朱 麟

(公安海警學(xué)院訓(xùn)練部 浙江 寧波 315801)

0 引 言

海上通導(dǎo)設(shè)備服務(wù)于船舶運(yùn)輸、航海定位、作戰(zhàn)信息指揮以及監(jiān)控調(diào)度，其蘊(yùn)含著大量的信息數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)對(duì)于公務(wù)船艇海上執(zhí)法信息化建設(shè)有著重要的作用。船艇通導(dǎo)設(shè)備信息服務(wù)的集成與共享是一項(xiàng)艱巨而復(fù)雜的任務(wù)[1]，由于缺乏科學(xué)的信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及技術(shù)條件的限制，形成了信息孤立、標(biāo)準(zhǔn)各異的局面。近幾年，我國海上執(zhí)法力量獲得了快速發(fā)展，各海上執(zhí)法單位相繼建立了一批先進(jìn)的自動(dòng)化信息系統(tǒng)，為提升海上船艇信息化執(zhí)法能力等方面發(fā)揮了重要作用。但是在新舊設(shè)備信息高度融合、中間件集成、系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)、集成技術(shù)性能優(yōu)勢，以及網(wǎng)絡(luò)空間互聯(lián)互通等方面仍制約著總體通導(dǎo)設(shè)備信息共享框架的發(fā)展。因此有必要研發(fā)一個(gè)公務(wù)船艇通導(dǎo)設(shè)備服務(wù)集成系統(tǒng)，對(duì)于解決海上執(zhí)勤執(zhí)法、觀察取證、監(jiān)控調(diào)度、海上救援等信息共享有著重大意義。

船艇通導(dǎo)設(shè)備服務(wù)包括通信服務(wù)、導(dǎo)航服務(wù)、觀察取證服務(wù)、顯示服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、數(shù)字音頻圖像集成服務(wù)以及相關(guān)硬件服務(wù)，根據(jù)一定的設(shè)計(jì)要求和安全性要求將設(shè)備存儲(chǔ)的歷史和實(shí)時(shí)信息整合為一體化的應(yīng)用平臺(tái)，從而減少航行操作錯(cuò)誤，提高出航安全。文獻(xiàn)[2]通過基于云服務(wù)的電子航海為海上安全提供線路支持和通信服務(wù)，這種服務(wù)的集成減少了設(shè)備系統(tǒng)帶來的信息冗余問題，實(shí)現(xiàn)了信息集成與共享，為指揮決策提供了一定的幫助。文獻(xiàn)[3]采用不同度量的方法集成實(shí)時(shí)全球航海衛(wèi)星系統(tǒng)服務(wù)的數(shù)據(jù)信息，從而證明該系統(tǒng)在大型船舶上發(fā)揮的航海能力。同時(shí)，文獻(xiàn)[4]中，Daniel等采用電子海圖服務(wù)集成所有設(shè)備信息以此來改進(jìn)加拿大海上通導(dǎo)設(shè)備系統(tǒng)。國家海洋信息中心[5]針對(duì)我國海洋建設(shè)過程中產(chǎn)生的“數(shù)據(jù)孤島”問題，對(duì)數(shù)字海洋主中心節(jié)點(diǎn)和各子節(jié)點(diǎn)單位的海洋空間數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，制定了一套數(shù)據(jù)處理、組織存儲(chǔ)、服務(wù)制作、共享發(fā)布與下載使用等標(biāo)準(zhǔn)流程的服務(wù)方案。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，由于設(shè)備的多樣性、環(huán)境的復(fù)雜性、數(shù)據(jù)采集的不確定性以及實(shí)時(shí)服務(wù)的延時(shí)性，單靠電子海圖的服務(wù)能力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到所有設(shè)備服務(wù)集成的效果，同時(shí)還會(huì)降低服務(wù)效率，給出錯(cuò)誤的決策。因此，本文從通導(dǎo)設(shè)備服務(wù)的角度，研究了信息服務(wù)集成在公務(wù)船艇通導(dǎo)設(shè)備的應(yīng)用，并在實(shí)踐中進(jìn)行推廣和運(yùn)行。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)多態(tài)數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)信息服務(wù)數(shù)據(jù)采集的目標(biāo)是以電子海圖顯示與信息系統(tǒng)為客戶端，將導(dǎo)航數(shù)據(jù)和機(jī)艙工況數(shù)據(jù)等多態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。其中，導(dǎo)航數(shù)據(jù)來自船艇自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)AIS(Automatic Identification System)、全球定位系統(tǒng)GPS(Global Position System)、雷達(dá)系統(tǒng)、電羅經(jīng)、風(fēng)速風(fēng)向儀等相關(guān)信息。形成的多態(tài)數(shù)據(jù)為船上人員實(shí)時(shí)提供船艇狀態(tài)信息并實(shí)現(xiàn)預(yù)警、輔助目標(biāo)跟蹤、船艇航行狀態(tài)記錄和查詢回放等服務(wù)。機(jī)艙工況數(shù)據(jù)包括主機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)、燃油系統(tǒng)數(shù)據(jù)、冷卻水系統(tǒng)數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)將所有采集的數(shù)據(jù)保存在船上或經(jīng)通信信道發(fā)送給指揮中心的船艇數(shù)據(jù)庫中，并與電子海圖系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，用戶可在船艇本地或者岸上指揮中心遠(yuǎn)程查看機(jī)艙歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)還具有即時(shí)通信功能，可實(shí)現(xiàn)船艇與岸上用戶間的文本短信、即時(shí)文本通信、文件傳輸、數(shù)據(jù)查詢等功能。通過數(shù)據(jù)采集程序、電子海圖引擎和數(shù)據(jù)通信服務(wù)器，獲取AIS、GPS、雷達(dá)等數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可理解的知識(shí)，從而實(shí)現(xiàn)接口轉(zhuǎn)換和中間件服務(wù)的信息流程。

1.2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

系統(tǒng)軟件采用模塊化，分布式的體系結(jié)構(gòu)。依據(jù)處理業(yè)務(wù)類型的不同，分模塊部署在相應(yīng)的物理平臺(tái)上，與各系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)也存儲(chǔ)在相應(yīng)的系統(tǒng)平臺(tái)上，各部分軟件分別獨(dú)立工作。通過局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的信息交互，分為應(yīng)用層、業(yè)務(wù)層、協(xié)議層、鏈路控制層和物理層。應(yīng)用層分布于船用系統(tǒng)平臺(tái)和岸基指揮中心平臺(tái)，通過業(yè)務(wù)處理層將各平臺(tái)的硬件接口與現(xiàn)有通信導(dǎo)航設(shè)備或系統(tǒng)連接，標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和鏈路控制層以船艇局域網(wǎng)為承載通道實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)的互聯(lián)互通，完成各業(yè)務(wù)系統(tǒng)和設(shè)備的通信和控制。軟件系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 軟件系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)模型

本系統(tǒng)采用綜合集成的方法將各個(gè)應(yīng)用平臺(tái)服務(wù)集成為公務(wù)船艇系統(tǒng)、岸基指揮中心系統(tǒng)和信息傳輸系統(tǒng)三大部分。通過該三部分的集成，構(gòu)建語音、視頻、數(shù)據(jù)等多種業(yè)務(wù)的一體化信息平臺(tái)，主要包括：(1) 在岸基指揮所按指揮級(jí)別分別設(shè)置通導(dǎo)控制管理中心，通過地面專用網(wǎng)與各指揮中心之間實(shí)現(xiàn)信息共享。(2) 船艇上配置通導(dǎo)控制管理設(shè)備，對(duì)平臺(tái)內(nèi)部通導(dǎo)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)信息共享。(3) 在沿海附近，船艇可通過超短波系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)岸互通；遠(yuǎn)離岸邊時(shí)，船艇可通過衛(wèi)通、短波實(shí)現(xiàn)對(duì)岸通信。(4) 船艇編隊(duì)之間可通過短波、超短波構(gòu)建編隊(duì)內(nèi)話音、數(shù)據(jù)及視頻信息互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息共享。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 服務(wù)集成建模技術(shù)

系統(tǒng)首先采用元模型描述信息服務(wù)過程中元素、屬性以及元素關(guān)系，通過控制結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述服務(wù)組合過程，實(shí)現(xiàn)服務(wù)組合模型的資源交互，定義服務(wù)資源要素的組成和約束。一個(gè)服務(wù)元模型由原子服務(wù)、組合服務(wù)和關(guān)系構(gòu)成，其中原子服務(wù)是不可再分割的服務(wù)并可以直接調(diào)用，一個(gè)原子服務(wù)的工作模式為輸入?yún)?shù)到執(zhí)行服務(wù)到輸出結(jié)果。將原子服務(wù)的屬性集和參數(shù)集進(jìn)行定義，屬性集描述了原子服務(wù)的標(biāo)識(shí)、名稱、服務(wù)類型和在知識(shí)庫中的標(biāo)識(shí)，參數(shù)集描述了服務(wù)的輸入與輸出參數(shù)。組合服務(wù)模型定義了控制流、數(shù)據(jù)流和服務(wù)子模型，從而為空間信息、網(wǎng)絡(luò)信息和硬件平臺(tái)進(jìn)行服務(wù)。

元模型設(shè)計(jì)后，需要從空間信息服務(wù)鏈的服務(wù)資源、數(shù)據(jù)流、控制流三個(gè)方面描述服務(wù)鏈元素向BPEL[6]業(yè)務(wù)流程語言(Business Process Execution Language)元素之間的映射與轉(zhuǎn)換。(1) 服務(wù)轉(zhuǎn)換：在服務(wù)鏈中，服務(wù)分為組合服務(wù)和原子服務(wù)，采用、、標(biāo)簽標(biāo)記鏈文件的狀態(tài)和業(yè)務(wù)流程方式；(2) 數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換：通過輸入與輸出標(biāo)簽下的屬性“ImportFrom”、“AssignFrom”、“Assign-To”進(jìn)行標(biāo)記，每個(gè)屬性都會(huì)標(biāo)記數(shù)據(jù)流的源和目標(biāo)；(3) 控制流的轉(zhuǎn)換：通過、、等標(biāo)簽分別控制順序(sequence)、并行分支(split)、同步分支(synchronization)模式。

2.2 信息服務(wù)鏈技術(shù)

(1) 服務(wù)鏈的規(guī)劃：服務(wù)鏈的規(guī)劃是服務(wù)鏈生成的關(guān)鍵，可以對(duì)業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行建模和預(yù)定義。設(shè)一條空間信息服務(wù)鏈為Si={D,E,F}，i

對(duì)于WFS，如果要計(jì)算返回要素類型為航海通行區(qū)域(Navigation_area)或船艇航跡(Ship_route)，則采用輸入要素與查詢語句操作：getFeature(featureType: string, q: query)：featureCollection，其語句如下所示：

? getFeature: featureCollection(y)，(? x∈y→Navigation_area (x))；

茄子生長成熟后采收，采收要注意采收的時(shí)間，一般在開花后的25天，也就是茄子萼片與果實(shí)相接處白色或淡綠色環(huán)狀帶即將消失時(shí)即可采收。采收之后，要及時(shí)包裝和售賣，保障茄子的質(zhì)量。

? getFeature: featureCollection(y)，(? x∈y→Ship_route (x))。

而對(duì)于WPS服務(wù)，則采用sum( )函數(shù)與overlay( )函數(shù)操作：

? overlay(y1: featureCollection, y2: featureCollection)：FeatureCollection；

? sum(y: featureCollection, attributeToSum:string)：int。

其中：overlay( )函數(shù)判斷要素集合y1和y2在空間y中的個(gè)數(shù)；sum( )函數(shù)將要素的屬性相加。在實(shí)際應(yīng)用中可以分析航海通行區(qū)域的疊置狀況或獲取航跡所經(jīng)過的位置點(diǎn)。

如圖2所示，在一個(gè)具體的服務(wù)鏈生成過程中，首先采用getFeature( )函數(shù)獲取Navigation_area和Ship_route空間要素類型，然后用overlay( )函數(shù)操作空間域S和船艇航跡要素集合并返回，對(duì)該數(shù)據(jù)集進(jìn)行搜索。而sum( )函數(shù)實(shí)現(xiàn)了使目標(biāo)轉(zhuǎn)換成具體的Navigation_area和Ship_route要素?cái)?shù)據(jù)。

圖2 局部服務(wù)鏈生成過程片段

圖3 空間信息服務(wù)鏈有向圖

(3) 服務(wù)鏈的實(shí)例化：通過OWL-S[8]語義服務(wù)描述與WSDL[9]網(wǎng)絡(luò)服務(wù)描述語言之間的映射實(shí)現(xiàn)分布在不同服務(wù)器上的服務(wù)實(shí)例化和綁定。服務(wù)鏈的實(shí)例化采用服務(wù)質(zhì)量QoS(Quality of Service) 模型在不同服務(wù)實(shí)例中進(jìn)行選擇，實(shí)例化的實(shí)現(xiàn)過程則將選定服務(wù)實(shí)例的WSDL映射到OWL-S的服務(wù)組中。

(4) 服務(wù)鏈的執(zhí)行：將實(shí)例化的可執(zhí)行服務(wù)鏈進(jìn)行發(fā)布和執(zhí)行，根據(jù)服務(wù)組合模型文件中各原子服務(wù)的鏈接關(guān)系，將系統(tǒng)匹配得到的原子服務(wù)實(shí)例相互鏈接，以ActiveBPEL作為引擎解決通導(dǎo)設(shè)備信息中原子服務(wù)實(shí)例鏈接的問題。執(zhí)行方式首先將OWL-S 處理模型中元素映射到 BPEL模型，然后交給Active BPEL引擎執(zhí)行，服務(wù)執(zhí)行引擎按照實(shí)例化的服務(wù)鏈協(xié)調(diào)、部署、管理和執(zhí)行具體服務(wù)，最后得到服務(wù)結(jié)果返回用戶終端。

2.3 服務(wù)數(shù)據(jù)集成

服務(wù)數(shù)據(jù)集成采用總線的方法對(duì)船艇通導(dǎo)信息的業(yè)務(wù)流程進(jìn)行分析管理，以滿足數(shù)據(jù)終端和數(shù)據(jù)中心的業(yè)務(wù)需求，服務(wù)技術(shù)包含了消息隊(duì)列MQ(Message Queue)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換捕獲器CDC(Change Data Capture)、消息流MF(Message Flow)，各業(yè)務(wù)系統(tǒng)將消息放在總線上來實(shí)現(xiàn)消息路由和格式轉(zhuǎn)換。

船艇通導(dǎo)信息設(shè)備服務(wù)數(shù)據(jù)集成通過數(shù)據(jù)交換與訪問發(fā)布WebService服務(wù)，主要提供外部應(yīng)用系統(tǒng)訪問全域數(shù)據(jù)庫的途徑。全域數(shù)據(jù)庫中的每張數(shù)據(jù)表都對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)訪問服務(wù)，且每一個(gè)數(shù)據(jù)訪問服務(wù)都包含增加、修改、刪除、查詢、分頁查詢、獲取記錄這6種服務(wù)方法。該服務(wù)方法通過信息集成平臺(tái)訪問控制終端或業(yè)務(wù)軟件自主開發(fā)代碼調(diào)用數(shù)據(jù)訪問服務(wù)訪問基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)或?qū)A(chǔ)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

本文研究開發(fā)的服務(wù)集成系統(tǒng)搭建于Intel Core 2 Quad 2.4 Hz Windows10，服務(wù)器架構(gòu)于IBM 3650xm，采用Linux Asia 3x版本，集成數(shù)據(jù)庫為IBM DB2。系統(tǒng)以電子海圖為顯示背景，支持國際標(biāo)準(zhǔn)海圖數(shù)據(jù)IHO S57，支持海軍航保部VCF格式數(shù)據(jù)。系統(tǒng)可接入船載GPS、AIS、雷達(dá)、北斗、計(jì)程儀、測深儀等設(shè)備作為數(shù)據(jù)傳感器，自動(dòng)采集并結(jié)合電子航道圖的空間信息進(jìn)行綜合利用，可及時(shí)、自動(dòng)地為操作員提供豐富的助航、避碰及危險(xiǎn)報(bào)警信息，并動(dòng)態(tài)標(biāo)繪出船艇上傳和岸基AIS基站接收到的目標(biāo)船位置、航向、航速、目的港等多種靜動(dòng)態(tài)信息和目標(biāo)船艇的歷史航跡，如圖4所示。

圖4 公務(wù)船艇通導(dǎo)設(shè)備信息服務(wù)集成系統(tǒng)應(yīng)用

系統(tǒng)實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)(導(dǎo)航數(shù)據(jù)和機(jī)艙數(shù)據(jù))存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(DB2)中，并可以配置存儲(chǔ)頻率，方便本船艇其他系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)資源的再次利用?？商峁┗赥CP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)輸出接口，將多種數(shù)據(jù)信息傳輸至其他設(shè)備，還可以通過衛(wèi)星及其他通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街笓]中心以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)共享。系統(tǒng)在浙江、江蘇、上海等幾個(gè)具備條件的沿海地區(qū)和公務(wù)船艇大隊(duì)?wèi)?yīng)用，并逐步推廣到其他地區(qū)。

4 結(jié) 語

本文針對(duì)公務(wù)船艇通導(dǎo)設(shè)備信息集成與共享缺乏科學(xué)合理的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)條件的限制等問題，研發(fā)了一個(gè)信息服務(wù)集成系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用服務(wù)集成建模、信息服務(wù)鏈技術(shù)以及數(shù)據(jù)集成技術(shù)對(duì)多態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、過濾、集成、共享，并分析系統(tǒng)軟件架構(gòu)和分層結(jié)構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用和推廣。但目前還有很多智能化集成技術(shù)的正在試運(yùn)行和籌建中，系統(tǒng)的集成缺少數(shù)據(jù)的語義性，下一步將人工智能的方法應(yīng)用于該系統(tǒng)中，豐富服務(wù)集成的自動(dòng)化和智能化水平。

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