基于GIS的船舶交通管理系统研究

郜士彬

(中国电建集团昆明勘测设计研究院，云南 昆明 650000)

0 引言

2006—2013年的事故统计显示，2.5公里思贤滘河段发生事故占68公里东平水道所比重达69%[1]。2010—2019年全球总共发生了39起173名海员遇难散货船舶致命事故，2021年1—3月，涉及万载重吨以上的散货船事故有53起。传统的船舶管理系统明显已经跟不上时代的发展，建立适应时代发展，符合我国国情的先进船舶交通管理系统刻不容缓。

以往的船舶交通管理系统(Vessel Ttraffic System，VTS)、船舶自动识别系统(Automatic Identification System，AIS)、船舶闭路监控(Closed circuit television，CCTV)、GPS、海事气象等数据，不能很好的协同工作，都是各自为战的使用模式，从而每个系统所能发挥的作用大打折扣。将GIS技术引进船舶交通管理系统，利用GIS技术本身独有的优势，可以突破电子海图和电子地图的融合难点，将动静态信息进行集中管理、显示、查询，为船舶区域网格化管理提供支撑。通过接口功能将各个系统接入到一个GIS系统界面去管理，将多个系统转化为一个“系统”，不但可以简化系统，减少海事部门工作人员的劳动强度，同时可以提高水上交管、监控调度、应急搜救以及事故追查效率。

文献2中对新一代“陆海空天”船舶交通管理系统进行了定义[2]，文献3中分析了船舶交通管理系统中涉及的安全风险点和风险等级[3]，文献4中研究设备升级、集群处理、大数据分析应用、分布显示和优化存储等方面来提升管理系统性能[4]，文献5中提出了一种WBS的船舶交通管理系统项目进度管理方法[5]，文献6对VTS的发展概况进行了详细阐述[6]，文献7中研究了基于WEB的VTS系统设计[7]。

随着大数据时代的到来，物联网、云计算技术的兴起，移动GIS和共享技术的快速发展，以及船舶监管硬件的不断完善，船舶执法记录仪、海事无线专网、CCTV等逐渐实现全覆盖，船舶执法过程将愈来愈趋于智能化、信息化、便捷化。本文通过翻阅大量文献深入研究GIS相关技术理论，结合工程项目实际，研究基于GIS的船舶交通管理系统。将GIS技术应用到在船舶管理系统，能有效提高系统的性能，便于监管部门的执法以及救援。基于GIS的船舶管理系统在未来可成为水上智能化巡航、动态便捷执法、应急搜救智能决策、对内对外便捷服务的共享平台，能够满足在新形势下的船舶动态执法、信息化执法起保障作用及动态执法管理的需求。

1 船舶交通管理系统GIS技术基础

1.1 ArcGIS Server技术

ArcGIS Server是一个由分布在多台物理机上的每个角色共同工作完成的分布式系统。基于ArcGIS Server搭建的WebGIS应用程序能够支持多种类型的客户端，包括ArcGIS Engine Application、ArcGIS Desktop、Web 浏览器等[8]。如图1所示，主要描述了利用ArcGIS Server搭建WebGIS应用的各个组成部分。

图1 WebGIS系统的组成

1.2 Flex技术

Flex是Adobe研发的使开发人员可以开发和部署可升级的富互联网应用程序(RIA)的一系列工具和技术[9]。RIA是指类似Web网页开发的简易方式来部署架构客户端程序，它具有高度的用户互动性和丰富的用户体验。ArcGIS Server Flex的API是一个功能强大的框架，可以用它来打造美丽的ArcGIS Server的丰富的互联网应用程序(RIA)，有效的用户体验比当前的Web GIS更好。ArcGIS API for Flex 是 ESRI 2008年研发的WebGIS开发包。为ArcGIS Server开启了新的开发模式，它的运行速度特别快，为使用者提供良好的界面。

ArcGIS Flex API是以标准的Flex引用类库的形式存在的，文件以.swc为后缀，利用Flex Builder进行开发时，只需通过工程属性的library path选项将该API加入到工程的引用库中。ArcGIS Server for Flex是利用一个封装好的类库来开发应用程序，只需调用ArcGIS提供的方法接口就能实现大部分的功能，不用接触太多的AO接口。

1.3 WebService技术

WebService是一种高效的、基于互联网开放标准基础的分布式的应用模型。应用服务提供商(Application Service Provider)发布的、完成特定商务需求的在线应用服务可通过隐藏其服务实现的细节，使用户在使用该服务时独立于服务实现，服务的软、硬件平台和服务编写所用的编程语言，从而基于WebService的系统具有松散耦合、面向组件和跨技术实现的特点[10]。

WebService主要由3个部分构成，包括服务器端、客户端与服务中心。交互主要包含查找服务、服务发布以及绑定操作；通过以上角色WebService描述和实现模块[10]。WebService的工作原理可以概括为：服务器端定义Web服务的服务描述并在注册中心发布服务；客户端用户通过查询，在服务中心查询服务描述以获取所需要的服务；服务器端通过服务位置信息与客户端绑定，调取相应的Web服务。

1.4 其他相关技术

船舶GIS系统还用到了WebGIS技术、GPS/BDS技术、oracle数据库技术、5G通信技术等。

2 基于GIS的船舶交通管理系统的设计

2.1 框架设计

船舶GIS交通管理系统采用3层架构：①数据访问层，主要进行和数据库相关的设计，实现对数据表的查询选择、数据插入、要素更新、错误数据删除等数据操作；②业务逻辑层，是系统核心的一层，包括设计业务相关规则、实现业务流程，主要进行与业务需求和业务逻辑有关的系统设计；③表示层，负责系统操作员和整个系统UI的交互。采用3层架构模式设计系统具有良好的数据兼容性、可移植性。

2.2 界面设计

GIS用户界面设计的原则：①一致性原则；②合适的功能；③封装性；④灵活性；⑤合理、高效利用屏幕；⑥用户界面的效率；⑦提供反馈、帮助信息与出错处理机制；⑧与应用程序设计分离；⑨复杂性和可靠性[11-12]。

界面菜单结构如图2所示。

图2 船舶GIS交通管理系统图

2.3 系统拓扑结构设计

船舶交通管理系统拓扑结构可分为终端监控指挥、智能指挥中心、移动办公用户、现场信号接入、业务数据接入等几部分[13]，如图3所示。

图3 系统拓扑结构设计图

2.4 系统逻辑结构设计

基于GIS的船舶交通管理系统的逻辑结构设计如图4所示，系统的逻辑结构包括各种数据源、数据库、GIS服务系统、WEB服务器、船舶GIS系统用户交互终端[14]。终端包含网格化管理、船舶动态、应急管理、查询统计、水文气象等。

图4 系统逻辑结构的设计框图

2.5 数据库E-R设计

数据库总体E-R图如图5所示。

图5 数据库总体E-R图

3 系统功能开发与实现

系统主要有网格化管理模块、船舶动态模块、应急管理模块、查询统计模块和水文气象。下边以网格化管理、船舶动态、应急管理、查询统计、水文气象等功能展示。

3.1 网格化管理

网格化管理模块，点击菜单“网格管理”显示桌面小图标，里边有管理网格分类显示方式和网格标注方式选择框。可以根据网格等级、网格辖区、网格类型来选择显示方式；根据标注名称和标注编号来选择标注方式。

3.2 船舶动态监控

船舶动态监控是在船舶GIS系统上利用接口来实现的，包括视频监控(CCTV)、AIS信号监控、VTS信号监控、GPS/BDS信号监控以及海事专业系统监控。通过系统船舶动态监控来查找违法船舶和防范突发事故的发生，工作人员可以减少工作量，不用去现场巡查，提高了工作效率，减少了工作人员的劳动强度。

(1)监控方案

视频监控(CCTV)、AIS信号监控、VTS信号监控、GPS/BDS信号监控以及海事专业系统监控。本文仅就视频监控和AIS信号监控进行功能展示。

(2)视频监控巡航

添加CCTV巡航监控，对本辖区CCTV监控方案进行添加、修改、删除方案。在巡航步骤中添加、修改、删除方案步骤中的通航环境、视频枪、巡航时间、巡航里程。然后双击要执行的方案名开启CCTV监控巡航。55分屏模式。巡航开启后点击“停止”按钮，视频枪停留在当前步骤不继续向下跳转，只有点击“播放”按钮，视频枪才会继续跳转。也看对可控视频进行操控、截图等操作。可点击“返回列表”按钮，返回上一层菜单选择，或点击“全屏”可以清楚查看监控异常情况。

3.3 应急管理

应急管理分为系统管理、应急预案、周边船舶查询及船舶轨迹回放，针对船舶突发事件，做出相应的指挥调度决策。

(1)系统管理

选择管理辖区，把各个市分割成网格，进行网格化管理，船舶事件发生在哪一个辖区，就可以在辖区内实施就近救援和执法。

(2)应急预案

打开应急管理菜单中的应急预案，可查看显示各类应急资源，应急资源的定义是在通航环境菜单中的通航环境类型维护列表，在通航环境类型设置列表中选择某一类通航环境，并选择应急资源。该类通航环境即可在应急资源列表中显示。通过应急资源功能，可以选定违法船舶并进行跟踪。选择鼠标定位置点，同时设置查询范围、应急级别等。

(3)周边船舶查询

选择周边船舶后，鼠标右键在海图上点选。即可查看距离该点3海里范围内周边船舶列表。当通过船舶跟踪系统进入事故一定范围内，通过列表来选择查看违反船舶信息和位置，从而筛选定位出违法船舶。

(4)船舶轨迹回放

轨迹回放其实就是把船舶每个瞬时时刻的位置信息储存在数据库，船舶定位系统采用GPS/BDS技术，在GIS地图上边可以看到由每个点位构成的轨迹，可以清楚的直到某只船舶经过哪里，要去哪里，什么时间到的什么地方，便于实时掌握船舶的动态，利于进行船舶事故分析和违法船舶的跟踪。回放船舶航行轨迹，可以选择区域、船舶或回放文件。

3.4 查询统计

查询统计包含船舶流量统计、要素分类统计、在港船舶统计、违法行为查询。通过关键字查询和区域选取查询，通过在搜索栏里输入一个字符，进行统计查询。

通过鼠标点击界面上的要素，同样可以进行要素的查询，在图上点击一个点，右边界面显示要素的名称“主港浮标”。同时可以看到实时流量数据，包括AIS数据和VTS数据，实时地对区域内的船舶流量进行统计。

3.5 水文气象

水文气象是实时提供天气预报等气象信息的模块，结合气象观测点的实时观测数据及人工手动录入的水文气象数据，分析评估各辖区水域内的气象信息，且与各种船舶自身抗风等级数据库关联，给船舶停航、交通管制决策提供可靠依据。

4 结论

本文通过研究船舶GIS系统实现的相关理论技术，包括ArcGIS Server技术、Flex技术、Web Service技术等；完成了对船舶GIS系统的框架设计和界面设计，完成了对船舶GIS系统各个功能模块比较系统的设计；完成了船舶管理系统的功能设计开发，实现了船舶GIS管理系统的网格化管理、船舶动态、应急管理、查询统计和水文气象等模块的功能。将GIS技术应用到船舶交通管理系统上促进了海事业务的发展，提高了海事船舶的监管效率，降低了河道船舶交通事故率。

随着技术和数据的不断发展和完善，GIS智慧船舶管理系统将成为河道交通管理的一种重要手段。