GIS技术在舰船损管监控系统的实现及应用

陈晨，陈韬，胡兴刚，张耀俊

(上海船舶电子设备研究所，上海 201108)

舰船损害发生时，舰船指挥中心能否及时做出科学、合理的应对措施取决于对整船危险品、资源、消防设施等状态信息的掌握程度；若损管状态信息有延迟、不确定、不准确，可能会导致错失最佳灭火、逃生的时机。面对舰船舱室结构复杂、众多电力线路、管路交错等特点，GIS可视化管理平台按照空间位置坐标对空间数据进行处理并加以有效管理，结合图、文、表、库以多维度、动态变化的形式进行信息展现，弥补了传统损管监控系统的不足，提高灾害判断、判断的速度以及应急处理和管理水平。因此，考虑将GIS地理信息技术应用在舰船损管监控领域，优化并提高通过查询图纸和资料获取现场设备状态信息的传统方式，实现现场监控设备资料电子化、实时监控、火灾实时动态显示等各类信息全面展示。为舰船损管监控过程中火灾探测、安全评估、辅助决策及人员疏散等提供多维度、可视化方案。

1 系统方案

1.1 系统总体架构

GIS可视化管理总体架构见图1。

图1 GIS可视化管理系统总体架构

图形工作站基于现有的硬件和网路环境构建，包括基础网络、计算机硬件及软件。数据层和应用库将文件数据与可视化界面结合，以3D图形化的方式显示。

应用服务器系统采用C++、Java开发语言搭建，实现服务器与现场设备相互通讯以及数据库系统的访问与操作，将设备状态、视频流媒体数据、安全评估和灭火决策等结果输出。

前端可视化系统作为软件平台的核心交互部分，采用HTML5、CSS3、WebGL、WebSocket等前端桌面软件系统技术，实现舰船损管设备的参数显示和设置、设备状态实时呈现、安全评估输出及数据管理与分析等功能。

1.2 系统功能

GIS可视化平台采用C/S和B/S混合系统架构，以便在充分利用工作站的硬件性能同时，快速实现图形、表格、数据管理等功能的研发。平台的功能结构见图2。

图2 GIS可视化管理平台功能

1)舰船3D模型。呈现全局及甲板、舱室布局的二维或三维视图，支持地理信息显示、不同类别图层筛选、现场设备故障或区域报警及现场设备、管路等参数信息。

2)实战运维管理。战备状态下能够对全船的损管区域、舱室等重要部位进行实时、直观的信息监控；在平台管理系统上能够对设备、人员、物资等消防资源进行远程配置、参数设置等功能。

3)视频信息监控。二维或三维地图上显示摄像头点，选择特定的摄像头标识获得该位置的实时监控画面，或检索历史监控信息。

4)安全评估显示。3D模型或二维视图实时显示火灾蔓延趋势、火灾预测等安全评估结果。

5)辅助决策显示。火灾应急路径、辅助决策文字、图标及多媒体资料显示在监控台或单兵接收器。

6)数据库管理。能够整理全舰舱室结构模型、消防灭火设备、人员等资源数据，并进行存储与应用。

1.3 总体架构设计

C/S模式是局域网环境下典型的客户端到服务器结构，能够很好地进行数据操作和事务处理。在保证数据传递安全、可靠和完整的基础上，依托图形工作站硬件性能基础，以达到整船三维立体渲染效果。而B/S模式是一种浏览器到服务器的结构模式，具有便于升级维护、减轻数据负荷等众多优势。在GIS可视化平台中，能够快速实现图形、表格、数据管理等功能的研发。

为满足GIS可视化平台上述功能需求，融合C/S和B/S架构，采用混合架构方式开发软件平台。系统总体结构见图3。

图3 GIS可视化管理平台系统结构

1.4 系统的实现

GIS可视化管理平台硬件组成见表1。

表1 GIS可视化管理平台硬件组成

图形工作站主要实现舰船3D建模、渲染，将后端服务器采集到的现场状态数据，以图表、多维度等形式实时显示。

应用服务器为Web应用程序提供简单和可管理的系统资源访问机制，实现软件平台图表、数据等信息快速管理。

数据服务器能够进行系统配置与管理、数据存储与查询以及数据完整性和安全性的管理，实现损管设备参数、状态、图像数据等存储及安全备份。

数据库系统选取MySql数据库，通过数据库的整体设计及表格、视图、索引等核心内容的优化，对各项后台数据进行管理。

2 可视化实现方法

2.1 图像获取与处理

矢量化的图表是舰船损管GIS可视化平台的基础，能够为损管消防器材运营、安全评估及灭火辅助决策等提供支撑。全船图标信息的矢量图是由MapInfo软件生成的多个独立图层叠加而成，包括消防器材、通风设备、摄像头和人力资源等，实时监控全船设备状态信息并分析、记录，建立整船的数据信息库。

将MapInfo支持的舰船图标格式转入，然后对栅格图标进行编辑处理，主要包括以下方式。

1)栅格图像预处理。图纸未输入计算机前确定好图纸的比例和内容，留有宽裕的深化和拓展余地；标定好舰船舱室、重要设施部位、通道、大门以及主要危险源位置信息。

2)坐标系确定。在MapInfo中预先设置多个坐标系，使用中根据设备种类、舱室位置等类别信息选择预定义坐标系或设置新的坐标系参数。

3)栅格图像的拼接调整。对舰船不同比例图纸进行拼接，通过调整图像的颜色、对比度以及缩放等参数，完善整幅矢量图定位的准确性和图像清晰度。

2.2 图表信息矢量化

通过GIS可视化图像将系统实战运维、视频监控、安全评估以及辅助决策等功能特征全面、完整的显示。图表信息矢量化实现步骤如下。

1)矢量化数据获取。将扫描获取的栅格图像与数据库之间实现关联，通过矢量图叠加上栅格图像上实现数据与图层对象的连接。

2)舰船分层。MapInfo根据3D可视化空间对象(舱室结构、消防设备、逃生路层等)按图层组织划分，添加空间和属性等数据管理。

3)属性数据结构。舰船分层后，在栅格图像上新建表属性名称、数据类型等参数，实现属性数据索引功能。

4)矢量图层编辑。根据舰船功能不同需求对图像显示的大小、比例、中心点等参数进行调整、修改，使矢量图层具备可编辑性。

5)数据库的编制。采用MySql数据库便于外部修改数据库信息，解决MapInfo中图层属性信息在状态发生变化时能够进行修改完善。

2.3 GIS平台功能实现

基于MapInfo软件对全舰图表进行矢量化处理后，利用GIS组件集成二次开发，采用MySql数据库编程，使得全船结构、舰船舱室、危险品部位、消防设备等信息实时监控显示。

GIS平台搭建通过图层合成、地理编码、与外部数据关联和外部平台结构实现。在对全船图表矢量化处理后，能够分别对图层进行操作、分类合成，提高了图层的转换效率；并由地址编码将全船用户需求的设备、舱室等特征数据分类、立体地呈现；最后将上述矢量化后图表关联地属性、空间等数据保存数据库，实现舰船三维显示、实战运维、安全评估及辅助决策等功能。

3 损管的典型应用

地理信息系统GIS技术能够多来源、多层式、多形式地获取全船损管状态信息，具备快速、高精度地特点。

3.1 灭火决策信息可视化

实时掌握舰船火灾、消防设备、舱室、探测器、通风等信息，是在损害发生情况下进行灭火决策的前提条件。GIS可视化管理平台能够实时获取和显示损管信息，实现火灾发展蔓延的空间立体可视化，为灭火决策提供可靠的依据。

GIS可视化平台具体功能如下。

1)信息显示。能够将整船的结构特征、复杂舱室分布、关键设备、通风空调及易燃易爆危险品等，以直观、立体的形式呈现；同时具备对具体舱室区域的缩放功能，能够进行信息的存储、选择以及相关的图像操作等功能，使得全船信息显示更加具体、多样化。

2)查询统计。将全舰舱室结构、通道分布、探测器、灭火装备、消防器材、通风空调等信息实时采集显示，以直观、立体的形式显示并能够快速查询相关设备详细信息，在损害发生时为舰船指挥员提供充分的设备、人力等资源信息，便于根据消防资源合理决策。

3)维护管理。在具备全船设备信息的显示和查询功能基础上，同时可对损害程度不同状态、资源类型差别等特点进行分类管理，对信息及时存储和更新。

3.2 模拟火灾预案

1)火灾实时预测。根据损管区域现场各类传感器、人工探测等方式确定损害发生舱室位置、火源类型、可燃物信息及火灾趋势等信息，通过读取相关舱室结构布局、通风条件、火源热释放速率等因素，在GIS可视化管理平台实时显示并模拟损害发生时火灾蔓延趋势、消防等资源实时状态。

2)最佳行动方案预测。可视化平台系统依托火灾灭火预案库、专家库，结合实时现场设备信息和火灾发展变化形式，生产符合现有环境下最佳灭火行动方案；为决策者提供合理、可行的行动依据，最大程度合理利用灭火资源。

3)与虚拟现实结合训练。为了更好地实现整船消防资源、火灾趋势变化及数值计算结果可视化，将虚拟现实技术应用于损管监控系统中，以立体、多维的形式展示火灾变化过程；同时，舰员能够在模拟火灾发生状态下进行灭火训练，使得消防人员具备熟练、可靠的消防技能。

该功能可有效地提高火灾预案的针对性，便于处理方案的制定和改进，对类似火灾起到极大的参考作用。

3.3 人员疏散与演练

1)舰船内部火灾风险评估。基于GIS监控平台对火灾发生舱室区域火灾风险进行评估，直观地为舰船指挥员进行灭火决策、人员疏散提供空间信息支撑；同时，利用机器学习建立整船火灾发展影响因素分布模型，为火灾预测和人员疏散提供理论分析基础。

2)动态优化最优疏散路径。监控平台动态显示火灾烟气蔓延，采用蚁群等算法动态调整安全有效的疏散路径，并结合现场火灾信息数据进行优化处理。

3)人员火灾训练演练。立体显示舰船火灾趋势，在进行消防演习时，平台实时显示消防资源的分布、人员方位，决策者能够根据火灾动态直观地了解演练疏散状态，并根据实施效果进行方案改进。

4 结论

将GIS技术创新性应用于舰船损管监控领域，通过对系统硬件平台的分析、搭建及软件设计，在多维度图像和地理位置信息相结合的基础上，能够更加直观、明确地展现舰船损管监控领域火灾预测和模拟、安全评估、辅助决策等结果。相比较于传统上位机软件相对单一的图表显示功能，突显出强大的地理数字化或图形化采集、分析、决策系统的优点，为后续舰船监控系统全面、直观、详细的人机界面显示和信息交互设计提供了方向。该GIS可视化管理系统平台不仅能够提高平时模拟训练、实时监控的效果，还能够在战时状态下为指挥员全局把控提供充分的信息资源，有效地提高舰船损管系统管理的效率和生命力。