一種基于衛(wèi)星通信與GIS的艦隊(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)

王鄭睿

(河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州450008)

0 引 言

隨著航運(yùn)業(yè)的不斷發(fā)展，圖形化的船舶及艦隊(duì)狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。這種系統(tǒng)可以通過(guò)圖形化的方式，直觀的將當(dāng)前船舶及艦隊(duì)的位置、航向等信息顯示出來(lái)，相較于傳統(tǒng)的基于雷達(dá)等技術(shù)的艦隊(duì)監(jiān)視系統(tǒng)，具有直觀、友好、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為了當(dāng)前商用及軍用艦隊(duì)航行中不可或缺的助航裝備。然而，縱觀當(dāng)前獲得實(shí)用的圖形化艦隊(duì)監(jiān)視系統(tǒng)，由于較低的信息刷新速率、較少的信息顯示種類和難以與其他信息系統(tǒng)兼容的特性，使得其使用起來(lái)十分不便，且工作效率較低［1］。為了克服以上問(wèn)題，本文通過(guò)深入研究艦隊(duì)監(jiān)視系統(tǒng)的需求，依托當(dāng)前成熟的通信技術(shù)和地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一種信息刷新速率較高且能夠兼容多種信息的艦隊(duì)監(jiān)視系統(tǒng)，在本文中，將對(duì)該系統(tǒng)的框架和各部分功能進(jìn)行詳細(xì)描述，并通過(guò)性能分析，證明該系統(tǒng)的有效性和可行性。

1 系統(tǒng)整體框架

整個(gè)系統(tǒng)由艦隊(duì)終端、衛(wèi)星通信網(wǎng)、岸基服務(wù)器和GIS 服務(wù)器4 個(gè)部分組成。其中艦隊(duì)終端安裝于船舶之上，負(fù)責(zé)收集和傳輸艦隊(duì)的信息，并傳輸給系統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行處理;衛(wèi)星通信網(wǎng)負(fù)責(zé)提供相應(yīng)的通信接口，并高效、可靠地將信息發(fā)送給岸基服務(wù)器;岸基服務(wù)器是本系統(tǒng)的核心，其與GIS 服務(wù)器相連，根據(jù)艦隊(duì)傳輸?shù)男畔?，將各種信息進(jìn)行融合和計(jì)算之后，生成特定的文件，并交給GIS 系統(tǒng)進(jìn)行處理;GIS 服務(wù)器是通用、開放的地理信息服務(wù)提供商，如Google Earth、百度地圖等，GIS 服務(wù)器通過(guò)接收岸基系統(tǒng)服務(wù)器提交的文件，對(duì)自身的地圖及信息顯示進(jìn)行更新，進(jìn)而安裝于船舶之上的GIS 終端可以訪問(wèn)GIS 服務(wù)器，獲得圖形化的艦隊(duì)狀態(tài)顯示。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the fleet monitoring system

本文所提出的系統(tǒng)中，各種信息的格式采用KML［2］進(jìn)行定義和描述。KML 是一種基于XML 的地標(biāo)定義語(yǔ)言，與其他信息格式相比，具備以下優(yōu)勢(shì):首先，其靈活的描述語(yǔ)言能夠定義多種類型信息，具備較好的可擴(kuò)展性;其次，由于其基于XML，因而可以方便地使用HTTP 協(xié)議進(jìn)行傳輸，并與GIS 系統(tǒng)進(jìn)行融合。以下對(duì)系統(tǒng)各個(gè)關(guān)鍵模塊進(jìn)行功能描述。

1.1 艦隊(duì)終端

艦隊(duì)終端主要包含3 部分功能:接收來(lái)自RS232 接口的信息，通過(guò)信息傳輸模塊傳輸數(shù)據(jù)和圖像信息，包含GIS 終端訪問(wèn)GIS 系統(tǒng)。

經(jīng)過(guò)多年的研究和開發(fā)，海上圖像采集系統(tǒng)［3］已經(jīng)逐漸成熟，并被如UTM 這樣的機(jī)構(gòu)廣泛使用。類似于海上圖像采集系統(tǒng)、雷達(dá)等這樣的裝置，能夠提供船舶和艦隊(duì)的位置、航向、航跡等多種信息，并通過(guò)相應(yīng)的協(xié)議，如RS232，傳輸給部署于船舶之上的系統(tǒng)終端。

通常情況下，這類信息分為2 種:一種是較為簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)信息，如航速、經(jīng)緯度等;另一種是較為復(fù)雜的圖像信息，如船用攝像機(jī)拍攝的圖像等。對(duì)于數(shù)據(jù)信息來(lái)說(shuō)，使用UDP 協(xié)議［4-5］傳輸較為合適，該協(xié)議使用較為簡(jiǎn)單，可以降低艦隊(duì)終端的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性，同時(shí)由于其無(wú)連接的特性，能夠更好的適應(yīng)艦隊(duì)的移動(dòng)特性。而對(duì)于圖像來(lái)說(shuō)，其發(fā)送和接收分別采用wget［6］和rsync［7］應(yīng)用接口，這2 種接口被廣泛應(yīng)用于傳輸船舶攝像機(jī)采集圖像的傳輸，相比與其他傳輸模式和接口，其更加適合于圖像更新等任務(wù)。

GIS 終端具有較大的靈活性，當(dāng)前的GIS 應(yīng)用有多種形式，因而GIS 終端可以使用專用的系統(tǒng)應(yīng)用，采用加密信道訪問(wèn)專門的GIS 系統(tǒng);也可以使用通用的個(gè)人計(jì)算機(jī)，通過(guò)訪問(wèn)Web 端的地理信息系統(tǒng)查看艦隊(duì)信息;甚至可以使用智能手機(jī)配合相應(yīng)的APP，實(shí)現(xiàn)對(duì)于GIS 系統(tǒng)的訪問(wèn)。則可以看出，本文提出的系統(tǒng)與傳統(tǒng)的專用系統(tǒng)相比，采用外部、成熟的GIS 系統(tǒng)，大大降低了實(shí)現(xiàn)的難度以及使用的成本。

1.2 衛(wèi)星通信網(wǎng)

實(shí)現(xiàn)艦隊(duì)終端與衛(wèi)星通信網(wǎng)的互聯(lián)，主要采用甚小口徑天線地球站(VSAT)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)VSAT 能夠?qū)⑴炾?duì)終端接入SEAMOBIL 和HISDESAT 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，這2 種衛(wèi)星通信網(wǎng)在海事、通信等領(lǐng)域，均已得到廣泛的應(yīng)用，具有大量的地面衛(wèi)星站，并覆蓋了除兩極之外絕大多數(shù)的地球表面，如圖2所示。

圖2 衛(wèi)星通信網(wǎng)示意圖Fig.2 Satellite communication network diagram

VSAT 通信采用C 波段或X 波段，相比與國(guó)際海事衛(wèi)星(INMARSAT)終端，VSAT 能夠提供更好的數(shù)據(jù)傳輸容量。同時(shí)INMARSAT 采用艦隊(duì)船舶共享連接的方式，為每艘船舶提供的帶寬有限，而VSAT 則采用的是專用信道，能夠提供給船舶和艦隊(duì)更加穩(wěn)定的傳輸信道和更高的傳輸質(zhì)量。另外，與INMARSAT 相比，VSAT 具有更低的獲取成本和使用成本，因而使用VSAT 具有更好的經(jīng)濟(jì)性。

通過(guò)以上介紹的衛(wèi)星通信網(wǎng)，使得艦隊(duì)終端和岸基服務(wù)器之間能夠建立持久穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接，從而可以提供實(shí)時(shí)的、高信息刷新速率的數(shù)據(jù)服務(wù)。

1.3 岸基服務(wù)器

岸基服務(wù)器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，由圖1 顯示的岸基服務(wù)器與艦隊(duì)終端之間的交互過(guò)程，可以看出整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)中心化的結(jié)構(gòu)。

岸基服務(wù)器共有3 個(gè)主要功能:接收衛(wèi)星通信網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和圖像信息;根據(jù)接收到的信息融合并計(jì)算生成KML 文件;通過(guò)HTTP 協(xié)議棧［8］將KML傳輸給相應(yīng)的GIS 服務(wù)器。

根據(jù)第1. 1 節(jié)的敘述，岸基服務(wù)器具有2 種不同的數(shù)據(jù)接收接口，其中UDP 協(xié)議棧負(fù)責(zé)接收艦隊(duì)終端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，而“rsync”應(yīng)用接口負(fù)責(zé)接收傳輸?shù)膱D像信息。這2 種接口與艦隊(duì)終端接口類似，均可使用軟件實(shí)現(xiàn)，并已得到廣泛應(yīng)用。

岸基服務(wù)器中的KML 文件產(chǎn)生模塊是岸基服務(wù)器的關(guān)鍵功能，其能夠根據(jù)實(shí)現(xiàn)定義的KML 文件格式，和各種信息的內(nèi)容，將信息嵌入KML 文件模板中，產(chǎn)生正確可用的KML 文件，進(jìn)而通過(guò)HTTP 協(xié)議，將其傳輸給綁定的GIS 服務(wù)器。

2 KML 文件的格式與生成

KML 文件時(shí)當(dāng)前GIS 系統(tǒng)廣泛使用的地標(biāo)文件，由于KML 由XML 發(fā)展而來(lái)，因而KML 文件的格式和定義方法集成了XML 的特點(diǎn)。

2.1 KML 文件的格式

與一般基于XML 的語(yǔ)言類似，其廣泛采用標(biāo)記定義各種數(shù)據(jù)塊。其主要含有以下幾個(gè)部分:位置數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、航跡數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)和字節(jié)數(shù)據(jù)。各個(gè)部分的格式如下所示:

通過(guò)以上的KML 文件格式，可將不同類型的信息嵌入其中形成KML 文件。

2.2 KML 文件的生成

KML 文件生成的過(guò)程，就是根據(jù)KML 文件格式，不斷分析與填充相應(yīng)數(shù)據(jù)的過(guò)程［9］。KML 文件生成的流程圖如圖3 所示。

圖3 KML 文件生成流程圖Fig.3 Flow chart of KML files′ generation

KML 文件的生成過(guò)程應(yīng)遵循以下步驟:首先，KML 文件產(chǎn)生模塊需要根據(jù)信息來(lái)源判斷和識(shí)別船舶的信息;然后根據(jù)導(dǎo)航信息生成基本的數(shù)據(jù)，之后再根據(jù)信息中包含的媒體信息和其他信息［10］，對(duì)KML 文件進(jìn)行完善;最后形成完整的KML 文件，并使用HTTP 協(xié)議進(jìn)行傳輸。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與仿真

最后，本文在OPNET 中構(gòu)建模擬的衛(wèi)星通信網(wǎng)，并仿真實(shí)現(xiàn)了艦隊(duì)終端和岸基服務(wù)器，模擬了艦隊(duì)終端與岸基服務(wù)器之間的交互過(guò)程，并利用Google Earth 證明了生成KML 文件的正確性。在OPNET 中的實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D如圖4 所示。

圖4 仿真拓?fù)鋱DFig.4 The simulation topology

3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

通過(guò)艦隊(duì)終端產(chǎn)生的信息，仿真寬帶衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，UDP 流量約為25 ～36 kb/s，持續(xù)時(shí)間約為20 s，丟包率小于1%。而傳輸圖像數(shù)據(jù)的速率約為80 ～120 kb/s，持續(xù)時(shí)間約為15 s。根據(jù)以上仿真可知，本系統(tǒng)中采用的通信接口和鏈路，其帶寬能夠滿足系統(tǒng)信息的傳遞以及更新需求。

按照第2.2 節(jié)中方法，生成KML 文件，并在Google Earth 中導(dǎo)入，生成的實(shí)時(shí)監(jiān)視狀態(tài)圖，如圖5 所示。

圖5 Google Earth 中加載KML 文件圖Fig.5 KML file loaded in Google Earth

通過(guò)圖5 可看到，KML 文件可以在通用的GIS系統(tǒng)中得到顯示和應(yīng)用，不僅包含了船舶的位置、航向等，還能夠根據(jù)需求顯示詳細(xì)的航跡信息及其他信息。

3.2 負(fù)載測(cè)試

在系統(tǒng)的實(shí)際使用過(guò)程中，由于本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用中心化的結(jié)構(gòu)，因而岸基服務(wù)器將承擔(dān)較大的負(fù)載。本文將利用圖4 所示拓?fù)洌^續(xù)對(duì)岸基服務(wù)器的工作負(fù)載進(jìn)行測(cè)試，主要測(cè)試內(nèi)容是KML 文件產(chǎn)生時(shí)，對(duì)服務(wù)器資源的占用。

在仿真中，采用通用X86 計(jì)算機(jī)模擬服務(wù)器，采用Core i3 雙核處理器，4G 內(nèi)存，運(yùn)行Win7(64bit)操作系統(tǒng)，采用軟件實(shí)現(xiàn)KML 產(chǎn)生模塊，設(shè)計(jì)各個(gè)艦隊(duì)終端的信息到達(dá)服從泊松分布，在第3.1 節(jié)中研究的信息通信負(fù)載下進(jìn)行測(cè)試，最終得到CPU 的占用率如圖6 所示。

圖6 CPU 負(fù)載測(cè)試結(jié)果Fig.6 Result of CPU load test

通過(guò)以上測(cè)試結(jié)果可知，在實(shí)際使用過(guò)程中，當(dāng)帶寬滿足系統(tǒng)傳輸要求時(shí)，CPU 的占用率約為16% ～22%，證明岸基服務(wù)器能夠滿足本系統(tǒng)用戶的實(shí)際需求。

4 結(jié) 語(yǔ)

圖形化的艦隊(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)，是近年來(lái)出現(xiàn)的船舶及艦隊(duì)用助航設(shè)備，憑借其自動(dòng)化和圖形化的特點(diǎn)，迅速得到了廣泛的應(yīng)用。然而由于設(shè)計(jì)的缺陷和技術(shù)的制約，當(dāng)前使用的船舶及艦隊(duì)狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)，仍有許多不足，無(wú)法完全滿足用戶的需求。本文針對(duì)以上問(wèn)題，提出了一種基于衛(wèi)星通信與GIS 的艦隊(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)，對(duì)該系統(tǒng)的整體框架進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)各個(gè)主要模塊進(jìn)行了功能描述，設(shè)計(jì)了KML 文件的格式與生成算法。最終對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)和仿真，在通用的GIS 平臺(tái)上驗(yàn)證了本文提出方法的正確性和可用性，并在OPNET 仿真平臺(tái)上，測(cè)試了系統(tǒng)核心模塊的工作負(fù)載，證明了本系統(tǒng)的高效性和可靠性。

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