郜士彬

(中國電建集團昆明勘測設計研究院，云南 昆明 650000)

0 引言

2006—2013年的事故統(tǒng)計顯示，2.5公里思賢滘河段發(fā)生事故占68公里東平水道所比重達69%[1]。2010—2019年全球總共發(fā)生了39起173名海員遇難散貨船舶致命事故，2021年1—3月，涉及萬載重噸以上的散貨船事故有53起。傳統(tǒng)的船舶管理系統(tǒng)明顯已經跟不上時代的發(fā)展，建立適應時代發(fā)展，符合我國國情的先進船舶交通管理系統(tǒng)刻不容緩。

以往的船舶交通管理系統(tǒng)(Vessel Ttraffic System，VTS)、船舶自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System，AIS)、船舶閉路監(jiān)控(Closed circuit television，CCTV)、GPS、海事氣象等數據，不能很好的協同工作，都是各自為戰(zhàn)的使用模式，從而每個系統(tǒng)所能發(fā)揮的作用大打折扣。將GIS技術引進船舶交通管理系統(tǒng)，利用GIS技術本身獨有的優(yōu)勢，可以突破電子海圖和電子地圖的融合難點，將動靜態(tài)信息進行集中管理、顯示、查詢，為船舶區(qū)域網格化管理提供支撐。通過接口功能將各個系統(tǒng)接入到一個GIS系統(tǒng)界面去管理，將多個系統(tǒng)轉化為一個“系統(tǒng)”，不但可以簡化系統(tǒng)，減少海事部門工作人員的勞動強度，同時可以提高水上交管、監(jiān)控調度、應急搜救以及事故追查效率。

文獻2中對新一代“陸?？仗臁贝敖煌ü芾硐到y(tǒng)進行了定義[2]，文獻3中分析了船舶交通管理系統(tǒng)中涉及的安全風險點和風險等級[3]，文獻4中研究設備升級、集群處理、大數據分析應用、分布顯示和優(yōu)化存儲等方面來提升管理系統(tǒng)性能[4]，文獻5中提出了一種WBS的船舶交通管理系統(tǒng)項目進度管理方法[5]，文獻6對VTS的發(fā)展概況進行了詳細闡述[6]，文獻7中研究了基于WEB的VTS系統(tǒng)設計[7]。

隨著大數據時代的到來，物聯網、云計算技術的興起，移動GIS和共享技術的快速發(fā)展，以及船舶監(jiān)管硬件的不斷完善，船舶執(zhí)法記錄儀、海事無線專網、CCTV等逐漸實現全覆蓋，船舶執(zhí)法過程將愈來愈趨于智能化、信息化、便捷化。本文通過翻閱大量文獻深入研究GIS相關技術理論，結合工程項目實際，研究基于GIS的船舶交通管理系統(tǒng)。將GIS技術應用到在船舶管理系統(tǒng)，能有效提高系統(tǒng)的性能，便于監(jiān)管部門的執(zhí)法以及救援?；贕IS的船舶管理系統(tǒng)在未來可成為水上智能化巡航、動態(tài)便捷執(zhí)法、應急搜救智能決策、對內對外便捷服務的共享平臺，能夠滿足在新形勢下的船舶動態(tài)執(zhí)法、信息化執(zhí)法起保障作用及動態(tài)執(zhí)法管理的需求。

1 船舶交通管理系統(tǒng)GIS技術基礎

1.1 ArcGIS Server技術

ArcGIS Server是一個由分布在多臺物理機上的每個角色共同工作完成的分布式系統(tǒng)?；贏rcGIS Server搭建的WebGIS應用程序能夠支持多種類型的客戶端，包括ArcGIS Engine Application、ArcGIS Desktop、Web 瀏覽器等[8]。如圖1所示，主要描述了利用ArcGIS Server搭建WebGIS應用的各個組成部分。

圖1 WebGIS系統(tǒng)的組成

1.2 Flex技術

Flex是Adobe研發(fā)的使開發(fā)人員可以開發(fā)和部署可升級的富互聯網應用程序(RIA)的一系列工具和技術[9]。RIA是指類似Web網頁開發(fā)的簡易方式來部署架構客戶端程序，它具有高度的用戶互動性和豐富的用戶體驗。ArcGIS Server Flex的API是一個功能強大的框架，可以用它來打造美麗的ArcGIS Server的豐富的互聯網應用程序(RIA)，有效的用戶體驗比當前的Web GIS更好。ArcGIS API for Flex 是 ESRI 2008年研發(fā)的WebGIS開發(fā)包。為ArcGIS Server開啟了新的開發(fā)模式，它的運行速度特別快，為使用者提供良好的界面。

ArcGIS Flex API是以標準的Flex引用類庫的形式存在的，文件以.swc為后綴，利用Flex Builder進行開發(fā)時，只需通過工程屬性的library path選項將該API加入到工程的引用庫中。ArcGIS Server for Flex是利用一個封裝好的類庫來開發(fā)應用程序，只需調用ArcGIS提供的方法接口就能實現大部分的功能，不用接觸太多的AO接口。

1.3 WebService技術

WebService是一種高效的、基于互聯網開放標準基礎的分布式的應用模型。應用服務提供商(Application Service Provider)發(fā)布的、完成特定商務需求的在線應用服務可通過隱藏其服務實現的細節(jié)，使用戶在使用該服務時獨立于服務實現，服務的軟、硬件平臺和服務編寫所用的編程語言，從而基于WebService的系統(tǒng)具有松散耦合、面向組件和跨技術實現的特點[10]。

WebService主要由3個部分構成，包括服務器端、客戶端與服務中心。交互主要包含查找服務、服務發(fā)布以及綁定操作；通過以上角色WebService描述和實現模塊[10]。WebService的工作原理可以概括為：服務器端定義Web服務的服務描述并在注冊中心發(fā)布服務；客戶端用戶通過查詢，在服務中心查詢服務描述以獲取所需要的服務；服務器端通過服務位置信息與客戶端綁定，調取相應的Web服務。

1.4 其他相關技術

船舶GIS系統(tǒng)還用到了WebGIS技術、GPS/BDS技術、oracle數據庫技術、5G通信技術等。

2 基于GIS的船舶交通管理系統(tǒng)的設計

2.1 框架設計

船舶GIS交通管理系統(tǒng)采用3層架構：①數據訪問層，主要進行和數據庫相關的設計，實現對數據表的查詢選擇、數據插入、要素更新、錯誤數據刪除等數據操作；②業(yè)務邏輯層，是系統(tǒng)核心的一層，包括設計業(yè)務相關規(guī)則、實現業(yè)務流程，主要進行與業(yè)務需求和業(yè)務邏輯有關的系統(tǒng)設計；③表示層，負責系統(tǒng)操作員和整個系統(tǒng)UI的交互。采用3層架構模式設計系統(tǒng)具有良好的數據兼容性、可移植性。

2.2 界面設計

GIS用戶界面設計的原則：①一致性原則；②合適的功能；③封裝性；④靈活性；⑤合理、高效利用屏幕；⑥用戶界面的效率；⑦提供反饋、幫助信息與出錯處理機制；⑧與應用程序設計分離；⑨復雜性和可靠性[11-12]。

界面菜單結構如圖2所示。

圖2 船舶GIS交通管理系統(tǒng)圖

2.3 系統(tǒng)拓撲結構設計

船舶交通管理系統(tǒng)拓撲結構可分為終端監(jiān)控指揮、智能指揮中心、移動辦公用戶、現場信號接入、業(yè)務數據接入等幾部分[13]，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)拓撲結構設計圖

2.4 系統(tǒng)邏輯結構設計

基于GIS的船舶交通管理系統(tǒng)的邏輯結構設計如圖4所示，系統(tǒng)的邏輯結構包括各種數據源、數據庫、GIS服務系統(tǒng)、WEB服務器、船舶GIS系統(tǒng)用戶交互終端[14]。終端包含網格化管理、船舶動態(tài)、應急管理、查詢統(tǒng)計、水文氣象等。

圖4 系統(tǒng)邏輯結構的設計框圖

2.5 數據庫E-R設計

數據庫總體E-R圖如圖5所示。

圖5 數據庫總體E-R圖

3 系統(tǒng)功能開發(fā)與實現

系統(tǒng)主要有網格化管理模塊、船舶動態(tài)模塊、應急管理模塊、查詢統(tǒng)計模塊和水文氣象。下邊以網格化管理、船舶動態(tài)、應急管理、查詢統(tǒng)計、水文氣象等功能展示。

3.1 網格化管理

網格化管理模塊，點擊菜單“網格管理”顯示桌面小圖標，里邊有管理網格分類顯示方式和網格標注方式選擇框。可以根據網格等級、網格轄區(qū)、網格類型來選擇顯示方式；根據標注名稱和標注編號來選擇標注方式。

3.2 船舶動態(tài)監(jiān)控

船舶動態(tài)監(jiān)控是在船舶GIS系統(tǒng)上利用接口來實現的，包括視頻監(jiān)控(CCTV)、AIS信號監(jiān)控、VTS信號監(jiān)控、GPS/BDS信號監(jiān)控以及海事專業(yè)系統(tǒng)監(jiān)控。通過系統(tǒng)船舶動態(tài)監(jiān)控來查找違法船舶和防范突發(fā)事故的發(fā)生，工作人員可以減少工作量，不用去現場巡查，提高了工作效率，減少了工作人員的勞動強度。

(1)監(jiān)控方案

視頻監(jiān)控(CCTV)、AIS信號監(jiān)控、VTS信號監(jiān)控、GPS/BDS信號監(jiān)控以及海事專業(yè)系統(tǒng)監(jiān)控。本文僅就視頻監(jiān)控和AIS信號監(jiān)控進行功能展示。

(2)視頻監(jiān)控巡航

添加CCTV巡航監(jiān)控，對本轄區(qū)CCTV監(jiān)控方案進行添加、修改、刪除方案。在巡航步驟中添加、修改、刪除方案步驟中的通航環(huán)境、視頻槍、巡航時間、巡航里程。然后雙擊要執(zhí)行的方案名開啟CCTV監(jiān)控巡航。55分屏模式。巡航開啟后點擊“停止”按鈕，視頻槍停留在當前步驟不繼續(xù)向下跳轉，只有點擊“播放”按鈕，視頻槍才會繼續(xù)跳轉。也看對可控視頻進行操控、截圖等操作?？牲c擊“返回列表”按鈕，返回上一層菜單選擇，或點擊“全屏”可以清楚查看監(jiān)控異常情況。

3.3 應急管理

應急管理分為系統(tǒng)管理、應急預案、周邊船舶查詢及船舶軌跡回放，針對船舶突發(fā)事件，做出相應的指揮調度決策。

(1)系統(tǒng)管理

選擇管理轄區(qū)，把各個市分割成網格，進行網格化管理，船舶事件發(fā)生在哪一個轄區(qū)，就可以在轄區(qū)內實施就近救援和執(zhí)法。

(2)應急預案

打開應急管理菜單中的應急預案，可查看顯示各類應急資源，應急資源的定義是在通航環(huán)境菜單中的通航環(huán)境類型維護列表，在通航環(huán)境類型設置列表中選擇某一類通航環(huán)境，并選擇應急資源。該類通航環(huán)境即可在應急資源列表中顯示。通過應急資源功能，可以選定違法船舶并進行跟蹤。選擇鼠標定位置點，同時設置查詢范圍、應急級別等。

(3)周邊船舶查詢

選擇周邊船舶后，鼠標右鍵在海圖上點選。即可查看距離該點3海里范圍內周邊船舶列表。當通過船舶跟蹤系統(tǒng)進入事故一定范圍內，通過列表來選擇查看違反船舶信息和位置，從而篩選定位出違法船舶。

(4)船舶軌跡回放

軌跡回放其實就是把船舶每個瞬時時刻的位置信息儲存在數據庫，船舶定位系統(tǒng)采用GPS/BDS技術，在GIS地圖上邊可以看到由每個點位構成的軌跡，可以清楚的直到某只船舶經過哪里，要去哪里，什么時間到的什么地方，便于實時掌握船舶的動態(tài)，利于進行船舶事故分析和違法船舶的跟蹤?；胤糯昂叫熊壽E，可以選擇區(qū)域、船舶或回放文件。

3.4 查詢統(tǒng)計

查詢統(tǒng)計包含船舶流量統(tǒng)計、要素分類統(tǒng)計、在港船舶統(tǒng)計、違法行為查詢。通過關鍵字查詢和區(qū)域選取查詢，通過在搜索欄里輸入一個字符，進行統(tǒng)計查詢。

通過鼠標點擊界面上的要素，同樣可以進行要素的查詢，在圖上點擊一個點，右邊界面顯示要素的名稱“主港浮標”。同時可以看到實時流量數據，包括AIS數據和VTS數據，實時地對區(qū)域內的船舶流量進行統(tǒng)計。

3.5 水文氣象

水文氣象是實時提供天氣預報等氣象信息的模塊，結合氣象觀測點的實時觀測數據及人工手動錄入的水文氣象數據，分析評估各轄區(qū)水域內的氣象信息，且與各種船舶自身抗風等級數據庫關聯，給船舶停航、交通管制決策提供可靠依據。

4 結論

本文通過研究船舶GIS系統(tǒng)實現的相關理論技術，包括ArcGIS Server技術、Flex技術、Web Service技術等；完成了對船舶GIS系統(tǒng)的框架設計和界面設計，完成了對船舶GIS系統(tǒng)各個功能模塊比較系統(tǒng)的設計；完成了船舶管理系統(tǒng)的功能設計開發(fā)，實現了船舶GIS管理系統(tǒng)的網格化管理、船舶動態(tài)、應急管理、查詢統(tǒng)計和水文氣象等模塊的功能。將GIS技術應用到船舶交通管理系統(tǒng)上促進了海事業(yè)務的發(fā)展，提高了海事船舶的監(jiān)管效率，降低了河道船舶交通事故率。

隨著技術和數據的不斷發(fā)展和完善，GIS智慧船舶管理系統(tǒng)將成為河道交通管理的一種重要手段。