基于WebGIS的船舶尾氣遙測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳建華 袁小芳 劉凌佳

摘 ?要： 傳統(tǒng)的船舶尾氣檢測方法存在盲目性和滯后性，已經(jīng)無法滿足海事管理部門全面、實(shí)時(shí)、高效地對船舶進(jìn)行監(jiān)管的需求。針對該問題，提出一種新的基于WebGIS、物聯(lián)網(wǎng)、AIS、云數(shù)據(jù)庫、MyBatis、EChart等技術(shù)的船舶尾氣遠(yuǎn)程監(jiān)測方法，并基于此開發(fā)了船舶尾氣遙測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中，首先對系統(tǒng)的架構(gòu)、功能及數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其次利用Java、ArcGIS API for JavaScript、天地圖API、MySQL等技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，包括船舶尾氣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接入、監(jiān)測尾氣可視化、嫌疑船舶鎖定、嫌疑船舶軌跡追蹤等特色功能。系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)果表明，提出的方法可行、有效，可以大大提高船舶尾氣監(jiān)測的實(shí)時(shí)性與便捷性，有利于海事執(zhí)法，推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)。

關(guān)鍵詞： 船舶尾氣檢測; 遙測數(shù)據(jù)分析; WebGIS; 遠(yuǎn)程監(jiān)測; 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 功能實(shí)現(xiàn)

中圖分類號： TN919?34; TP399 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）12?0111?04

Abstract： As the traditional detection methods of ship exhaust gas have blindness and hysteresis， which cannot meet the needs of the maritime administrative department for comprehensive， real?time and efficient ship supervision， a new ship exhaust gas remote monitoring method based on WebGIS， Internet of Things， AIS， cloud database， MyBatis， EChart and other technologies is proposed. Based on this， a telemetry data analysis system of ?ship exhaust gas is developed. In the process of system implementation， the architecture， function and database of the system are designed， and then the system is implemented by means of the Java， ArcGIS API for JavaScript， Tianditu API， MySQL and other technologies， which includes some special functions such as real?time access to ship exhaust gas data， visualization of monitored exhaust gas， locking and trajectory tracking of the suspected ship. The system application results show that the proposed method is feasible and effective， which can greatly improve the real?time performance and convenience of ship exhaust gas monitoring. It is conducive to enforcing maritime law and promoting ecological civilization construction.

Keywords： ship exhaust gas detection; telemetry data analysis; WebGIS; remote monitoring; system design; function implementation

0 ?引 ?言

船舶運(yùn)輸業(yè)的持續(xù)發(fā)展推動了區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，隨之帶來的船舶尾氣污染問題也日益突出[1]。船舶尾氣造成的污染約占整個(gè)大氣污染的10%，已經(jīng)成為不可忽視的大氣污染源[2?3]?？焖俦O(jiān)測船舶尾氣的排放是控制船舶尾氣污染的首要舉措，但目前海事部門對船舶尾氣的排放監(jiān)管仍然采用傳統(tǒng)的人工方式，包括檢查航海日志中的換油記錄、抽取油樣檢測等[4?6]，該檢查方法目標(biāo)隨機(jī)、針對性不強(qiáng)，且存在效率低、難度大、耗時(shí)長且成本高等問題，迫切需要一個(gè)有效的船舶尾氣遙測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)對船舶尾氣進(jìn)行監(jiān)測與數(shù)據(jù)管理。

目前在船舶尾氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面已有不少學(xué)者從不同角度開展了相應(yīng)研究。例如，文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一套旨在對各項(xiàng)污染指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)量的船舶尾氣計(jì)量檢測系統(tǒng)，分析了船舶工況變化與尾氣排放濃度之間的相關(guān)性。文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了包含服務(wù)端軟件、藍(lán)牙通信模塊和監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示模塊的船舶尾氣監(jiān)測系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)檢測裝置開關(guān)的穩(wěn)定控制與監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了基于無人機(jī)的船舶尾氣檢測系統(tǒng)，可快速檢測船舶尾氣中的SO2濃度并確定燃油中的硫含量范圍。文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了船舶柴油機(jī)排放在線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)船舶柴油機(jī)排放信息的實(shí)時(shí)采集、顯示、記錄，以及與獲得訪問權(quán)限的外部用戶進(jìn)行信息互通等功能。但是，現(xiàn)有研究成果難以滿足當(dāng)前海事部門的管理需求，主要存在以下問題：

1） 功能比較單一，以監(jiān)測船舶尾氣為主;

2） 無法確定燃油硫含量的值，僅可確定大致范圍;

3） 缺乏嫌疑船舶鎖定與軌跡追蹤功能。

基于此，本文利用物聯(lián)網(wǎng)、WebGIS、MyBatis框架等技術(shù)，設(shè)計(jì)了集船舶尾氣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接入、實(shí)時(shí)可視化監(jiān)測、嫌疑船舶鎖定與軌跡追蹤于一體的船舶尾氣遙測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。

1 ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 ?系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路是：首先在船舶過往密集的航道上搭建監(jiān)測站點(diǎn)，在監(jiān)測站點(diǎn)上布設(shè)尾氣遙測設(shè)備（包括CO2分析儀與SO2分析儀）、船舶自動識別系統(tǒng)（Automatic Identification System，AIS）接收器及工控機(jī)等硬件設(shè)備;然后利用物聯(lián)網(wǎng)、WebGIS和MyBatis等技術(shù)實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能全面、實(shí)時(shí)性好、數(shù)據(jù)管理與分析能力強(qiáng)的船舶尾氣遙測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，邏輯上分為5層：

1） 基礎(chǔ)支撐層。主要是指支持整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)硬件及網(wǎng)絡(luò)配置等，包括CO2分析儀、SO2分析儀、AIS接收器、工控機(jī)、機(jī)柜、路由器、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、阿里云服務(wù)器、電信4G網(wǎng)絡(luò)等。

2） 數(shù)據(jù)服務(wù)層。主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫管理，為業(yè)務(wù)邏輯層提供數(shù)據(jù)服務(wù)。數(shù)據(jù)庫中包含船舶尾氣監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)、船舶信息靜態(tài)數(shù)據(jù)、船舶信息動態(tài)數(shù)據(jù)、二氧化碳信息數(shù)據(jù)、二氧化硫信息數(shù)據(jù)與風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)等。

3） 業(yè)務(wù)邏輯層。利用HTML5，Java，ArcGIS API for JavaScript等編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)船舶尾氣遙測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的功能業(yè)務(wù)流程，并與數(shù)據(jù)服務(wù)層進(jìn)行交互。

4） 應(yīng)用層。為用戶提供船舶尾氣實(shí)時(shí)監(jiān)測與分析服務(wù)，包括監(jiān)測尾氣可視化、嫌疑船舶鎖定、違規(guī)船舶信息管理、嫌疑船舶軌跡追蹤等。

5） 用戶層。使用系統(tǒng)的用戶，包括系統(tǒng)管理員、領(lǐng)導(dǎo)、普通用戶，系統(tǒng)根據(jù)角色的不同分配不同的功能權(quán)限。

1.2 ?系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

針對用戶的功能需求，本文從系統(tǒng)使用的便捷性、靈活性和實(shí)用性等角度出發(fā)進(jìn)行了系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1） 船舶尾氣實(shí)時(shí)接入。主要是實(shí)現(xiàn)CO2與SO2濃度、風(fēng)向、風(fēng)速、船舶編號、船舶名稱、船舶經(jīng)過時(shí)間、船舶GPS等信息的實(shí)時(shí)接入。

2） 船舶尾氣實(shí)時(shí)監(jiān)測。主要包括CO2濃度、SO2濃度等尾氣信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測和船舶編號、船舶經(jīng)緯度、船舶經(jīng)過時(shí)間等船舶信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

3） 船舶尾氣歷史監(jiān)測。包括歷史監(jiān)測時(shí)間選擇、船舶尾氣信息查詢、按時(shí)間窗口自動播放尾氣監(jiān)測值、尾氣監(jiān)測曲線框選、船舶尾氣屬性計(jì)算等功能。

4） 嫌疑船舶鎖定管理。主要是對使用高硫油含硫量超標(biāo)的嫌疑船舶進(jìn)行篩選、識別與鎖定。

5） 違規(guī)船舶信息管理。主要是實(shí)現(xiàn)燃油硫含量超標(biāo)的違規(guī)船舶信息的統(tǒng)一管理。

6） 地圖瀏覽與查詢。主要包括地圖漫游、底圖切換、監(jiān)測站點(diǎn)定位查詢、地圖復(fù)位、屬性彈窗等功能。

7） 嫌疑船舶軌跡追蹤。主要功能為實(shí)時(shí)查看嫌疑船舶的運(yùn)動軌跡與地理位置。

1.3 ?系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采用MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理，具體包括船舶尾氣監(jiān)測設(shè)備、船舶信息靜態(tài)、船舶信息動態(tài)、二氧化碳信息、二氧化硫信息與風(fēng)向風(fēng)速等數(shù)據(jù)。其中，船舶尾氣監(jiān)測設(shè)備包括設(shè)備名稱、設(shè)備IP、經(jīng)度、緯度等信息;船舶信息靜態(tài)主要包含船舶編號、經(jīng)過時(shí)間、船舶長度、船舶名稱等;船舶信息動態(tài)主要記錄船舶海上移動通信業(yè)務(wù)標(biāo)識（Maritime Mobile Service Identity，MMSI）、經(jīng)過時(shí)間、GPS信息、對地航向、對地航速、航首向等;二氧化碳信息主要涉及監(jiān)測時(shí)間、二氧化碳濃度;二氧化硫信息主要涉及監(jiān)測時(shí)間、二氧化硫濃度;風(fēng)向風(fēng)速主要包括監(jiān)測風(fēng)速的時(shí)間、風(fēng)向、風(fēng)速等信息。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的UML類圖設(shè)計(jì)如圖3所示。

2 ?系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 ?系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，利用Java、ArcGIS API for JavaScript、天地圖API、MySQL等技術(shù)，研發(fā)了船舶尾氣遙測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離船舶尾氣排放氣體的實(shí)時(shí)監(jiān)測與嫌疑船舶的識別、篩選、鎖定與追蹤。系統(tǒng)部分效果如圖4所示。

2.2 ?特色功能實(shí)現(xiàn)方法

2.2.1 ?數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接入

數(shù)據(jù)接入是指船舶尾氣遙測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)接收監(jiān)測站點(diǎn)發(fā)送的尾氣排放和船舶特征數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)的思路與方法如下：首先利用HTTP協(xié)議將傳感器監(jiān)測到的海量船舶尾氣數(shù)據(jù)以JSON格式實(shí)時(shí)傳輸?shù)椒?wù)器，然后運(yùn)用MyBatis框架開發(fā)持久化類PO，編寫持久化操作的Mapper.xml，獲取MyBatis中的SqlSessionFactory，SqlSession對象，再采用面向?qū)ο蟮姆椒▽?shù)據(jù)持久化至MySQL數(shù)據(jù)庫。

2.2.2 ?監(jiān)測尾氣可視化

監(jiān)測尾氣可視化包括兩個(gè)方面：

1） 實(shí)時(shí)監(jiān)測尾氣可視化

主要是采用Ajax輪詢每2 min向后臺服務(wù)器發(fā)送1次數(shù)據(jù)請求，獲取并實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)，進(jìn)而利用ECharts的Customized Rader chart，Gauge，Line等圖表組件對船只、風(fēng)向風(fēng)速、尾氣排放等數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測尾氣的動態(tài)展示。

2） 歷史監(jiān)測尾氣可視化

① 運(yùn)用Layer控件中的layDate選擇器自定義監(jiān)測時(shí)間，以天為單位，自動加載歷史尾氣監(jiān)測數(shù)據(jù);

② 鑒于監(jiān)測數(shù)據(jù)量大、篩選工作量繁重等問題，利用jQuery控件設(shè)計(jì)了一個(gè)帶進(jìn)度條的時(shí)間軸，以1 h為單位自動播放一天中不同時(shí)刻段的歷史尾氣監(jiān)測信息;

③ 使用ECharts繪制尾氣排放統(tǒng)計(jì)圖，并利用jQueryUI，JavaScript等技術(shù)實(shí)現(xiàn)按住鼠標(biāo)拖動來框選并放大監(jiān)測曲線圖的功能，幫助用戶更直觀、更便捷地監(jiān)測尾氣排放變化情況。

2.2.3 ?嫌疑船舶鎖定

嫌疑船舶鎖定是通過利用監(jiān)測尾氣中CO2和SO2的濃度反推船用燃油硫含量，實(shí)現(xiàn)使用燃油硫含量超標(biāo)的嫌疑船舶的快速篩選與識別。具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

1） 首先計(jì)算燃油硫含量濃度：

① 篩選出某時(shí)間區(qū)間內(nèi)的船舶尾氣監(jiān)測數(shù)據(jù);

② 利用這些數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)區(qū)內(nèi)的背景濃度與監(jiān)測濃度，其中背景濃度等于時(shí)區(qū)內(nèi)尾氣濃度分布中波峰某一側(cè)平滑曲線氣體的平均值，監(jiān)測濃度等于時(shí)區(qū)內(nèi)尾氣濃度分布中波峰曲線氣體的平均值;

③ 利用背景濃度和監(jiān)測濃度估算燃油硫含量的濃度[11?13]，公式如下：

式中，[s]代表燃油硫含量;[sSO2]表示有船只經(jīng)過時(shí)空氣中的監(jiān)測SO2濃度;[bSO2]為無船只經(jīng)過時(shí)空氣中的背景SO2濃度;[sSO2]表示有船只經(jīng)過時(shí)空氣中的監(jiān)測CO2濃度; [bCO2]為無船只經(jīng)過時(shí)空氣中的背景CO2濃度。

2） 然后，將根據(jù)監(jiān)測尾氣計(jì)算出的燃油硫含量濃度與現(xiàn)行規(guī)定的船舶尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)（≤0.5%）進(jìn)行對比，以確定被監(jiān)測船舶是否存在尾氣排放超標(biāo)的嫌疑。假如某個(gè)點(diǎn)波峰異常大，則可以鎖定該船舶為嫌疑船舶。

3） 最后，根據(jù)時(shí)間區(qū)間獲取嫌疑船舶信息，將以監(jiān)測站點(diǎn)為中心1 000 m范圍內(nèi)出現(xiàn)的所有船只進(jìn)行可視化顯示，結(jié)合該嫌疑船舶所處的地理位置與經(jīng)過時(shí)間進(jìn)行再次篩選，確認(rèn)無誤后，將其鎖定并添加到違規(guī)船舶數(shù)據(jù)庫進(jìn)行統(tǒng)一管理，同時(shí)通知海事部門進(jìn)行重點(diǎn)排查。

2.2.4 ?嫌疑船舶軌跡追蹤

船舶軌跡跟蹤屬于廣義上的船舶動力定位，具體來說，是船舶在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)通過軌跡跟蹤系統(tǒng)的控制到達(dá)原本設(shè)定的位置上[14]。本系統(tǒng)后臺使用基于Java的開源作業(yè)調(diào)度框架Quartz定時(shí)請求航訊網(wǎng)提供的HTTP協(xié)議接口，獲取嫌疑船舶的航行軌跡并持久化至數(shù)據(jù)庫，步驟如下：

1） 使用SchedulerFactory工廠類創(chuàng)建Scheduler任務(wù)調(diào)度器，實(shí)現(xiàn)調(diào)度的自動化。

2） 使用CronTirgger觸發(fā)器設(shè)置調(diào)度時(shí)間為間隔2 min的時(shí)間規(guī)則去執(zhí)行Job任務(wù)，Job默認(rèn)為無狀態(tài)的（stateless）任務(wù)[15]，允許并行執(zhí)行。前端利用ArcGIS API for JavaScript技術(shù)加載天地圖實(shí)現(xiàn)當(dāng)前鎖定嫌疑船舶的軌跡追蹤與可視化顯示。

3 ?結(jié) ?語

本文利用高新技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)了海洋船舶尾氣實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測管理工作，建成了一套船舶尾氣監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)。系統(tǒng)特色及創(chuàng)新情況如下：

1） 系統(tǒng)界面簡潔、美觀、友好，功能使用方便、快捷;

2） 系統(tǒng)集成了WebGIS、物聯(lián)網(wǎng)、AIS、云數(shù)據(jù)庫、EChart等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對傳統(tǒng)船舶尾氣監(jiān)測工作模式的升級與改造;

3） 具有船舶大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接入、全天候船舶尾氣實(shí)時(shí)圖形可視化監(jiān)測、嫌疑船舶鎖定及軌跡追蹤等特色功能，有效地提高了工作的正確性和高效性。

目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院投入使用，且運(yùn)行效果良好，極大地滿足了用戶對海洋船舶尾氣的常態(tài)化監(jiān)測和高效化處理，為海事執(zhí)法提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐，對相關(guān)船舶監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)具有一定的參考價(jià)值。

注：本文通訊作者為袁小芳。

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