水運(yùn)工程施工船舶管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王崇明，修義瑞，雷 鵬，隋海琛

（1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津300456；2.天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院天津市水運(yùn)工程測繪技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456；3.海軍海洋水文氣象中心，北京100161)

水運(yùn)工程施工船舶管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王崇明1，2，修義瑞3，雷 鵬1，2，隋海琛1，2

（1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津300456；2.天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院天津市水運(yùn)工程測繪技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456；3.海軍海洋水文氣象中心，北京100161)

水運(yùn)工程施工離不開各種船舶的支持，通常有一條主船和多條輔船。對(duì)于多船的施工作業(yè)，位置信息顯得尤為重要，每一條船都要清晰地知道其他船舶及錨纜等的位置，以及施工區(qū)域的地形地貌。此外，船舶之間的指揮、協(xié)同作業(yè)等，均需要建立在各種位置信息的基礎(chǔ)之上。文章在詳細(xì)調(diào)研水運(yùn)工程施工各個(gè)環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套用于水運(yùn)工程施工作業(yè)的船舶管理系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括通信管理模塊、圖形管理模塊、船舶指揮模塊和數(shù)據(jù)管理模塊四大部分，針對(duì)每一部分進(jìn)行詳細(xì)的任務(wù)分解。在此基礎(chǔ)上，采用C#語言和WPF界面引擎技術(shù)，編寫了水運(yùn)工程施工船舶管理系統(tǒng)軟件。

水運(yùn)工程；船舶管理系統(tǒng)；功能模塊；C#；WPF界面引擎技術(shù)

大型水運(yùn)工程通常涉及到多條船同時(shí)作業(yè)，作業(yè)區(qū)域可能會(huì)存在較為復(fù)雜的情況，比如存在石油平臺(tái)、海底管線、電纜、航道等地物。施工船必須掌握盡可能詳細(xì)的資料，才能保證施工的順利進(jìn)行，這樣就要求每條船上必須具有導(dǎo)航定位作業(yè)人員，提供詳盡的船舶和地物位置圖紙［1-2］。

目前，受到海上通訊條件和管理手段的限制，水運(yùn)工程施工過程中信息化技術(shù)水平還比較落后，各種工作的安排和作業(yè)主要依靠簡單的傳統(tǒng)方法和人工完成，技術(shù)含量低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率和安全性都比較低，例如：施工過程中來自多船、多種傳感器、多種施工信息的數(shù)據(jù)分布多樣化和離散化，缺少一體化的集成平臺(tái)，利用也不充分；船舶的調(diào)動(dòng)、信息的傳達(dá)包括船船之間仍在采用傳統(tǒng)的無線電對(duì)講方式，船岸之間采用電子郵件形式，而不是網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一的信息化和自動(dòng)化管理，沒有以直觀的實(shí)時(shí)圖形或視頻進(jìn)行表達(dá)，極易造成信息的誤報(bào)和延遲等。因此開展水上指揮部、水上施工現(xiàn)場、各個(gè)船舶、各個(gè)傳感器等多個(gè)層次之間通暢的數(shù)字圖文信息通信，結(jié)合以完善的電子海圖作為背景，建立施工現(xiàn)場基于船舶位置的綜合信息管理平臺(tái)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)于完善水運(yùn)工程的決策通信指揮系統(tǒng)以及信息通信網(wǎng)絡(luò)裝備等建設(shè)項(xiàng)目，提高決策的效率和及時(shí)性，保障水運(yùn)工程施工的順利進(jìn)行是很有必要的。

本系統(tǒng)以各種傳感器的數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，通過合理的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用C#語言和WPF界面引擎技術(shù)，解析融合各種數(shù)據(jù)，借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳遞和共享，以圖形和文字兩種方式顯示船舶和載體的各種信息，形成水運(yùn)工程施工的智慧指揮體系。

1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水運(yùn)工程施工船舶管理系統(tǒng)融合導(dǎo)航定位、AIS、無線電、移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、無線Mesh等技術(shù)，以施工現(xiàn)場指揮部為中心，建立無線局域網(wǎng)（船舶之間）、有線局域網(wǎng)（設(shè)備之間）與Internet網(wǎng)的無縫對(duì)接，通過穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸、科學(xué)高效的數(shù)據(jù)處理分析、逼真形象的數(shù)據(jù)展現(xiàn)和完整實(shí)用的數(shù)據(jù)管理，在網(wǎng)絡(luò)協(xié)同作業(yè)模式的基礎(chǔ)上建立海上網(wǎng)絡(luò)化施工指揮系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)多層次網(wǎng)絡(luò)、多節(jié)點(diǎn)分布、中樞管理、統(tǒng)計(jì)分析和遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能，使海上指揮部、操作船長、施工人員能及時(shí)溝通信息，確保水運(yùn)工程作業(yè)的順利完成，軟件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1System structure

1.1通信管理模塊

通信管理主要指硬件之間、同一條船上不同工作室之間、多條船之間的數(shù)據(jù)通信，主要包含數(shù)據(jù)接入及解析、數(shù)據(jù)輸出和雙向交互通信三部分功能模塊。

硬件通信接口目前普遍采用串口和網(wǎng)口的形式。串行接口簡稱串口，也稱串行通信接口，是采用串行通信方式的擴(kuò)展接口，工作中常用的是RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口。RS-232采用9芯D型插座（DB9），采取不平衡的傳輸方式，適用于PC串口和設(shè)備間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信［3］。RJ45接口通常用于數(shù)據(jù)傳輸，是網(wǎng)卡接口中不同接頭的一種類型。常見的RJ45接口有兩類：用于以太網(wǎng)網(wǎng)卡、路由器以太網(wǎng)接口等的DTE類型，還有用于交換機(jī)等的DCE類型［4］。

數(shù)據(jù)格式解析主要指軟件系統(tǒng)可以接收各種導(dǎo)航設(shè)備的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)解譯出來，進(jìn)行各種融合運(yùn)算，以便得到各個(gè)船舶和載體的地理位置。根據(jù)各種常用設(shè)備輸出數(shù)據(jù)的格式，預(yù)先定義好一個(gè)庫文件，將各種數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)在該庫文件中，便于在工作中直接調(diào)用。此外，為了解決非常規(guī)的數(shù)據(jù)格式解析，軟件還需要具有自定義數(shù)據(jù)格式的功能選項(xiàng)。

數(shù)據(jù)的輸出通常是為其他船舶或設(shè)備提供信息。為了實(shí)現(xiàn)多船的顯示，每條船必須將自己的位置信息輸出，位置數(shù)據(jù)的格式要包含船舶代碼、名稱、坐標(biāo)和艏向等信息。為其他設(shè)備如ROV錄像機(jī)，提供的信息需要包括ROV的位置坐標(biāo)、艏向、速度、KP值等。

交互通信模塊建立多條船舶之間消息通訊窗口，使船舶之間可以進(jìn)行信息的收發(fā)，實(shí)現(xiàn)多船間對(duì)話消息、文本、文件、圖片、視頻等的傳輸，完成多船之間人員信息、船舶動(dòng)態(tài)、油水報(bào)告、文件報(bào)表、氣象信息等的傳送。

1.2圖形管理模塊

圖形管理模塊將背景地圖、施工現(xiàn)場所有船舶、船舶錨和纜繩以及ROV等水下載體，在電腦屏幕上按照真實(shí)位置進(jìn)行多窗口的顯示，主要包括船位及地圖顯示和圖形繪制與操作兩部分功能。

船舶及其他載體在地圖上必須以真實(shí)的形狀尺寸顯示。繪制船舶、ROV、水工設(shè)施等各種施工中涉及到的物體的形狀尺寸，保存為船型文件，以便于軟件系統(tǒng)的調(diào)用。除了能繪制船舶等的形狀，還要繪制主要施工設(shè)施的工作點(diǎn)，如船舶浮吊基座、錨孔、打樁點(diǎn)、GPS天線、超短基線換能器、ROV釋放點(diǎn)等。背景地圖是水運(yùn)工程施工的基礎(chǔ)信息，包含施工區(qū)域的各種地理要素，如水深地形、海岸線、平臺(tái)管線等已有設(shè)施、海底障礙物、船舶設(shè)計(jì)位置、新建設(shè)施的設(shè)計(jì)位置等。

繪圖功能主要指在背景圖形上繪制各種形狀，如點(diǎn)、測線、圓和不規(guī)則曲線等，以輔助施工的進(jìn)行。圖形的操作主要指地圖的縮小、放大、平移、旋轉(zhuǎn)、距離方位量取等，便于舵手操船和施工指揮。

1.3船舶管理模塊

船舶管理模塊是系統(tǒng)的核心模塊，實(shí)現(xiàn)管理系統(tǒng)的主要功能，主要包括命令收發(fā)、指揮調(diào)度、起拋錨管理三部分。施工過程中主船給輔船發(fā)送的命令一般是協(xié)助施工作業(yè)，通常都是某個(gè)時(shí)間到某個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行某項(xiàng)作業(yè)，因此可以定義成統(tǒng)一的格式：

ProjectOrder#發(fā)命令時(shí)間#發(fā)命令船舶#接收命令船舶#時(shí)間信息#目標(biāo)位置#工作內(nèi)容

命令接收方的船舶在收到此類消息時(shí)，自動(dòng)提取命令內(nèi)容并在屏幕上顯示，將目標(biāo)點(diǎn)位置在背景地圖上顯示，同時(shí)將命令內(nèi)容保存至消息庫文件。自動(dòng)生成計(jì)劃航線，即船位與目標(biāo)點(diǎn)位置間顯示一根連線，還顯示至目標(biāo)點(diǎn)的距離、高差和方位角等數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)的指揮調(diào)度采用對(duì)講機(jī)的方式，容易受到干擾導(dǎo)致命令的無法傳達(dá)，效率低、出錯(cuò)率高。根據(jù)船舶位置，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)調(diào)度，保密性強(qiáng)。輔船接到命令后會(huì)給主船自動(dòng)回復(fù)，在完成命令要求的工作內(nèi)容后同樣反饋給主船，形成一種報(bào)告制度。

起拋錨管理是針對(duì)大型施工船起拋錨和移錨作業(yè)。根據(jù)就位位置和要求（錨孔位置、錨纜斜距或平距、錨纜與船艏向夾角或方位角）及對(duì)地物的容許距離（如管線、平臺(tái)）生成設(shè)計(jì)錨位。生成錨位后，可以對(duì)設(shè)計(jì)錨位進(jìn)行修改，將設(shè)計(jì)好的錨位坐標(biāo)落入背景底圖用于拋錨作業(yè)導(dǎo)航。拋錨完成后，記錄實(shí)際的錨位坐標(biāo)。統(tǒng)計(jì)起拋錨記錄文件中所有錨的設(shè)計(jì)位置和實(shí)際位置，形成輸出表格。

拋錨作業(yè)時(shí)，按照船長指揮將某個(gè)錨位發(fā)送給某條船，該船收到信息后保存為計(jì)劃錨位，錨落地后返回更新后的錨位，記錄時(shí)間，系統(tǒng)中所有船將其保存為實(shí)際錨位，并生成主船錨孔到錨位之間的連線，根據(jù)拋錨船、拋錨時(shí)間和拋錨坐標(biāo)自動(dòng)更新起拋錨記錄文件。

此外，借助遠(yuǎn)程協(xié)助軟件，實(shí)現(xiàn)主船對(duì)輔船上的船舶管理系統(tǒng)的操控，可以減少值班人員數(shù)量，提高多船協(xié)同作業(yè)的自動(dòng)化程度。

1.4數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理主要包含數(shù)據(jù)記錄與回放、數(shù)據(jù)處理與輸出兩個(gè)模塊，主要實(shí)現(xiàn)施工中各種設(shè)備數(shù)據(jù)和信息的管理。施工中所有船舶的位置信息都要進(jìn)行記錄，除了各種設(shè)備傳輸?shù)较到y(tǒng)中的原始數(shù)據(jù)外，還要記錄各船舶Offset及ROV等水下載體的格網(wǎng)坐標(biāo)等。數(shù)據(jù)記錄文件自動(dòng)以日期時(shí)間進(jìn)行命名，包含頭文件和數(shù)據(jù)文件兩部分。頭文件主要包括工程的坐標(biāo)參數(shù)、文件存儲(chǔ)路徑、記錄開始時(shí)間、設(shè)備名稱及偏移、工程項(xiàng)目備注信息等；數(shù)據(jù)文件主要包括系統(tǒng)接收到的各種設(shè)備數(shù)據(jù)、接收時(shí)間和標(biāo)號(hào)，所有進(jìn)入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)都將被記錄下來。為了確保施工過程的可追溯性，根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)文件，對(duì)施工過程中各船舶的動(dòng)態(tài)進(jìn)行回放。

數(shù)據(jù)處理及輸出主要是指對(duì)感興趣的數(shù)據(jù)如船舶航跡等，進(jìn)行平滑濾波處理，按照一定的格式進(jìn)行輸出輸出為文本文件或繪圖文件，以便進(jìn)行成果制作與提交。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1C#編程語言

C#是微軟公司在2000年6月發(fā)布的一種新的編程語言，一種面向?qū)ο蟮?、運(yùn)行于.NET Framework之上的高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言。C#綜合了VB簡單的可視化操作和C++的高運(yùn)行效率，以其強(qiáng)大的操作能力、優(yōu)雅的語法風(fēng)格、創(chuàng)新的語言特性和便捷的面向組件編程的支持成為.NET開發(fā)的首選語言［5］。

2.2WPF界面引擎技術(shù)

WPF（Windows Presentation Foundation）是微軟推出的基于Windows Vista的用戶界面框架，屬于.NET Framework 3.0的一部分。它提供了統(tǒng)一的編程模型、語言和框架，真正做到了分離界面設(shè)計(jì)人員與開發(fā)人員的工作；同時(shí)它提供了全新的多媒體交互用戶圖形界面?；贒irectX 9/10技術(shù)的WPF不僅帶來了前所未有的3D界面，而且其圖形向量渲染引擎也大大改進(jìn)了傳統(tǒng)的2D界面。WPF由兩個(gè)主要部分組成：引擎和編程框架。

（1）WPF引擎。WPF引擎統(tǒng)一了開發(fā)人員和設(shè)計(jì)人員體驗(yàn)文檔、媒體和UI的方式，為基于瀏覽器的體驗(yàn)、基于窗體的應(yīng)用程序、圖形、視頻、音頻和文檔提供了一個(gè)單一的運(yùn)行時(shí)庫。WPF使得應(yīng)用程序不僅能夠充分利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中現(xiàn)有的圖形硬件的全部功能，而且能夠利用硬件將來的進(jìn)步。

（2）WPF框架。WPF框架為媒體、用戶界面設(shè)計(jì)和文檔提供的解決方案遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過開發(fā)人員現(xiàn)在所擁有的。WPF的設(shè)計(jì)考慮了可擴(kuò)展性，使開發(fā)人員可以完全在WPF引擎的基礎(chǔ)上創(chuàng)建自己的控件，也可以通過對(duì)現(xiàn)有WPF控件進(jìn)行再分類來創(chuàng)建自己的控件。WPF框架的核心是用于形狀、文檔、圖像、視頻、動(dòng)畫、三維以及用于放置控件和內(nèi)容的面板的一系列控件。這些“自有控件”為開發(fā)下一代用戶體驗(yàn)提供了構(gòu)造塊［6-8］。

2.3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

水運(yùn)工程施工船舶管理系統(tǒng)具有典型的面向?qū)ο筇卣鳎妹嫦驅(qū)ο蟮姆庋b、繼承和多態(tài)等設(shè)計(jì)方法將系統(tǒng)中涉及的船舶、設(shè)備、人員等抽象為具有屬性、方法的類，提高了代碼的可讀性和系統(tǒng)的可維護(hù)性，并使系統(tǒng)易于擴(kuò)展。使用C#作為船舶管理系統(tǒng)的開發(fā)語言，具有開發(fā)效率高，代碼簡潔，結(jié)構(gòu)清晰的突出優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)使用WPF技術(shù)構(gòu)建用戶界面，它提供了統(tǒng)一的編程模型、語言和框架，真正做到了分離界面設(shè)計(jì)人員與開發(fā)人員的工作；同時(shí)它提供了全新的多媒體交互用戶圖形界面。此外，系統(tǒng)中的多船協(xié)作和遠(yuǎn)程設(shè)備數(shù)據(jù)連接，需要穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，相比較傳統(tǒng)的串口數(shù)據(jù)連接，基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，具有傳輸數(shù)據(jù)量大，時(shí)間延遲小等優(yōu)點(diǎn)，適合多船之間的數(shù)據(jù)通訊。系統(tǒng)軟件主要界面見圖2。

圖2 系統(tǒng)軟件主要界面Fig.2Main interface of software system

3 應(yīng)用實(shí)例

在南昌紅谷隧道沉管拖帶浮運(yùn)中，該軟件系統(tǒng)得到成功應(yīng)用。每條管節(jié)長115 m，寬30 m，高8.3 m。浮運(yùn)段贛江平均寬度約1.2 km，而滿足水深要求的浮運(yùn)航路寬度只有70 m。浮運(yùn)要按照給定的航路穿越三座大橋，行駛約8.5 km，才能從干塢抵達(dá)隧道修建場址。沉管浮運(yùn)主要靠5條拖輪的動(dòng)力，沉管和5條拖輪上均安裝相應(yīng)的硬件和軟件系統(tǒng)。主要硬件有沉管定位定向設(shè)備、姿態(tài)傳感器、船舶定位定向設(shè)備以及無線傳輸設(shè)備等。沉管作為船隊(duì)指揮中心，實(shí)時(shí)顯示、播發(fā)沉管和5條拖輪的位置信息，使每條船舶都可以顯示浮運(yùn)船隊(duì)的位置信息。按照設(shè)定的贛江航路，協(xié)調(diào)各條拖輪的航速和航向，指揮沉管船隊(duì)的前行。在2015年的施工作業(yè)中，共完成6節(jié)沉管的拖帶浮運(yùn)作業(yè)，該系統(tǒng)確保了每節(jié)沉管均安全抵達(dá)隧道修建場址，為沉管隧道的按時(shí)完工提供了重要保障。圖3為E1管節(jié)穿越南昌大橋的導(dǎo)航截圖。

圖3 E1管節(jié)浮運(yùn)導(dǎo)航Fig.3Transport navigation of E1

4 結(jié)論

水運(yùn)工程施工船舶管理系統(tǒng)，解決了多傳感器數(shù)據(jù)融合、多種數(shù)據(jù)時(shí)間同步、網(wǎng)絡(luò)化多通道數(shù)據(jù)收發(fā)等難題，實(shí)現(xiàn)了多條船舶協(xié)同作業(yè)的綜合導(dǎo)航定位。該系統(tǒng)綜合多年來海洋施工的工程經(jīng)驗(yàn)和多個(gè)相關(guān)課題的研究成果，涵蓋了當(dāng)前國內(nèi)外在水上水下導(dǎo)航定位傳感器中所涉及的主流設(shè)備，緊密結(jié)合施工過程中現(xiàn)場作業(yè)指揮人員的實(shí)際需要，提供實(shí)時(shí)高效的輔助決策信息。目前系統(tǒng)在多個(gè)工程項(xiàng)目中得到成功應(yīng)用，并不斷升級(jí)維護(hù)，穩(wěn)定可靠，能夠?yàn)樗\(yùn)工程施工作業(yè)提供持續(xù)不間斷的服務(wù)。由于軟件系統(tǒng)可以根據(jù)現(xiàn)場情況和施工要求不斷改進(jìn)，極大地提升了軟件的適用性，在深遠(yuǎn)海等新興領(lǐng)域必將有遠(yuǎn)大前景。

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Software design and implementation of water transport engineering vessel management system

WANG Chong?ming1，2,XIU Yi?rui3,LEI Peng1，2,SUI Hai?chen1，2
（1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Tianjin 300456,China;2.Tianjin Key Laboratory of Surveying and Mapping for Waterway Transport Engineering,Tianjin Survey and Design Institute for Water Transport Engineering,Tianjin 300456,China;3.Navy Marine Hydrometeorological Center,Beijing 100161,China）

The support of kinds of vessel is very important for the water transport engineering construction. Normally,there are several auxiliary vessel and one main vessel.The position information is important for the ves?sel.The position information contents every vessel,mooring rope,anchors,topography and so on.Vessel′s command and collaborative operations are all based on the position information.Based on a set of investigation of water trans?port engineering construction,one vessel management system was designed.There are four parts:communication management module,graphic management module,ship command module and data management module.C#and WPF interface engine technology were used to program the system.Now the software has been widely used in the ac?tual work.

water transport engineering；vessel management system；function module；C#；WPF interface en?gine technology

TP 315；U 675.7

A

1005-8443（2016）02-0203-05

2015-03-30；

2015-12-28

王崇明(1984-)，男，山東省濟(jì)南市人，工程師，主要從事水運(yùn)工程勘察測繪研究工作。

Biography：WANG Chong?ming（1984-），male，engineer.