地理信息系統(tǒng)（GIS）在挖泥船中的應(yīng)用

摘 要：挖泥船舶在疏浚過程中為了應(yīng)對復(fù)雜的施工水域，提高施工精度和施工效率，必須要對船舶進(jìn)行全方位、精細(xì)化的管理。研究地理信息系統(tǒng)（GIS）在疏浚船舶施工中的應(yīng)用，就是把船舶在航道施工中的方方面面的信息匯集到一起，給施工人員、船舶操作人員、管理者提供指導(dǎo)和參考。幫助解決施工前、施工中、施工后的等等管理問題，提高管理水平和施工效率。

關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng) 挖泥船 施工效率

地理信息系統(tǒng)簡稱GIS系統(tǒng)，GIS（Geographic Information System）它是利用現(xiàn)代計算機圖形和數(shù)據(jù)庫技術(shù)來處理地理空間及其相關(guān)數(shù)據(jù)的計算機系統(tǒng)，是融地理學(xué)、測量學(xué)、幾何學(xué)、計算機科學(xué)和應(yīng)用對象為一體的綜合性高新技術(shù)。其最大的特點就在于：它能把地球表面空間事物的地理位置及其特征有機地結(jié)合在一起，并通過計算機屏幕形象、直觀地顯示出來。這一特點使得GIS具有更加廣泛的用途。

研究必要性

挖泥船疏浚施工中，船舶首先準(zhǔn)確掌握施工區(qū)域及其水深情況，制定施工方案。施工過程中施工船舶需保證精確的施工定位和挖深。施工結(jié)束后，需進(jìn)行施工檢查以保證施工質(zhì)量，確保沒有漏挖或施工深度不達(dá)標(biāo)的現(xiàn)象存在，避免重復(fù)施工或者出現(xiàn)施工死角。

傳統(tǒng)的施工方式不能準(zhǔn)確的定位施工位置及施工區(qū)域的水下情況，不能清晰的了解區(qū)域的GIS信息，給船舶施工帶來不便，容易產(chǎn)生多挖、漏挖等施工不便的問題。如何提高航道疏浚工程施工的管理水平？如何提高施工設(shè)計的準(zhǔn)確性、及時性？ 如何提高施工過程中的施工精度、如何保證施工過程的監(jiān)督、如何保證施工質(zhì)量檢查的有效性和準(zhǔn)確性等都是擺在我們面前問題。

研究的思路

1、總體技術(shù)方向

根據(jù)挖泥船作業(yè)的實際狀況，從穩(wěn)定、可靠、操作簡單及便于施工的角度出發(fā)，融合GIS、計算機圖形、信號檢測及處理、無線實時通信等主要技術(shù)，集成了長江電子航道圖或電子海圖、船舶位置實時定位、挖泥剖面實時管理、挖槽管理、工作軌跡記錄、船舶吃水狀態(tài)監(jiān)測等主要功能，使整個挖泥作業(yè)過程都得到有效的監(jiān)測。

2、研究內(nèi)容

2.1研發(fā)適合挖泥船船舶特點的GIS軟件

挖泥船在疏浚施工有著自身獨有的特點，受到比如水深的變化、航槽的走向、水流的速度、航行標(biāo)志的位置等外界因素的影響。所以針對這些特點研發(fā)適合挖泥船特點的GIS軟件十分有必要。

矢量數(shù)據(jù)存儲。根據(jù)現(xiàn)實地物的特性，將地物分為三大類（點、線、面），使用多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來存儲和管理矢量數(shù)據(jù)。

GIS數(shù)據(jù)顯示。根據(jù)圖形學(xué)的原理，對顯示數(shù)據(jù)按照世界坐標(biāo)，窗口坐標(biāo)來進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。圖形通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換用就可以利用WINDOWS的GDI接口在屏幕上畫出相應(yīng)地物。在該GIS平臺中，對于點、線、面進(jìn)行了額外的表達(dá)處理，也就是點、線、面可以有許多種顯示方式。這同時也符合GIS標(biāo)準(zhǔn)中數(shù)據(jù)和表達(dá)分開的基本規(guī)則。

GIS數(shù)據(jù)編輯。通過引入選擇集，點緩沖，草圖，重做的系列思想，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)編輯過程的選擇、編輯、編輯現(xiàn)場保護以及編輯保存和重做。

空間數(shù)據(jù)庫。由于GIS空間數(shù)據(jù)往往數(shù)據(jù)量非常龐大，那么單純靠簡單的文件格式來保存GIS數(shù)據(jù)是不太容易的，另外進(jìn)行檢索也比較困難。所以研究GIS平臺開發(fā)了一套空間數(shù)據(jù)庫的引擎。通過將矢量數(shù)據(jù)存儲模塊和金字塔索引技術(shù)結(jié)合，將空間數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中，并且利用數(shù)據(jù)庫強大的檢索功能，來完成復(fù)雜的空間檢索?？臻g數(shù)據(jù)庫支持多種數(shù)據(jù)庫：包括Access、SqlServer、Oracle、Sybase等。

外掛其他格式矢量數(shù)據(jù)?？紤]到兼容各種施工相關(guān)的矢量數(shù)據(jù)。比如HiPack測量數(shù)據(jù)，中海達(dá)測深數(shù)據(jù)，AutoCAD施工數(shù)據(jù)等。通過研發(fā)的數(shù)據(jù)解析模塊首先對上述需要掛接的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，然后通過矢量數(shù)據(jù)存儲模塊將解析后的數(shù)據(jù)加載到GIS平臺中使用。這樣的設(shè)計最大的好處就是無縫的支持各種格式數(shù)據(jù)，使使用者在使用這些數(shù)據(jù)前無需進(jìn)行額外的格式轉(zhuǎn)換工作。

2.2精確的施工定位技術(shù)

精確的施工定位技術(shù)。利用船載現(xiàn)有的GPS定位設(shè)備，結(jié)合船舶的各類施工設(shè)備數(shù)據(jù)和相應(yīng)傳感器，精確計算船舶的施工定位。

傳感器的接入：電磁流量計、密度計、垂直角度傳感器、水平擺角傳感器、真空壓力傳感器、壓力傳感器、吃水傳感器、船舶姿態(tài)傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、溫度傳感器、電流傳感器、接近開關(guān)等。

通過串口接入的方式對信號進(jìn)行采集，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，轉(zhuǎn)換。再用文字和圖形的方式顯示。

2.3將電子航道圖或電子海圖用于挖泥船疏浚作業(yè)

將電子航道圖或電子海圖數(shù)據(jù)疊加到施工管理界面中，和施工設(shè)計圖、船舶定位圖、測量水深圖、施工歷史軌跡等數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，給船上施工人員、項目管理人員提供直觀的觀測界面。

GIS系統(tǒng)：根據(jù)工程船舶施工特點進(jìn)行定制的GIS系統(tǒng)。具備高效、穩(wěn)定、使用簡單等特點，更加適合挖泥船使用。不但具備GIS系統(tǒng)中的基本功能，并且根據(jù)不同類型的施工船舶設(shè)計一些特有的功能。比如施工計劃線設(shè)定、批量平行線、拋錨定位功能等。

船舶數(shù)據(jù)采集：①通過工業(yè)接口采集各種傳感設(shè)備的數(shù)字化數(shù)據(jù)。②通過工業(yè)總線接口采集各種設(shè)備的數(shù)據(jù)。③通過工業(yè)模擬量采集模塊采集各種傳感器的模擬量數(shù)據(jù)。④通過OPC采集PLC系統(tǒng)中的各種模擬量、開關(guān)量數(shù)據(jù)。

船舶施工管理。船舶端施工管理主要包含下列功能：①船舶施工定位：根據(jù)GPS數(shù)據(jù)對船舶和船舶各個部位進(jìn)行定位，包含船舶主體、左耙耙頭、右耙耙頭、艏沖架。要求上述各個部位的定位精度<=1米，船舶定向精度<=0.3度。施工部件定位中要結(jié)合左、右耙的下放深度、水平位移對耙頭的定位進(jìn)行修正，要結(jié)合艏沖架的下放深度對艏沖架沖嘴定位進(jìn)行修正。②耙位指示儀：采用計算機圖形化模擬方式顯示的耙位指示 儀，是耙吸式挖泥船上重要的施工指導(dǎo)儀表。該儀表中顯示施工過程中吸口吃水、下耙到位指示、收耙到位指示、壓耙報警、耙頭距眩邊距離、潮汐、下耙深度和標(biāo)高、船舶橫傾和縱傾、船舶各個水尺吃水等。耙位指示儀顯示界面采用側(cè)視、俯視、艉視三種角度來觀測耙臂的實際狀況。下耙深度的精度誤差不大于0.2米。③艏沖架指示儀：采用計算機圖形化模擬方式顯示的艏沖架指示儀，是采用艏沖方式施工時的重要指示儀表。該儀表中顯示施工過程中的沖嘴下放深度線、水面線、艏沖架零位線、艏沖架下放最大深度線、沖水壓力、艏沖絞車運動方向、測深儀數(shù)據(jù)等。沖嘴深度的精度誤差不大于0.2米。④船舶姿態(tài)儀：直觀顯示船舶的6個水尺吃水、橫傾、縱傾。要求水尺吃水精度<=0.1米，橫傾和縱傾精度<=0.1度。提供船舶超吃水報警和橫傾超5度報警。⑤船舶裝載儀：船舶裝載儀是耙吸式挖泥船上重要的施工指導(dǎo)儀表。根據(jù)船舶的吃水情況結(jié)合船舶設(shè)計的吃水曲線自動計算船舶的裝載量，提供裝載量歸零快捷設(shè)置功能，通過歸零計算后，可以準(zhǔn)確計算從歸零后的實際船舶裝載量。

機艙監(jiān)測：在機艙集控室配置機艙監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)對機艙的各種主機設(shè)備和施工設(shè)備的運行狀態(tài)實時監(jiān)測并以圖形化方式呈現(xiàn)。其中左、右推進(jìn)系統(tǒng)、泥泵系統(tǒng)、主發(fā)電機組、停泊發(fā)電機組等。

船舶日常管理：施工船舶的日常管理，包含船舶的班次管理、加油記錄管理、燃潤油月報管理、日常報表管理、船舶狀態(tài)管理等。

船舶遠(yuǎn)程監(jiān)測管理：建立船舶和中心服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)連接，將船舶上的各類數(shù)據(jù)按照系統(tǒng)要求的傳輸頻率傳輸至中心服務(wù)器，同時接收來自中心服務(wù)器發(fā)送的各類數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

無線數(shù)據(jù)傳輸：符合工業(yè)級要求的專用無線傳輸設(shè)備，將船舶端各種類型數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行姆?wù)器。網(wǎng)絡(luò)連接和傳輸支持多網(wǎng)融合、智能選網(wǎng)、數(shù)據(jù)壓縮、高強度加密、斷點續(xù)傳等多種技術(shù)來保證數(shù)據(jù)的完整和安全，數(shù)據(jù)接受者本地硬件解密。

系統(tǒng)擴展接口：在船舶上還配備了許多其他的系統(tǒng)，比如：CWBT、船舶設(shè)備故障在線檢測與診斷系統(tǒng)，這些系統(tǒng)不但需要和船舶端系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，還有可能共用數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、甚至有可能共用服務(wù)器系統(tǒng)、管理終端系統(tǒng)。系統(tǒng)擴展接口管理模塊主要用來解決和其他系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并允許其他系統(tǒng)在依照船端無線遠(yuǎn)傳網(wǎng)絡(luò)管理規(guī)則的前提下共用的傳輸網(wǎng)絡(luò)。擴展接口管理模塊通過制定標(biāo)準(zhǔn)的擴展協(xié)議，制定標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)交換流程來達(dá)到數(shù)據(jù)的共享、傳輸鏈路的共享。

研究實施要達(dá)到的效果

1、施工現(xiàn)場效率和質(zhì)量的提高

施工定位精度由以前的3米提高到1米以內(nèi)。

根據(jù)船舶吃水，準(zhǔn)確計算船舶任意位置吃水、吸口吃水、提供了準(zhǔn)確的船舶裝載量。

提供了準(zhǔn)確的耙臂、耙頭定位，直觀顯示耙頭在水下的施工情況，直觀的顯示，幫助施工人員避免壓耙情況的發(fā)生等。

施工定位系統(tǒng)支持各種水深測量數(shù)據(jù)、施工設(shè)計文件，結(jié)合這些數(shù)據(jù)對施工船舶進(jìn)行施工定位輔助，確保了施工的三維精度。

2、提高管理水平、節(jié)省管理成本

施工管理人員只需要連接上互聯(lián)網(wǎng)即可以實時準(zhǔn)確的掌握施工船舶的實時動態(tài)、施工情況以及各種工況參數(shù)，還可以對施工船舶的施工歷史任意回朔，可以查閱施工船舶的歷史施工軌跡線、對施工船舶的歷史工況數(shù)據(jù)均可以任意查看。比如管理人員可以查閱任意歷史時間端內(nèi)的施工密度、流量，可以根據(jù)此數(shù)據(jù)判斷施工效率。又比如管理人員可以查詢?nèi)我鈺r間段的船舶航速，可以根據(jù)此分析船舶用于施工和用于拋泥的時間占比等。不但可以隨時掌握來自生產(chǎn)一線的實時數(shù)據(jù)，并且可以根據(jù)系統(tǒng)中提供的各種統(tǒng)計分析模型來對各類生成、管理數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為管理層做出正確決策提供實時、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)。即節(jié)約了管理開銷和成本，又提高了管理效率，提升了管理水平。

結(jié)論

地理信息系統(tǒng)（GIS）在挖泥船舶中的應(yīng)用，可使船舶更好的應(yīng)對水域復(fù)雜多變的情況。采用GIS技術(shù)、船舶遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)，充分考慮挖泥船施工的特點，幫助解決施工前、施工中、施工后的等等管理問題，提高管理水平和施工效率，真正使挖泥船疏浚施工達(dá)到安全高效、節(jié)能環(huán)保、平安綠色的目的。

（長江武漢航道工程局）