水运工程施工船舶管理系统软件设计与实现

王崇明，修义瑞，雷 鹏，隋海琛

（1.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津300456；2.天津水运工程勘察设计院天津市水运工程测绘技术重点实验室，天津300456；3.海军海洋水文气象中心，北京100161)

水运工程施工船舶管理系统软件设计与实现

王崇明1，2，修义瑞3，雷 鹏1，2，隋海琛1，2

（1.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津300456；2.天津水运工程勘察设计院天津市水运工程测绘技术重点实验室，天津300456；3.海军海洋水文气象中心，北京100161)

水运工程施工离不开各种船舶的支持，通常有一条主船和多条辅船。对于多船的施工作业，位置信息显得尤为重要，每一条船都要清晰地知道其他船舶及锚缆等的位置，以及施工区域的地形地貌。此外，船舶之间的指挥、协同作业等，均需要建立在各种位置信息的基础之上。文章在详细调研水运工程施工各个环节的基础上，设计了一套用于水运工程施工作业的船舶管理系统。系统主要包括通信管理模块、图形管理模块、船舶指挥模块和数据管理模块四大部分，针对每一部分进行详细的任务分解。在此基础上，采用C#语言和WPF界面引擎技术，编写了水运工程施工船舶管理系统软件。

水运工程；船舶管理系统；功能模块；C#；WPF界面引擎技术

大型水运工程通常涉及到多条船同时作业，作业区域可能会存在较为复杂的情况，比如存在石油平台、海底管线、电缆、航道等地物。施工船必须掌握尽可能详细的资料，才能保证施工的顺利进行，这样就要求每条船上必须具有导航定位作业人员，提供详尽的船舶和地物位置图纸［1-2］。

目前，受到海上通讯条件和管理手段的限制，水运工程施工过程中信息化技术水平还比较落后，各种工作的安排和作业主要依靠简单的传统方法和人工完成，技术含量低、劳动强度大、效率和安全性都比较低，例如：施工过程中来自多船、多种传感器、多种施工信息的数据分布多样化和离散化，缺少一体化的集成平台，利用也不充分；船舶的调动、信息的传达包括船船之间仍在采用传统的无线电对讲方式，船岸之间采用电子邮件形式，而不是网络统一的信息化和自动化管理，没有以直观的实时图形或视频进行表达，极易造成信息的误报和延迟等。因此开展水上指挥部、水上施工现场、各个船舶、各个传感器等多个层次之间通畅的数字图文信息通信，结合以完善的电子海图作为背景，建立施工现场基于船舶位置的综合信息管理平台和远程监控系统，对于完善水运工程的决策通信指挥系统以及信息通信网络装备等建设项目，提高决策的效率和及时性，保障水运工程施工的顺利进行是很有必要的。

本系统以各种传感器的数据作为基础，通过合理的软件结构设计，采用C#语言和WPF界面引擎技术，解析融合各种数据，借助网络技术实现数据信息的传递和共享，以图形和文字两种方式显示船舶和载体的各种信息，形成水运工程施工的智慧指挥体系。

1 软件结构设计

水运工程施工船舶管理系统融合导航定位、AIS、无线电、移动通信、卫星通信、无线Mesh等技术，以施工现场指挥部为中心，建立无线局域网（船舶之间）、有线局域网（设备之间）与Internet网的无缝对接，通过稳定可靠的数据传输、科学高效的数据处理分析、逼真形象的数据展现和完整实用的数据管理，在网络协同作业模式的基础上建立海上网络化施工指挥系统，可实现多层次网络、多节点分布、中枢管理、统计分析和远程监控的功能，使海上指挥部、操作船长、施工人员能及时沟通信息，确保水运工程作业的顺利完成，软件总体结构如图1所示。

图1 系统结构Fig.1System structure

1.1通信管理模块

通信管理主要指硬件之间、同一条船上不同工作室之间、多条船之间的数据通信，主要包含数据接入及解析、数据输出和双向交互通信三部分功能模块。

硬件通信接口目前普遍采用串口和网口的形式。串行接口简称串口，也称串行通信接口，是采用串行通信方式的扩展接口，工作中常用的是RS-232标准串口。RS-232采用9芯D型插座（DB9），采取不平衡的传输方式，适用于PC串口和设备间点对点的通信［3］。RJ45接口通常用于数据传输，是网卡接口中不同接头的一种类型。常见的RJ45接口有两类：用于以太网网卡、路由器以太网接口等的DTE类型，还有用于交换机等的DCE类型［4］。

数据格式解析主要指软件系统可以接收各种导航设备的数据，并将数据解译出来，进行各种融合运算，以便得到各个船舶和载体的地理位置。根据各种常用设备输出数据的格式，预先定义好一个库文件，将各种数据格式存储在该库文件中，便于在工作中直接调用。此外，为了解决非常规的数据格式解析，软件还需要具有自定义数据格式的功能选项。

数据的输出通常是为其他船舶或设备提供信息。为了实现多船的显示，每条船必须将自己的位置信息输出，位置数据的格式要包含船舶代码、名称、坐标和艏向等信息。为其他设备如ROV录像机，提供的信息需要包括ROV的位置坐标、艏向、速度、KP值等。

交互通信模块建立多条船舶之间消息通讯窗口，使船舶之间可以进行信息的收发，实现多船间对话消息、文本、文件、图片、视频等的传输，完成多船之间人员信息、船舶动态、油水报告、文件报表、气象信息等的传送。

1.2图形管理模块

图形管理模块将背景地图、施工现场所有船舶、船舶锚和缆绳以及ROV等水下载体，在电脑屏幕上按照真实位置进行多窗口的显示，主要包括船位及地图显示和图形绘制与操作两部分功能。

船舶及其他载体在地图上必须以真实的形状尺寸显示。绘制船舶、ROV、水工设施等各种施工中涉及到的物体的形状尺寸，保存为船型文件，以便于软件系统的调用。除了能绘制船舶等的形状，还要绘制主要施工设施的工作点，如船舶浮吊基座、锚孔、打桩点、GPS天线、超短基线换能器、ROV释放点等。背景地图是水运工程施工的基础信息，包含施工区域的各种地理要素，如水深地形、海岸线、平台管线等已有设施、海底障碍物、船舶设计位置、新建设施的设计位置等。

绘图功能主要指在背景图形上绘制各种形状，如点、测线、圆和不规则曲线等，以辅助施工的进行。图形的操作主要指地图的缩小、放大、平移、旋转、距离方位量取等，便于舵手操船和施工指挥。

1.3船舶管理模块

船舶管理模块是系统的核心模块，实现管理系统的主要功能，主要包括命令收发、指挥调度、起抛锚管理三部分。施工过程中主船给辅船发送的命令一般是协助施工作业，通常都是某个时间到某个地点进行某项作业，因此可以定义成统一的格式：

ProjectOrder#发命令时间#发命令船舶#接收命令船舶#时间信息#目标位置#工作内容

命令接收方的船舶在收到此类消息时，自动提取命令内容并在屏幕上显示，将目标点位置在背景地图上显示，同时将命令内容保存至消息库文件。自动生成计划航线，即船位与目标点位置间显示一根连线，还显示至目标点的距离、高差和方位角等数据。

传统的指挥调度采用对讲机的方式，容易受到干扰导致命令的无法传达，效率低、出错率高。根据船舶位置，实现最优调度，保密性强。辅船接到命令后会给主船自动回复，在完成命令要求的工作内容后同样反馈给主船，形成一种报告制度。

起抛锚管理是针对大型施工船起抛锚和移锚作业。根据就位位置和要求（锚孔位置、锚缆斜距或平距、锚缆与船艏向夹角或方位角）及对地物的容许距离（如管线、平台）生成设计锚位。生成锚位后，可以对设计锚位进行修改，将设计好的锚位坐标落入背景底图用于抛锚作业导航。抛锚完成后，记录实际的锚位坐标。统计起抛锚记录文件中所有锚的设计位置和实际位置，形成输出表格。

抛锚作业时，按照船长指挥将某个锚位发送给某条船，该船收到信息后保存为计划锚位，锚落地后返回更新后的锚位，记录时间，系统中所有船将其保存为实际锚位，并生成主船锚孔到锚位之间的连线，根据抛锚船、抛锚时间和抛锚坐标自动更新起抛锚记录文件。

此外，借助远程协助软件，实现主船对辅船上的船舶管理系统的操控，可以减少值班人员数量，提高多船协同作业的自动化程度。

1.4数据管理模块

数据管理主要包含数据记录与回放、数据处理与输出两个模块，主要实现施工中各种设备数据和信息的管理。施工中所有船舶的位置信息都要进行记录，除了各种设备传输到系统中的原始数据外，还要记录各船舶Offset及ROV等水下载体的格网坐标等。数据记录文件自动以日期时间进行命名，包含头文件和数据文件两部分。头文件主要包括工程的坐标参数、文件存储路径、记录开始时间、设备名称及偏移、工程项目备注信息等；数据文件主要包括系统接收到的各种设备数据、接收时间和标号，所有进入系统的数据都将被记录下来。为了确保施工过程的可追溯性，根据记录的数据文件，对施工过程中各船舶的动态进行回放。

数据处理及输出主要是指对感兴趣的数据如船舶航迹等，进行平滑滤波处理，按照一定的格式进行输出输出为文本文件或绘图文件，以便进行成果制作与提交。

2 系统实现

2.1C#编程语言

C#是微软公司在2000年6月发布的一种新的编程语言，一种面向对象的、运行于.NET Framework之上的高级程序设计语言。C#综合了VB简单的可视化操作和C++的高运行效率，以其强大的操作能力、优雅的语法风格、创新的语言特性和便捷的面向组件编程的支持成为.NET开发的首选语言［5］。

2.2WPF界面引擎技术

WPF（Windows Presentation Foundation）是微软推出的基于Windows Vista的用户界面框架，属于.NET Framework 3.0的一部分。它提供了统一的编程模型、语言和框架，真正做到了分离界面设计人员与开发人员的工作；同时它提供了全新的多媒体交互用户图形界面。基于DirectX 9/10技术的WPF不仅带来了前所未有的3D界面，而且其图形向量渲染引擎也大大改进了传统的2D界面。WPF由两个主要部分组成：引擎和编程框架。

（1）WPF引擎。WPF引擎统一了开发人员和设计人员体验文档、媒体和UI的方式，为基于浏览器的体验、基于窗体的应用程序、图形、视频、音频和文档提供了一个单一的运行时库。WPF使得应用程序不仅能够充分利用现代计算机中现有的图形硬件的全部功能，而且能够利用硬件将来的进步。

（2）WPF框架。WPF框架为媒体、用户界面设计和文档提供的解决方案远远超过开发人员现在所拥有的。WPF的设计考虑了可扩展性，使开发人员可以完全在WPF引擎的基础上创建自己的控件，也可以通过对现有WPF控件进行再分类来创建自己的控件。WPF框架的核心是用于形状、文档、图像、视频、动画、三维以及用于放置控件和内容的面板的一系列控件。这些“自有控件”为开发下一代用户体验提供了构造块［6-8］。

2.3系统实现

水运工程施工船舶管理系统具有典型的面向对象特征，利用面向对象的封装、继承和多态等设计方法将系统中涉及的船舶、设备、人员等抽象为具有属性、方法的类，提高了代码的可读性和系统的可维护性，并使系统易于扩展。使用C#作为船舶管理系统的开发语言，具有开发效率高，代码简洁，结构清晰的突出优点。系统使用WPF技术构建用户界面，它提供了统一的编程模型、语言和框架，真正做到了分离界面设计人员与开发人员的工作；同时它提供了全新的多媒体交互用户图形界面。此外，系统中的多船协作和远程设备数据连接，需要稳定可靠的数据传输技术，相比较传统的串口数据连接，基于TCP/IP的网络数据传输技术，具有传输数据量大，时间延迟小等优点，适合多船之间的数据通讯。系统软件主要界面见图2。

图2 系统软件主要界面Fig.2Main interface of software system

3 应用实例

在南昌红谷隧道沉管拖带浮运中，该软件系统得到成功应用。每条管节长115 m，宽30 m，高8.3 m。浮运段赣江平均宽度约1.2 km，而满足水深要求的浮运航路宽度只有70 m。浮运要按照给定的航路穿越三座大桥，行驶约8.5 km，才能从干坞抵达隧道修建场址。沉管浮运主要靠5条拖轮的动力，沉管和5条拖轮上均安装相应的硬件和软件系统。主要硬件有沉管定位定向设备、姿态传感器、船舶定位定向设备以及无线传输设备等。沉管作为船队指挥中心，实时显示、播发沉管和5条拖轮的位置信息，使每条船舶都可以显示浮运船队的位置信息。按照设定的赣江航路，协调各条拖轮的航速和航向，指挥沉管船队的前行。在2015年的施工作业中，共完成6节沉管的拖带浮运作业，该系统确保了每节沉管均安全抵达隧道修建场址，为沉管隧道的按时完工提供了重要保障。图3为E1管节穿越南昌大桥的导航截图。

图3 E1管节浮运导航Fig.3Transport navigation of E1

4 结论

水运工程施工船舶管理系统，解决了多传感器数据融合、多种数据时间同步、网络化多通道数据收发等难题，实现了多条船舶协同作业的综合导航定位。该系统综合多年来海洋施工的工程经验和多个相关课题的研究成果，涵盖了当前国内外在水上水下导航定位传感器中所涉及的主流设备，紧密结合施工过程中现场作业指挥人员的实际需要，提供实时高效的辅助决策信息。目前系统在多个工程项目中得到成功应用，并不断升级维护，稳定可靠，能够为水运工程施工作业提供持续不间断的服务。由于软件系统可以根据现场情况和施工要求不断改进，极大地提升了软件的适用性，在深远海等新兴领域必将有远大前景。

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Software design and implementation of water transport engineering vessel management system

WANG Chong⁃ming1，2,XIU Yi⁃rui3,LEI Peng1，2,SUI Hai⁃chen1，2
（1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Tianjin 300456,China;2.Tianjin Key Laboratory of Surveying and Mapping for Waterway Transport Engineering,Tianjin Survey and Design Institute for Water Transport Engineering,Tianjin 300456,China;3.Navy Marine Hydrometeorological Center,Beijing 100161,China）

The support of kinds of vessel is very important for the water transport engineering construction. Normally,there are several auxiliary vessel and one main vessel.The position information is important for the ves⁃sel.The position information contents every vessel,mooring rope,anchors,topography and so on.Vessel′s command and collaborative operations are all based on the position information.Based on a set of investigation of water trans⁃port engineering construction,one vessel management system was designed.There are four parts:communication management module,graphic management module,ship command module and data management module.C#and WPF interface engine technology were used to program the system.Now the software has been widely used in the ac⁃tual work.

water transport engineering；vessel management system；function module；C#；WPF interface en⁃gine technology

TP 315；U 675.7

A

1005-8443（2016）02-0203-05

2015-03-30；

2015-12-28

王崇明(1984-)，男，山东省济南市人，工程师，主要从事水运工程勘察测绘研究工作。

Biography：WANG Chong⁃ming（1984-），male，engineer.