陳晨，陳韜，胡興剛，張耀俊

(上海船舶電子設(shè)備研究所，上海 201108)

艦船損害發(fā)生時(shí)，艦船指揮中心能否及時(shí)做出科學(xué)、合理的應(yīng)對措施取決于對整船危險(xiǎn)品、資源、消防設(shè)施等狀態(tài)信息的掌握程度；若損管狀態(tài)信息有延遲、不確定、不準(zhǔn)確，可能會導(dǎo)致錯(cuò)失最佳滅火、逃生的時(shí)機(jī)。面對艦船艙室結(jié)構(gòu)復(fù)雜、眾多電力線路、管路交錯(cuò)等特點(diǎn)，GIS可視化管理平臺按照空間位置坐標(biāo)對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并加以有效管理，結(jié)合圖、文、表、庫以多維度、動態(tài)變化的形式進(jìn)行信息展現(xiàn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)損管監(jiān)控系統(tǒng)的不足，提高災(zāi)害判斷、判斷的速度以及應(yīng)急處理和管理水平。因此，考慮將GIS地理信息技術(shù)應(yīng)用在艦船損管監(jiān)控領(lǐng)域，優(yōu)化并提高通過查詢圖紙和資料獲取現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)信息的傳統(tǒng)方式，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備資料電子化、實(shí)時(shí)監(jiān)控、火災(zāi)實(shí)時(shí)動態(tài)顯示等各類信息全面展示。為艦船損管監(jiān)控過程中火災(zāi)探測、安全評估、輔助決策及人員疏散等提供多維度、可視化方案。

1 系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

GIS可視化管理總體架構(gòu)見圖1。

圖1 GIS可視化管理系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖形工作站基于現(xiàn)有的硬件和網(wǎng)路環(huán)境構(gòu)建，包括基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)硬件及軟件。數(shù)據(jù)層和應(yīng)用庫將文件數(shù)據(jù)與可視化界面結(jié)合，以3D圖形化的方式顯示。

應(yīng)用服務(wù)器系統(tǒng)采用C++、Java開發(fā)語言搭建，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器與現(xiàn)場設(shè)備相互通訊以及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的訪問與操作，將設(shè)備狀態(tài)、視頻流媒體數(shù)據(jù)、安全評估和滅火決策等結(jié)果輸出。

前端可視化系統(tǒng)作為軟件平臺的核心交互部分，采用HTML5、CSS3、WebGL、WebSocket等前端桌面軟件系統(tǒng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)艦船損管設(shè)備的參數(shù)顯示和設(shè)置、設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)呈現(xiàn)、安全評估輸出及數(shù)據(jù)管理與分析等功能。

1.2 系統(tǒng)功能

GIS可視化平臺采用C/S和B/S混合系統(tǒng)架構(gòu)，以便在充分利用工作站的硬件性能同時(shí)，快速實(shí)現(xiàn)圖形、表格、數(shù)據(jù)管理等功能的研發(fā)。平臺的功能結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 GIS可視化管理平臺功能

1)艦船3D模型。呈現(xiàn)全局及甲板、艙室布局的二維或三維視圖，支持地理信息顯示、不同類別圖層篩選、現(xiàn)場設(shè)備故障或區(qū)域報(bào)警及現(xiàn)場設(shè)備、管路等參數(shù)信息。

2)實(shí)戰(zhàn)運(yùn)維管理。戰(zhàn)備狀態(tài)下能夠?qū)θ膿p管區(qū)域、艙室等重要部位進(jìn)行實(shí)時(shí)、直觀的信息監(jiān)控；在平臺管理系統(tǒng)上能夠?qū)υO(shè)備、人員、物資等消防資源進(jìn)行遠(yuǎn)程配置、參數(shù)設(shè)置等功能。

3)視頻信息監(jiān)控。二維或三維地圖上顯示攝像頭點(diǎn)，選擇特定的攝像頭標(biāo)識獲得該位置的實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面，或檢索歷史監(jiān)控信息。

4)安全評估顯示。3D模型或二維視圖實(shí)時(shí)顯示火災(zāi)蔓延趨勢、火災(zāi)預(yù)測等安全評估結(jié)果。

5)輔助決策顯示?；馂?zāi)應(yīng)急路徑、輔助決策文字、圖標(biāo)及多媒體資料顯示在監(jiān)控臺或單兵接收器。

6)數(shù)據(jù)庫管理。能夠整理全艦艙室結(jié)構(gòu)模型、消防滅火設(shè)備、人員等資源數(shù)據(jù)，并進(jìn)行存儲與應(yīng)用。

1.3 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

C/S模式是局域網(wǎng)環(huán)境下典型的客戶端到服務(wù)器結(jié)構(gòu)，能夠很好地進(jìn)行數(shù)據(jù)操作和事務(wù)處理。在保證數(shù)據(jù)傳遞安全、可靠和完整的基礎(chǔ)上，依托圖形工作站硬件性能基礎(chǔ)，以達(dá)到整船三維立體渲染效果。而B/S模式是一種瀏覽器到服務(wù)器的結(jié)構(gòu)模式，具有便于升級維護(hù)、減輕數(shù)據(jù)負(fù)荷等眾多優(yōu)勢。在GIS可視化平臺中，能夠快速實(shí)現(xiàn)圖形、表格、數(shù)據(jù)管理等功能的研發(fā)。

為滿足GIS可視化平臺上述功能需求，融合C/S和B/S架構(gòu)，采用混合架構(gòu)方式開發(fā)軟件平臺。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 GIS可視化管理平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.4 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

GIS可視化管理平臺硬件組成見表1。

表1 GIS可視化管理平臺硬件組成

圖形工作站主要實(shí)現(xiàn)艦船3D建模、渲染，將后端服務(wù)器采集到的現(xiàn)場狀態(tài)數(shù)據(jù)，以圖表、多維度等形式實(shí)時(shí)顯示。

應(yīng)用服務(wù)器為Web應(yīng)用程序提供簡單和可管理的系統(tǒng)資源訪問機(jī)制，實(shí)現(xiàn)軟件平臺圖表、數(shù)據(jù)等信息快速管理。

數(shù)據(jù)服務(wù)器能夠進(jìn)行系統(tǒng)配置與管理、數(shù)據(jù)存儲與查詢以及數(shù)據(jù)完整性和安全性的管理，實(shí)現(xiàn)損管設(shè)備參數(shù)、狀態(tài)、圖像數(shù)據(jù)等存儲及安全備份。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)選取MySql數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)庫的整體設(shè)計(jì)及表格、視圖、索引等核心內(nèi)容的優(yōu)化，對各項(xiàng)后臺數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

2 可視化實(shí)現(xiàn)方法

2.1 圖像獲取與處理

矢量化的圖表是艦船損管GIS可視化平臺的基礎(chǔ)，能夠?yàn)閾p管消防器材運(yùn)營、安全評估及滅火輔助決策等提供支撐。全船圖標(biāo)信息的矢量圖是由MapInfo軟件生成的多個(gè)獨(dú)立圖層疊加而成，包括消防器材、通風(fēng)設(shè)備、攝像頭和人力資源等，實(shí)時(shí)監(jiān)控全船設(shè)備狀態(tài)信息并分析、記錄，建立整船的數(shù)據(jù)信息庫。

將MapInfo支持的艦船圖標(biāo)格式轉(zhuǎn)入，然后對柵格圖標(biāo)進(jìn)行編輯處理，主要包括以下方式。

1)柵格圖像預(yù)處理。圖紙未輸入計(jì)算機(jī)前確定好圖紙的比例和內(nèi)容，留有寬裕的深化和拓展余地；標(biāo)定好艦船艙室、重要設(shè)施部位、通道、大門以及主要危險(xiǎn)源位置信息。

2)坐標(biāo)系確定。在MapInfo中預(yù)先設(shè)置多個(gè)坐標(biāo)系，使用中根據(jù)設(shè)備種類、艙室位置等類別信息選擇預(yù)定義坐標(biāo)系或設(shè)置新的坐標(biāo)系參數(shù)。

3)柵格圖像的拼接調(diào)整。對艦船不同比例圖紙進(jìn)行拼接，通過調(diào)整圖像的顏色、對比度以及縮放等參數(shù)，完善整幅矢量圖定位的準(zhǔn)確性和圖像清晰度。

2.2 圖表信息矢量化

通過GIS可視化圖像將系統(tǒng)實(shí)戰(zhàn)運(yùn)維、視頻監(jiān)控、安全評估以及輔助決策等功能特征全面、完整的顯示。圖表信息矢量化實(shí)現(xiàn)步驟如下。

1)矢量化數(shù)據(jù)獲取。將掃描獲取的柵格圖像與數(shù)據(jù)庫之間實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)，通過矢量圖疊加上柵格圖像上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與圖層對象的連接。

2)艦船分層。MapInfo根據(jù)3D可視化空間對象(艙室結(jié)構(gòu)、消防設(shè)備、逃生路層等)按圖層組織劃分，添加空間和屬性等數(shù)據(jù)管理。

3)屬性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。艦船分層后，在柵格圖像上新建表屬性名稱、數(shù)據(jù)類型等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)索引功能。

4)矢量圖層編輯。根據(jù)艦船功能不同需求對圖像顯示的大小、比例、中心點(diǎn)等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整、修改，使矢量圖層具備可編輯性。

5)數(shù)據(jù)庫的編制。采用MySql數(shù)據(jù)庫便于外部修改數(shù)據(jù)庫信息，解決MapInfo中圖層屬性信息在狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)能夠進(jìn)行修改完善。

2.3 GIS平臺功能實(shí)現(xiàn)

基于MapInfo軟件對全艦圖表進(jìn)行矢量化處理后，利用GIS組件集成二次開發(fā)，采用MySql數(shù)據(jù)庫編程，使得全船結(jié)構(gòu)、艦船艙室、危險(xiǎn)品部位、消防設(shè)備等信息實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示。

GIS平臺搭建通過圖層合成、地理編碼、與外部數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和外部平臺結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。在對全船圖表矢量化處理后，能夠分別對圖層進(jìn)行操作、分類合成，提高了圖層的轉(zhuǎn)換效率；并由地址編碼將全船用戶需求的設(shè)備、艙室等特征數(shù)據(jù)分類、立體地呈現(xiàn)；最后將上述矢量化后圖表關(guān)聯(lián)地屬性、空間等數(shù)據(jù)保存數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)艦船三維顯示、實(shí)戰(zhàn)運(yùn)維、安全評估及輔助決策等功能。

3 損管的典型應(yīng)用

地理信息系統(tǒng)GIS技術(shù)能夠多來源、多層式、多形式地獲取全船損管狀態(tài)信息，具備快速、高精度地特點(diǎn)。

3.1 滅火決策信息可視化

實(shí)時(shí)掌握艦船火災(zāi)、消防設(shè)備、艙室、探測器、通風(fēng)等信息，是在損害發(fā)生情況下進(jìn)行滅火決策的前提條件。GIS可視化管理平臺能夠?qū)崟r(shí)獲取和顯示損管信息，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)發(fā)展蔓延的空間立體可視化，為滅火決策提供可靠的依據(jù)。

GIS可視化平臺具體功能如下。

1)信息顯示。能夠?qū)⒄慕Y(jié)構(gòu)特征、復(fù)雜艙室分布、關(guān)鍵設(shè)備、通風(fēng)空調(diào)及易燃易爆危險(xiǎn)品等，以直觀、立體的形式呈現(xiàn)；同時(shí)具備對具體艙室區(qū)域的縮放功能，能夠進(jìn)行信息的存儲、選擇以及相關(guān)的圖像操作等功能，使得全船信息顯示更加具體、多樣化。

2)查詢統(tǒng)計(jì)。將全艦艙室結(jié)構(gòu)、通道分布、探測器、滅火裝備、消防器材、通風(fēng)空調(diào)等信息實(shí)時(shí)采集顯示，以直觀、立體的形式顯示并能夠快速查詢相關(guān)設(shè)備詳細(xì)信息，在損害發(fā)生時(shí)為艦船指揮員提供充分的設(shè)備、人力等資源信息，便于根據(jù)消防資源合理決策。

3)維護(hù)管理。在具備全船設(shè)備信息的顯示和查詢功能基礎(chǔ)上，同時(shí)可對損害程度不同狀態(tài)、資源類型差別等特點(diǎn)進(jìn)行分類管理，對信息及時(shí)存儲和更新。

3.2 模擬火災(zāi)預(yù)案

1)火災(zāi)實(shí)時(shí)預(yù)測。根據(jù)損管區(qū)域現(xiàn)場各類傳感器、人工探測等方式確定損害發(fā)生艙室位置、火源類型、可燃物信息及火災(zāi)趨勢等信息，通過讀取相關(guān)艙室結(jié)構(gòu)布局、通風(fēng)條件、火源熱釋放速率等因素，在GIS可視化管理平臺實(shí)時(shí)顯示并模擬損害發(fā)生時(shí)火災(zāi)蔓延趨勢、消防等資源實(shí)時(shí)狀態(tài)。

2)最佳行動方案預(yù)測?？梢暬脚_系統(tǒng)依托火災(zāi)滅火預(yù)案庫、專家?guī)?，結(jié)合實(shí)時(shí)現(xiàn)場設(shè)備信息和火災(zāi)發(fā)展變化形式，生產(chǎn)符合現(xiàn)有環(huán)境下最佳滅火行動方案；為決策者提供合理、可行的行動依據(jù)，最大程度合理利用滅火資源。

3)與虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合訓(xùn)練。為了更好地實(shí)現(xiàn)整船消防資源、火災(zāi)趨勢變化及數(shù)值計(jì)算結(jié)果可視化，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于損管監(jiān)控系統(tǒng)中，以立體、多維的形式展示火災(zāi)變化過程；同時(shí)，艦員能夠在模擬火災(zāi)發(fā)生狀態(tài)下進(jìn)行滅火訓(xùn)練，使得消防人員具備熟練、可靠的消防技能。

該功能可有效地提高火災(zāi)預(yù)案的針對性，便于處理方案的制定和改進(jìn)，對類似火災(zāi)起到極大的參考作用。

3.3 人員疏散與演練

1)艦船內(nèi)部火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估。基于GIS監(jiān)控平臺對火災(zāi)發(fā)生艙室區(qū)域火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估，直觀地為艦船指揮員進(jìn)行滅火決策、人員疏散提供空間信息支撐；同時(shí)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)建立整船火災(zāi)發(fā)展影響因素分布模型，為火災(zāi)預(yù)測和人員疏散提供理論分析基礎(chǔ)。

2)動態(tài)優(yōu)化最優(yōu)疏散路徑。監(jiān)控平臺動態(tài)顯示火災(zāi)煙氣蔓延，采用蟻群等算法動態(tài)調(diào)整安全有效的疏散路徑，并結(jié)合現(xiàn)場火災(zāi)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理。

3)人員火災(zāi)訓(xùn)練演練。立體顯示艦船火災(zāi)趨勢，在進(jìn)行消防演習(xí)時(shí)，平臺實(shí)時(shí)顯示消防資源的分布、人員方位，決策者能夠根據(jù)火災(zāi)動態(tài)直觀地了解演練疏散狀態(tài)，并根據(jù)實(shí)施效果進(jìn)行方案改進(jìn)。

4 結(jié)論

將GIS技術(shù)創(chuàng)新性應(yīng)用于艦船損管監(jiān)控領(lǐng)域，通過對系統(tǒng)硬件平臺的分析、搭建及軟件設(shè)計(jì)，在多維度圖像和地理位置信息相結(jié)合的基礎(chǔ)上，能夠更加直觀、明確地展現(xiàn)艦船損管監(jiān)控領(lǐng)域火災(zāi)預(yù)測和模擬、安全評估、輔助決策等結(jié)果。相比較于傳統(tǒng)上位機(jī)軟件相對單一的圖表顯示功能，突顯出強(qiáng)大的地理數(shù)字化或圖形化采集、分析、決策系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，為后續(xù)艦船監(jiān)控系統(tǒng)全面、直觀、詳細(xì)的人機(jī)界面顯示和信息交互設(shè)計(jì)提供了方向。該GIS可視化管理系統(tǒng)平臺不僅能夠提高平時(shí)模擬訓(xùn)練、實(shí)時(shí)監(jiān)控的效果，還能夠在戰(zhàn)時(shí)狀態(tài)下為指揮員全局把控提供充分的信息資源，有效地提高艦船損管系統(tǒng)管理的效率和生命力。