基于云计算的海事信息处理模式

文 哲， 何正伟，2，3， 辛旭日， 马 杰，3， 刘克中，2，3

(1. 武汉理工大学 航运学院， 武汉 430063; 2. 内河航运技术湖北省重点实验室， 武汉 430063；3. 国家水运安全工程技术研究中心， 武汉 430063)

WEN Zhe1, HE Zhengwei1，2，3, XIN Xuri1， MA Jie1,3, LIU Kezhong1,2,3

基于云计算的海事信息处理模式

文 哲1， 何正伟1，2，3， 辛旭日1， 马 杰1，3， 刘克中1，2，3

(1. 武汉理工大学 航运学院， 武汉 430063; 2. 内河航运技术湖北省重点实验室， 武汉 430063；3. 国家水运安全工程技术研究中心， 武汉 430063)

为搭建合适的海事云计算模型及其处理框架，根据海事信息化建设过程中存在的问题，对海事数据及信息特征进行分析，将海事数据分为基础数据、动态数据等类型，同时得出海事数据所具有的复杂性、异构性等大数据特征。以此为基础，对当前的海事业务系统进行介绍，以体现大数据技术应用于海事信息处理中的必要性。对云计算当前的发展情况进行介绍，根据其特点对云计算的应用进行可行性分析。最终提出合适的海事云计算模型及其整体框架的构建，以提高海事信息处理的效率。

云计算； 海事数据； 信息处理； 云计算框架

WENZhe1,HEZhengwei1，2，3,XINXuri1，MAJie1,3,LIUKezhong1,2,3

Abstract: The features of maritime data/information and the producing process of maritime information are analyzed. The data are grouped into the basic type and dynamic type. The big data characteristics of maritime data, the complexity and isomerism, is demonstrated. The maritime business system is introduced to show the necessity of applying big data technology in maritime information processing. In addition, the cloud computation is introduced and the feasibility of its application in maritime data processing is analyzed. The maritime cloud computation model and framework are given, which is expected to improve the efficiency of maritime information processing.

Keywords: cloud computation; maritime data; information processing; cloud computation framework

随着社会不断进步，信息化建设已逐渐普及到各个领域中。海事系统已在发展过程中形成多个子系统，并积累了大量数据信息。但是，我国地域广阔，海事数据资源分别部署在交通运输部直属海事局及各地方海事机构中，呈现出分散的特点，形成“数据孤岛”，共享度低。[1]此外，海事数据在不断积累中呈现出大数据的特征，现有的数据管理系统已无法满足基本的数据处理要求，因此很难为用户提供一致、可靠和及时的信息。

云计算技术具有弹性存储和高效计算的特点，近年来已在多个领域中得到应用及发展。目前已初步提出海事云的概念，相比云计算在其他领域中的应用探究，海事云方面的分析尚处于起步阶段。这里拟通过对海事数据的特征及信息处理进行分析，搭建有效的海事云计算模型及其框架，全方位提高海事信息处理能力。

1 海事数据及信息特征分析

海事系统积累有大量日常运行的数据和信息，这里从海事管理职能部门业务、海事数据分类与信息系统概述及数据特点与业务系统现状等3个方面进行具体分析。

1.1海事管理职能部门业务

我国交通运输部直属海事局及各地方海事机构的业务主要包括船员管理、船舶监督、通航管理和防污染管理等。图1为海事机构信息管理业务图。[2]

图1 海事机构信息管理业务

1.1.1船员管理

船员管理业务主要包括船员基本信息管理和培训管理、考试管理、注册管理及适任管理等，各部分业务均包含大量数据信息。

1.1.2船舶管理

船舶管理主要包括静态管理和动态管理两大类。船舶静态管理指船舶登记、船舶证书、船舶检验、船舶安全检查及船舶进出港签证等业务管理；船舶动态管理利用船舶交通管理系统(Vessel Traffic Service, VTS)和船载自动识别系统(Automatic Identification System, AIS)两大系统对船舶在航时的动态信息进行监督管理，如船舶航路、航区、吃水及通信等信息的搜集。

1.1.3通航管理

通航管理主要指在一定区域内对船舶的运动、行为及环境状况进行管理，主要包括航标、航行警告、交通组织和管制及水文气象等内容。

1.1.4防污染管理

防污染管理的主要目的是保障船舶安全航行和减少船舶航行对水域造成的污染，主要包括各种作业许可及文书的核发、资质类审批等。

1.2海事数据分类与信息系统概述

根据以上对海事管理部门业务职能的介绍，可按基础数据及动态数据对海事数据进行分类。[3]

1.2.1海事基础数据及对应信息系统

(1) 船舶基础数据:主要对船舶统一识别号、船名、船籍及类型等船舶基础数据进行整合，其对应的海事业务系统为船舶统一识别号系统、船舶登记系统、船舶检验发证系统和船舶远程识别及跟踪系统。

(2) 船员基础数据：主要对船员姓名、年龄等船员基础数据进行整合，其对应的海事业务系统为海船船员管理系统和内河船员管理系统。

(3) 通航环境数据：主要采集港口、航道、建筑物及航标等相关信息，其对应的海事业务系统为航标巡检及维护信息系统和通航环境管理系统。

(4) 船公司及企业数据：主要采集船公司、航运企业、物流企业、船员服务机构和培训机构等单位的信息，其对应的海事业务系统为船舶公司及相关业务管理系统和海船船员管理系统。

(5) 货物数据：主要采集各类货物种类信息、属性信息和基本信息，其对应的海事业务系统为船载客货系统、货物管理系统和港建费系统/电子标签系统。

(6) 法规数据：主要针对海事法规、组织人事和财务费收等内部相关信息，其对应的海事业务系统为法规及履约查询系统/法制管理系统。

1.2.2海事动态数据及对应信息系统

(1) 船舶业务动态数据:主要对船舶动态信息进行整合，包括船舶签证数据、安检数据、防污染数据和行政处罚等数据，其对应的海事业务系统为船舶动态管理系统、船舶防污染系统、行政处罚系统、船载客货系统和船公司管理系统。

(2) 船舶航行动态数据：主要是船舶动态监控和位置跟踪信息，其对应的海事业务系统为船舶远程识别与跟踪系统(Long Range Identification and Trancking of Ships, LRIT)、AIS与VTS系统、闭路电视(Closed-Circuit Tele-Vision, CCTV)和全球定位系统(Global Positioning System, GPS)等。

(3) 船员动态数据：主要收集船员资历、上下船记录、记分处罚和其他数据等，其对应的海事业务系统为船员管理系统、船舶动态管理系统和行政处罚系统。

(4) 通航环境动态数据：包括水文、气象、通航和通航预警信息，其对应的海事业务系统为海事气象预警信息发布系统、航标遥测遥控系统及通航管理信息系统。

1.3海事数据特点与业务系统现状分析

1.3.1海事数据特点

随着海事信息化不断推进，船员管理系统、船舶登记系统和船舶交通管理系统等业务系统经过多年的发展，其数据量大大增加，无论是数据的存储还是数据的管理，都面临着信息时代的巨大挑战。[2-4]

根据海事业务数据的分类，可知海事数据有如下特点。

(1) 数据量大，结构复杂。海事管理对象较多，业务信息量大，数据类型趋于多元化、复杂化，数据种类和格式冲破以往的结构化数据范畴，囊括大量半结构化和非结构化数据。

(2) 异构性。海事数据的多样性及其存储方式的不同导致使用的数据库也不尽相同，形成海事数据存储与访问的异构交互模式特点。同时，我国海事系统分布广泛，各部门和单位的数据源相对独立，构成一个庞大的异构环境。

(3) 复杂性。从业务角度分析，信息数据包括船舶管理数据、通航环境数据、船员管理数据、船舶防污染信息数据和水上交通事故数据等。[5]不同类型的数据对应不同的数据管理模式，数据类型的复杂性给海事数据的管理带来一定的困难。

1.3.2海事管理业务系统现状

随着海事信息化迅速发展，各级海事部门均针对其具体业务开发相关海事业务系统。然而在发展的过程中，众多的业务系统在方便海事管理工作的同时，也带来不少问题，主要表现在以下几个方面[6]：

(1) 基于不同的硬件和软件平台开发不同的业务系统，或使用不同的语言和开发工具来建立不同的应用系统，包括Oracle，Sybase，SQL Server等。

(2) 数据的定义方式不同，例如相同的词语在不同的数据库中其结构往往是不同的。

(3) 统一的数据资源编码体系的缺失使得应用系统间的数据交互多有不便。

(4) 数据资源分散在各个系统和数据库中，当业务需要从不同系统中提取同样含义的数据时，会遇到数据转换等问题。这使得业务系统内部不同模块间、多个业务系统间的数据共享变得复杂，信息流转不顺畅，业务流程被割裂，需大量人工干预，从而引起系统应用效率下降、数据精确度降低等一系列问题，数据交换和数据综合利用水平不足。

(5) 在数据资源发掘和综合利用方面存在较大不足，需将现有数据聚集，并在聚集后进行基于业务语义数据内容的融合。

(6) 在数据资源存储方面，随着多个数据库与应用系统投入运行，业务量快速增长的同时，信息的存储和查询量也急剧上升，部分应用/存储系统难以满足未来应用的需要。

因此，亟需对现有的海事业务系统作进一步的整合和共享，迫切需要建设基于云平台的高性能、高可用性数据仓库以应对该挑战，最大程度地解决数据存储、管理和共享等一系列问题。

2 云计算简介及应用可行性分析

云计算技术发展至今已在诸多领域中得到应用，这里对云计算进行简要介绍，并阐述其应用于海事信息领域中的可行性。

2.1云计算概述

云计算以互联网为基础，通过网络,以按需、易扩展的方式为用户提供其所需的服务。这里提供资源的网络称为“云”，这种获得服务的形式与使用水、电等资源的形式一致，方便快捷，且用户无需了解管理支持云计算运行的基础设施。

2.2云计算特征

在云计算中，硬件和软件均为资源，以服务的方式通过网络提供给用户；同时，可动态扩展和配置这些以分布式方式存在的资源，用户按需使用、按实际使用量付费，无需对其进行管理。

2.3“海事云”简介

“海事云”是指通过虚拟化技术和分布式计算能力，结合海事信息资源，构建出丰富的海事资源库；同时，按照用户及海事部门人员的要求提供相应的计算服务，解决目前海事信息处理方面存在的低效率和低共享度问题。

与传统的处理模式相比，“海事云”强大的数据分析和处理能力及成熟的开源平台技术和智能化的服务使得海事资源从分散走向集中，最终实现业务与信息的高度融合。[7]

2.4云计算应用可行性分析

1) 海事数据资源呈现出的大数据特征要求通过云计算来解决目前信息处理手段存在的低效率和低共享度等问题。云计算技术的发展已日趋成熟，虚拟化、分布式数据存储和计算及并行编程模型MapReduce等存储和计算能力均能有效提高海事数据的分析和处理效率。

2) 云平台技术的日益成熟使得搭建“海事云”平台无需耗费太多精力。IBM，Google及微软等公司均已开发出成熟的云平台。目前较为热门的开源云平台即Hadoop云平台。

3) 海事信息系统顶层设计报告中提出的“一系统，两平台”用来指导海事未来的信息化建设，即顶层设计的核心目标是建设以我国船舶动态监控系统、海事协同管理平台和海事综合服务平台为中心的两级海事云数据中心。[8]

3 基于云计算的海事信息处理平台模型及构建

结合现有的云计算理论和技术，构建基于云计算的海事信息处理平台的整体框架及其功能架构。

3.1海事云计算模型整体建设框架

基于云计算的海事信息处理平台是一个完整的系统，主要由基础设备层、数据服务层、计算层、海事业务层和用户层等5个部分构成(见图2)。[1]

图2 海事云计算模型整体框架

3.1.1基础设备层

构建基于云计算的海事信息处理平台必须有一定的基础设施，即基础设备层。该层是整个海事云计算模型框架的基础，支撑整个平台的运行，其主要功能是提供平台运行所需的虚拟硬件，将服务器、存储设备和网络设备虚拟化，将海事系统各个节点的资源接入到统一的网络中，虚拟出一个统一的云计算海事信息处理平台。[9]

3.1.2数据服务层

数据服务层主要利用当前海事信息系统中的各种传感设备感知船舶、航道等相关信息，收集船舶动态系统和交通系统数据，结合其他业务系统中的基础数据、船舶业务数据、船舶航行数据和通航环境数据等建立云数据库，进行统一的调度与分配。

3.1.3计算层

计算层主要利用从数据服务层中获得的海事数据，结合数据管理系统和数据挖掘与分析处理系统，对海事数据进行处理与计算，以获得大量海事数据中潜藏的有价值的信息。

3.1.4海事业务层

结合“一系统，两平台”的设计理念，通过船舶动态监控系统及海事协同管理平台和海事综合服务平台，实现海事管理中各类要素信息的全面、实时采集，对数据进行统一整合和集中管理。

3.1.5用户层

用户层针对目前海事系统的服务对象(如船员、船公司/船代、海事部门及其他政府部门等)，对外主要通过网上政务大厅等系统为船员、船公司/船代和其他政府相关职能部门提供服务，对内通过内部政务大厅和综合业务系统为海事办事窗口人员及职能部门工作人员等海事工作人员提供业务系统操作平台。

3.2海事云计算模型功能架构

该部分针对基于云计算的海事信息处理平台的功能实现，进行海事云计算模型框架的搭建。框架分为大数据汇聚层、大数据计算层、海事信息服务层和海事决策应用层等4个功能层次(见图3)。[10]

图3 海事云计算模型功能架构

1) 大数据汇聚层负责海事信息的采集和预处理，主要针对船舶动态信息和通航环境信息。这类信息由数据网关进行异构转换和集成，并经过数据分流之后输送到海事大数据计算层中。

2) 大数据计算层主要负责海事业务的数据仓库构建及海事大数据的分布式处理。此类技术基于Hadoop开源云计算平台，以HDFS为基础实现海事数据仓库的分布式文件系统；基于该系统，通过Hbase实现物理数据的存储。由于海事数据处理具有实时性和批量性，因此云计算模式采用MapReduce和Spark 2种方式，其中：MapReduce实现海量数据的离线批处理；Spark负责在线实时处理。Hive可通过SQL接口实现数据查询和分析功能，并为Hbase数据仓库的各种存储表建立索引关系，为数据关联查询提供便利。

3) 海事信息服务层主要负责完成海事业务相关决策的生成，其依据主要来自于对海事大数据的挖掘和分析。

4) 海事决策应用层主要负责决策分析及任务分配，根据上一层形成最终的处置方案，并实现相应资源的调动和决策评估。

4 结束语

对海事业务进行介绍，总结海事数据的分类情况及相关数据对应的海事业务系统；在此基础上，进行海事数据特点和海事业务系统现状的详细分析。由于海事数据具有量大、结构复杂、类型多样和异构性高等特点，因此海事业务系统开发环境不同及我国地域广阔等性质均使得其无法适应已呈现出大数据特征的海事数据处理要求，造成效率低下等问题。通过对云计算相关概念及海事云进行简要介绍，对云计算在海事信息领域的应用进行可行性分析；结合海事信息系统顶层设计理念，从基础设备层、数据服务层、计算层、海事业务层和用户层等5个方面构建海事云计算模型整体框架，并从大数据汇聚层、大数据计算层、海事信息服务层和海事决策应用层等4个功能层次出发提出其功能架构。

在以后的研究中，可在此基础上进一步完善海事云计算模型的具体实现细节，为海事信息处理模式提供更为有效的方式。

[1] 刘世江.运用云计算技术构建“智慧海事云”[J]. 信息通信技术,2013(1):53-56.

[2] 董越.海事信息标准化协同管理系统的研究[D].大连：大连海事大学,2011.

[3] 杨扬.海事综合业务管理信息系统研究[D].济南：山东大学,2012.

[4] 侯丽联.浅析海事业务系统的应用及管理[J]. 中国水运,2013,13(6):34-35.

[5] 胡昌桂.基于C/S和B/S混合模式的海事管理信息系统[D].武汉：武汉理工大学,2004.

[6] 王小庆.基于SSi2的海事信息服务平台研究与实现[D].镇江：江苏科技大学,2013.

[7] 李少林. 云计算在旅游电子商务中的应用[C]∥Proceedings of 2014 4th International Conference on Applied Social Science.Information Engineering Research Institute,2014,53:7.

[8] 赵远哲. 用信息化构建“智慧海事”[J]. 中国海事,2012(2):10-12.

[9] 李志萍. 基于云计算的我国电子政务服务平台构建研究[D].秦皇岛：燕山大学,2013.

[10] 罗军舟,金嘉晖,宋爱波,等. 云计算:体系架构与关键技术[J]. 通信学报,2011,32(7):3-21.

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《中国航海》编辑部

MaritimeInformationProcessingModelBasedonCloudComputation

(1. School of Navigation, Wuhan University of Technology,Wuhan 430063, China; 2. Hubei Inland Shipping Technology Key Laboratory, Wuhan 430063, China; 3. National Engineering Research Center for Water Transport Safety, Wuhan 430063, China)

TP311.52

A

2016-01-16

国家自然科学基金(51279151)； 国家级大学生创新创业训练计划(20141049712002)；中央高校基本科研业务费专项(2014-IV-094)

文 哲(1992—),男，湖北汉川人，硕士生，主要研究方向为海事管理。E-mail:598105711@qq.com 何正伟(1977—),男，湖北洪湖人，副教授，主要研究方向为交通信息系统、水上交通环境仿真。E-mail: wwwhzw@tom.com

1000-4653(2016)02-0050-05