基于GIS的船舶信息管理系統設計?

于 錢 井浩宇 赫美琳

（中國人民解放軍92941部隊5分隊 葫蘆島 125001）

1 引言

隨著海上活動日益蓬勃發展，海上船舶數量也不斷增多，海上航行密度越來越大。同時，航行海域環境日益復雜，船舶航行的信息量也在不斷的擴大，給船舶的管理帶來了巨大困難［1～2］。隨著信息技術的發展，以往依靠人工管理的方式顯然不能滿足當前海上船舶管理的需求，因此需要設計一種智能化船舶信息管理系，對船舶信息進行統一管理，以便船舶工作人員能夠做出及時有效的決策，減少船舶管理的工作量，提高工作效率。

當前常見的GIS系統包含電子地圖、GPS等功能，能夠直觀、系統、實時地顯示某區域的地形、緯度等信息，在地質勘查和導航等領域具有廣泛的應用［3～5］。對于船舶管理系統，不僅需要具備定位、導航等基本功能，還需要具備處理海況信息、高程信息等能力。在船舶航行過程中需要獲取各類海域信息，從而規避淺灘、暗礁以及其他船舶，同時還要確定自身的位置、航向和航速等。GIS已經在管理和規劃方面實現了廣泛的應用，高照忠等提出了一種通用的海上地理信息系統架構，包含了海洋環境信息子系統等多個子系統，為GIS應用于海上船舶信息管理提供了理論和實踐依據［6］，因此將GIS應用到船舶管理信息系統中可以為船舶管理和航區規劃提供決策支撐，能夠較好完善和實現船舶管理信息系統各項功能。

本文從頂層設計出發，注重系統框架搭建、功能設計和關鍵技術分析，為船舶信息管理系統的開發應用提供重要參考，對海上船舶信息系統建設具有一定的指導意義。

2 系統設計原則

1）共享性

船舶管理及工作人員可以方便進行數據查詢、統計與分析，船舶之間可以互相訪問數據，實現數據共享，減少資源浪費、避免多次建設，提高船舶管理效率，減少工作量。

2）獨立性

不同級別的用戶具備的權限不同，用戶使用及訪問數據需要進行身份驗證和密碼保護，各分系統脫機狀態下可以依據自身信息獨立運行，保證較高的獨立性。

3）可靠性

系統主機獨立電源，保障在突然斷電后能夠繼續供電，防止系統數據受損。另外，各系統之間數據互相備份，數據損壞后可從其他終端獲取。

4）安全性

各系統之間的網絡連接需使用專門的防火墻技術，避免惡性病毒的入侵。各終端定期進行殺毒和病毒庫的跟新，從根源上保證系統的安全。

5）易操作性

系統面對操作用戶層次復雜，必須滿足大多數用戶的使用及操作習慣。采用可視化顯示，更加直觀。登錄后能夠依據權限顯示相應模塊任務，操作界面簡單，符合操作習慣，能夠及時顯示已經存儲的信息。

3 系統設計

3.1 原理

GIS與船舶信息管理系統是基于計算機技術與網絡技術的相互獨立的兩個研究和應用領域，實現海圖顯示、空間分析、航路決策等實際應用功能需求是船舶信息管理系統與GIS集成的主要驅動力，GIS的分析模型不足導致其系統分析功能相對簡單，而船舶信息管理系統可以建立強大的分析模型，但難以實現GIS的空間分析及顯示功能，兩者的集成能夠實現優勢互補。

基于GIS的船舶信息管理系統采用分布式結構，分為船舶端系統、岸上管理系統以及數據庫系統。采用B/S與C/S相結合的軟件體系結構，即能滿足管理用戶對數據庫進行維護和更新的需求又滿足分布用戶的訪問需求。通過應用服務層和用戶交互層進行數據管理，實現請求與響應的用戶交互。

3.2 系統總體框架

基于GIS的船舶管理信息系統分為一個岸基管理分系統和多個船舶管理分系統，對上能與岸基管理信息系統平臺對接，對下連接各個船舶信息系統，可融入其他部門信息體系，實現數據信息共享。由于整個系統包含數據較大、服務器過多，需要較大的空間來保證，因此需要將數據庫部署在岸上，通過岸基管理分系統和衛星鏈路向船舶提供相應的服務。然而由于海洋環境瞬息萬變，僅僅依靠遠程數據中心支持可能會造成服務可用性降低，因而在船舶上還需部署小規模船載數據庫，船舶管理分系統能夠直接訪問這些船載數據庫，能夠實現基本的服務，如導航、地理信息、水文信息檢索等，當船舶需要使用更加復雜的服務時，可以利用服務遷移技術，通過岸基管理分系統調用岸基數據庫，將部分服務遷移到船舶管理分系統中使用，以提高服務的可靠性。

3.3 系統組成架構

整個系統組成分為三個模塊，分別為數據庫模塊、功能模塊、交互與顯示模塊。其中數據庫模塊為基礎層，包括地理信息庫、專題信息庫、船舶信息庫等，主要負責數據存儲并提供訪問接口，為整個系統提供數據支撐；功能模塊為中間層，包括信息采集、數據管理、航路規劃等8個主要功能，訪問數據庫并提供響應的計算分析功能，響應用戶請求并反饋圖表方案等結果；交互與顯示模塊為用戶層，負責完成用戶與系統的交互，用戶包括管理員用戶和普通用戶，管理員用戶采用B/S架構設計，普通用戶（即分布式用戶）采用C/S架構設計。交互與顯示模塊能夠顯示GIS數據海圖、各類圖表信息、航路規劃方案等，通過指令操作界面能夠完成用戶指令或請求的發送以及接收顯示?；贕IS的船舶信息管理系統組成架構如圖2所示。

1）數據庫模塊

圖2 基于GIS的船舶信息管理系統組成架構

如圖3所示，按照功能設計和數據類別，將數據庫模塊分為5個主要數據庫，分別為地理信息庫、專題信息庫、船舶信息庫、知識庫和算法模型庫。地理信息庫存儲GIS圖層、高程數據等地理信息數據，通過訪問地理信息庫獲取GIS圖層，用于用戶端電子地圖及航路等信息的顯示；專題信息庫主要存儲水文氣象等信息，作為船舶航行風險規避及航路規劃的參考信息，該數據庫中的信息將根據各用戶終端的反饋情況進行實時更新；船舶信息庫存儲船舶狀態、航向位置等信息，這些信息可用于船舶自身的航路規劃，同時也便于海域船舶的統一規劃管理；知識庫主要存儲歷史數據及專家經驗，包括歷史航路、救援方案等，方便用戶快速訪問，尤其在緊急情況下能夠提供重要參考信息；算法模型庫主要存儲GIS算法模型、泊位分析等計算模型，是系統的核心部分，系統通過調用各種算法來實現各個功能。

圖3 數據庫組成圖

2）系統功能模塊

系統主要功能如圖4所示，各個功能之間存在支持和依賴關系。信息采集功能：系統將采集和反饋的數據進行分類并存儲在數據庫中；數據管理功能：管理員用戶通過管理員終端可對數據庫數據進行修改、補充和刪除等操作；數據共享功能：系統采集數據的同時也將數據庫中的數據與各個終端進行共享，并更新終端數據庫；風險評估功能：能夠根據現有信息有效評估航行風險，提出風險規避方案和建議；海上救援功能：能夠將船舶情況一鍵發送，發出求救信號并獲取救援方案；目標識別功能：船舶終端可將海上目標圖像、位置等信息傳至管理中心，獲取目標信息，以判斷航行路線；航路規劃功能：系統能夠根據當前信息和用戶要求，自動規劃航路，在電子海圖上顯示航行路線和當前位置；駐泊規劃功能：船舶靠碼頭時，系統獲取碼頭信息，并根據船舶情況規劃最佳泊位。

圖4 系統功能關系圖

3）交互與顯示模塊

交互與顯示模塊是人機交互層面，能夠實時顯示電子海圖、船舶位置、航行海域船只分布等信息，用戶發出相應指令時，能夠反饋相應航路信息和各種圖表信息。

4 關鍵技術分析

本文中艦艇編隊通信組網采用有中心與無中心相結合的拓撲結構策略，采用動態按需分配的時隙分配策略。通信網絡是按照動態周期進行調整的，節點間的通信鏈路不是固定的，分配的時隙資源也隨著實際業務需求而變化。

基于GIS的船舶信息管理系統是一個復雜的系統工程，涉及到多個分系統、多個不同終端，實現存在一定困難，涉及關鍵技術層面多、范圍廣。

1）GIS空間分析技術

地理信息系統是一種采集、存儲、管理、分析、顯示和應用地理信息的計算機系統，是分析和處理海量地理數據的通用技術［7］。隨著GIS在各個領域的應用，空間分析功能范圍越來越大，主要有空間數據管理、空間數據查詢、幾何分析、地形分析、柵格數據分析、網絡分析、空間統計分析等［8］。

雖然GIS技術發展較快，出現了一系列新技術 ，如 WebGIS、3DGIS 等新概 念［9～10］。 但 實際 上GIS的空間分析功能很難滿足復雜系統的需求，對于大數據的處理能力較弱，GIS空間數據分析和研究工具發展和推廣較慢。目前，對于GIS拓展二次開發平臺主要有ArcGIS、MapInfo、MapGIS等，主流開發語言有C#、C++等。船舶信息管理系統是具有多個子系統集成和海量信息數據的復雜系統，涉及到的空間分析功能和其他數據處理功能更加復雜。因此，可以基于ArcGIS平臺采用C#語言進行拓展開發，同時采用WebGIS技術實現遠程客戶端部署，使系統具備大數據處理能力和高效的空間分析能力。

2）通信技術

船舶信息管理系統通信鏈路復雜，涉及到岸船之間的無線通信以及系統內部的有線通信，而且傳輸的數據包含圖像、圖表信息等，數據格式復雜，數據量龐大，數據傳輸實時性和數據完整性難以保證?；贕IS的船舶信息管理系統可采用TCP/IP通信協議，以某種格式將數據打包傳輸，存儲和調用時進行解壓和分類處理。

3）信息融合技術

基于GIS的船舶信息管理系統信息種類繁多，進行規劃時需要進行信息融合處理。目前，信息融合技術主要分為基于模型、統計理論、信息論和人工智能的四類［11］，而本系統信息融合主要是對不同信息源的數據進行融合，常用的方法有卡爾曼濾波、加權平均法、粒子濾波等。

4）智能優化技術

智能優化算法是模擬生物進化而發展起來的一類通用問題求解方法，采用群體搜索技術技術優勝劣汰的紫檀選擇來指導學習和確定搜索方向，主要有遺傳算法、粒子群優化算法和人工神經網絡算法等。該類算法在可以接受的時間與空間開銷范圍內求解出約束之下問題的可行解，可以用于復雜優化問題的求解。對于基于GIS的船舶信息管理系統，可采用智能優化算法彌補GIS本身空間分析能力的不足，如系統功能中的航路規劃、駐泊規劃等可采用粒子群優化算法［12～13］進行多目標優化，從而獲取最優方案。

5 結語

針對船舶航路規劃信息匱乏、缺乏統一管理、風險預知困難等特點，將GIS技術應用于船舶信息管理系統，提出一種基于GIS的船舶信息管理系統框架，設計了四個功能模塊，進而研究了系統的關鍵技術。該系統設計結構清晰、易于部署，能夠解決航路精確規劃、風險規避等問題，為船舶航行以及靠港停泊提供重要決策依據，具有十分廣闊的應用前景。