基于北斗的船舶監(jiān)控管理服務(wù)系統(tǒng)研究

董晶晶　付永恒　余鑫　張勝利

摘要：本文從技術(shù)實(shí)現(xiàn)角度出發(fā)，深入研究用戶需求，將北斗與其他系統(tǒng)結(jié)合，深入研究了基于北斗的船舶監(jiān)控管理服務(wù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了船舶位置監(jiān)控、態(tài)勢展示，并支持基于北斗的快速高效應(yīng)急指揮調(diào)度及增值信息發(fā)布，可有效提升漁業(yè)海事部門信息化管理水平。最后，針對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)在通航監(jiān)管、應(yīng)急搜救、船舶避碰等方面的應(yīng)用前景進(jìn)行了分析與展望。

關(guān)鍵詞：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng);船舶監(jiān)控;服務(wù)系統(tǒng)

中圖分類號：U675.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）03-0116-03

0 引言

近年來，隨著國家海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的穩(wěn)步推進(jìn)，我國對發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)、提升海洋資源開發(fā)能力、保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境、解決重大海洋問題都提出了更高的要求。船舶是海洋戰(zhàn)略的重要載體，是海洋科技的重要體現(xiàn)，對于建設(shè)海洋強(qiáng)國、維護(hù)國際海洋秩序都有著極為重要的意義。但是，隨著我國船舶種類、數(shù)量、水域交通密度、運(yùn)輸貨物量的不斷增加，海損事故時(shí)有發(fā)生，對海洋產(chǎn)業(yè)、海洋生態(tài)及國際海洋高地的爭奪都產(chǎn)生了不良的影響。因此，如何使船舶調(diào)度管理更加合理、高效，如何進(jìn)一步提高海事管理的信息化、智能化水平，都是管理層面亟待考慮的問題。

目前，管理部門主要利用船舶交通管理系統(tǒng)（VTS）對所屬船舶進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控管理，為船舶避碰、交通形勢變化響應(yīng)、安全信息發(fā)布提供了有效的技術(shù)手段。但是，該系統(tǒng)本身存在一定缺陷：首先監(jiān)控距離有限，僅能近海使用;其次AIS基站、雷達(dá)等受距離和氣象條件影響大，通信效果無法保障。為破解這些難題，具備全天時(shí)、全天候的定位、定時(shí)和通信能力，并具有集群指揮功能的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，無疑為船舶監(jiān)控管理和消息發(fā)布提供了行之有效的技術(shù)思路。

針對船舶監(jiān)控的特點(diǎn)，本文主要對基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的船舶監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究。通過原型系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理性及系統(tǒng)的可靠性?？梢灶A(yù)見，系統(tǒng)投入運(yùn)行可有效保障船舶航行安全，助力海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略發(fā)展，應(yīng)用前景廣闊。

1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是我國軍民共用的重要基礎(chǔ)設(shè)施，除了具備基礎(chǔ)的導(dǎo)航定位和精密授時(shí)功能外，還向網(wǎng)內(nèi)用戶提供短報(bào)文通信功能，特別適合無地面通信網(wǎng)絡(luò)支持的海上應(yīng)用。

總的來說，我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)具有以下幾大優(yōu)勢：

（1）具備RDSS定位和短報(bào)文通信功能，特別適用于無地面網(wǎng)絡(luò)支持的海上用戶，符合其通信定位結(jié)合的使用模式;

（2）具備全天時(shí)、全天候的服務(wù)能力，不受氣象和距離條件限制;

（3）具備指揮集群應(yīng)用服務(wù)能力，可同時(shí)解決定位及報(bào)位需求，對所屬用戶規(guī)模、種類無限制，適合管理部門使用;

（4）自主控制，安全穩(wěn)定，保密性好。

2 基于北斗的船舶監(jiān)控服務(wù)系統(tǒng)

結(jié)合北斗系統(tǒng)特點(diǎn)，針對船舶監(jiān)控應(yīng)用需求，本文對基于北斗的船舶監(jiān)控服務(wù)領(lǐng)域所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)研究，并進(jìn)行了原型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。

原型系統(tǒng)以高清衛(wèi)星影像金字塔、二維瓦片化矢量地圖和數(shù)字高程模型等地理信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)船舶位置監(jiān)控為核心，構(gòu)建二/三維同步聯(lián)動、界面友好，實(shí)時(shí)、直觀反映監(jiān)控目標(biāo)態(tài)勢的監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)，對AIS、RFID及地面移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行集成融合，綜合其他方式定位船舶的數(shù)據(jù)信息，以圖形可視化方式為用戶提供船舶位置查詢、統(tǒng)計(jì)分析，方便用戶掌握船舶實(shí)時(shí)動態(tài)信息。此外，系統(tǒng)還支持報(bào)警響應(yīng)、碰撞警告、救援搜救等業(yè)務(wù)，提供基于輿情、態(tài)勢分析的輔助決策信息，可有效提高管理部門對所轄船舶指揮控制、監(jiān)控管理能力以及信息化水平。

2.1 船舶監(jiān)控管理服務(wù)系統(tǒng)組成

原型系統(tǒng)組成如圖1所示。主要分為以下幾個部分，部署在船舶監(jiān)控管理部門的信息服務(wù)中心（可實(shí)現(xiàn)基于地面專線（或北斗指揮機(jī)）的數(shù)據(jù)處理存儲，以及基于地理信息服務(wù)的可視化融合展示），船載終端設(shè)備（包括北斗用戶終端，北斗＼GPS雙模終端，AIS、RFID設(shè)備等），以及地面移動通信網(wǎng)絡(luò)。

2.2 船舶監(jiān)控管理服務(wù)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 海洋綜合信息的數(shù)據(jù)融合

基于北斗的船舶監(jiān)控管理服務(wù)系統(tǒng)中使用的數(shù)據(jù)主要包括海洋地理信息，海事管理信息，氣象、海況信息，船舶位置及作業(yè)狀況信息等。其中，海洋地理信息則包括了海圖數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、三維地理空間數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)等多源地理信息數(shù)據(jù);船舶位置除可從北斗系統(tǒng)終端獲取外，還應(yīng)集成GPS，AIS等系統(tǒng)數(shù)據(jù)，以提高系統(tǒng)可用度及完好性。

因此，數(shù)據(jù)融合研究重點(diǎn)在于多尺度，多源地理空間數(shù)據(jù)的融合顯示以及解決在以北斗衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)同時(shí)兼顧其他信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成上。主要是進(jìn)行時(shí)空基準(zhǔn)統(tǒng)一、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)粒度轉(zhuǎn)換以及轉(zhuǎn)換規(guī)則設(shè)計(jì)等等。

2.2.2 與移動通信網(wǎng)絡(luò)的互通

移動通信網(wǎng)絡(luò)可支持近海范圍內(nèi)船舶的通信需求，但無法滿足遠(yuǎn)洋航行船舶的信息傳遞。因而，將北斗系統(tǒng)與移動通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，可擴(kuò)大信息的傳輸范圍，更加有效的滿足海上目標(biāo)與地面的通信需求。

2.2.3 北斗與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合

船舶監(jiān)控管理服務(wù)系統(tǒng)除使用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)外，還應(yīng)集成GPS、AIS、射頻識別系統(tǒng)等多系統(tǒng)數(shù)據(jù)，以提高系統(tǒng)的可用性及完好性。這就要求在船舶監(jiān)控管理服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，要充分考慮各個系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)整合，合理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，最大限度利用各輔助信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，充分發(fā)揮各系統(tǒng)優(yōu)勢。

此外，系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)要布局合理，內(nèi)容緊湊，將用戶關(guān)心的數(shù)據(jù)完整全面的反應(yīng)出來，方便管理部門決策使用。

2.3 船舶監(jiān)控管理服務(wù)系統(tǒng)功能及實(shí)現(xiàn)

通過研究國內(nèi)外已有的船舶監(jiān)控系統(tǒng)并結(jié)合我國海事監(jiān)控特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了具有如下圖2結(jié)構(gòu)平臺結(jié)構(gòu)。

基于北斗的船舶監(jiān)控管理系統(tǒng)主要包括以下幾個主要的系統(tǒng)功能模塊：多源地理信息融合及可視化模塊、船舶定位及信息采集模塊、報(bào)文及移動通信互聯(lián)模塊、用戶及設(shè)備管理模塊、指揮調(diào)度模塊、增值服務(wù)模塊。

為進(jìn)一步提升系統(tǒng)的擴(kuò)展性和可移植性，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性，功能模塊采用Docker容器進(jìn)行封裝，基于微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)支撐服務(wù)平臺，采用容器集群管理與監(jiān)控平臺對服務(wù)進(jìn)行可視化管理，方便用戶對服務(wù)平臺內(nèi)的服務(wù)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)施監(jiān)控和批量化處理。功能之間相互獨(dú)立封裝，形成良好的接口調(diào)用關(guān)系，最終形成一系列功能劃分清晰，相互關(guān)系明確，同時(shí)又接受統(tǒng)一管理調(diào)度的應(yīng)用系統(tǒng)。

由于系統(tǒng)需要接入多源地理信息數(shù)據(jù)、設(shè)備報(bào)位數(shù)據(jù)及運(yùn)行管理相關(guān)數(shù)據(jù)，因此在數(shù)據(jù)存儲設(shè)計(jì)上，需要采用多種形式進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。本系統(tǒng)需要接入的數(shù)據(jù)主要為基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)（矢量數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)等），該類數(shù)據(jù)體量大、類型多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要用于態(tài)勢顯示背景底圖。為提高顯示性能，地理信息數(shù)據(jù)處理為供顯示使用的OGC緊湊型柵格瓦片格式、VDT高性能矢量數(shù)據(jù)格式和供查詢分析用的GSF數(shù)據(jù)，存儲方式主要為文件存儲。船舶實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)主要存儲北斗位置信息與短報(bào)文信息，數(shù)據(jù)特點(diǎn)是實(shí)時(shí)引接、并發(fā)量大，考慮以上數(shù)據(jù)特點(diǎn)，使用SSDB數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲。對于設(shè)備信息、日志數(shù)據(jù)、用戶關(guān)系數(shù)據(jù)等非空間信息數(shù)據(jù)，主要根據(jù)其數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)特點(diǎn)分別使用NoSQL、MySQL及文件相結(jié)合的方式進(jìn)行存儲管理。

系統(tǒng)運(yùn)行三維界面如圖3所示。

系統(tǒng)通過地理信息功能模塊可提供常用的公開數(shù)據(jù)格式地圖數(shù)據(jù)及海圖數(shù)據(jù)的操作顯示;可以集成使用常用格式的幾種形式地圖數(shù)據(jù)，包括影像數(shù)據(jù)地圖，矢量數(shù)據(jù)地圖等;可進(jìn)行二三維地圖一體化顯示切換，系統(tǒng)運(yùn)行二維界面如圖4所示，具備一般地理信息系統(tǒng)支持的各類功能，如地圖顯示、放大、縮小、漫游、測距、選擇、區(qū)域范圍規(guī)劃等操作。

系統(tǒng)可實(shí)時(shí)顯示所屬船舶的航行速度、方位、狀態(tài)，并對所接收的報(bào)文、求救及告警等各種信息進(jìn)行統(tǒng)一顯示。為管理部門提供位置查詢、地理信息服務(wù)、常用統(tǒng)計(jì)分析以及基于態(tài)勢、輿情的輔助決策信息。可實(shí)現(xiàn)基于地理信息的報(bào)警區(qū)域設(shè)置及區(qū)域報(bào)警功能，支持管理部門通過北斗鏈路向船載終端設(shè)備發(fā)布指令。此外，通過打通北斗與移動通信網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)北斗短信與手機(jī)電文互通，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的應(yīng)用效率和管理信息化水平。

同時(shí)，系統(tǒng)可為海上用戶提供報(bào)警信息響應(yīng)、臺風(fēng)氣象預(yù)告、航線規(guī)劃、險(xiǎn)情通報(bào)等增值服務(wù)功能，為船舶遇險(xiǎn)搜救提供技術(shù)手段，有力保障船舶航行安全。

3 結(jié)論與展望

本文的研究目標(biāo)是適應(yīng)國家海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略，為海事機(jī)構(gòu)提供船舶安全管理信息化、智能化建設(shè)思路。本文研究的基于北斗的船舶監(jiān)控管理系統(tǒng)，通過將北斗和其他輔助信息系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)優(yōu)勢聯(lián)合，補(bǔ)齊短板，有力保障了近海、遠(yuǎn)洋的船舶航行安全。系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)，綜合性強(qiáng)，較為實(shí)用，經(jīng)實(shí)地試用，基本滿足管理部門對所轄船舶的監(jiān)控管理和決策支持要求。

后期，隨著我國對發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)、提升海洋資源開發(fā)能力、保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境、解決重大海洋問題等需求的逐步深入，船舶安全管理應(yīng)用前景將愈加廣闊。本文旨在提出一個行之有效的系統(tǒng)研制建設(shè)方案，后期各管理部門可根據(jù)具體需求，在本系統(tǒng)所提供解決方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研制符合自身需求功能模塊，尤其是在通航監(jiān)管、應(yīng)急搜救、船舶避碰等領(lǐng)域的個性化功能模塊，對系統(tǒng)功能進(jìn)行擴(kuò)展，從而形成更加高效、全面并行之有效的信息化解決方案。

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Study of Shipping Monitoring and Management System Based on COMPASS

DONG Jing-jing， FU Yong-heng， YU Xin， ZHANG Sheng-li

（Beijing Satellite Navigation Center， Beijing? 100094）

Abstract：The functions of the COMPASS navigation and communication system in the marine management application were presented. Furthermore， combined with other systems like mobile communication system， GPS and so on， we researched and designed a shipping monitoring and management system. Running this system can realize the ship location and communication， inquire about the basic information， real-time monitoring， management etc. It can provide an effective managing idea for the maritime bureau， COMPASS will have a wide range of application prospect in shipping supervision， marine search and rescue， ship collision avoidance and the marine investigation and management.

Key words：COMPASS; shipping monitoring and management;service system