì)船舶安全有很大幫助。AIS利用VHF的161.975和162.025MHz兩個(gè)頻段進(jìn)行發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)。AIS設(shè)備為國際海事組織要求安裝，國際海事組織規(guī)定所有300t及以上的國際航行船舶，和500t及以上的非國際航行船舶，以及所有客船，要求配備一臺(tái)AIS。其余定位終端為國內(nèi)管理部門要求安裝，目前已經(jīng)安裝在全國各地185馬力以上的所有漁船、部分商船。圖2所示為一種船載AIS終端。

圖2 船載AIS終端Fig.2 Ship AIS terminal

本系統(tǒng)的AIS數(shù)據(jù)通過部署于沿?；窘邮盏降难睾?0～60海里范圍內(nèi)的船舶AIS廣播，通過運(yùn)營商的線路，基站將原始數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)中心。

中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可在服務(wù)區(qū)域內(nèi)隨時(shí)確定用戶所在的地理經(jīng)緯度信息，并提供雙向短報(bào)文通信和精密授時(shí)服務(wù)，可成功解決偏遠(yuǎn)地區(qū)數(shù)據(jù)通信的難題。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將定位與通信功能相結(jié)合的特點(diǎn)，尤其適用于船舶的遠(yuǎn)洋航行監(jiān)控[7-8]。

國際海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)(INMARSAT)是移動(dòng)業(yè)務(wù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的一種。船載海事終端采用INMARSAT-C系統(tǒng)是一種低速率、雙向全球衛(wèi)星移動(dòng)數(shù)據(jù)通信的系統(tǒng)，其通信速率為1 200 bit/s，其主要的業(yè)務(wù)包括存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文、遇險(xiǎn)呼叫、增強(qiáng)型組呼、數(shù)據(jù)報(bào)告和詢呼[9]。船載海事衛(wèi)星終端實(shí)現(xiàn)了定位和通信功能，非常適用于船舶的大范圍動(dòng)態(tài)監(jiān)控[10]。

本系統(tǒng)的船舶北斗數(shù)據(jù)來源于北斗衛(wèi)星運(yùn)營商，船舶海事衛(wèi)星來源于中國交通通信信息中心，系統(tǒng)平臺(tái)通過接口方式雙向訪問北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)、海事衛(wèi)星數(shù)據(jù)，北斗衛(wèi)星覆蓋范圍為亞太地區(qū)，海事衛(wèi)星數(shù)據(jù)的覆蓋范圍為全球。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用分層結(jié)構(gòu)，總體架構(gòu)見圖3，總體構(gòu)架共分為：網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)資源層、應(yīng)用支撐層、應(yīng)用層4個(gè)層面。

圖3 系統(tǒng)總體構(gòu)架圖Fig.3 Overall framework of system

(1)網(wǎng)絡(luò)層：網(wǎng)絡(luò)層是本系統(tǒng)所依托的、最基本的信息系統(tǒng)的物理支撐平臺(tái)，包括局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟妶D4。

圖4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.4 Network topology

(2)數(shù)據(jù)資源層：數(shù)據(jù)資源層包括經(jīng)過本系統(tǒng)信息資源規(guī)劃后統(tǒng)一支撐各類應(yīng)用服務(wù)的數(shù)據(jù)庫群。

雙向傳輸數(shù)據(jù) 在客戶端對(duì)安裝有海事衛(wèi)星C站、北斗、CDMA/GPRS、短波、超短波、RFID的移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行主動(dòng)調(diào)取數(shù)據(jù)、發(fā)送信息等操作。

單向傳輸數(shù)據(jù)(客戶端到數(shù)據(jù)中心) 對(duì)僅安裝AIS設(shè)備的移動(dòng)目標(biāo)只能被動(dòng)接收數(shù)據(jù)，進(jìn)行顯示、統(tǒng)計(jì)。

(3)應(yīng)用支撐層：應(yīng)用支撐層包括AIS監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)與通信服務(wù)平臺(tái)。

(4)應(yīng)用層：應(yīng)用層主要包括船舶監(jiān)控系統(tǒng)、臺(tái)風(fēng)等信息展示。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2.1 子系統(tǒng)劃分 本系統(tǒng)子系統(tǒng)劃分為表1所示，分為船載子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、VMS子系統(tǒng)、信息管理子系統(tǒng)、監(jiān)控子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)。

表1 子系統(tǒng)劃分表

2.2.2 平臺(tái)主要功能 平臺(tái)主要功能其主要功能包括：船位監(jiān)控、短消息通信、緊急報(bào)警、區(qū)域越界報(bào)警、進(jìn)出港智能管理、漁船分組管理、軌跡回放、電子海圖操作、信息發(fā)布、信息查詢、統(tǒng)計(jì)，船舶檔案管理、系統(tǒng)管理等。

2.2.3 子系統(tǒng)功能描述 系統(tǒng)功能需求和子系統(tǒng)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及各子系統(tǒng)的程序模塊的功能分配見表2。

表2 子系統(tǒng)功能對(duì)照表

2.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

2.3.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)選用Oracle數(shù)據(jù)庫，版本為11g。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫分為系統(tǒng)管理表和船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫表，系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)庫主要為系統(tǒng)用戶表、用戶權(quán)限表、通信服務(wù)商管理表；船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫表主要由船舶歷史位置信息和最后一次船位表組成，船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫表描述見表3：

表3 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫表描述

2.3.2 數(shù)據(jù)庫容量估算 船舶定位數(shù)據(jù)是海量的數(shù)據(jù)，以浙江省AIS數(shù)據(jù)為例：20個(gè)AIS接收基站：?jiǎn)握締涡诺?min 4 500時(shí)隙，由于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是自定義標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每包大小按照100字節(jié)計(jì)算，信道負(fù)載按照50%計(jì)算。單個(gè)AIS基站每秒數(shù)據(jù)=4 500/2×2×0.5×100/60=3 750字節(jié)；單個(gè)AIS基站每天數(shù)據(jù)=4 500/2×2×0.5×100×60×24=324 000 000字節(jié)=309 MB；單個(gè)AIS基站每月數(shù)據(jù)=單站每天數(shù)據(jù)×30=9 270 MB=9 GB。20個(gè)站的數(shù)據(jù)則每月數(shù)據(jù)是9×20=180 GB，20個(gè)站每年數(shù)據(jù)是180×12=2 160 GB。

2.3.3 海量數(shù)據(jù)查詢優(yōu)化

(1)AIS數(shù)據(jù)存儲(chǔ)策略：本文以記錄行數(shù)最大的AIS定位數(shù)據(jù)相關(guān)表。AIS分為動(dòng)態(tài)信息和靜態(tài)信息，動(dòng)態(tài)信息分為:AIS動(dòng)態(tài)消息表包含軌跡ID、MAC、GPS時(shí)間、接收時(shí)間、經(jīng)度、緯度、船艏向、速度、狀態(tài)、消息、類型、高度、消息ID字段，本系統(tǒng)為減少數(shù)據(jù)庫容量、增加查詢速度，經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換為數(shù)字型，時(shí)間采用UTC時(shí)間：

(2)經(jīng)緯度計(jì)算方式:平臺(tái)顯示的經(jīng)緯度格式如下：度數(shù)+分?jǐn)?shù)(帶小數(shù)點(diǎn))，轉(zhuǎn)換方式：(度數(shù)×60+分?jǐn)?shù))×10 000，用number格式存儲(chǔ)。如：29°44.941′N，換算(29×60+44.941)×10 000=17 849 410。

(3)時(shí)間計(jì)算方式：采用UTC時(shí)間，即自1970-01-01 T 00:00:00以來的秒數(shù)，用number格式存儲(chǔ)。

(4)回放數(shù)據(jù)操作：平臺(tái)查詢最多的操作是單船軌跡查詢和多船區(qū)域軌跡回放，所涉及到的操作是查詢AISDYNAMICLOG和TRACKS兩張表，時(shí)間跨度通常低于6h。實(shí)測(cè)AISDYNAMICLOG表存儲(chǔ)了約2a的數(shù)據(jù)，表大小為5.9×109行，查詢非常緩慢。在不可以改變表結(jié)構(gòu)的前提下，本系統(tǒng)采用Oracle分區(qū)表保存數(shù)據(jù)，分區(qū)方式為每天一個(gè)分區(qū)，為保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定、高效，最多保存24個(gè)月的歷史數(shù)據(jù)。通過分區(qū)索引，對(duì)超大表或超大索引的SQL查詢和DML無需進(jìn)行任何修改即可訪問這些分區(qū)表和分區(qū)索引。定義了分區(qū)后，DDL語句就只訪問和操縱單個(gè)分區(qū)，而不是整個(gè)表或索引，顯著縮短操作處理時(shí)間，能顯著縮短的原因是這些操作僅限于分區(qū)級(jí)(在個(gè)體的分區(qū)上)，而非表級(jí)(在整個(gè)表上)，通常的查詢只需要訪問分區(qū)的一個(gè)子集即可完成，從而避免了訪問整個(gè)表，極大提高查詢響應(yīng)性能。

(5)查詢速度測(cè)試：在相同硬件配置條件下，通過測(cè)試數(shù)據(jù)庫，先測(cè)試未建立分區(qū)表的查詢速度，再對(duì)數(shù)據(jù)庫建立分區(qū)表，實(shí)測(cè)通過監(jiān)控平臺(tái)查詢6h約10 000平方海里的所有船的軌跡(見圖5)。

建立分區(qū)的情況下，平均時(shí)間為8.51s，未建立分區(qū)的情況下，平均時(shí)間為28.54 s。測(cè)試結(jié)果如圖6。

圖5 區(qū)域查詢測(cè)試Fig.5 Range query test

圖6 區(qū)域查詢測(cè)試結(jié)果Fig.6 Test result of range query

3 多源數(shù)據(jù)的處理

3.1 平臺(tái)數(shù)據(jù)來源

本系統(tǒng)所采用的數(shù)據(jù)來源于船載終端的報(bào)位數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)分為兩類：AIS數(shù)據(jù)，這類數(shù)據(jù)遵循國際標(biāo)準(zhǔn)，因此可以接收到任何國籍的船舶的AIS數(shù)據(jù)；其他定位數(shù)據(jù)，指國內(nèi)的管理部門安裝在船舶上的終端所發(fā)送的定位數(shù)據(jù)，這類數(shù)據(jù)僅相關(guān)管理部門有權(quán)限訪問。

3.1.1 AIS數(shù)據(jù) 本系統(tǒng)將AIS數(shù)據(jù)分為系統(tǒng)外AIS數(shù)據(jù)(主要是經(jīng)過基站覆蓋海域的商船)和系統(tǒng)內(nèi)AIS數(shù)據(jù)(管理部門安裝的)，AIS是采用國際通用標(biāo)準(zhǔn)方式傳輸，因此兩類數(shù)據(jù)都可以接收，AIS數(shù)據(jù)采用IEC61161[1]通用格式單向傳輸，即：只能從基站到數(shù)據(jù)中心。AIS數(shù)據(jù)包含靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，靜態(tài)數(shù)據(jù)包含：船名、呼號(hào)、MMSI、IMO、船長(zhǎng)、船寬、船舶類型、船舶狀態(tài)，吃水，目的地、ETA等；AIS動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)包括船舶的包含經(jīng)度、緯度、船艏向、航跡向、航速等。

3.1.2 其他定位數(shù)據(jù) 其他定位數(shù)據(jù)指安裝了管理部門指定的終端船舶數(shù)據(jù)，主要為：北斗衛(wèi)星終端數(shù)據(jù)、海事衛(wèi)星終端數(shù)據(jù)、CDMA終端數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星、運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)等，存儲(chǔ)在通信應(yīng)用提供者的數(shù)據(jù)庫，通信服務(wù)商提供TCP服務(wù)，系統(tǒng)中心以客戶機(jī)方式訪問通信服務(wù)商。

3.2 多源數(shù)據(jù)交換接口

終端定位數(shù)據(jù)分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩部分，信息交換接口采用WebService方式提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口。

系統(tǒng)靜態(tài)信息交換接口包含系統(tǒng)中心對(duì)外發(fā)布靜態(tài)信息接口以及中心獲取外部靜態(tài)信息接口。靜態(tài)靜態(tài)信息交換接口適用對(duì)象為系統(tǒng)平臺(tái)以及通信應(yīng)用服務(wù)提供者。

動(dòng)態(tài)信息交換接口用與接收通信應(yīng)用服務(wù)發(fā)送的船舶動(dòng)態(tài)信息，同時(shí)用于系統(tǒng)平臺(tái)向船舶定位終端發(fā)送指令。動(dòng)態(tài)信息交換接口采用TCP自定義協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接口。通信服務(wù)商提供服務(wù)所在IP以及端口、用戶名密碼等必須數(shù)據(jù)。

終端定位數(shù)據(jù)的傳輸方式為雙向傳輸：通信服務(wù)商把獲取到的終端靜態(tài)和動(dòng)態(tài)信息可以通過接口，服務(wù)端接推送給客戶端的數(shù)據(jù)包含位置數(shù)據(jù)、信息數(shù)據(jù)、命令回執(zhí)。

服務(wù)端向客戶端推送數(shù)據(jù)后，判斷客戶端以同樣序列號(hào)發(fā)送的回執(zhí)。

服務(wù)端推送數(shù)據(jù)時(shí)，如在服務(wù)端與客戶端保持連接狀態(tài)下超過20 s未收到客戶端發(fā)送的回執(zhí)，服務(wù)端在客戶端連接狀態(tài)下重新發(fā)送該推送數(shù)據(jù)，最多3次。

客戶端網(wǎng)絡(luò)異常超過30 min仍未連接的數(shù)據(jù)，服務(wù)端保存30 min內(nèi)的數(shù)據(jù)緩存通過WebService給客戶端下載恢復(fù)數(shù)據(jù)。

對(duì)于服務(wù)端出現(xiàn)異常情況，服務(wù)端數(shù)據(jù)能提供WebService供客戶端下載恢復(fù)數(shù)據(jù)。

3.3 多源數(shù)據(jù)定位算法

AIS終端的報(bào)位間隔與北斗衛(wèi)星終端等其他終端不一致，其報(bào)位間隔[1]與船舶航行速度密切相關(guān)，報(bào)位間隔見表5。

表5 AIS報(bào)位間隔

Note： ①Speed or status；②Reporting interval of AIS ship update time；③Ship update time

船載其他終端的報(bào)位間隔服務(wù)頻度的設(shè)置受到終端自身的用戶等級(jí)限制(一般為5 s～10 min之間),即終端所設(shè)置的服務(wù)頻度不能超過其用戶等級(jí)所規(guī)定的范圍，其報(bào)位間隔與船舶航行速度無關(guān)。

以北斗衛(wèi)星終端為例，其報(bào)位間隔受到運(yùn)營商限制，最短間隔為60 s報(bào)位一次；船載CDMA終端30 s報(bào)位一次。

由此可見，船舶在航行的一個(gè)時(shí)間段中，數(shù)據(jù)中心可以收到同一船舶的多個(gè)定位數(shù)據(jù)，采用多源數(shù)據(jù)融合的算法可以有效利用這些定位數(shù)據(jù)，從而提高系統(tǒng)顯示船舶實(shí)時(shí)位置的準(zhǔn)確性。

本系統(tǒng)采用的多源定位算法的思想如下：

新定位算法Algorithm1NewTrackAlgorithm1：INPUT：AISDYNAMICLOG，(ii)TRACKS，(iii)MMSI//AISDYNAMICLOG：船舶的AIS報(bào)位信息；TRACKS：船舶的其他終端報(bào)位信息；MMSI：船舶的水上移動(dòng)通信業(yè)務(wù)標(biāo)識(shí)碼2：OUTPUT：NewTrack //船舶的最新位置3：forAISDYNAMICLOG．MMSI=MMSIandLASTTRACK．MMSI=MMSI //船舶的報(bào)位信息中的MMSI匹配4：ifAISDYNAMICLOG．LATITUDE<54000000andAISDYNAMICLOG．LATITUDE>-54000000andAISDYNAMICLOG．LONGITUDE<108000000andAISDYNAMICLOG．LONGITUDE<108000000then//定位數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，剔除殘缺不全的數(shù)據(jù)，LATITUDE為緯度，范圍[-90°，90°]，轉(zhuǎn)換方式：(度數(shù)?60+分?jǐn)?shù))?10000，即緯度范圍為[-54000000，54000000]，LONGITUDE為經(jīng)度，范圍[0，180°]，即[0，108000000°]5：updateAISDYNAMIC//?更新該船舶最新的AIS位置信息6：ifTRACKS．LATITUDE<54000000andTRACKS．LATITUDE>-54000000andTRACKSLONGITUDE<108000000andTRACKS．LONGITUDE<108000000then//定位數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，剔除殘缺不全的數(shù)據(jù)7：updateLASTTRACK//更新該船舶最新的其他終端報(bào)位信息8：ifAISDYNAMIC．DRRCVTIME>=LASTTRACK．RECEIVE＿TIME9：Newtrack=AISDYNAMIC10：Else11：Newtrack=LASTTRACK//比較最后一次報(bào)位時(shí)間，取最近的報(bào)位時(shí)間的位置信息12：endfor

算法的思想如下：

獲取某一船舶最新的AIS報(bào)位信息，進(jìn)行合法性校驗(yàn)，通過校驗(yàn)和篩選后，更新該船的最新AIS定位數(shù)據(jù)到AISDYNAMIC表。

獲取某一船舶的其他終端最新報(bào)位信息，通過校驗(yàn)和篩選后，更新該船的最新定位數(shù)據(jù)到LASTTRACK表。

根據(jù)該船舶水上移動(dòng)通信業(yè)務(wù)標(biāo)識(shí)碼(MMSI)，查詢AISDYNAMIC表和LASTTRACK表，比較同一船舶的定位數(shù)據(jù)接收時(shí)間，從兩張表中選取與上一次定位數(shù)據(jù)獲取時(shí)間最相近的數(shù)據(jù)，作為該船舶最新的位置信息，更新到Newtrack表。

定位平臺(tái)顯示的船舶完整位置信息為船舶基本信息加上最新的位置信息，其中船舶基本信息來源于管理部門的船舶資料數(shù)據(jù)庫，船舶的最新的位置信息為Newtrack表。

4 標(biāo)準(zhǔn)電子海圖引擎

船舶監(jiān)控平臺(tái)的海圖部分采用了國際標(biāo)準(zhǔn)電子海圖引擎，引擎主要功能包括電子海圖數(shù)據(jù)導(dǎo)入，海圖瀏覽(包括放大、縮小，鼠標(biāo)滾輪操作、拉框放大)，海圖顯示控制(基本、標(biāo)準(zhǔn)、全部和自定義圖層顯示，白天、夜間、黃昏3種模式)和海圖數(shù)據(jù)拾取。

4.1 電子海圖引擎技術(shù)簡(jiǎn)介

本系統(tǒng)的電子海圖引擎通過開發(fā)符合國際標(biāo)準(zhǔn)(S-57數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)和S-52海圖顯示標(biāo)準(zhǔn))[11]的電子海圖引擎，為監(jiān)控平臺(tái)提供統(tǒng)一的海圖服務(wù)。標(biāo)準(zhǔn)電子海圖實(shí)例見圖7。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)電子海圖Fig.7 Standard electronic chart

海圖引擎共分4個(gè)模塊：標(biāo)準(zhǔn)S-57海圖讀取和轉(zhuǎn)換、按照S-52標(biāo)準(zhǔn)顯示海圖、海圖瀏覽和信息顯示控制以及海圖引擎封裝。

標(biāo)準(zhǔn)S-57海圖讀取和轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)將標(biāo)準(zhǔn)ENC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為SENC數(shù)據(jù)，以方便海圖數(shù)據(jù)快速讀取、檢索和更新。海圖讀取和轉(zhuǎn)換完畢，將根據(jù)IHO S-52標(biāo)準(zhǔn)和顯示庫定義的各類不同物標(biāo)的顯示規(guī)則對(duì)視口內(nèi)的物標(biāo)進(jìn)行渲染。由于顯示庫定義的規(guī)則為文本規(guī)則，需要對(duì)每條規(guī)則進(jìn)行數(shù)字化并組織優(yōu)化。每次渲染，從海圖文件中提取一條記錄，匹配顯示規(guī)則，根據(jù)匹配規(guī)則的內(nèi)容，決定不同物標(biāo)在當(dāng)前比例尺下是否繪制，以及如果繪制其繪制的顏色、圖符標(biāo)志、文本信息內(nèi)容等。

經(jīng)測(cè)試，本系統(tǒng)的電子海圖引擎每百次操作平均響應(yīng)時(shí)間：<2s；ENC到SENC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換無損失；顯示符合S-52標(biāo)準(zhǔn)。海圖管理見圖8。

圖8 海圖管理Fig.8 Electric chart management

5 系統(tǒng)實(shí)例

本系統(tǒng)在應(yīng)急救援、事故調(diào)查、防臺(tái)避災(zāi)等方面發(fā)揮了重要的作用。

(1)應(yīng)急救援：漁船在航行過程中一旦遇險(xiǎn)，可以通過北斗(海事)衛(wèi)星終端一鍵發(fā)送求救信號(hào)，指揮中心馬上可以收到求救信號(hào)，獲取漁船信息、遇險(xiǎn)經(jīng)緯度，組織救援。漁船生產(chǎn)海域一般遠(yuǎn)離大陸，按照現(xiàn)有救援船舶的航行速度，往往要幾個(gè)小時(shí)才能到達(dá)出事海域，通過系統(tǒng)平臺(tái)，指揮中心可以查詢出事海域相關(guān)漁船，群發(fā)協(xié)助信息給相關(guān)海域，先行救援，救援船舶同時(shí)開赴出事海域，這樣節(jié)省了寶貴的救援時(shí)間。區(qū)域搜索實(shí)例見圖9。

圖9 區(qū)域搜索Fig.9 Area search

(2)事故分析：海上船舶碰撞事故多發(fā)，以漁船為例，多次出現(xiàn)船舶失聯(lián)現(xiàn)象，船舶失聯(lián)，很可能是船舶出了事故沉沒，絕大部分沉沒事故是商船碰撞的結(jié)果，通過本系統(tǒng)平臺(tái)，區(qū)域回放涉事海域的船舶軌跡，分析涉事海域通過的船舶與事故船舶碰撞的可能性，通過這種技術(shù)，多次鎖定肇事船舶，通過海警、海事部門及時(shí)攔截嫌疑商船，組織調(diào)查，破獲多起碰撞逃逸案件。

(3)防臺(tái)避災(zāi)：每年5～10月為我國東南沿海的臺(tái)風(fēng)季節(jié)，臺(tái)風(fēng)來臨時(shí)，沿海船舶需要回港避風(fēng)，系統(tǒng)的氣象災(zāi)害自動(dòng)預(yù)警功能自動(dòng)同步氣象數(shù)據(jù)，包含臺(tái)風(fēng)編號(hào)、風(fēng)力大小、臺(tái)風(fēng)眼位置、移動(dòng)速度、風(fēng)圈大小，以臺(tái)風(fēng)眼為中心，在平臺(tái)上生成警戒區(qū)，在平臺(tái)內(nèi)生成七級(jí)風(fēng)圈和十級(jí)風(fēng)圈，對(duì)風(fēng)圈范圍內(nèi)的船舶進(jìn)行提示根據(jù)警戒區(qū)的經(jīng)緯度范圍，一旦系統(tǒng)內(nèi)的船舶出現(xiàn)在警戒區(qū)，根據(jù)平臺(tái)數(shù)據(jù)庫中的船舶最后一次經(jīng)緯度，自動(dòng)匹配是否在風(fēng)圈影響范圍內(nèi)，系統(tǒng)可以自動(dòng)發(fā)送警報(bào)給警戒區(qū)內(nèi)船舶，并同時(shí)提醒平臺(tái)操作人員，操作人員可以對(duì)警戒區(qū)內(nèi)的船舶進(jìn)一步作出指令。

6 結(jié)語

本文提出了一種基于多源定位數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)船舶監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用通用的交換接口，充分將現(xiàn)有船舶多源定位數(shù)據(jù)集成，最大限度的發(fā)揮已有設(shè)備效能，并具有氣象災(zāi)害自動(dòng)預(yù)警功能，對(duì)于促進(jìn)中國船舶監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展具有重要作用。目前已經(jīng)成功應(yīng)用于全國的海洋、航運(yùn)交通、漁政管理主管部門，保障了海洋漁業(yè)船舶生產(chǎn)安全，滿足了主管部門在綜合管理、應(yīng)急救援和防臺(tái)救災(zāi)的需要，并有效提高政府主管部門的安全監(jiān)管能力。

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責(zé)任編輯 陳呈超

Design of Real Time Vessel Monitoring System Based on Multi Source Data

HUANG Hai-Guang1, 2, HU Nai-Jun3, QIU Zhi-Jin1, KONG Xiang-Lun4, GUO Zhong-Wen1

(1.College of Information Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2.Wenzhou Ocean and Fishery Vessel Safety Rescue Information Center, Wenzhou 325000, China, 3.Information Center, Administration for Industry and Commerce of Qingdao, Qingdao 266071, China, 4.China Transport Telcommunications&Information Center, Beijing 10010, China)

The vessel monitoring system’s interconnection is difficult due to various data sources. This paper provides a design pattern of a real-time Vessel Monitoring System(VMS) based on multi-source positioning data. The system can not collect the positioning data of all kinds of vessels by scalable interfaces, but also display real-time position by using multi-source positioning data fusion algorithm. Based on the algorithm, the system can realize the functions of playbacking navigation trace fast and communicating with different kinds of vessels. The actual practice proved that the system is effective and feasible, and it plays an important role in promoting China's development of vessel monitoring network.

VMS； AIS； electric chart； multi-source positioning data

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61379127;61170258);海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201105034-10);溫州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(G20100196)資助

2014-05-10；

2015-01-20

黃海廣(1978-)，男，高級(jí)工程師，博士生。E-mail: haiguang2000@qq.com

TP311

A

1672-5174(2015)09-122-08

10.16441/j.cnki.hdxb.20140228