北斗定位在內(nèi)河疏浚船舶管理中的研究與應(yīng)用

鄭文怡，章哲顏，陳云飛

(中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司，上海200120)

在航道疏浚施工過程中，及時掌控船隊所有船舶的施工狀態(tài)與整體施工進(jìn)度是工程管理的重點(diǎn)和難點(diǎn)[1]，可靠的船舶位置數(shù)據(jù)來源是實現(xiàn)疏浚施工智能管理的基礎(chǔ)。目前內(nèi)河船舶定位數(shù)據(jù)來源有AIS數(shù)據(jù)和船載衛(wèi)星定位模塊。

在內(nèi)河疏浚施工項目中直接使用AIS定位數(shù)據(jù)存在局限性：1)無法保證部分AIS數(shù)據(jù)的定位精度(圖1)。部分船載AIS設(shè)備可能依然采用單點(diǎn)定位，定位精度較低，無法滿足工程分析的需求。2)無法保證AIS定位數(shù)據(jù)的頻率(圖2)。由于內(nèi)河AIS基站數(shù)量減少，同時內(nèi)河水域航道地形復(fù)雜、跨河臨河建筑物對AIS信號衰減產(chǎn)生很大影響[2]，造成AIS船臺定位數(shù)據(jù)回傳頻率不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸丟包率較高，最終導(dǎo)致船舶軌跡不連續(xù)或缺失，無法滿足管理對于船舶實時監(jiān)控和分析的要求。

圖1 AIS定位精度低導(dǎo)致數(shù)據(jù)點(diǎn)漂移

圖2 AIS數(shù)據(jù)頻率低導(dǎo)致軌跡點(diǎn)丟失

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國建設(shè)運(yùn)行的全球定位系統(tǒng)，北斗定位技術(shù)在遠(yuǎn)海施工[3]、船舶監(jiān)控[4]和內(nèi)河航運(yùn)監(jiān)管[5-6]等方面均已得到成功應(yīng)用，但在內(nèi)河疏浚施工中的應(yīng)用較少。本文將北斗定位技術(shù)應(yīng)用到內(nèi)河疏浚施工船舶管理中，避免了直接使用內(nèi)河AIS數(shù)據(jù)可能導(dǎo)致的問題(圖 3)，將定位數(shù)據(jù)的精度提高到亞米級，數(shù)據(jù)傳輸頻率提高到秒級。同時借助智能算法和GIS(地理信息系統(tǒng))空間分析技術(shù)，在管理業(yè)務(wù)上開展了自動化監(jiān)管功能的研究。研究成果提高了管理效能，實現(xiàn)了內(nèi)河疏浚船舶管理的精細(xì)化、智能化，使疏浚船舶最大限度地發(fā)揮其生產(chǎn)效益。

圖3 使用北斗定位模塊采集得到的平滑軌跡

1 北斗定位的應(yīng)用

1.1 定位數(shù)據(jù)的傳輸

與AIS使用的廣播式窄帶通訊系統(tǒng)不同，北斗定位模塊在城市中使用GSM數(shù)字移動通訊網(wǎng)進(jìn)行信號傳輸。城市中GSM具有廣泛的覆蓋范圍和良好的穩(wěn)定性，同時因為技術(shù)成熟、具有較好的經(jīng)濟(jì)性，對于內(nèi)河船舶信號通訊是一種較好的解決方案。

通過移動網(wǎng)絡(luò)(2G/4G/5G)，定位模塊在互聯(lián)網(wǎng)上與接收服務(wù)器建立端到端的信號傳輸通道，只要保證二者的網(wǎng)絡(luò)連接就可將通訊頻率維持在秒級，大幅提高數(shù)據(jù)的傳輸效率。

云端服務(wù)器在接收到定位模塊信號后將依據(jù)JT808協(xié)議[7]與其建立TCP長連接，進(jìn)行雙向通信。同時，服務(wù)器將信號解析后可獲得位置數(shù)據(jù)并錄入數(shù)據(jù)庫。雙向通訊流程為：

1)建立連接。定位模塊首先發(fā)送終端注冊信息，服務(wù)器接收到注冊信息后回復(fù)平臺注冊應(yīng)答，表明連接建立。此時可對設(shè)備信息進(jìn)行判斷，若數(shù)據(jù)庫中無此設(shè)備相關(guān)信息則將新設(shè)備錄入數(shù)據(jù)庫。終端接收到注冊應(yīng)答后將立即發(fā)送終端鑒權(quán)信息，服務(wù)器回復(fù)平臺通用應(yīng)答，完成鑒權(quán)后定位模塊準(zhǔn)備發(fā)送定位數(shù)據(jù)。

2)維持連接。定位模塊根據(jù)設(shè)備設(shè)定的時間間隔定時發(fā)送位置數(shù)據(jù)，服務(wù)器回復(fù)平臺通用應(yīng)答。此階段服務(wù)器將進(jìn)行位置數(shù)據(jù)入庫，并對重復(fù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾。在沒有數(shù)據(jù)包傳輸時，定位模塊會周期性向服務(wù)器發(fā)送終端心跳信息以維持通訊連接，服務(wù)器回復(fù)平臺通用應(yīng)答。定位模塊若未接收到平臺應(yīng)答將主動再次發(fā)送數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)不會遺漏，直到接收到應(yīng)答或連接斷開。

3)斷開連接。定位模塊和服務(wù)器均可主動斷開連接。

由于施工船隊通常有多條船舶，意味著服務(wù)器要同時與多臺北斗終端進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊?？紤]到這種高并發(fā)問題以及數(shù)據(jù)實時采集所需的低延遲要求，采用Netty框架開發(fā)通信服務(wù)器。Netty使用了IO多路復(fù)用技術(shù)，能夠在同一線程中處理多條消息的收發(fā)，在減少計算機(jī)資源消耗的同時具備更高的吞吐量，從而實現(xiàn)高并發(fā)訪問，滿足數(shù)據(jù)采集的開發(fā)要求[8]。

1.2 定位數(shù)據(jù)的存儲

由于定位模塊數(shù)據(jù)上傳頻率很高，并且船舶數(shù)量眾多，因此定位數(shù)據(jù)的體量將非常龐大。定位數(shù)據(jù)有如下特點(diǎn)：1)帶有時間屬性，數(shù)據(jù)量不斷遞增；2)以新增為主，無更新、刪除操作；3)數(shù)據(jù)存儲寫入并發(fā)高。這樣的數(shù)據(jù)稱為“時序數(shù)據(jù)”，常規(guī)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫對于大量的時序數(shù)據(jù)處理能力較低，為了提高數(shù)據(jù)庫的讀寫與存儲能力，采用阿里云的時序數(shù)據(jù)庫(TSDB)來存儲定位數(shù)據(jù)。

原始位置數(shù)據(jù)錄入TSDB后，定時從TSDB中拉取位置數(shù)據(jù)做抽稀處理。因為定位模塊的采集頻率高(最高可達(dá)1 s)，而管理平臺需要的頻率只需維持在30 s即可，因此將數(shù)據(jù)抽稀后再寫入業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫中，再基于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫提供船舶實時位置與歷史軌跡查詢的服務(wù)，供管理平臺使用。圖4為本文北斗定位數(shù)據(jù)的采集流程。

圖4 北斗定位數(shù)據(jù)采集流程

2 基于北斗定位的疏浚施工智能監(jiān)管

基于常規(guī)定位數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)實時定位、歷史軌跡查詢等基礎(chǔ)功能。當(dāng)數(shù)據(jù)的精度和頻率提高時，借助GIS技術(shù)與智能算法，可以實現(xiàn)更多自動化監(jiān)管功能(表1)。

表1 高經(jīng)度北斗定位與常規(guī)定位可實現(xiàn)功能對比

GIS技術(shù)可以將空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為地圖圖形，為用戶瀏覽和分析地理數(shù)據(jù)提供方便?？臻g關(guān)系的拓?fù)潢P(guān)系判斷是GIS技術(shù)中一個非常重要的分析功能，二維空間中2個對象可實現(xiàn)的空間關(guān)系有8種(圖5)。利用空間關(guān)系判斷可以對船舶位置進(jìn)行分析，如是否在預(yù)先規(guī)劃的通行區(qū)域內(nèi)，是否通過預(yù)先設(shè)置的范圍。對挖泥船和吹泥船點(diǎn)位置做緩沖區(qū)，判斷運(yùn)泥船與緩沖區(qū)的空間關(guān)系，可以分析出運(yùn)泥船的工作狀態(tài)。

圖5 二維空間拓?fù)潢P(guān)系

2.1 挖運(yùn)吹全流程自動監(jiān)管

挖運(yùn)吹自動監(jiān)管需要實現(xiàn)的功能有：確保船舶在規(guī)劃范圍內(nèi)航行(電子圍欄)、自動判定船舶的挖運(yùn)吹狀態(tài)、自動計算疏浚斷面里程、自動記錄靠離泊關(guān)鍵點(diǎn)。若要實現(xiàn)以上自動監(jiān)管功能，需要先將疏浚航道范圍、里程信息、關(guān)鍵水閘區(qū)域配置到監(jiān)管系統(tǒng)中作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

為了確保船舶是在指定范圍內(nèi)航行，在每次獲取到最新的船舶數(shù)據(jù)時，將位置點(diǎn)和規(guī)劃的行駛范圍(河道邊界的面數(shù)據(jù))做二維空間拓?fù)浞治?，若點(diǎn)不在面內(nèi)則表示船舶離開了指定范圍。

挖運(yùn)吹狀態(tài)判定的對象是運(yùn)泥船，當(dāng)運(yùn)泥船停留在挖泥點(diǎn)范圍內(nèi)時，可以判定為正在裝泥；而當(dāng)它停留在吹泥點(diǎn)范圍內(nèi)時，可以判定為正在吹泥。但是在疏浚施工過程中，挖泥點(diǎn)與吹泥點(diǎn)會發(fā)生變化，無法預(yù)先配置。在實際進(jìn)行挖運(yùn)吹狀態(tài)判定時還需要結(jié)合挖泥船與吹泥船的實時數(shù)據(jù)。將運(yùn)泥船最新位置數(shù)據(jù)與所有挖泥船的最新位置數(shù)據(jù)做拓?fù)浞治?，設(shè)定在某艘挖泥船的緩沖區(qū)內(nèi)(參考船舶平均長度)停留一定時間(參考平均裝泥時間)，則判定該運(yùn)泥船處于裝泥狀態(tài)。同理對所有的吹泥船分析，設(shè)定在某艘吹泥船的緩沖區(qū)內(nèi)停留一定時間(參考平均卸泥時間)，判定該運(yùn)泥船處于吹泥狀態(tài)；已處于裝泥狀態(tài)運(yùn)泥船離開挖泥船后，未處于任何吹泥船緩沖區(qū)內(nèi)，則判定處于運(yùn)泥狀態(tài)。

疏浚斷面里程自動計算是在運(yùn)泥船被判定為裝泥狀態(tài)時，根據(jù)航道里程軸線數(shù)據(jù)與挖泥船所在位置進(jìn)行GIS中的線性參考分析，可以計算出對應(yīng)的里程數(shù)據(jù)。

水閘的靠泊離泊自動記錄是將運(yùn)泥船位置與水閘區(qū)域面進(jìn)行二維空間拓?fù)浞治觯谶\(yùn)泥船首次處于水閘范圍內(nèi)時，則判定運(yùn)泥船進(jìn)入水閘；在運(yùn)泥船首次離開水閘時，則判定其為離開狀態(tài)。

2.2 挖運(yùn)吹三聯(lián)工單自動生成

在傳統(tǒng)疏浚施工船舶管理中，需要手動填寫疏浚工單，記錄裝泥、卸泥和經(jīng)過關(guān)鍵點(diǎn)的時間等，需要同時處理大量的數(shù)據(jù)，無法保證數(shù)據(jù)的可靠性。

在挖運(yùn)吹全流程自動監(jiān)管的基礎(chǔ)上，在運(yùn)泥船進(jìn)入裝泥狀態(tài)時就可自動生成一條新的工單數(shù)據(jù)，記錄裝泥點(diǎn)信息。在船舶靠泊離泊水閘時可自動填寫時間。在船舶進(jìn)入吹泥狀態(tài)時記錄吹泥點(diǎn)信息，完成一條工單。工單自動生成流程見圖6。

圖6 挖運(yùn)吹三聯(lián)工單自動生成流程

3 工程應(yīng)用實例

蘇州河(真北路—蕰藻浜)底泥疏浚工程是“蘇四期”工程的子項目，底泥疏浚量為172萬m3。工程東起真北路，西至蕰藻浜，干流河道中心線長22.15 km，共涉及長寧、普陀、閔行、青浦和嘉定五區(qū)。該工程于2019年上半年開工建設(shè)，于2020年底完成。項目使用了112個帶有CORS功能的北斗，并開展了相關(guān)業(yè)務(wù)層應(yīng)用開發(fā)。

3.1 實時定位

所有船舶均裝載了北斗定位模塊，在可視化平臺上可以顯示所有船舶的實時位置(圖7)，并且能夠自動刷新數(shù)據(jù)，讓使用者能及時掌握整體施工情況。

圖7 船舶信息彈窗

3.2 船舶歷史軌跡展示

實時軌跡存儲后，可通過可視化頁面查看歷史軌跡，相比于傳統(tǒng)的定位手段，北斗可將歷史軌跡點(diǎn)間距維持在30 s，大幅提高了軌跡追溯的準(zhǔn)確性(圖8)。

圖8 船舶歷史軌跡查詢結(jié)果

3.3 電子圍欄報警與追溯查詢

基于船舶實時位置數(shù)據(jù)和施工范圍的空間分析結(jié)果，可以即時得知船舶離開了預(yù)先規(guī)定的行駛范圍，從而在平臺中顯示電子圍欄報警信息。點(diǎn)擊信息將定位至越界位置，并顯示越界時間(圖9)。

圖9 電子圍欄預(yù)警與追溯查詢

3.4 自動工單填報

基于關(guān)鍵位置數(shù)據(jù)與船舶位置數(shù)據(jù)，利用自動算法，實現(xiàn)挖運(yùn)吹工單的自動填報。工單具備編輯功能，可對自動生成的工單進(jìn)行審核修改，完善工單的準(zhǔn)確度。項目最終生成4 838條自動工單，大幅提高了現(xiàn)場的數(shù)字化應(yīng)用效能(圖10)。

圖10 自動工單填報

4 結(jié)論

1)在疏浚施工過程中，及時掌控船隊所有船舶的施工狀態(tài)與整體施工進(jìn)度是工程管理的重點(diǎn)和難點(diǎn)。內(nèi)河船舶AIS位置數(shù)據(jù)和人工填報工單的方式已經(jīng)無法滿足項目上對于大量船舶及時控管和工作量統(tǒng)計的需求。將船載北斗定位技術(shù)運(yùn)用于疏浚船舶管理，可以提高施工管理水平，實現(xiàn)疏浚施工管理的數(shù)字化、精細(xì)化、智能化。

2)北斗定位技術(shù)是本研究的基礎(chǔ)，也是我國自主研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在疏浚行業(yè)的一次成功應(yīng)用。船載定位模塊為管理平臺展示、分析船舶施工情況提供了穩(wěn)定、可靠的數(shù)據(jù)來源。

3)基于高精度高頻率的北斗定位數(shù)據(jù)，利用GIS技術(shù)中的空間關(guān)系判斷實現(xiàn)了挖運(yùn)吹全流程的自動監(jiān)管，充分體現(xiàn)了管理平臺的智能化，為管理人員對船舶疏浚過程的監(jiān)督、回溯、優(yōu)化提供了科學(xué)及時的決策依據(jù)。

4)研究成果在“蘇四期”底泥疏浚項目中得到成功應(yīng)用，基于北斗定位的疏浚船舶管理技術(shù)可以為同類工程實現(xiàn)自動化管理提供示范與參考。