面向江海联运的船舶航行服务信息系统设计与应用

李东枫，吴 杰，杨 扬，刘 锬 LI Dong-feng, WU Jie, YANG Yang, LIU Tan

（1. 华南理工大学 经济与贸易学院，广东 广州510006；2. 广州通易科技有限公司，广东 广州510630）

(1. School of Economics and Commerce, South China University of Technology, Guangzhou 510006, China； 2. Guangzhou Comit Technology Co., Ltd, Guangzhou 510630, China)

0 引 言

江海联运是多式联运的一种形式，包括海船进江和江船出海两个方面。由于具有缩短运输周期，降低货损货差，节省人力物力等方面的优越性，江海联运正逐渐成为内河航运的主要方式之一[1]。近年来，航道电子地图系统的推广和应用大大提高船舶航行服务水平，促进船舶航行服务信息化和智能化，但目前现有系统在服务江海联运的船舶时仍存在很大的缺陷。一方面，内河航道电子地图、港口电子图和电子海图的标准不统一，使得往返于江海的船舶无法同时获得内河航道电子地图、港口电子图和电子海图的动态信息，江海联运的船舶不得不分别获取这三种地图的信息并人工进行切换，造成江海联运的船舶航运信息滞后、地图信息碎片化等问题。另一方面，以GPS 技术和电子地图为核心的内河航道电子地图被广泛应用在内河船舶，但是现有内河航道电子地图基本是采用近30 年的水文观测的最低潮面作为基准面标注水深，结合电子地图的位置确定，将内河航道电子地图所标水深值发布给船舶，由于内河航道水深受降雨影响，在洪水期和枯水期差别较大，所以船舶并无法获得内河航道实时水深，面临着搁浅和碰撞的风险。

关于船舶航行信息服务的研究，欧洲的内河信息服务系统（River Information Services，RIS） 着力于解决跨国跨区运输不同系统兼容性差，资源整合和共享程度不高等问题，为用户提供大量的协同信息，包括相对静态的电子江图、船舶登记数据等以及实时动态信息，像船舶的位置、载货信息、航速等[2]。国内的“数字长江”则对内提供航道演变的预测、航道维护辅助决策等管理辅助功能，对外提供电子航道图、航道通行公共信息等信息服务[3]。但是RIS 主要侧重于整合内河航运资源而未着重考虑江海联运的因素，而“数字长江”系统也未能从江海联运角度整合地图，解决地图信息碎片化问题。本文立足于江海联运的船舶实时接收航运过程中各类航运信息包括水深信息、船舶信息、地图信息的需求，提出使用基于反距离权重插值算法计算内河航道水深的方法，并采用GIS 技术解决内河航道、港口电子地图与电子海图融合的问题，从系统结构、功能设计、技术框架等方面开展面向江海联运的船舶航行服务信息系统研究。

1 系统软硬件结构设计

1.1 系统软件结构设计

船舶航行服务信息系统结构主要分为数据采集层、数据传输层、核心服务层、业务应用层四个层次。其总体结构示意如图1 所示，其中：数据采集层通过使用基于Android 平台智能船舶移动终端比如手机、平板电脑等，采集基站定位和GPS 辅助定位数据，获取船舶位置信息，将其数据保存为标准格式并上传到数据传输服务器；数据传输层将服务器端接收的定位数据压缩处理，通过移动网络传输到数据处理服务器端；核心服务层通过对定位信息、水位站提供的水深等数据分析处理，以此提供实时计算水深系统服务、定位数据接收和储备服务、时空数据与地图匹配服务、预警信息获取服务等；业务应用层一方面通过智能船舶移动终端的船舶航行电子地图系统，向客户提供和展示各种服务的信息，包括实施水深、定位数据、时空数据、预警信息等，另一方面通过智能船载终端监控平台的船舶航行动态监控系统向航运监管部门提供船舶动态监控服务和基础数据服务。

1.2 系统硬件要求

（1） 服务器软硬件要求

系统推荐配置：

为支撑系统未来的业务需要，建议服务器的性能不能太低。推荐配置如下：

硬盘：10G 以上；

内存：2G 以上；

CPU：最低双核CPU。

服务器使用环境：

操作系统：Windows Server 2003；

数据库：ORACLE 10G；

基础技术构架：J2EE 技术框架、MVC 框架。

（2） PC 客户端软硬件要求

硬盘：无特殊要求；

内存：运行客户端操作系统最低要求；

CPU：运行客户端操作系统最低要求。

客户端使用环境：

操作系统：Windows XP/2000 及以上版本；

浏览器：IE6 及以上版本。

（3） 手机客户端使用环境

Android 操作系统：Android2.2 及以上版本。

2 功能设计

面向江海联运的船舶航行服务信息系统主要是根据航运监管部门、船主、船代等用户需求调研分析结果，以服务江海联运的船舶航行为目的设计系统功能。一方面，系统根据船主、船代等与航运相关企业的需求，提供航行参考图、船舶定位、船舶安全信息查询等助航信息。另一方面，系统面向航运监管部门，开发船舶动态监控、基础数据管理等功能。如图2 所示，其主要功能分为两个主要模块：面向智能船舶移动终端的船舶航行电子地图系统和面向智能船载终端监控平台的船舶航行动态监控系统。其中船舶航行电子地图系统的功能包括：

（1） 航行参考图：航行参考图融合内河航道电子地图、港口电子地图、电子海图等数据，形成面向航运船舶的航行参考图。通过航行参考图，结合船舶的当前位置，可了解船舶当前的实时水深和周边的助航标志信息。

（2） 船舶绑定：对船舶信息进行绑定，以便进行用户船舶安全检测与信息提醒。

（3） 船舶定位：根据GPS 和基站数据，对船舶进行实时定位，显示船舶的航速、航向等信息。

（4） 船舶安全信息查询与提示：根据建筑物的净高和水位，系统自动判断船舶是否可安全通过，并给出智能判断提示。

（5） 用户管理：基本功能是提供用户进行登录、注册、退出功能。用户可利用系统提供的用户信息进行系统登录及按照权限分配使用系统功能。

船舶航行动态监控系统的功能包括：

（1） 船舶动态监控：实现统一GPS 资源管理，船舶信息查询、船舶当前位置实现实时定位、某时间段船舶行驶轨迹回放等功能。

（2） 船舶位置接收服务：对智能船舶移动终端发送的GPS 数据进行接收，并存储到船舶监控平台。船舶监控平台对船舶GPS 数据进行管理。

（3） 基础数据管理：在监控平台上显示航道水位站位置、航道浅滩位置、桥梁通航净空尺度、船舶基本信息、航道基本信息等，并对基础数据进行管理。

（4） 系统管理：对系统功能进行维护管理，包括用户管理、角色管理、操作日志等。

3 技术框架

3.1 总体技术框架（见图3）

面向江海联运的在线电子地图服务系统采用面向接口编程的架构开发模式对系统进行开发和实现，其中系统主要数据接口包括动态水深数据接口和地图瓦片数据接口[4]。调用动态水深数据接口，可通过船舶的定位，接收船舶附近水位站的实测水位信息，经过反距离权重插值算法推算实时水深。调用地图瓦片数据接口，可利用地图融合技术将港口电子地图、内河航道电子地图和电子海图整合成一个完整的航运电子地图。系统采用基于ESRI ArcGIS 的跨平台地图引擎，调用地图瓦片数据接口和动态水深数据接口，分别利用面向WEB 的地图引擎和面向Android 客户端的地图引擎开发船舶航行动态监控系统和船舶航行电子地图系统。其中面向WEB 的地图引擎采用JavaScript 语言开发，面向Android 客户端的地图引擎采用Java 语言开发。

3.2 关键技术

3.2.1 内河航道、港口电子地图与电子海图的融合技术

内河航道、港口电子地图的坐标系是北京1954 坐标系，数据格式通常采用是ArcGIS Shapefile，显示标准参考国家标准GB5863-86《内河航道助航标志》。电子海图的坐标系是WGS84 坐标系，电子海图数据格式标准和数据显示标准[5]分别是由国际海事组织（IMO） 颁布的S57 和S52 格式。由于内河航道、港口电子地图与电子海图数据坐标系、数据格式以及显示规范不同，造成内河航道、港口电子地图与电子地图无法直接兼容，对江海联运船舶造成极大不便。故必须统一内河航道、港口电子地图与电子海图的坐标系、数据格式以及显示标准，将内河航道、港口、沿海海域的空间要素整合在同一张地图上。以广东航道电子地图数据、港口电子地图和电子海图为例，主要步骤为：

（1） 数据格式转换

数据格式统一采用ArcGIS Shapefile 数据格式为标准。由于广东省内河航道电子地图数据和港口电子地图数据本身均采用ArcGIS Shapefile 格式，无需转换数据格式。电子海图采用S57 的数据格式，故须利用ArcGIS 软件将电子海图数据转换为ArcGIS Shapefile 格式。

（2） 坐标系转换

广东省内河航道电子地图数据和港口电子地图数据均采用北京1954 平面直角坐标系，采用高斯克吕格投影，3 度分带。电子海图数据采用WGS 1984 大地坐标系。将广东省内河航道电子地图数据和港口电子地图数据转换为WGS 1984 大地坐标系。坐标转换流程如图4 所示：

（3） 合并图幅

电子海图数据是分图幅的，同一个区域可能有多张电子海图数据，但是每张电子海图数据的比例尺有区别。因此需要按比例尺和按物标图层，对电子海图数据各图幅进行合并，将同一个比例尺下的同一类物标合并到一个图层中。

3.2.2 基于Android 平台的内河航道实时水深数据在线发布技术

面向智能船舶移动终端的船舶航行电子地图系统采用基于Android 平台的内河航道实时水深数据在线发布技术，使用反距离权重插值水深算法精确推算内河航道的实时水深，并基于Android 平台对实时水深数据进行在线发布。基于Android 平台的实时水深数据在线发布技术由五部分组成，分别是实时水位数据接收子系统，实时水深计算子系统，面向Internet的地图数据发布接口、面向Internet 的实时水深数据发布接口、基于Android 平台的船舶航行电子地图软件。

（1） 实时水位数据接收子系统，通过Socket 接口接入内河航道水位站传输的实时水位监测数据。

（2） 实时水深计算子系统，根据接收的实时水位数据，采用反距离权重插值算法计算内河航道实时水深。（3） 面向Internet 的地图数据发布接口，通过REST 接口向Android 电子地图终端软件，发布地图数据。

（4） 面向Internet 的实时水深数据发布接口，通过REST 接口向Android 电子地图终端软件，发布实时水深数据。

（5） 基于Android 平台的船舶航行电子地图软件由无线通讯模块、地图引擎、地图显示模块、GPS 定位模块四大功能模块组成，可通过无线网络下载地图数据，浏览显示电子地图，获取实时水深、跨河拦河建筑物的净空高度等信息，满足江海联运船舶航行的需求，提高船舶航行的安全性。

4 系统应用

本文的面向江海联运的船舶航行服务信息系统应用于广东省交通运输厅科技计划项目《基于Android 的江海直达船舶在线地图服务终端技术研究与开发》和广州市创新基金项目《内河航运船载智能云终端》。该项目根据本文的系统结构和功能设计，攻克关键技术上的难题，开发智能船载终端监控平台和智能船舶移动终端应用软件。其中，智能船载终端监控平台为航运监管部门提供船舶实时动态情况，提高航运监管部门安全监管水平。基于Android 的智能船舶移动终端应用软件提供船主、航运企业、货代企业等用户包括航行实时电子地图、船舶航行安全信息查询、航道基本信息查询等船舶航行信息服务。如图5 所示，用户可通过智能船舶移动终端应用软件的航行实时电子地图查询船舶位置、航道水深等信息。

5 结 论

面向江海联运的船舶航行服务信息系统实现内河航道电子地图、港口电子地图和电子海图的融合，为船舶在内河航运中提供航行参考信息，实现船舶江海联运的全方位航行参考图支持。在提供在线海图和地图导航的基础上，采用基于反距离权重插值算法推算内河航道水深的方法准确推算航道实时水深并实时发布，大大提高船舶内河航运安全性。面向江海联运的船舶航行服务信息系统的设计与应用提高江海联运的船舶航运安全性和经济性，加快内河航运发展的步伐，促进江海联运信息化的发展。

[1] 彭磊. 西江流域江海联运的发展现状及展望[J]. 价值工程，2011,30(27):278-279.

[2] 罗本成，周俊华，解玉玲. 内河航运综合信息服务系统及其关键技术研究[J]. 水运科学研究，2008(4):1-5.

[3] 严忠贞，严新平，马枫,等. 绿色长江航运智能化信息服务系统及其关键技术研究[J]. 交通信息与安全，2010,28(6):76-81.

[4] 周文平. 面向接口多层架构开发模式在航运物流管理信息系统中的应用[J]. 物流科技，2011(7):26-28.

[5] Hong Liang, Raj Arangarasan, Larry Theller. Dynamic visualization of high resolution GIS dataset on multi-panel display using ArcGIS engine[J]. Computers & Electronics in Agriculture, 2007,58(2):174-188.