楊東方, 劉善偉, 汪小琪, 萬劍華

海洋環(huán)境航行安全保障決策支持系統(tǒng)設計

楊東方, 劉善偉, 汪小琪, 萬劍華

(中國石油大學(華東) 海洋與空間信息學院, 山東 青島 266580)

為對海上船舶航行提供安全保障決策支持, 本文設計了海洋環(huán)境航行安全保障決策支持系統(tǒng)。系統(tǒng)采用面向服務架構(gòu)思想, 將功能單元封裝成統(tǒng)一標準的服務, 服務之間的調(diào)用關(guān)系經(jīng)設計, 實現(xiàn)海洋數(shù)據(jù)交互與功能組合重用。本文闡述了系統(tǒng)開發(fā)與部署步驟并展示決策支持部分的示范性系統(tǒng)流程, 向決策者提供衛(wèi)星成像規(guī)劃、風險評價、溢油預測與應急救援路徑規(guī)劃等決策服務。系統(tǒng)為海洋環(huán)境航行安全保障提供了多源海洋數(shù)據(jù)管理、海洋數(shù)據(jù)可視化與決策支持服務等技術(shù)方案, 為海洋環(huán)境航行安全保障決策提供參考依據(jù)。

海洋環(huán)境; 航行安全; 決策支持

作為世界第一大進出口貿(mào)易國, 中國外貿(mào)進出口貨運量的90%以上是通過海運完成[1]。保障海上環(huán)境安全, 是涉及國家經(jīng)濟、軍事和能源運輸安全等重大戰(zhàn)略問題。海面風場、海浪、海流、海霧、降雨、內(nèi)波與海底地形等海洋自然環(huán)境因素極大影響海上航行與運輸安全, 故針對復雜多變的海洋自然環(huán)境因素, 有必要開展相關(guān)海洋環(huán)境航行安全保障工作。海洋航行安全保障決策支持離不開我國“數(shù)字海洋”建設發(fā)展, 雖然“數(shù)字海洋”促使海洋信息化程度不斷加深, 但目前也存在一些問題: 海洋環(huán)境大數(shù)據(jù)在體量、數(shù)據(jù)格式、存儲組織以及語義上差別較大, 缺少對海洋環(huán)境大數(shù)據(jù)統(tǒng)一的組織、處理、管理與分析[2]; 海洋信息融合應用能力較低, 信息分發(fā)支持能力薄弱[3]; 海洋數(shù)據(jù)獲取與交互不夠方便、共享和交換手段不夠先進; 數(shù)據(jù)挖掘與可視化海洋數(shù)據(jù)相對較為欠缺, 故對海洋自然規(guī)律認知和海洋決策支撐力度不夠[4]; 當前以海洋數(shù)據(jù)的分析處理為主, 而輕視了決策模擬在國家海洋戰(zhàn)略中的重要作用[5]。

海洋強國戰(zhàn)略的提出要求海洋環(huán)境保障應擴大保障范圍, 拓展服務對象, 構(gòu)建新型海洋環(huán)境信息綜合保障模式, 加快向多樣化、精細化與全球化的海洋環(huán)境信息綜合保障轉(zhuǎn)變[3]。為順應海洋強國戰(zhàn)略與“21世紀海上絲綢之路”的發(fā)展要求, 本文設計了海洋環(huán)境航行安全保障決策支持系統(tǒng), 聚焦航行安全保障主題, 針對船舶航行前、航行中與船舶事故發(fā)生后等方面, 提供了一套包括衛(wèi)星成像規(guī)劃、航行動態(tài)風險評價、應急救援路徑規(guī)劃與海上溢油漂移預測的較為完整的決策支持流程。系統(tǒng)也包括海洋數(shù)據(jù)高頻監(jiān)測更新、數(shù)據(jù)組織與存儲、海洋數(shù)據(jù)共享、海洋環(huán)境大數(shù)據(jù)可視化等內(nèi)容, 為我國海上活動與環(huán)境安全保障提供技術(shù)支撐與參考依據(jù)。

1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)總體設計包括系統(tǒng)需求分析、系統(tǒng)架構(gòu)設計、系統(tǒng)功能設計以及服務設計與調(diào)用四個方面。

1.1 系統(tǒng)需求分析

圍繞海洋環(huán)境航行安全保障決策支持主題, 系統(tǒng)主要需求如下。

1) 確保海洋環(huán)境數(shù)據(jù)時效性。海洋環(huán)境數(shù)據(jù)特別是氣象數(shù)據(jù)在短時間內(nèi)可能會有較大變化。故系統(tǒng)應盡量提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)的更新頻率, 確保海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的時效性與系統(tǒng)服務的準確性。

2)評估海洋航行風險。復雜多變的海洋自然環(huán)境因素對船舶航行威脅極大。動態(tài)準確地計算海洋自然因素對航行過程中的風險影響是系統(tǒng)重要需求。

3)規(guī)劃緊急事故救援路徑。提高突發(fā)船舶事故處理方式, 實現(xiàn)科學的應急救援辦法, 盡可能提高救援效率。如參考遙感衛(wèi)星圖像, 結(jié)合海洋要素數(shù)據(jù)計算最優(yōu)救援路徑。

4)預測船舶溢油事件。船舶事故發(fā)生不僅可造成重大的人身傷亡和經(jīng)濟損失, 同時也會對海洋環(huán)境造成巨大危害, 這其中影響較大的是溢油事故。高效準確處理溢油事件也是系統(tǒng)的需求之一。

5)可視化表達海洋要素與決策支持。利用前臺可視化技術(shù)展示海洋自然要素與決策支持計算結(jié)果, 同時生成決策報告文檔, 可準確且直觀生動地提供決策支持。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設計

海洋環(huán)境航行安全保障決策支持系統(tǒng)設計基于面向服務架構(gòu)(service-oriented architecture, SOA)。利用web service技術(shù), 數(shù)據(jù)和功能模型會進行集成與封裝, 并發(fā)布為與平臺無關(guān)的符合統(tǒng)一標準的服務, 在網(wǎng)絡條件下實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互與功能模型的調(diào)用, 實現(xiàn)瀏覽器與服務器之間、服務器與服務器之間靈活高效的數(shù)據(jù)傳輸與交互。這一套流程提高了海洋大數(shù)據(jù)的共享能力, 方便其他系統(tǒng)調(diào)用海洋決策支持服務及其他功能模塊, 減少冗余開發(fā)。

系統(tǒng)采用B/S(browser/server)模式, 瀏覽器端只需進行少量運算, 而主要的計算與事務邏輯依靠服務器端實現(xiàn)。B/S模式與SOA架構(gòu)結(jié)合的模式能夠降低客戶端負載, 減輕系統(tǒng)維護與升級的成本和工作量, 同時實現(xiàn)各層之間的松耦合, 使系統(tǒng)功能易擴展與維護[6]。

系統(tǒng)架構(gòu)具體如圖1所示, 由下而上依次為: 數(shù)據(jù)層、服務層、事務層、應用層及用戶層。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

1) 數(shù)據(jù)層主要實現(xiàn)海洋環(huán)境多源數(shù)據(jù)的存儲與管理, 作為可視化模塊及決策支持模塊的數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層中數(shù)據(jù)存儲服務器高頻監(jiān)測自動下載獲取與處理數(shù)據(jù)生產(chǎn)系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的最新數(shù)據(jù), 確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)的時效性。同時數(shù)據(jù)層基于NAS(network atta-ched storage)為不同模塊分配不同的存取權(quán)限, 實現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理調(diào)配。

2) 服務層包括數(shù)據(jù)服務與決策支持服務。將數(shù)據(jù)層中的多源海洋數(shù)據(jù)按類型設計為RESTful風格的數(shù)據(jù)服務接口并發(fā)布, 為整個系統(tǒng)提供基礎數(shù)據(jù)支撐。決策支持服務是將后臺決策支持算法模型封裝并發(fā)布, 支持響應前臺瀏覽器的決策支持服務請求。

3) 事務層構(gòu)建統(tǒng)一的服務中心, 負責整個系統(tǒng)中服務的注冊、發(fā)現(xiàn)、調(diào)用以及管理。后臺服務發(fā)布前服務中心記錄有關(guān)信息, 再進行服務注冊與服務發(fā)布。瀏覽器請求服務時, 由服務中心代理請求調(diào)用服務, 方便了系統(tǒng)服務的維護與管理。

4) 應用層集成海洋數(shù)據(jù)可視化、衛(wèi)星成像規(guī)劃、溢油漂移擴散預測、航行風險評價與應急救援路徑規(guī)劃等功能。用戶在瀏覽器的交互界面中可設置不同的參數(shù), 以實現(xiàn)在不同情況下的決策模擬。

5) 用戶層中可依據(jù)不同的用戶類型設置不同的系統(tǒng)操作權(quán)限, 滿足不同層次的用戶服務需求, 提高了系統(tǒng)的安全性。

1.3 系統(tǒng)功能設計

海洋環(huán)境航行安全保障決策支持系統(tǒng)由海洋數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、海洋數(shù)據(jù)可視化子系統(tǒng)與航行安全決策支持子系統(tǒng)構(gòu)成, 功能設計框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能設計

1.3.1 海洋數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)

海洋數(shù)據(jù)種類繁多、數(shù)據(jù)量巨大, 同時具有多源、多維、動態(tài)、異構(gòu)的特點[7], 對海洋環(huán)境數(shù)據(jù)進行有效的組織管理是系統(tǒng)設計必須考慮的問題。

數(shù)據(jù)管理分為后臺管理與前臺管理。后臺數(shù)據(jù)管理主要包括全天候高頻監(jiān)測獲取、處理、更新多源數(shù)據(jù)。后臺可將不同數(shù)據(jù)類型設置不同的更新頻率。例如基于SAR衛(wèi)星的風、浪、流等海洋監(jiān)測與預報數(shù)據(jù)每天更新一次, 基于MODIS遙感影像衛(wèi)星的海霧數(shù)據(jù)每12 h更新一次。管理員也可以手動更新獲取當前最新數(shù)據(jù)。后臺數(shù)據(jù)管理同時包括數(shù)據(jù)自動解析處理以及服務的發(fā)布與管理, 保證數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)服務的時效性。前臺數(shù)據(jù)管理包括系統(tǒng)用戶權(quán)限數(shù)據(jù)、靜態(tài)信息數(shù)據(jù)與動態(tài)信息數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)的類型與內(nèi)容上, 數(shù)據(jù)的組織和管理主要涵蓋了海洋基礎地理數(shù)據(jù)、海洋觀測監(jiān)測預報類數(shù)據(jù)、靜態(tài)信息數(shù)據(jù)、動態(tài)信息數(shù)據(jù)與用戶權(quán)限管理數(shù)據(jù)。具體數(shù)據(jù)類型與對應內(nèi)容如表1所示。

1.3.2 海洋數(shù)據(jù)可視化子系統(tǒng)

海洋數(shù)據(jù)可視化子系統(tǒng)在統(tǒng)一時空框架下, 針對多源、多維、動態(tài)的海洋數(shù)據(jù)建立一致的表征模型, 實現(xiàn)多維多時空的海洋數(shù)據(jù)在前臺靜態(tài)與動態(tài)的可視化表達。海洋數(shù)據(jù)可視化子系統(tǒng)包括功能模塊如下。

1) 地圖操作模塊, 包括所有與地圖相關(guān)的操作, 是其他功能模塊的基礎, 主要包含地圖測距測面、標注、截圖快照以及基礎底圖切換等基本操作。

表1 數(shù)據(jù)類型與內(nèi)容

2) 海洋環(huán)境要素可視化模塊, 包括反演、探測、預報等海洋環(huán)境要素數(shù)據(jù)的可視化。標量數(shù)據(jù)包括海水溫度、鹽度、海霧等, 以等值面的形式對標量數(shù)據(jù)進行插值、渲染; 矢量數(shù)據(jù)包括海表面風場、海流、海浪以及內(nèi)波數(shù)據(jù)等, 不同與以往的箭頭法, 而是以流線法進行動態(tài)模擬與可視化[8]。

3) 海洋目標可視化模塊, 包括對探測海洋目標的可視化、船只信息的可視化、以及港口和岸線等靜態(tài)海洋海岸目標的可視化。

4) 決策支持可視化模塊, 實現(xiàn)前臺渲染航行安全決策支持子系統(tǒng)中服務返回的計算結(jié)果, 在瀏覽器地圖中渲染繪制衛(wèi)星成像規(guī)劃圖、航行風險圖、溢油漂移預測圖與應急救援路徑圖, 為決策的制定提供直觀的參考。

1.3.3 航行安全決策支持子系統(tǒng)

針對惡劣海況影響航行、海上溢油環(huán)境危害和海上事故應急救援等問題, 航行安全決策支持子系統(tǒng)包括功能模塊如下。

1) 衛(wèi)星成像規(guī)劃。獲取指定區(qū)域的遙感光學衛(wèi)星與SAR衛(wèi)星的成像記錄, 為航行風險評估與海上事故緊急救援提供第一手的參考資料。

2) 航行風險評價。依據(jù)復雜的海洋環(huán)境因素數(shù)據(jù), 動態(tài)評估船舶航行風險變化過程, 并在前臺可視化表達。

3) 應急救援路徑規(guī)劃。針對海洋突發(fā)緊急事件, 依據(jù)多種海洋環(huán)境數(shù)據(jù)與地理空間信息, 規(guī)劃最優(yōu)救援路徑。

4) 溢油漂移預測。可視化表達船舶事故后溢油的時空變化過程, 為準確高效處理溢油事件提供參考。

決策支持相關(guān)算法模型在后臺服務器中封裝發(fā)布為標準服務, 供前臺海洋數(shù)據(jù)可視化子系統(tǒng)調(diào)用, 實現(xiàn)對決策支持計算結(jié)果的可視化與動態(tài)模擬仿真。

1.3.4 服務設計與調(diào)用

海洋數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)服務是以RSET (representational state transfer)為標準設計RESTful API風格的網(wǎng)絡服務。RESTful服務接口輕量級、易訪問、無狀態(tài)、面向資源[9], 其輕量與易訪問的特性有利于大體積海洋數(shù)據(jù)的傳輸交互, 無狀態(tài)性降低了海洋數(shù)據(jù)服務調(diào)用的復雜度, 面向資源的特性使得多源海洋數(shù)據(jù)服務在統(tǒng)一資源標志符(uniform resource identifier, URI) 上具有語義自解釋性, 有利于系統(tǒng)管理多個海洋數(shù)據(jù)服務。

決策支持模型按照OGC(open geospatial consortium)的網(wǎng)絡處理服務WPS(web processing server)標準建立服務, 有利于對地理要素的交互操作與地理處理分析[10], 實現(xiàn)在瀏覽器中決策支持的地理空間處理與前臺可視化。

海洋數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)作為系統(tǒng)的基礎平臺, 為海洋數(shù)據(jù)可視化子系統(tǒng)與航行安全決策支持子系統(tǒng)提供基礎數(shù)據(jù)服務支持。通過后臺數(shù)據(jù)庫更新模塊高頻監(jiān)測自動獲取來自外部系統(tǒng)與多源數(shù)據(jù)服務的海洋數(shù)據(jù)的更新, 保證數(shù)據(jù)的時效性, 同時也接收海洋數(shù)據(jù)可視化子系統(tǒng)與航行安全決策支持子系統(tǒng)的標準參數(shù)請求。海洋數(shù)據(jù)可視化子系統(tǒng)請求調(diào)用航行安全決策支持子系統(tǒng)的WPS標準服務接口, 在瀏覽器處理返回數(shù)據(jù), 進行可視化展示。系統(tǒng)主要的服務調(diào)用關(guān)系如圖3所示。

2 航行安全決策支持與流程

為保障海洋船舶航行安全以及提高緊急突發(fā)事故的處理效率, 航行安全決策支持主要包括以下內(nèi)容。

2.1 衛(wèi)星成像規(guī)劃

在大范圍海域的探測搜救任務中, 對地觀測衛(wèi)星獲取的海上遙感圖像憑借其幅面大、光譜分辨率高、空間分辨率高等優(yōu)勢, 可為大范圍事故海域的海上搜救目標判斷提供直接的參考。衛(wèi)星成像規(guī)劃模塊中, 依次選擇成像時間、成像區(qū)域、衛(wèi)星種類等條件, 系統(tǒng)請求后臺服務接口查詢, 前臺可視化展示符合條件的SAR衛(wèi)星與光學衛(wèi)星的遙感圖像成像記錄信息, 為遇到應急事件時快速調(diào)出衛(wèi)星圖像提供指引, 為決策支持提供依據(jù)。

圖3 服務調(diào)用關(guān)系

2.2 航行風險評價

多變的海洋氣象與環(huán)境因素使得船舶的航行安全隨著時間演變具有較高的不確定性, 動態(tài)評估船舶航行風險有利于海上船舶航行安全。在航行風險評價中, 選定海上區(qū)域、時間等參數(shù), 利用風場、洋流、海浪、海霧等海洋環(huán)境數(shù)據(jù)以及航道等航行相關(guān)數(shù)據(jù), 利用貝葉斯算法計算航行風險結(jié)果, 并以熱力圖的形式對航行風險進行前臺展示, 系統(tǒng)流程如圖4所示。

圖4 航行風險評價流程

2.3 應急救援路徑規(guī)劃

應急救援路徑規(guī)劃有利于提高海上突發(fā)緊急事件的應對能力, 保障救援船舶安全高效到達救援區(qū)域。在應急救援路徑規(guī)劃中, 選擇事故地點、救援事件到參數(shù), 基于多種海洋環(huán)境因素影響, 結(jié)合航行風險計算結(jié)果, 計算尋優(yōu)救援路徑, 并在前臺地圖中動態(tài)繪制。應急救援路徑規(guī)劃流程圖如圖5所示。

圖5 應急救援路徑規(guī)劃流程

2.4 溢油漂移預測

海上溢油災害會嚴重破壞我國海洋環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng), 開展溢油漂移預測預警技術(shù)研究能為海上溢油應急響應提供技術(shù)支撐[11]。在溢油漂移預測中, 選擇時間、地點、初始溢油面積、流場類別與預警時長等參數(shù), 前臺以動畫的方式對漂移擴散模型預測的溢油粒子進行動態(tài)模擬。

3 系統(tǒng)開發(fā)與部署

系統(tǒng)前端開發(fā)基于MVVM模式的輕量級響應式框架Vue.js開發(fā), 可以有效簡化Web前端開發(fā)流程, 降低開發(fā)難度, 實現(xiàn)了Web系統(tǒng)前、后端開發(fā)完全分離, 提高了系統(tǒng)的靈活性和可擴展性[12]。在Vue.js框架內(nèi)利用JavaScript、HTML5與CSS3實現(xiàn)用戶操作界面、交互流程與基礎功能。利用OpenLayers.js實現(xiàn)對于二維地圖的基本操作以及基礎地理數(shù)據(jù)的展示。在用戶層中通過WebGL引擎技術(shù)實現(xiàn)在瀏覽器中海洋數(shù)據(jù)的靜態(tài)與動態(tài)渲染[13], 實現(xiàn)海洋環(huán)境要素的二維可視化、船舶軌跡數(shù)據(jù)的可視化、決策支持模型結(jié)果的仿真。

在數(shù)據(jù)服務器中, 使用多源數(shù)據(jù)接口請求獲取原始數(shù)據(jù), 建立文件型數(shù)據(jù)庫(MongoDB)組織數(shù)據(jù), 實現(xiàn)對各類環(huán)境要素數(shù)據(jù)的動態(tài)更新和維護。利用網(wǎng)絡存儲實現(xiàn)對遙感影像數(shù)據(jù)文件和海洋環(huán)境要素文件的分級存儲并建立索引方便快速查找, 采用基于SpringBoot框架的SpringCloud發(fā)布RESTful風格數(shù)據(jù)服務接口。

業(yè)務服務器集群由決策支持服務器、GIS地圖服務器、業(yè)務邏輯服務器三部分組成。決策支持服務器中的模型算法利用Python腳本編寫并對其封裝, SpringCloud將其調(diào)用并發(fā)布為WebAPI服務接口。GIS地圖服務器選擇GeoServer軟件, 實現(xiàn)海圖數(shù)據(jù)及基礎底圖數(shù)據(jù)發(fā)布為OGC形式的接口服務。后臺業(yè)務服務器基于SpringBoot的MVC模式(模型-視圖-控制)開發(fā), 將輸入、處理、輸出流程按照模型、視圖、控制的方式進行分離[14]。每個核心業(yè)務功能都以服務的形式供后續(xù)子系統(tǒng)或功能模塊調(diào)用, 實現(xiàn)多個數(shù)據(jù)功能之間的松耦合, 易于管理與維護。

服務器之間的調(diào)用通過TCP/IP互相通信, 在客戶端, 用戶只需在Web瀏覽器中發(fā)送HTTP請求, Web瀏覽器便可快速接收服務器返回的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)部署架構(gòu)如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)部署圖

系統(tǒng)界面如圖7, 包括地圖基本操作區(qū)域、可視化功能目錄樹、地圖切換區(qū)域、決策支持區(qū)域等, 其中決策支持區(qū)域包括衛(wèi)星成像規(guī)劃、航行風險評價、溢油漂移預測與應急路徑救援規(guī)劃四個Tab子頁面。

4 結(jié)論

圍繞海洋環(huán)境航行安全保障主題, 本文從系統(tǒng)框架、系統(tǒng)功能與服務調(diào)用關(guān)系等方面, 設計了海洋環(huán)境航行安全保障決策支持系統(tǒng), 并介紹了一種可行的系統(tǒng)開發(fā)與部署的實現(xiàn)流程。系統(tǒng)集成海量、多源、多維及動態(tài)的海洋環(huán)境大數(shù)據(jù), 涵蓋海洋數(shù)據(jù)管理、共享服務、可視化表達與決策支持等內(nèi)容, 為保障海洋環(huán)境安全提供了衛(wèi)星成像規(guī)劃、航行風險評價、溢油漂移預測與應急救援路徑規(guī)劃的決策支持方案, 在海洋信息應用與功能融合、海洋安全決策支持保障等方面具有較好應用前景。

圖7 系統(tǒng)主界面

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Design of decision support system for marine environment navigation security

YANG Dong-fang, LIU Shan-wei, WANG Xiao-qi, WAN Jian-hua

(College of Oceanography and Space Informatics, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

In order to provide safety guarantee decision support for marine navigation, this paper designs a marine environment navigation safety guarantee decision support system. The system adopts the idea of service-oriented architecture, and encapsulates the functional units into unified standard services. The calling relationship between services is designed and realized. Ocean data interaction and functional combination reuse. This article explains the system development and deployment steps and demonstrates the exemplary system flow of the decision support part. It provides decision-makers with decision-making services such as satellite imaging planning, risk assessment, oil spill prediction and emergency rescue route planning. The system provides technical solutions such as multisource marine data management, marine data visualization and decision support services for the marine environment navigation safety guarantee, and provides a reference basis for the marine environment navigation safety guarantee decision-making.

marine environment; navigation security; decision support

Nov. 8, 2020

P2081

A

1000-3096(2021)05-0137-08

10.11759/hykx20201108002

2020-11-08;

2021-01-31

國家重點研發(fā)計劃海洋環(huán)境安全保障專項 (編號: 2017YFC1405600)

[National Key Research and Development Program of China, No. 2017YFC1405600]

楊東方(1997—), 男, 河南信陽人, 碩士研究生, 測繪科學與技術(shù)專業(yè), 主要從事海洋WebGIS方向研究, E-mail: orienyang@ foxmail.com; 劉善偉(1982—), 男,通信作者, 副教授, 碩士生導師, 主要從事海洋遙感與GIS應用方向研究, E-mail: shanweiliu@163.com

(本文編輯: 叢培秀)