基于北斗导航的船闸报闸管理系统的设计与实现

（广西西江开发投资集团有限公司，广西 南宁 530022）

【摘 要】设计了一套基于北斗导航技术的船闸报闸管理系统，该系统结合GPRS全球移动通信技术、GIS地理信息技术及计算机网络与数据处理技术，实现了船闸业务管理及GIS地图应用2个主要模块。文章对系统的总体架构、设计过程中使用的关键技术及实现的功能进行了描述。

【关键词】北斗导航；船闸报闸；管理系统；GIS

【中图分类号】TP311.52 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）06-0030-04

0 引言

由于受信息化技术、通信手段等多种因素的制约，我国一些内河航运尚存在下岸报闸、插队报到等现象，造成堵船、滞船等航运通道不畅、过闸效率低等问题。随着我国北斗导航技术的出现及GIS（Geographic Information System，简称GIS）和通信技术的成熟，船闸的调度管理工作已经进入了计算机辅助支持的实时管理阶段，利用这些信息化手段可以极大地提高通航效率，解决航运不畅的现状。

1 系统总体架构

系统通过对船闸报闸业务及调度原则的分析，结合北斗导航技术的应用，架构出基于北斗导航的船闸报闸管理系统的整个框架。考虑系统的扩展性及为了系统建设的分步实施提供较好的规范蓝本，将系统划分为4个逻辑层，即信息数据层、数据共享服务层、应用层、接入层，各层通过硬件、网络、接口和协议形成有机的整体。信息标准体系和安全体系保证系统安全地提供标准的数据和服务，数据采集、维护、更新、管理、查询、分析、决策和发布的解决方案为系统的建设和运行提供数据支撑。系统总体框架图如图1所示。

1.1 信息和数据管理层

信息和数据管理层用于存储空间数据、基础数据和业务数据。具体存储内容如下。

（1）空间数据库用于存储提供GIS系统显示的空间地图数据，包含矢量数据和栅格数据，针对本次项目，空间数据库主要存储全国电子地图矢量和影像数据、船闸矢量地形数据信息（带真实经纬度）和船只位置信息数据等。

（2）基础数据库为上层业务系统提供基础数据存储支撑，存储人员基本信息、船只基本信息、船主信息和船闸信息等。

（3）业务数据库存储船运相关业务信息，如船闸调度登记、报到和拍档、闸次信息等相关业务数据，为查询、统计、分析提供业务数据基础。

1.2 数据信息服务层

数据信息服务层建立在信息数据管理层之上，通过对空间、基础和业务数据的逻辑处理，提供多种服务供应用层调用，提供空间分析服务、过闸业务服务、北斗定位服务、应用服务、数据服务和系统服务等。

1.3 应用层与接入层

接入层主要是北斗导航终端的硬件设备与传感器接入，属于数据采集层。应用层将本系统划分为终端监控子系统、业务应用子系统、GIS应用服务子系统和后台管理子系统。

（1）终端监控子系统。终端监控系统是一个高并发的服务端应用程序，为北斗终端和其他终端（如GPS终端和AIS终端）提供数据传输、经纬度加密解密和数据处理服务，具备北斗导航终端监控、终端数据处理、终端设备管理等功能。

（2）业务应用子系统。业务应用系统是本项目的核心，由船闸报到管理业务系统、会员信息服务系统、船闸门戶网站、查询统计和智能分析决策服务等功能组成。

（3）GIS应用服务子系统。GIS应用服务系统由GIS平台开发，系统包含地图基础操作、数据采集维护工具和GIS监控平台。

（4）后台管理子系统。后台管理子系统负责对系统的维护和管理工作，具有系统用户管理、组织机构管理、系统备份恢复、权限管理、日志管理等功能。

2 系统实现的关键技术

2.1 北斗卫星定位技术

北斗卫星的定位技术是本系统最关键的技术，在本系统中采用基于北斗载波相位定位算法来实现定位。在进载波定位之前，需要将载波进行重建，将无关的测距码和导航应用的电文去掉，并且还需要将离散的载波信号构建成连续的载波信号。船务北斗卫星终端采用多块化、组合式优化设计，内置高性能芯片，各模块之间的接口采用标准接口，充分利用系统平台、移动通信网络、因特网络，将定位功能、行驶轨迹等集于一体，通过无线数据通信接口（GPRS、GSM）和GPS接口，能与监控中心系统进行数据通信和移动位置的定位，能够满足用户的多种需求。船载北斗导航终端与系统信息的交互如图2所示。

在本文中，相位用φ表示，卫星与接收端距离用R表示，整周模糊度用N表示，电离层用Vion表示，对流层延迟改正用Vtrop表示。首次观测φ0=Fr（φ）0，以后的观测有φ=Int（φi）+Fr（φi），其中Int（φi）为整周计数，N0为整周模糊度，北斗载波观测方程如公式（1）所示：

（1）

在公式（1）中的4子公式中，第1项是在新历中卫星当前为止跟接受芯片之间的集合距离，dT是接收钟差，dt是卫星钟差。对同一接收端来说，不同卫星的观测数据中的接收端钟差成分是相同的，公式如下：

（2）

作差分可得：

（3）

为了能够更加准确地定位，需要对公式的模糊度进行精确求解。本系统采用cholesky分解法来进行求解，为了削弱整周跳变，本系统采用超次差分法来实现。

2.2 船舶过闸自动图形排挡技术

通过研究开发船舶过闸智能调度的数学模型和快速搜索算法，求解最优的过闸排挡方案。通过面向对象和模块化编程技术，实时提供船舶参数信息和船舶待闸信息。系统采用友好的人机交互界面，对船舶排档实现图形化处理。

本系统使用的是二维优化编排启发式算法的优化算法，算法主要描述如下：

Step1：

Step2：

Step3：

Step4：

Step5：

3 系统实现

3.1 船闸报到管理业务模块

系统的实现模块采用B/S模式架构，通过浏览器进行访问。船闸报到管理功能的目的是通过北斗、GPS、GPRS等辅助技术，依托先进的信息系统，运用管理学、运筹学构建船闸调度优化模型，实现对船闸（单、双、多线）的联合调度，综合利用水运资源，提高船闸运行效率，减少船舶待闸时间，保障船闸安全运行管理，提升服务质量。

自动报到：当安装了北斗定位终端的船舶进入船闸的锚地，系统接收卫星传回的位置信息，通过预先设定的算法计算该船是否符合报到条件，进而执行自动报到的功能。北斗定位终端的定位精度直接影响了船只自动报到的实时性及准确性。目前使用的北斗定位终端其定位精度小于10 m，符合实际应用的需求。

自动排队号：系统程序设计中实现自动生成排队序号，通过后台的MAS机接口向相应的船主手机下发该排队号及待闸船只数量信息，以便船长掌握航行，及时调整航速，避免了船只待闸时间太长的问题。

自动化图形排挡：使用特定的算法，结合船闸调度室工作人员的调度经验，提供自动化的排挡功能，并以图形的方式在系统界面显示。

3.2 GIS地图应用模块

GIS应用服务平台是本项目的核心子系统之一，本技术方案专门在GIS平台选型与设计对系统采用的GIS开发实现进行详细介绍。

（1）漫游。可以对地图进行平移、放大和缩小等相关地图漫游和查看操作。

（2）查询。在地图上用鼠标点击船舶，可弹出对话框显示该船舶的详细信息，例如显示该船舶的船舶代码、净吨位、船舶宽度、船高、出发地、目的地、空载吃水、满载吃水、实载吨位、核载吨位、船舶类型、船舶名称、总船长等信息。

（3）基于GIS的船舶监控。系统可以随时跟踪船舶当前所处的位置、移动速度、移动方向、实时油耗等情况，对船舶进行定位时可按定位、定时、定距、定速、定范围、定地点等多种方式监控，具有分类监控、重点监控、追踪监控等功能。并在系统界面上显示船舶的监控状态，包括区域报警、轨迹重放、事故报警、遇险救助。

3.3 终端监控模块

终端监控子系统是一套采用Java开发的服务端高并发程序，专门为北斗终端设备和其他终端设备接入提供数据通信服务和并行处理能力功能，服务终端监控子系统由北斗导航终端监控、终端数据处理、终端设备管理3个模块组成。详细介绍如下。

3.3.1 北斗导航终端监控模块

实时接收并存储北斗终端每隔30 s（间隔时间可通过后台设置）回传的实时定位信息，北斗终端通过GSM网络或GPRS网络接收终端设备上报位置信息，系统支持采用TCP/IP协議和UDP协议。位置信息包括终端硬件唯一编码（用于与服务端注册的硬件编码比对实现终端身份认证）、时间、经度、纬度、高程、速度、方向、终端状态等。

3.3.2 终端数据处理模块

终端数据模块包括对北斗终端发送的加密位置信息进行解析，对终端报警信息进行多渠道提醒处理，终端回传数据备份功能、驾驶员身份认证信息验证处理，终端设备脱机处理，数据后台自动统计功能等重要功能。

（1）对北斗终端发送的加密位置信息进行解析，即将终端上传的加密数据解析为真实的经度、纬度、速度、方向、船舶状态信息，并对偏移的经纬度信息进行纠偏运算。

（2）对终端报警信息进行多渠道提醒处理，如电话、短信和系统提示框等形式通知相关管理人员和海事管理人员。

（3）终端回传数据备份功能，对定位数据进行实时存储；为解决随着时间的推移定位数据过度庞大的问题，系统可以只保存当前3个月（具体时间可通过后台设置）内的定位数据，对定位数据，系统自动保存到备份数据库或光盘等其他媒介中；支持备份库恢复功能。

（4）驾驶员身份认证信息验证处理，驾驶员在北斗终端刷身份卡信息（存储驾驶员从业资格证信息的非接触式IC卡，简称驾驶员身份卡），数据会传到会员数据库进行检索查询，并将查询结果返回北斗终端。

（5）终端设备脱机处理，当终端脱机时，即未接收到终端设备的心跳包信息时，或设备发生故障时，北斗终端监控模块会提醒管理员终端离线，提醒工作人员进行处理。

（6）数据后台自动统计功能，根据数据类别的不同，数据自动按年、月、日、小时，对终端运行进行统计。例如，某年某船运行总里程、船舶报警类型统计等信息。

3.3.3 终端设备管理模块

对终端硬件设备进行配置管理，用于实现配置北斗终端定时发送数据的远程服务器IP和端口信息、定时回传数据的时间间隔、设置一键通话电话号码和设置定时定距上报等相关配置管理功能。

终端上线注册，提供对于北斗终端的注册，将终端设备的终端硬件唯一编码、SIM卡号码、ISIM号码等相关内容与船舶信息和船主信息进行绑定。

4 结语

系统解决了河船运报闸过程中，过闸监控手段落后、报闸效率低下的问题，系统将能够为船闸调度提供智能化的在线地图跟踪，实时监控船舶是否进入锚地，为航运中的船只提供实时的船闸待闸信息，以及提供给调度人员智能化的调度排挡决策方案，解决了通航不畅的问题。

参 考 文 献

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[责任编辑：钟声贤]

【作者简介】黄海遵，男，广西陆川人，本科，广西西江开发投资集团有限公司信息中心主任，高级工程师，研究方向：企业信息化、信息咨询、物流技术、北斗导航及其应用。