基于電子海圖的北斗船舶監(jiān)管系統(tǒng)設計

王玉璽 杜 鵬 侯岳麟

一、概述

由我國獨立研發(fā)的北斗導航系統(tǒng)，除了具備其他衛(wèi)星系統(tǒng)所具備的導航、定位和授時功能外，還具備短報文通信功能，能夠提供雙向主動通信，短消息內(nèi)容部分最大能夠達到1 680位[1]，通過北斗短報文可以實現(xiàn)船舶狀態(tài)、指揮控制數(shù)據(jù)傳輸以及北斗短報文與移動通信短消息的互聯(lián)互通[2]。同時，互聯(lián)網(wǎng)技術的迅速發(fā)展，使傳統(tǒng)電子海圖信息顯示平臺面臨多樣服務模式的挑戰(zhàn)，管理部門和涉海人員更加傾向于借助互聯(lián)網(wǎng)查看船舶在電子海圖上的位置、航線等信息[3]。本文通過對北斗短報文通信協(xié)議進行分析，論證了使用北斗短報文進行短小數(shù)據(jù)傳輸?shù)目尚行?，提出了一種基于網(wǎng)絡電子海圖和北斗導航系統(tǒng)的船舶監(jiān)管系統(tǒng)，利用北斗定位授時以及短報文通信功能，將船舶狀態(tài)信息發(fā)送給監(jiān)控平臺，通過電子海圖直觀地展示船舶狀態(tài)，輔助管理部門快速高效地完成船舶的集中監(jiān)管、搶險救援等任務。

二、系統(tǒng)方案

1.總體思路

本系統(tǒng)由北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)、船端、岸端和涉海人員等部分組成。其中船端主要由北斗船載終端、北斗手持機等北斗設備組成。岸端主要由北斗指揮型用戶機、電子海圖監(jiān)控平臺以及存儲網(wǎng)絡設備等組成。北斗指揮型用戶機用于監(jiān)控下屬北斗設備位置并與下屬北斗設備互相通信；電子海圖監(jiān)控平臺用于管理部門船舶狀態(tài)監(jiān)控及指揮調(diào)度，同時，電子海圖監(jiān)控平臺可通過互聯(lián)網(wǎng)向第三方平臺推送船舶信息。涉海人員主要由船運公司及船員家屬等組成，涉海人員可通過移動手機、互聯(lián)網(wǎng)等手段關注船舶狀態(tài)。系統(tǒng)結構示意圖如圖1所示。

一方面，船舶北斗設備通過北斗短報文通信向電子海圖監(jiān)控平臺上報位置、航速、航向、時間等船舶狀態(tài)信息，監(jiān)控平臺收到上報信息后，將船舶信息在電子海圖上顯示；另一方面，管理部門可通過電子海圖監(jiān)控平臺向指定船舶或全部船舶發(fā)送控制指令，如通知、警告等；另外，通過移動通信短信網(wǎng)關可建立手機與北斗終端的通信關系。

2.北斗信息接收處理

將北斗短報文協(xié)議中“通信申請”指令的“電文內(nèi)容”字段進行自定義，根據(jù)北斗終端北斗卡的通信內(nèi)容長度和服務頻度，建立北斗船載終端與監(jiān)控中心的自定義北斗通信協(xié)議，如果一次數(shù)據(jù)超過了北斗短報文的長度限制，需分包發(fā)送[4]。自定義北斗通信協(xié)議如表1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)結構示意圖

表1 自定義北斗通信協(xié)議

由于北斗定位和短報文通信受北斗終端的服務頻度限制，監(jiān)控平臺應根據(jù)事件緊急程度對終端定位和通信進行優(yōu)先級排序，如發(fā)送危險報警應作為最高優(yōu)先級事件處理，定時的位置申請和航向航速上報則在通信空閑時進行。

3.基于web電子海圖的信息疊加顯示

（1）Web電子海圖

Web電子海圖監(jiān)控平臺服務端采用電子海圖瓦片金字塔預處理技術在服務器生成并部署電子海圖瓦片數(shù)據(jù)?？蛻舳诉\用Ajax技術根據(jù)用戶請求的電子海圖顯示范圍及比例尺等信息，計算電子海圖瓦片級數(shù)，從而獲取覆蓋電子海圖顯示范圍內(nèi)的電子海圖瓦片數(shù)據(jù)，實現(xiàn)電子海圖在客戶端的無縫,接顯示。采用電子海圖瓦片顯示技術，可提高用戶體驗，并可減輕客戶端電子海圖顯示計算壓力[3]。根據(jù)官方海道測量組織發(fā)布的電子海圖更新數(shù)據(jù)，對服務器端的電子海圖瓦片數(shù)據(jù)進行定期更新，保證電子海圖數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性，滿足船舶的安全航行需求。

（2）船位信息疊加顯示

船載北斗終端上報的坐標位置信息通常采用CGCS2000國家大地坐標系，為實現(xiàn)船位在電子海圖上的準確疊加顯示，需進行從經(jīng)緯度表示的大地坐標系轉(zhuǎn)換為屏幕坐標系及電子海圖顯示平臺的界面控件坐標系，實現(xiàn)船位坐標在電子海圖顯示平臺上的正確疊加顯示。

（3）區(qū)域信息疊加顯示

海事管理部門根據(jù)天氣、氣象等條件以及演習等特殊任務的情況，在電子海圖上制定安全航行區(qū)域、禁止穿越區(qū)域等區(qū)域標繪，并根據(jù)船舶上報位置信息，監(jiān)控船舶是否離開安全航行區(qū)域、進入禁止穿越區(qū)域。如果出現(xiàn)危險情況，電子海圖顯示平臺可向北斗終端發(fā)送危險警告。

三、系統(tǒng)功能（見圖2）

1.位置監(jiān)控功能

船載北斗終端在開關機時向北斗指揮機發(fā)送開關機狀態(tài)報文信息；設備開機后定時向北斗衛(wèi)星發(fā)送定位申請及航向、航速信息，在電子海圖顯示平臺上標識終端設備在線情況、船舶所在位置以及船舶狀態(tài)信息。

2.危險預警功能

圖2 系統(tǒng)界面圖

電子海圖監(jiān)控平臺根據(jù)天氣及特殊任務通知，繪制霧區(qū)、禁航區(qū)等重點監(jiān)控水域，向下屬船舶推送重點監(jiān)控水域范圍，在監(jiān)控平臺將監(jiān)控水域范圍以北斗通播短報文的形式向終端發(fā)送區(qū)域數(shù)據(jù)更新。監(jiān)控平臺需要實時計算下屬終端位置是否在平臺設定的監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，根據(jù)對船舶的危險情況向航行船舶發(fā)出不同等級的預警和相關的信息提醒。

3.救援調(diào)度功能

船舶遇險或事故發(fā)生時，可通過北斗終端“一鍵報警”功能向監(jiān)控平臺發(fā)送求救信息。當監(jiān)控平臺接收到來自終端的報警消息時，在電子海圖上可以快速定位事故地點，并按照報警級別發(fā)出相應的警告消息，平臺給出明顯提示或聲音報警。監(jiān)控平臺通過電子海圖的動態(tài)顯示與船舶進行通信，實現(xiàn)船舶調(diào)度和動態(tài)監(jiān)控，指揮現(xiàn)場最近的船舶施救，最大限度地減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。

4.調(diào)查取證功能

電子海圖監(jiān)控平臺根據(jù)船載北斗終端上報的位置、航向、航速等信息，可對船舶的航行歷史軌跡進行回放，可定位船舶事故發(fā)生的航行狀態(tài)信息，為分析事故原因提供參考依據(jù)。

5.信息服務功能

電子海圖監(jiān)控平臺可作為海事、航道、公安等管理部門的信息發(fā)布平臺，向船舶提供天氣、水文、航道等信息。

另外，監(jiān)控平臺可通過短信網(wǎng)關建立手機與北斗終端的通信。北斗終端向平臺指揮機號碼發(fā)送短報文，平臺接收后，通過短信網(wǎng)關轉(zhuǎn)發(fā)給手機；手機向監(jiān)控平臺發(fā)送短信，平臺短信網(wǎng)關收到短信后，通過指揮機向船載北斗終端轉(zhuǎn)發(fā)。

四、結束語

本系統(tǒng)利用電子海圖直觀展示和北斗終端定位通信等功能，建立動態(tài)信息和靜態(tài)信息的關聯(lián)，實現(xiàn)了對船舶的位置監(jiān)控、危險預警、救援調(diào)度、調(diào)查取證及信息服務等功能，可以廣泛應用于對各類船舶的監(jiān)控管理，如漁業(yè)船舶、公務船等。鑒于北斗短報文通信的報文長度及頻度限制，在近岸區(qū)域，可使用移動通信作為北斗短報文通信的補充；而在移動通信信號較弱的區(qū)域，使用北斗終端短報文通信。