基于北斗導(dǎo)航的船閘報(bào)閘管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（廣西西江開發(fā)投資集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530022）

【摘 要】設(shè)計(jì)了一套基于北斗導(dǎo)航技術(shù)的船閘報(bào)閘管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合GPRS全球移動(dòng)通信技術(shù)、GIS地理信息技術(shù)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了船閘業(yè)務(wù)管理及GIS地圖應(yīng)用2個(gè)主要模塊。文章對(duì)系統(tǒng)的總體架構(gòu)、設(shè)計(jì)過(guò)程中使用的關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行了描述。

【關(guān)鍵詞】北斗導(dǎo)航；船閘報(bào)閘；管理系統(tǒng)；GIS

【中圖分類號(hào)】TP311.52 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2016）06-0030-04

0 引言

由于受信息化技術(shù)、通信手段等多種因素的制約，我國(guó)一些內(nèi)河航運(yùn)尚存在下岸報(bào)閘、插隊(duì)報(bào)到等現(xiàn)象，造成堵船、滯船等航運(yùn)通道不暢、過(guò)閘效率低等問(wèn)題。隨著我國(guó)北斗導(dǎo)航技術(shù)的出現(xiàn)及GIS（Geographic Information System，簡(jiǎn)稱GIS）和通信技術(shù)的成熟，船閘的調(diào)度管理工作已經(jīng)進(jìn)入了計(jì)算機(jī)輔助支持的實(shí)時(shí)管理階段，利用這些信息化手段可以極大地提高通航效率，解決航運(yùn)不暢的現(xiàn)狀。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)通過(guò)對(duì)船閘報(bào)閘業(yè)務(wù)及調(diào)度原則的分析，結(jié)合北斗導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用，架構(gòu)出基于北斗導(dǎo)航的船閘報(bào)閘管理系統(tǒng)的整個(gè)框架?？紤]系統(tǒng)的擴(kuò)展性及為了系統(tǒng)建設(shè)的分步實(shí)施提供較好的規(guī)范藍(lán)本，將系統(tǒng)劃分為4個(gè)邏輯層，即信息數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)共享服務(wù)層、應(yīng)用層、接入層，各層通過(guò)硬件、網(wǎng)絡(luò)、接口和協(xié)議形成有機(jī)的整體。信息標(biāo)準(zhǔn)體系和安全體系保證系統(tǒng)安全地提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)和服務(wù)，數(shù)據(jù)采集、維護(hù)、更新、管理、查詢、分析、決策和發(fā)布的解決方案為系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支撐。系統(tǒng)總體框架圖如圖1所示。

1.1 信息和數(shù)據(jù)管理層

信息和數(shù)據(jù)管理層用于存儲(chǔ)空間數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。具體存儲(chǔ)內(nèi)容如下。

（1）空間數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)提供GIS系統(tǒng)顯示的空間地圖數(shù)據(jù)，包含矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)，針對(duì)本次項(xiàng)目，空間數(shù)據(jù)庫(kù)主要存儲(chǔ)全國(guó)電子地圖矢量和影像數(shù)據(jù)、船閘矢量地形數(shù)據(jù)信息（帶真實(shí)經(jīng)緯度）和船只位置信息數(shù)據(jù)等。

（2）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)為上層業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)支撐，存儲(chǔ)人員基本信息、船只基本信息、船主信息和船閘信息等。

（3）業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)船運(yùn)相關(guān)業(yè)務(wù)信息，如船閘調(diào)度登記、報(bào)到和拍檔、閘次信息等相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，為查詢、統(tǒng)計(jì)、分析提供業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.2 數(shù)據(jù)信息服務(wù)層

數(shù)據(jù)信息服務(wù)層建立在信息數(shù)據(jù)管理層之上，通過(guò)對(duì)空間、基礎(chǔ)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的邏輯處理，提供多種服務(wù)供應(yīng)用層調(diào)用，提供空間分析服務(wù)、過(guò)閘業(yè)務(wù)服務(wù)、北斗定位服務(wù)、應(yīng)用服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)和系統(tǒng)服務(wù)等。

1.3 應(yīng)用層與接入層

接入層主要是北斗導(dǎo)航終端的硬件設(shè)備與傳感器接入，屬于數(shù)據(jù)采集層。應(yīng)用層將本系統(tǒng)劃分為終端監(jiān)控子系統(tǒng)、業(yè)務(wù)應(yīng)用子系統(tǒng)、GIS應(yīng)用服務(wù)子系統(tǒng)和后臺(tái)管理子系統(tǒng)。

（1）終端監(jiān)控子系統(tǒng)。終端監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)高并發(fā)的服務(wù)端應(yīng)用程序，為北斗終端和其他終端（如GPS終端和AIS終端）提供數(shù)據(jù)傳輸、經(jīng)緯度加密解密和數(shù)據(jù)處理服務(wù)，具備北斗導(dǎo)航終端監(jiān)控、終端數(shù)據(jù)處理、終端設(shè)備管理等功能。

（2）業(yè)務(wù)應(yīng)用子系統(tǒng)。業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)是本項(xiàng)目的核心，由船閘報(bào)到管理業(yè)務(wù)系統(tǒng)、會(huì)員信息服務(wù)系統(tǒng)、船閘門戶網(wǎng)站、查詢統(tǒng)計(jì)和智能分析決策服務(wù)等功能組成。

（3）GIS應(yīng)用服務(wù)子系統(tǒng)。GIS應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)由GIS平臺(tái)開發(fā)，系統(tǒng)包含地圖基礎(chǔ)操作、數(shù)據(jù)采集維護(hù)工具和GIS監(jiān)控平臺(tái)。

（4）后臺(tái)管理子系統(tǒng)。后臺(tái)管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)和管理工作，具有系統(tǒng)用戶管理、組織機(jī)構(gòu)管理、系統(tǒng)備份恢復(fù)、權(quán)限管理、日志管理等功能。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 北斗衛(wèi)星定位技術(shù)

北斗衛(wèi)星的定位技術(shù)是本系統(tǒng)最關(guān)鍵的技術(shù)，在本系統(tǒng)中采用基于北斗載波相位定位算法來(lái)實(shí)現(xiàn)定位。在進(jìn)載波定位之前，需要將載波進(jìn)行重建，將無(wú)關(guān)的測(cè)距碼和導(dǎo)航應(yīng)用的電文去掉，并且還需要將離散的載波信號(hào)構(gòu)建成連續(xù)的載波信號(hào)。船務(wù)北斗衛(wèi)星終端采用多塊化、組合式優(yōu)化設(shè)計(jì)，內(nèi)置高性能芯片，各模塊之間的接口采用標(biāo)準(zhǔn)接口，充分利用系統(tǒng)平臺(tái)、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、因特網(wǎng)絡(luò)，將定位功能、行駛軌跡等集于一體，通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)通信接口（GPRS、GSM）和GPS接口，能與監(jiān)控中心系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和移動(dòng)位置的定位，能夠滿足用戶的多種需求。船載北斗導(dǎo)航終端與系統(tǒng)信息的交互如圖2所示。

在本文中，相位用φ表示，衛(wèi)星與接收端距離用R表示，整周模糊度用N表示，電離層用Vion表示，對(duì)流層延遲改正用Vtrop表示。首次觀測(cè)φ0=Fr（φ）0，以后的觀測(cè)有φ=Int（φi）+Fr（φi），其中Int（φi）為整周計(jì)數(shù)，N0為整周模糊度，北斗載波觀測(cè)方程如公式（1）所示：

（1）

在公式（1）中的4子公式中，第1項(xiàng)是在新歷中衛(wèi)星當(dāng)前為止跟接受芯片之間的集合距離，dT是接收鐘差，dt是衛(wèi)星鐘差。對(duì)同一接收端來(lái)說(shuō)，不同衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)中的接收端鐘差成分是相同的，公式如下：

（2）

作差分可得：

（3）

為了能夠更加準(zhǔn)確地定位，需要對(duì)公式的模糊度進(jìn)行精確求解。本系統(tǒng)采用cholesky分解法來(lái)進(jìn)行求解，為了削弱整周跳變，本系統(tǒng)采用超次差分法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2 船舶過(guò)閘自動(dòng)圖形排擋技術(shù)

通過(guò)研究開發(fā)船舶過(guò)閘智能調(diào)度的數(shù)學(xué)模型和快速搜索算法，求解最優(yōu)的過(guò)閘排擋方案。通過(guò)面向?qū)ο蠛湍K化編程技術(shù)，實(shí)時(shí)提供船舶參數(shù)信息和船舶待閘信息。系統(tǒng)采用友好的人機(jī)交互界面，對(duì)船舶排檔實(shí)現(xiàn)圖形化處理。

本系統(tǒng)使用的是二維優(yōu)化編排啟發(fā)式算法的優(yōu)化算法，算法主要描述如下：

Step1：

Step2：

Step3：

Step4：

Step5：

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 船閘報(bào)到管理業(yè)務(wù)模塊

系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)模塊采用B/S模式架構(gòu)，通過(guò)瀏覽器進(jìn)行訪問(wèn)。船閘報(bào)到管理功能的目的是通過(guò)北斗、GPS、GPRS等輔助技術(shù)，依托先進(jìn)的信息系統(tǒng)，運(yùn)用管理學(xué)、運(yùn)籌學(xué)構(gòu)建船閘調(diào)度優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)船閘（單、雙、多線）的聯(lián)合調(diào)度，綜合利用水運(yùn)資源，提高船閘運(yùn)行效率，減少船舶待閘時(shí)間，保障船閘安全運(yùn)行管理，提升服務(wù)質(zhì)量。

自動(dòng)報(bào)到：當(dāng)安裝了北斗定位終端的船舶進(jìn)入船閘的錨地，系統(tǒng)接收衛(wèi)星傳回的位置信息，通過(guò)預(yù)先設(shè)定的算法計(jì)算該船是否符合報(bào)到條件，進(jìn)而執(zhí)行自動(dòng)報(bào)到的功能。北斗定位終端的定位精度直接影響了船只自動(dòng)報(bào)到的實(shí)時(shí)性及準(zhǔn)確性。目前使用的北斗定位終端其定位精度小于10 m，符合實(shí)際應(yīng)用的需求。

自動(dòng)排隊(duì)號(hào)：系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生成排隊(duì)序號(hào)，通過(guò)后臺(tái)的MAS機(jī)接口向相應(yīng)的船主手機(jī)下發(fā)該排隊(duì)號(hào)及待閘船只數(shù)量信息，以便船長(zhǎng)掌握航行，及時(shí)調(diào)整航速，避免了船只待閘時(shí)間太長(zhǎng)的問(wèn)題。

自動(dòng)化圖形排擋：使用特定的算法，結(jié)合船閘調(diào)度室工作人員的調(diào)度經(jīng)驗(yàn)，提供自動(dòng)化的排擋功能，并以圖形的方式在系統(tǒng)界面顯示。

3.2 GIS地圖應(yīng)用模塊

GIS應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)是本項(xiàng)目的核心子系統(tǒng)之一，本技術(shù)方案專門在GIS平臺(tái)選型與設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)采用的GIS開發(fā)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

（1）漫游。可以對(duì)地圖進(jìn)行平移、放大和縮小等相關(guān)地圖漫游和查看操作。

（2）查詢。在地圖上用鼠標(biāo)點(diǎn)擊船舶，可彈出對(duì)話框顯示該船舶的詳細(xì)信息，例如顯示該船舶的船舶代碼、凈噸位、船舶寬度、船高、出發(fā)地、目的地、空載吃水、滿載吃水、實(shí)載噸位、核載噸位、船舶類型、船舶名稱、總船長(zhǎng)等信息。

（3）基于GIS的船舶監(jiān)控。系統(tǒng)可以隨時(shí)跟蹤船舶當(dāng)前所處的位置、移動(dòng)速度、移動(dòng)方向、實(shí)時(shí)油耗等情況，對(duì)船舶進(jìn)行定位時(shí)可按定位、定時(shí)、定距、定速、定范圍、定地點(diǎn)等多種方式監(jiān)控，具有分類監(jiān)控、重點(diǎn)監(jiān)控、追蹤監(jiān)控等功能。并在系統(tǒng)界面上顯示船舶的監(jiān)控狀態(tài)，包括區(qū)域報(bào)警、軌跡重放、事故報(bào)警、遇險(xiǎn)救助。

3.3 終端監(jiān)控模塊

終端監(jiān)控子系統(tǒng)是一套采用Java開發(fā)的服務(wù)端高并發(fā)程序，專門為北斗終端設(shè)備和其他終端設(shè)備接入提供數(shù)據(jù)通信服務(wù)和并行處理能力功能，服務(wù)終端監(jiān)控子系統(tǒng)由北斗導(dǎo)航終端監(jiān)控、終端數(shù)據(jù)處理、終端設(shè)備管理3個(gè)模塊組成。詳細(xì)介紹如下。

3.3.1 北斗導(dǎo)航終端監(jiān)控模塊

實(shí)時(shí)接收并存儲(chǔ)北斗終端每隔30 s（間隔時(shí)間可通過(guò)后臺(tái)設(shè)置）回傳的實(shí)時(shí)定位信息，北斗終端通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)或GPRS網(wǎng)絡(luò)接收終端設(shè)備上報(bào)位置信息，系統(tǒng)支持采用TCP/IP協(xié)議和UDP協(xié)議。位置信息包括終端硬件唯一編碼（用于與服務(wù)端注冊(cè)的硬件編碼比對(duì)實(shí)現(xiàn)終端身份認(rèn)證）、時(shí)間、經(jīng)度、緯度、高程、速度、方向、終端狀態(tài)等。

3.3.2 終端數(shù)據(jù)處理模塊

終端數(shù)據(jù)模塊包括對(duì)北斗終端發(fā)送的加密位置信息進(jìn)行解析，對(duì)終端報(bào)警信息進(jìn)行多渠道提醒處理，終端回傳數(shù)據(jù)備份功能、駕駛員身份認(rèn)證信息驗(yàn)證處理，終端設(shè)備脫機(jī)處理，數(shù)據(jù)后臺(tái)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)功能等重要功能。

（1）對(duì)北斗終端發(fā)送的加密位置信息進(jìn)行解析，即將終端上傳的加密數(shù)據(jù)解析為真實(shí)的經(jīng)度、緯度、速度、方向、船舶狀態(tài)信息，并對(duì)偏移的經(jīng)緯度信息進(jìn)行糾偏運(yùn)算。

（2）對(duì)終端報(bào)警信息進(jìn)行多渠道提醒處理，如電話、短信和系統(tǒng)提示框等形式通知相關(guān)管理人員和海事管理人員。

（3）終端回傳數(shù)據(jù)備份功能，對(duì)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)；為解決隨著時(shí)間的推移定位數(shù)據(jù)過(guò)度龐大的問(wèn)題，系統(tǒng)可以只保存當(dāng)前3個(gè)月（具體時(shí)間可通過(guò)后臺(tái)設(shè)置）內(nèi)的定位數(shù)據(jù)，對(duì)定位數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動(dòng)保存到備份數(shù)據(jù)庫(kù)或光盤等其他媒介中；支持備份庫(kù)恢復(fù)功能。

（4）駕駛員身份認(rèn)證信息驗(yàn)證處理，駕駛員在北斗終端刷身份卡信息（存儲(chǔ)駕駛員從業(yè)資格證信息的非接觸式IC卡，簡(jiǎn)稱駕駛員身份卡），數(shù)據(jù)會(huì)傳到會(huì)員數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索查詢，并將查詢結(jié)果返回北斗終端。

（5）終端設(shè)備脫機(jī)處理，當(dāng)終端脫機(jī)時(shí)，即未接收到終端設(shè)備的心跳包信息時(shí)，或設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，北斗終端監(jiān)控模塊會(huì)提醒管理員終端離線，提醒工作人員進(jìn)行處理。

（6）數(shù)據(jù)后臺(tái)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)功能，根據(jù)數(shù)據(jù)類別的不同，數(shù)據(jù)自動(dòng)按年、月、日、小時(shí)，對(duì)終端運(yùn)行進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。例如，某年某船運(yùn)行總里程、船舶報(bào)警類型統(tǒng)計(jì)等信息。

3.3.3 終端設(shè)備管理模塊

對(duì)終端硬件設(shè)備進(jìn)行配置管理，用于實(shí)現(xiàn)配置北斗終端定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程服務(wù)器IP和端口信息、定時(shí)回傳數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔、設(shè)置一鍵通話電話號(hào)碼和設(shè)置定時(shí)定距上報(bào)等相關(guān)配置管理功能。

終端上線注冊(cè)，提供對(duì)于北斗終端的注冊(cè)，將終端設(shè)備的終端硬件唯一編碼、SIM卡號(hào)碼、ISIM號(hào)碼等相關(guān)內(nèi)容與船舶信息和船主信息進(jìn)行綁定。

4 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)解決了河船運(yùn)報(bào)閘過(guò)程中，過(guò)閘監(jiān)控手段落后、報(bào)閘效率低下的問(wèn)題，系統(tǒng)將能夠?yàn)榇l調(diào)度提供智能化的在線地圖跟蹤，實(shí)時(shí)監(jiān)控船舶是否進(jìn)入錨地，為航運(yùn)中的船只提供實(shí)時(shí)的船閘待閘信息，以及提供給調(diào)度人員智能化的調(diào)度排擋決策方案，解決了通航不暢的問(wèn)題。

參 考 文 獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：鐘聲賢]

【作者簡(jiǎn)介】黃海遵，男，廣西陸川人，本科，廣西西江開發(fā)投資集團(tuán)有限公司信息中心主任，高級(jí)工程師，研究方向：企業(yè)信息化、信息咨詢、物流技術(shù)、北斗導(dǎo)航及其應(yīng)用。